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合适连接器带你了解射频连接器特性阻抗为什么都是50Ω?

作者:admin

发布时间:2022-04-01

点击量:502

大家都知道“特性阻抗”,是射频传输线影响高频电波电压、电流的幅值和相位变化的固有特性,等于各处的电压与电流的比值,特性阻抗的单位是欧姆。那么从全世界范围来看,占主导地位的射频/微波同轴传输线阻抗都是50Ω。特别是在无线通讯领域,各种射频器件,连接器,同轴线缆cable,甚至一些射频PCB印制线都是以50Ω阻抗作为标准。这是为什么呢?

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01从生产工艺的角度

从PCB生产加工工艺角度出发,以现有的大部分PCB生产厂商的设备考虑,生产50Ω阻抗的PCB是比较容易实现的。

从阻抗计算过程可知,过低的阻抗需要较宽的线宽以及薄介质或较大的介电常数,这对于目前高密板来说空间上比较难满足。

过高的阻抗又需要较细的线宽及较厚的介质或较小的介电常数,不利于EMI及串扰的抑制,同时对于多层板及从量产的角度来讲加工的可靠性会比较差。

控制50Ω阻抗在使用常用板材(FR4、RO4350B等)、常用芯板的环境下,生产常用的板厚的产品(如0.508mm、1mm、1.2mm等),可设计常见的线宽(4~10mil),这样板厂加工起来是非常方便的,对其加工使用的设备要求也不是很高。

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02从PCB设计方面考虑

50Ω也是综合考虑之后的选择。从阻抗计算过程可知,对于宽度确定的走线,板材介质越薄,阻抗越低。3个主要的因素会影响PCB走线的阻抗。

首先,是PCB走线近区场的EMI(电磁干扰)和这个走线距参考平面的高度(即微带线到参考地的距离)是成一定的比例关系的,高度越低意味着辐射越小。

其次,串扰会随走线高度有显著的变化,把高度减少一半,串扰会减少到近四分之一。

最后,高度越低阻抗越小,不易受电容性负载影响。

03从信号全路径方面考虑

设计中还需要考虑最关键的一个因素,那就是芯片的驱动能力,在早期大多数芯片驱动不了阻抗小于50Ω的传输线,而更高阻抗的传输线由于实现起来不便,所以折中采用50Ω阻抗。

04从电气性能的角度

下面再从损耗的角度看看。在高频高速线路中有个趋肤效应。业界己经证明50Ω对于趋肤效应来说,它的损耗是最小的。通常电缆的趋肤效应损耗L(以分贝做单位)跟总的趋肤效应电阻R(单位长度)除以特性阻抗Z0成正比。

总的趋肤效应电阻R是屏蔽层和中间导体电阻之和。屏蔽层的趋肤效应电阻在高频时,和它的直径d2成反比。同轴电缆内部导体的趋肤效应电阻在高频时,和他的直径d1成反比。总共的串联电阻R,因此和(1/d2+1/d1)成正比。

综合这些因素,给定d2和相应的隔离材料的介电常数Er,可以计算出在趋肤效应损耗最小的情况下d2/d1的比值。假定固态聚乙烯的介电常数为2.25,趋肤效应损耗最小时,d2/d1=3.5911得出特性阻抗正是50Ω。

05从历史的角度

一个广为流传的故事版本,来自于HarmonBanning的《电缆:关于50Ω的来历可能有很多故事》。在微波应用的初期,二次世界大战期间,阻抗的选择完全依赖于使用的需要.对于大功率的处理,30Ω和44Ω常被使用。

另一方面,最低损耗的空气填充线的阻抗是93Ω。在那些岁月里,对于很少用的更高频率,没有易弯曲的软电缆,仅仅是填充空气介质的刚性导管。半刚性电缆诞生于50年代早期,真正的微波软电缆出现是大约10年以后了。

随着技术的进步,需要给出阻抗标准,以便在经济性和方便性上取得平衡。在美国,50Ω是一个折中的选择;为联合陆军和海军解决这些问题,一个名为JAN的组织成立了,就是后来的DESC,由MIL特别发展的欧洲选择了60Ω。

事实上,在美国最多使用的导管是由现有的标尺竿和水管连接成的,51.5Ω是十分常见的。看到和用到50Ω到51.5Ω的适配器/转换器,感觉很奇怪的最终50Ω胜出了,并且特别的导管被制造出来(也可能是装修工人略微改变了他们管子的直径)。不久以后,在象Hewlett-Packard这样在业界占统治地位的公司的影响下,欧洲人也被迫改变了。

上边说是一个故事,但是确实反映出一个事实,50Ω是一个经过大量实践后的折中产物。早期微波射频系统常用同轴线缆作为连接线,从设计角度考虑,肯定是希望经过同轴线缆传输的微波射频信号传输功率能尽量大,而传输损耗尽量的小。

大概在1929年,贝尔实验室做了很多实验和推导,最终发现对于同轴线缆,当同轴线特征阻抗为30Ω时,可以传输的信号功率是最大的;当同轴线特征阻抗为77Ω时,同轴线缆传输信号的损耗是最小的。

30Ω和77Ω的算术平均值为53.5Ω,30Ω和77Ω的几何平均值是48Ω,我们经常所说的50Ω标准阻抗其实是53.5Ω和48Ω的一个工程上的折中考虑,即同时兼顾最大功率传输和最小损耗。

而且,通过实践发现,50Ω的系统阻抗,对于半波长偶极子天线和四分之一波长单极子天线的端口阻抗也是匹配的,引起的反射损耗是最小的。

综上,对于射频应用种的50Ω阻抗标准,是业界经过长期的实践统一下来的,从生产制造上,从设计上,电气性能上,历史因素上都是一个折中的选择。