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传输线的特性阻抗:75Ω还是50Ω?

2023-10-19 16:44:55 BILL SCHWEBER 阅读:
两种最常用的“标准”阻抗是50Ω和75Ω,为何如此?它们各自的作用又是什么?

刚入门的电子工程师必须掌握的问题之一就是阻抗和阻抗匹配的概念,特别是与传输线、电缆和连接器有关的概念。此FAQ(常见问题解答)涉及两种最常用的“标准”阻抗50Ω和75Ω,那么为何如此?它们各自的作用又是什么?qUDednc

同轴电缆和传输线之间有着明显的关系。同轴电缆等传输线似乎是简单的无源组件,仅由内导体和外导体或屏蔽层组成,如图1(上图)所示。qUDednc

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图1同轴电缆原理图(上)没有给出其等效电路模型(下)的任何提示。qUDednc

来源:Circuit Design Inc.qUDednc

简单地说,它只是一个被360°屏蔽完全包围的导体(电线),用于限制从中心导体电线辐射出的电磁能,同时也防止外部能量撞击到电线上。但同轴电缆/传输线的情况远不止这些。qUDednc

当然,更重要的是,尽管物理上只有两个导体(中心线和屏蔽层),但对于信号源或发射器来说电缆似乎是由分布电感和电容构成的,如图1(下图)中的等效电路所示。同轴电缆充当波导,既用于支持电磁能的传播又会限制电磁能。qUDednc

50Ω还是75Ω?

传输线具有特性阻抗,通常表示为Zo。根据导体尺寸、内部间隔以及电缆内导体和外屏蔽之间间隔绝缘体的介电特性,电缆的特性阻抗可以有多种可能的值,最常见的值为50Ω或75Ω。qUDednc

当射频工程师考虑其项目传输线的阻抗时,他们可能会自动假设所有这些线路的标称阻抗均为50Ω。这是有道理的,因为当今的大部分射频设计工作都是围绕这个值进行的。它并不是一个随机的数字,从技术上使用50Ω有充分的理由。qUDednc

然而,也有许多RF应用的传输线阻抗为75Ω。而这些应用大多与视频信号和有线电视有关,会用75Ω传输线完成许多相关功能,例如楼宇范围内的分配放大器。对于这些领域的设计人员和终端用户来说,75Ω是“正常”阻抗,而50Ω是个奇怪的值(现在您甚至可以在美国家得宝和类似的大型商场买到75Ω电缆)。qUDednc

使用两种截然不同的阻抗引发了一些有趣的问题:为什么会有两种标准阻抗?哪个“更好”,好在哪里,以什么方式体现?为什么会有这些值?选择使用哪个真的很重要吗?如果重要的话,具体表现在哪些方面?qUDednc

这些同轴电缆及其连接器看似简单,但是它们并不仅仅只是一个带有环绕屏蔽层的实心内导体,同轴电缆实际上是一种尺寸精确的电磁能波导(图2)。qUDednc

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图2同轴电缆的物理结构在概念上很简单,但它实际上是一个由精心指定的材料制成的尺寸精细的组件。qUDednc

来源:Elsevier/Science DirectqUDednc

选择正确的阻抗

阻抗问题的答案既有历史原因又有技术原因。这要从Lloyd Espenscheid和Herman Affel所做的工作说起,他们于1929年在著名的贝尔实验室工作时开发并解析了第一根同轴电缆(美国专利号,U.S. Patent 1,835,031,“Concentric Conducting System”)。qUDednc

他们的目标是找到一种传输介质来传播4MHz信号(在早期的长途电话时代,这是一个非常宽的带宽),需要这种信号在数百英里内传输大约1,000个带宽有限的模拟语音呼叫。要做到这一点,就需要一条既能承受高电压又能承受高功率的传输线。qUDednc

两位研究人员分析了衰减、额定电压和额定功率等关键传输线参数,并得到了一张重要的图表和相关结论(图3)。qUDednc

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图3关键的传输线参数包括衰减、额定电压和额定功率,每个参数在不同的阻抗下都有一个最佳值。qUDednc

来源:EEVblog电子社区论坛qUDednc

分析研究了阻抗函数的三个特性的性能:qUDednc

  1. 衰减(损耗)很大程度上取决于电缆中的电介质。对于Affel和Espenscheid分析的充气同轴电缆,最低损耗约为77Ω,而某些电介质的损耗约为50Ω。
  2. 电压最大值是同轴外导体和内导体之间的电场强度的函数。对于在TE10电磁场(EM)波导模式下支持RF信号的同轴电缆,在大约60Ω时电场值最大。
  3. 功率处理能力由击穿电场和阻抗(V2/Z)决定,对于工作在TE11模式截止频率以下的充气同轴电缆,功率传输在30Ω左右时达到最大值。

那么,什么才是最佳值呢?与大多数工程决策一样,不存在“理想”的阻抗值,相反,最好的选择需要反复权衡。对于发射器或线路驱动器等信号源的输出,50Ω值是功率和电压的良好折衷方案。相反,对于以低衰减为主要目标的情况,例如来自天线或模拟视频链路的低电平信号,75Ω是更好的选择。qUDednc

75Ω是理想的阻抗还有其他原因。标准半波偶极子天线在其谐振频率下的“自然”阻抗为73Ω,而广泛使用的折叠偶极子天线的阻抗为300Ω。这意味着75Ω几乎可以与较大的偶极子完美匹配,同时使用基本的4:1巴伦也很容易将折叠偶极子与75Ω的传输线紧密匹配。qUDednc

最终分析

实际上,在单个设计中使用不同的阻抗来实现不同的目标会增加设计的复杂性。例如,几厘米的短距离内,损耗的差异可能可以忽略不计。此外,将75Ω电缆连接到50Ω电缆时,电压驻波比(VSWR)为1.5:1,这可能是一个能接受的非统一值,因为在许多低或中功率情况下,VSWR低于2:1被认为是可以接受的。qUDednc

将电缆和阻抗理论与实际应用中的同轴电缆联系起来非常困难。将电磁场理论和分析转化为实际传输线是同轴电缆的功能所在,大多数同轴电缆都有“RG”标识,RG即Radio Guide,来自于二战时最初的美国同轴电缆军用标准。qUDednc

现成的标准同轴电缆有无数种,这还不包括线轴长度。这很大程度上是因为除了阻抗之外,电缆的电气和机械性能因素还存在许多其他折衷因素。qUDednc

一般来说,较低的频率需要较大直径的电缆来适应低衰减的射频波长,而较细的电缆适用于较高的频率。对于几十千兆赫的低功率射频,同轴电缆的直径可能只有一到两毫米。同时,较细的电缆无法处理大量的射频功率,因此必须迁移到具有适当高频性能的较粗电缆上。qUDednc

设计人员要密切关注设计中使用的标称阻抗。首先,他们不应该假设系统的阻抗为50Ω,因为实际上系统可能为75Ω,反之亦然。此外,在制定最重要的物料清单(BOM)时,必须检查同轴电缆和相关连接器的阻抗值,或是指定的任何预切割和端接电缆的阻抗值。qUDednc

设计人员很容易就在无意中选择了75Ω同轴电缆,而不是预期想要的50Ω同轴电缆,反之亦然。此外,诸如经典BNC(最古老但仍在使用的连接器类型之一)之类的连接器有50Ω和75Ω两种版本,它们看起来几乎一样,只有尺寸上有细微差别。用户甚至只需稍加"压力",就能将它们接合起来。因此,虽然大多数射频设计都采用50Ω的同轴电缆和连接器,但不要忽视或忽略75Ω的同轴电缆和连接器,它们可能才是项目的正确选择,或者已经被设计好在项目中使用。qUDednc

您是否曾因使用50Ω而被绊倒或陷入困境,而应用中75Ω才是正确值,或者反之亦然?qUDednc

(原文刊登于EDN姊妹网站Planet Analog,参考链接:Transmission line design: Why not 75 ohms instead of 50 ohms?,由Ricardo Xie编译。)qUDednc

责编:Ricardo
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