神秘的50歐姆阻抗:它的來(lái)源和我們?yōu)槭裁词褂盟?/h1>

當我們談?wù)撋漕l/高速PCB設計中的S參數、阻抗匹配、傳輸線(xiàn)和其他基本概念時(shí),50歐姆阻抗的概念層出不窮。瀏覽互聯(lián)網(wǎng)上的信令標準、組件數據表、應用說(shuō)明和設計指南;這是一個(gè)反復出現的阻抗值。那么50歐姆阻抗標準從何而來(lái),為什么它很重要?孤立地看,選擇50歐姆阻抗似乎完全是任意的:為什么不選擇10歐姆或100歐姆呢?
答案主要取決于你問(wèn)誰(shuí)。射頻社區,特別是電纜設計師,有最好的答案,他們對同軸電纜的分析支持了他們的解釋。除了一位專(zhuān)家的參考資料,我從來(lái)沒(méi)有看到過(guò)這種討論是關(guān)于PCB上發(fā)生的事情的,但是PCB的答案與常見(jiàn)邏輯電路的內部結構和電氣特性有關(guān)。如果你已經(jīng)準備好上歷史課了50歐姆的阻抗值,那就繼續讀吧。我們甚至會(huì )研究75歐姆的標準,看看我們能學(xué)到什么關(guān)于射頻互連的信號和功率傳輸。
同軸電纜和50歐姆阻抗的歷史50歐姆阻抗的歷史可以追溯到20世紀20年代末30年代初,當時(shí)電信業(yè)還處于初級階段。工程師們正在為設計輸出千瓦功率的無(wú)線(xiàn)電****機設計充氣同軸電纜。這些電纜也將跨越很長(cháng)的距離,達到數百英里。這意味著(zhù)電纜需要設計成最高功率傳輸、最高電壓和最低衰減。應該使用哪種阻抗來(lái)滿(mǎn)足這三個(gè)目標?
事實(shí)證明,這三個(gè)目標是不可能平衡的,就像在許多其他設計問(wèn)題中一樣。
最低損耗:這取決于同軸電纜內部介質(zhì)的損耗。對于充氣同軸電纜,在大約77歐姆時(shí)會(huì )出現這種情況,對于某些介質(zhì)填充電纜,這種情況大約為50歐姆(更多信息請參見(jiàn)下文)。
最高電壓:這是基于中心導體和充氣同軸電纜側壁之間的電場(chǎng)。當導體的阻抗約為60歐姆時(shí),TE10模式下的電場(chǎng)最大。
最高功率傳輸:任何尺寸的同軸電纜都可能足夠長(cháng),可以像傳輸線(xiàn)一樣支持波的傳播。同軸電纜承載的功率受擊穿場(chǎng)和電纜阻抗的限制:V2/Z。結果表明,對于在TE11截止值以下工作的充氣同軸電纜,功率傳輸在大約30歐姆時(shí)最大。
下圖顯示了損耗和功率之間的權衡。下面的文件由Wikimedia提供,但是您可以從許多其他參考資料中找到類(lèi)似的圖形。您也可以使用阻抗、銅粗糙度/集膚效應和介電吸收并為同軸電纜生成類(lèi)似的圖形。功率計算需要對基波傳播模式和特性阻抗進(jìn)行全解。

關(guān)于上圖,需要了解的一點(diǎn)是,介質(zhì)色散通常不包括在內,并且在較高的頻率下會(huì )影響結果。在計算這些曲線(xiàn)時(shí),色散(Dk值和損耗切線(xiàn))被認為具有平坦的色散,這可能與您的頻率范圍內的實(shí)際情況不符。然而,這條曲線(xiàn)給了我們一個(gè)很好的解釋?zhuān)瑸槭裁磿?huì )把重點(diǎn)放在50歐姆阻抗上。
妥協(xié)還是絕緣?這個(gè)問(wèn)題的快速答案是50歐姆是最小損耗、最大功率和最大電壓對應的阻抗之間最小的折衷。事實(shí)上,50歐姆非常接近77到30歐姆之間的平均值,接近60歐姆,所以很自然地假設這就是50歐姆阻抗標準的原因。然而,人們可能會(huì )注意到,聚四氟乙烯填充同軸電纜的最小損耗阻抗只有大約50歐姆,所以這似乎是另一個(gè)自然的解釋?zhuān)?/span>
75歐姆阻抗呢?事實(shí)證明,電壓值不那么重要;要么你擔心攜帶能量,盡量減少損失,要么試圖平衡兩者。帶有空氣或低Dk介質(zhì)填充物的低成本同軸電纜可以在長(cháng)距離電纜中達到77歐姆的阻抗,但是為什么要舍入到75歐姆而不是使用77歐姆,對我來(lái)說(shuō)仍然是個(gè)謎。人們會(huì )認為75歐姆是一個(gè)很好的四舍五入的數字,很容易記住,而一篇關(guān)于微波爐101的外部文章聲稱(chēng)這是有意設計的。在鋼芯同軸電纜中,直徑稍微過(guò)大,以提供額外的靈活性,因此阻抗將達到75歐姆。不管這是不是真的,我不能證實(shí),但我歡迎任何人請在LinkedIn上聯(lián)系我并給出答案 !
參考阻抗變換在處理高速或高頻信道時(shí),我們通常使用S參數測量作為重要的信號完整性度量。這些是根據一些參考阻抗定義的,通常取上述值之一(50或75歐姆),因為您可能正在與高速/RF系統中的其中一種介質(zhì)接口。我更愿意把參考阻抗看成是你想要的終端阻抗;每個(gè)端口的阻抗為75或50歐姆S參數測量向你展示你在設計中是如何偏離這個(gè)目標的。
如果您的PCB上有一個(gè)互連的測量S參數矩陣,您可以通過(guò)以下轉換將其轉換為新的S參數矩陣:

具有兩個(gè)不同參考阻抗的S參數矩陣之間的變換。
這有助于了解當您切換參考介質(zhì)(例如,75至50歐姆阻抗電纜)時(shí),S參數的變化情況。通過(guò)使用“參考介質(zhì)”一詞,我們將DUT/互連與理想化的50/75歐姆電纜、50/75歐姆端口或其他輸入阻抗為50/75歐姆的組件進(jìn)行比較。
無(wú)論您需要設計為50歐姆阻抗或其他值,PCB布局功能Altium Designer ?包括高速設計和射頻設計所需的工具。您可以訪(fǎng)問(wèn)Simberian的三維場(chǎng)求解器在Layer Stack Manager中實(shí)現PCB堆棧中的阻抗控制。
*博客內容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布,僅代表博主個(gè)人觀(guān)點(diǎn),如有侵權請聯(lián)系工作人員刪除。

當我們談?wù)撋漕l/高速PCB設計中的S參數、阻抗匹配、傳輸線(xiàn)和其他基本概念時(shí),50歐姆阻抗的概念層出不窮。瀏覽互聯(lián)網(wǎng)上的信令標準、組件數據表、應用說(shuō)明和設計指南;這是一個(gè)反復出現的阻抗值。那么50歐姆阻抗標準從何而來(lái),為什么它很重要?孤立地看,選擇50歐姆阻抗似乎完全是任意的:為什么不選擇10歐姆或100歐姆呢?
答案主要取決于你問(wèn)誰(shuí)。射頻社區,特別是電纜設計師,有最好的答案,他們對同軸電纜的分析支持了他們的解釋。除了一位專(zhuān)家的參考資料,我從來(lái)沒(méi)有看到過(guò)這種討論是關(guān)于PCB上發(fā)生的事情的,但是PCB的答案與常見(jiàn)邏輯電路的內部結構和電氣特性有關(guān)。如果你已經(jīng)準備好上歷史課了50歐姆的阻抗值,那就繼續讀吧。我們甚至會(huì )研究75歐姆的標準,看看我們能學(xué)到什么關(guān)于射頻互連的信號和功率傳輸。
同軸電纜和50歐姆阻抗的歷史50歐姆阻抗的歷史可以追溯到20世紀20年代末30年代初,當時(shí)電信業(yè)還處于初級階段。工程師們正在為設計輸出千瓦功率的無(wú)線(xiàn)電****機設計充氣同軸電纜。這些電纜也將跨越很長(cháng)的距離,達到數百英里。這意味著(zhù)電纜需要設計成最高功率傳輸、最高電壓和最低衰減。應該使用哪種阻抗來(lái)滿(mǎn)足這三個(gè)目標?
事實(shí)證明,這三個(gè)目標是不可能平衡的,就像在許多其他設計問(wèn)題中一樣。
最低損耗:這取決于同軸電纜內部介質(zhì)的損耗。對于充氣同軸電纜,在大約77歐姆時(shí)會(huì )出現這種情況,對于某些介質(zhì)填充電纜,這種情況大約為50歐姆(更多信息請參見(jiàn)下文)。
最高電壓:這是基于中心導體和充氣同軸電纜側壁之間的電場(chǎng)。當導體的阻抗約為60歐姆時(shí),TE10模式下的電場(chǎng)最大。
最高功率傳輸:任何尺寸的同軸電纜都可能足夠長(cháng),可以像傳輸線(xiàn)一樣支持波的傳播。同軸電纜承載的功率受擊穿場(chǎng)和電纜阻抗的限制:V2/Z。結果表明,對于在TE11截止值以下工作的充氣同軸電纜,功率傳輸在大約30歐姆時(shí)最大。
下圖顯示了損耗和功率之間的權衡。下面的文件由Wikimedia提供,但是您可以從許多其他參考資料中找到類(lèi)似的圖形。您也可以使用阻抗、銅粗糙度/集膚效應和介電吸收并為同軸電纜生成類(lèi)似的圖形。功率計算需要對基波傳播模式和特性阻抗進(jìn)行全解。

關(guān)于上圖,需要了解的一點(diǎn)是,介質(zhì)色散通常不包括在內,并且在較高的頻率下會(huì )影響結果。在計算這些曲線(xiàn)時(shí),色散(Dk值和損耗切線(xiàn))被認為具有平坦的色散,這可能與您的頻率范圍內的實(shí)際情況不符。然而,這條曲線(xiàn)給了我們一個(gè)很好的解釋?zhuān)瑸槭裁磿?huì )把重點(diǎn)放在50歐姆阻抗上。
妥協(xié)還是絕緣?這個(gè)問(wèn)題的快速答案是50歐姆是最小損耗、最大功率和最大電壓對應的阻抗之間最小的折衷。事實(shí)上,50歐姆非常接近77到30歐姆之間的平均值,接近60歐姆,所以很自然地假設這就是50歐姆阻抗標準的原因。然而,人們可能會(huì )注意到,聚四氟乙烯填充同軸電纜的最小損耗阻抗只有大約50歐姆,所以這似乎是另一個(gè)自然的解釋?zhuān)?/span>
75歐姆阻抗呢?事實(shí)證明,電壓值不那么重要;要么你擔心攜帶能量,盡量減少損失,要么試圖平衡兩者。帶有空氣或低Dk介質(zhì)填充物的低成本同軸電纜可以在長(cháng)距離電纜中達到77歐姆的阻抗,但是為什么要舍入到75歐姆而不是使用77歐姆,對我來(lái)說(shuō)仍然是個(gè)謎。人們會(huì )認為75歐姆是一個(gè)很好的四舍五入的數字,很容易記住,而一篇關(guān)于微波爐101的外部文章聲稱(chēng)這是有意設計的。在鋼芯同軸電纜中,直徑稍微過(guò)大,以提供額外的靈活性,因此阻抗將達到75歐姆。不管這是不是真的,我不能證實(shí),但我歡迎任何人請在LinkedIn上聯(lián)系我并給出答案 !
參考阻抗變換在處理高速或高頻信道時(shí),我們通常使用S參數測量作為重要的信號完整性度量。這些是根據一些參考阻抗定義的,通常取上述值之一(50或75歐姆),因為您可能正在與高速/RF系統中的其中一種介質(zhì)接口。我更愿意把參考阻抗看成是你想要的終端阻抗;每個(gè)端口的阻抗為75或50歐姆S參數測量向你展示你在設計中是如何偏離這個(gè)目標的。
如果您的PCB上有一個(gè)互連的測量S參數矩陣,您可以通過(guò)以下轉換將其轉換為新的S參數矩陣:

具有兩個(gè)不同參考阻抗的S參數矩陣之間的變換。
這有助于了解當您切換參考介質(zhì)(例如,75至50歐姆阻抗電纜)時(shí),S參數的變化情況。通過(guò)使用“參考介質(zhì)”一詞,我們將DUT/互連與理想化的50/75歐姆電纜、50/75歐姆端口或其他輸入阻抗為50/75歐姆的組件進(jìn)行比較。
無(wú)論您需要設計為50歐姆阻抗或其他值,PCB布局功能Altium Designer ?包括高速設計和射頻設計所需的工具。您可以訪(fǎng)問(wèn)Simberian的三維場(chǎng)求解器在Layer Stack Manager中實(shí)現PCB堆棧中的阻抗控制。
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