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射频里为什么用50欧姆?

2022-06-14 射频学堂 阅读:
在射频电路中经常会用到各种接口的射频器件(SMA、SMP、BNC等等),因此,就需要使用各种接口的射频cable线或者连接器将这些射频器件和设备连接一起。不过,不管是什么接口类型,你知道它们都是50欧

在射频电路中经常会用到各种接口的射频器件(SMA、SMP、BNC等等),因此,就需要使用各种接口的射频cable线或者连接器将这些射频器件和设备连接一起。不过,不管是什么接口类型,你知道它们都是50欧姆(Ω)的吗?还有我们用到的信号源、频谱分析仪、网络分析仪等等这些仪器的端口都是50欧姆的。这里大家是否还有些疑惑,为什么这么多器件或设备的接口怎么统统都是选择50欧姆呢?带着这些问题我们开始本文的学习。lzcednc

为什么要选择50欧姆?

我们先了解一下传输线的相关知识,传输线是用来传播信号能量的,它有很多种类,比如,同轴电缆、微带线、带状线等等。常见的射频电缆就是同轴电缆,一般它是由内导体、介质、外导体和护套组成,不过还有一些会有多层屏蔽层和保护层。lzcednc

下面是常见的同轴电缆的结构示意图:lzcednc

同轴线缆

信号的最大功率的传输和最小信号的反射由传输线的阻抗和系统中的阻抗匹配决定,传输线的阻抗我们称为特性阻抗特征阻抗。特征阻抗可以用下面的公式表示:lzcednc

其中,lzcednc

  • D:外导体内径;
  • d: 内导体外径;
  • ε:填充介质的介电常数;
  • ks:内导体系数,与内导体结构有关。

从公式中我们可以知道,特征阻抗和传输线内外导体的尺寸和填充介质的介电常数有关,通过这三个参数就可以控制特性阻抗。lzcednc

传输线是用来传输能量的,它对最大的承受功率也有一定的要求,最大的承受功率也是跟内外导体的尺寸有关,也就是跟特性阻抗有关。lzcednc

其中,lzcednc

  • E:电场强度,当其达到一定强度时时就会发生击穿;
  • D:外导体内径;
  • d: 内导体外径。

因此,为了能够保证信号功率的最大容量传输和避免信号功率的损耗,需要选择一个合适特性阻抗。lzcednc

这里又要提到大名鼎鼎的贝尔实验室,贝尔实验室在不同参数的同轴电缆上做了很多实验,发现同轴电缆其特征阻抗在30欧姆时承受的信号功率最大,而在77欧姆时信号的损耗最小。lzcednc

损耗和阻抗曲线图
最大承受功率和阻抗曲线图

为了兼顾最小损耗和最大功率容量,于是就在77欧姆和30欧姆之间,折中选择一个50欧姆的特征阻抗,因此,大家都约定俗成的统一选择50欧姆作为特征阻抗了lzcednc

这也就是在一般的射频器件或者设备中,我们会发现的输入或输出口的阻抗也基本上都是50欧姆的原因。因此,射频电路中也都是按照50欧姆的阻抗匹配来进行设计。lzcednc

另外一点需要注意,这里的阻抗并不是指的其内部导线的电阻是50欧姆。如果用一个万用表在导线的两边测量电阻,你会发现它的读数是0。实际上,它是指的是整个传输线系统的阻抗来说的,我们可以将传输线看做n个电阻、电容、电感组成的电路,我们可以用下面的等效电路表示:lzcednc

同轴线等效电路

为什么需要阻抗匹配?

回到这个问题之前,我们先看一下什么是阻抗?lzcednc

电路中的电阻、电感和电容都会对电流起阻碍作用,我们把对电路中的电流所起的阻碍作用叫做阻抗。lzcednc

阻抗有两部分组成分别是电阻和电抗,电抗又可以分成感抗和容抗。阻抗还可以用一个复数表示,电阻作为复数的实部,电抗作为复数的虚部。lzcednc

其中:lzcednc

  • Z是阻抗
  • X是电抗
  • R是电阻
  • wL是感抗
  • 1/wC是容抗
  • f是信号的频率
  • ω 是角频率

从阻抗的公式上,我们可以看出对于理想的纯电阻来说,其电阻是跟信号的频率无关的。但是实际上,任何电路都有电阻、电感和电容,对于感抗和容抗的大小来说是跟频率有关的。因此,对于高频信号来说,电路或系统中的感抗和容抗是不可忽视的。lzcednc

射频属于高频信号,它不同于低频信号,往往除了要考虑电阻以外,还必须考虑电路中的感抗和容抗。对于低频电路而言,电路中传输的是电流、电压等波形,而射频电路需要将功率从发射端传输到接收端。在功率从一个电路传输到另一个电路过程中就需要尽量保证信号的功率和质量。如何才能保证这些,其中最重要的就是做好电路的阻抗匹配,也就是说要正确的匹配输入电路和输出电路的阻抗。lzcednc

我们可以拿水管和水龙头的关系来理解,水管就像是输出电路,水龙头可以当作输入电路,水就是传输的信号。在安装时,我们势必要保证水管和水龙头的接口互相匹配,这样水才能自然的从水管流到水龙头不会有漏水的现象,倘若有一方的接口偏大或偏小都会有漏水的情况出现。lzcednc

同样的,对于射频电路也是如此,不过,射频电路的接口部分需要的是阻抗匹配。如果射频电路接口部分没有正确匹配,信号就会在接口处来回反射,传输到另外一个电路的信号功率就会减小。由于高频信号的波长较短,反射信号也会和原始信号进行叠加,这也会导致信号的失真,信号质量变差。另外,外界也会有干扰信号进入电路。这样如果没有正确的阻抗匹配,就无法正确的传输射频信号了。lzcednc

阻抗匹配

有放大器调试经验的同学应该有遇到这种情况,在有放大器电路的中,如果放大器端口的匹配没有做好就会有自激的现象出现。这也是为什么我们经常会在有射频放大器两端加上衰减器的原因,除了衰减大信号之外,还能防止由于放大器端口的阻抗不匹配造成自激。lzcednc

最后

在射频电路或射频系统中,阻抗匹配是一项关键性的工作,匹配的好坏影响着直接系统或电路的信号的传输,对系统或电路的性能有着非常大的影响。通常,阻抗匹配的调试是占用射频工程师比较大工作量的一项工作。lzcednc

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