Загадочный импеданс 50 Ом – откуда он взялся и почему мы его используем

Когда мы говорим об S-параметрах, согласовании импедансов, линиях передач и прочих фундаментальных понятиях проектирования радиочастотных/высокоскоростных плат, постоянно возникает понятие импеданса 50 Ом. Посмотрите стандарты передачи сигналов, даташиты компонентов, рекомендации к применению и руководства по проектированию, и вы часто будете встречать это значение. Откуда же взялся стандарт импеданса 50 Ом и почему он так важен? Если рассматривать этот вопрос в отрыве от других факторов, может показаться, что значение 50 Ом выбрано произвольно – почему бы не взять 10 или 100 Ом?

Ответ на этот вопрос во многом зависит от того, кто его задает. У проектировщиков радиочастотной техники и, в частности, проектировщиков кабелей есть лучший ответ, подтвержденный анализом коаксиальных кабелей. Мне не встречались подобные обсуждения в контексте печатных плат, за исключением одного справочника, но ответ на этот вопрос касательно плат связан с внутренней структурой и электрическими характеристиками схем общей логики. Если вы готовы к уроку истории импеданса 50 Ом, продолжайте читать эту статью. Мы также посмотрим на стандарт 75 Ом, чтобы узнать о передаче сигналов и питания в высокоскоростных межсоединениях.

История коаксиальных кабелей и импеданса 50 Ом

История импеданса 50 Ом восходит к поздним 20-ым/ранним 30-ым годам XX века, когда отрасль телекоммуникаций только зарождалась. Инженеры проектировали коаксиальные кабели с заполнением воздухом для радиопередатчиков, рассчитанных на выходную мощность порядка киловатт. Эти кабели могли протягиваться на большие расстояния, достигая сотни километров, то есть их было необходимо разрабатывать для обеспечения наибольшей передачи мощности, наибольшего напряжения и наименьшего затухания. Какой импеданс следует использовать для соответствия этим трем требованиям?

Оказывается, что достичь баланса всех этих трех целей невозможно, как и при решении многих других задач проектирования.

• Наименьшие потери. Значение импеданса зависит от потерь во внутреннем диэлектрике коаксиального кабеля. Для кабеля с воздушным заполнением оно составляет примерно 77 Ом, для кабелей с определенным диэлектрическим заполнением – примерно 50 Ом (подробнее об этом ниже).
• Наибольшее напряжение. Оно зависит от электрического поля между внутренним проводником и экраном в коаксиальном кабеле с воздушным заполнением. Электрическое поле моды TE10 максимально, если проводник сконструирован таким образом, что его импеданс составляет примерно 60 Ом.
• Наибольшая передача мощности. Коаксиальные кабели любого размера могут быть такой длины, чтобы выступать в роли линии передачи и обеспечивать распространение волны. Мощность, передаваемая коаксиальным кабелем, ограничена полем пробоя и импедансом кабеля: V2/Z. Оказывается, что для коаксиальных кабелей, работающих ниже частоты среза TE11, передача мощности достигает максимума примерно на 30 Ом.

На графике ниже показано соотношение между потерями и мощностью. Этот файл взят с Wikimedia, но вы можете найти похожие графики во множестве других справочников. Вы также можете рассчитать потери на основе импеданса, шероховатости меди/скин-эффекта и диэлектрических потерь и построить схожий график специально для коаксиальных кабелей. Для расчета мощности необходимо полное решение для основной моды и характеристического импеданса.

Касательно этого графика нужно понимать, что диэлектрическая дисперсия обычно не учитывается и что она будет влиять на результаты на более высоких частотах. При расчете этих графиков предполагается, что значения Dk и тангенс угла потерь имеет плоскую дисперсию, которая может не соответствовать действительности в определенном частотном диапазоне. Однако кривая дает нам хорошее представление о том, почему именно импеданс 50 Ом находится в приоритете.

Компромисс или диэлектрик?

Если отвечать кратко, то 50 Ом – это наименее плохой компромисс между значениями импеданса, соответствующими минимальным потерям, максимальной мощности и максимальному напряжению. Действительно, значение 50 Ом находится примерно посередине между 77 и 30 Ом и оно ближе к 60 Ом, так что было бы естественно предположить, что это и есть причина, по которой 50 Ом является стандартом для импеданса. Однако также можно отметить, что импеданс с минимальными потерями в коаксиальном кабеле с фторопластовым заполнением как раз находится около значения 50 Ом, что тоже кажется разумным объяснением!

Что насчет импеданса 75 Ом?

Оказывается, что значение напряжения не столь существенно – либо нужно учитывать переносимую мощность или минимизацию потерь, либо пытаться сбалансировать оба этих фактора. Бюджетные коаксиальные кабели с воздушным или диэлектрическим заполнением с малым Dk могут обеспечивать сопротивление 77 Ом для длинных кабелей, но причина округления до 75 Ом вместо 77 Ом всё ещё остается для меня загадкой. Можно подумать, что 75 Ом – это округленное число, которое легко запомнить, хотя есть статья по основам микроволн, где утверждается, что это значение выбрано намеренно. В коаксиальных кабелях со стальным центральным проводником диаметр немного увеличен, что обеспечивает некоторую дополнительную гибкость, и импеданс может выйти за пределы 75 Ом. Правда это или нет, я не могу подтвердить – если вы знаете ответ, пожалуйста, сообщите мне в LinkedIn!

Преобразование эталонных импедансов

При работе с высокоскоростными или высокочастотными каналами мы обычно используем измерения S-параметров в качестве важных показателей целостности сигналов. Эти величины определяются относительно некоторого эталонного импеданса, за значение которого обычно берется одно из представленных выше (50 или 75 Ом), поскольку вы можете взаимодействовать с одним из этих медиашлюзов в своей высокочастотной/РЧ-системе. Я предпочитаю рассматривать эталонный импеданс относительно необходимого оконечного импеданса – вы стремитесь получить 75 или 50 Ом на каждом порте, и измерения S-параметров покажут вам, насколько вы отклонились от своей цели в конструкции.

Если у вас есть матрица измеренных S-параметров для межсоединения в вашей плате, вы можете преобразовать ее в новую матрицу S-параметров следующим образом:

Это может быть полезным для понимания того, как S-параметры могут измениться при переключении опорного медиашлюза (например, при переключении между 75- и 50-омным кабелем). С помощью термина “опорный медиашлюз” мы проводим сравнение между нашим проверяемым устройством/межсоединением и идеализированным 50/75-омным кабелем, 50/75-омным портом или другим компонентом с 50/75-омным входным импедансом.

Если вам понадобится спроектировать устройство под 50 Ом или какой-либо другой импеданс, функциональные возможности конструирования плат в Altium Designer® позволят вам использовать инструменты для проектирования высокоскоростных и радиочастотных конструкций. Вы можете использовать 3D-решатель полей от Simberian, встроенный в Layer Stack Manager, для реализации контроля импеданса в стеке платы.

Если вы завершили проект и хотите передать его другим участникам, платформа Altium 365™ позволит упростить взаимодействие с другими проектировщиками. Мы рассмотрели только малую часть того, что возможно в Altium Designer с Altium 365. Вы можете перейти на страницу продукта для более подробного изучения или посмотреть один из наших вебинаров в записи.