【無(wú)線射頻技術(shù)】-射頻系統(tǒng)中的50歐姆特性阻抗

1/1射頻系統(tǒng)中的50歐姆特性阻抗射頻行業(yè)里，常常會(huì)聽(tīng)到一些說(shuō)法，這根電纜的特性阻抗是50歐姆，這條微帶線的特性阻抗是50歐姆等等。此時(shí)許多初學(xué)者或者行業(yè)外的人就范嘀咕了：

"什么？？導(dǎo)線的"阻抗'有50歐姆？那這根導(dǎo)線的質(zhì)量也太差了吧！'

"什么？？一米長(zhǎng)"阻抗'為50歐姆的微波電纜要500rmb？？你在逗我嗎？'

沒(méi)錯(cuò)，射頻單盤(pán)中的信號(hào)走線大多是"特性阻抗'為50歐姆的微帶線；一根一米長(zhǎng)，可以傳輸最高頻率為20GHZ信號(hào)的50歐姆同軸電纜要500rmb。

造成這些誤會(huì)的緣由，我們要區(qū)分兩個(gè)物理量：一個(gè)是"阻抗'；一個(gè)是"特性阻抗'。后者相對(duì)前者多了"特性'二字。

"阻抗'表示導(dǎo)體對(duì)電流阻礙作用的大小。導(dǎo)體的電阻越大，表示導(dǎo)體對(duì)電流的阻礙作用越大。電阻的單位是歐姆。

"特性阻抗'，是射頻傳輸線影響高頻電波電壓、電流的幅值和相位變化的固有特性，等于各處的電壓與電流的比值，特性阻抗的單位也是歐姆。

要理解"特性阻抗'的概念，我們先要弄清晰什么是傳輸線。簡(jiǎn)潔的說(shuō)，傳輸線就是能夠傳輸信號(hào)的連接線。電源線，視頻線，USB連接線，PCB板上的走線，都可以稱為傳輸線。假如傳輸線上傳輸?shù)男盘?hào)是低頻信號(hào)，假設(shè)是1KHz，那么信號(hào)的波長(zhǎng)就是300公里(假設(shè)信號(hào)速度為光速)，即使傳輸線的長(zhǎng)度有1米長(zhǎng)，相對(duì)于信號(hào)來(lái)說(shuō)還是很短的，傳輸線對(duì)信號(hào)的幅度和相位影響是很小的。但是對(duì)于高速信號(hào)來(lái)說(shuō)，假設(shè)信號(hào)頻率提高到300MHz，信號(hào)波長(zhǎng)就減小到1米，這時(shí)候1米的傳輸線和信號(hào)的波長(zhǎng)已經(jīng)完全可以比較，在傳輸線上就會(huì)存在波動(dòng)效應(yīng)，在傳輸線上的不同點(diǎn)上的電壓電流就會(huì)不同。在這種情下，我們就不能忽視傳輸線對(duì)信號(hào)造成的影響。傳輸線相對(duì)信號(hào)來(lái)說(shuō)就是一段線，我們要用長(zhǎng)線傳輸里的理論來(lái)解決問(wèn)題。

在傳輸線是長(zhǎng)線的前提下，傳輸線的模型不再是一根阻抗很低的導(dǎo)線模型，而是分布參數(shù)網(wǎng)絡(luò)。如圖1所示，傳輸線常常用雙線來(lái)示意，圖1中無(wú)窮小長(zhǎng)度△z的一段線可以模擬為圖2中的一個(gè)集總元件電路，其中R，L，G，C為單位長(zhǎng)度的量，定義如下：

R表示單位長(zhǎng)度的串聯(lián)電阻，單位為/M

L表示單位長(zhǎng)度的串聯(lián)電感，單位為H/M

G表示單位長(zhǎng)度的并聯(lián)電導(dǎo)，單位為S/M

C表示單位長(zhǎng)度的并聯(lián)電容，單位為F/M

信號(hào)在傳輸線中傳輸?shù)倪^(guò)程中，在信號(hào)到達(dá)的一個(gè)點(diǎn)，傳輸線和參考平面之間會(huì)形成電場(chǎng)，會(huì)產(chǎn)生電流和電壓，電壓和電流的比值就是這根導(dǎo)線的特性阻抗Z。

R和G代表?yè)p耗，L和C都是存儲(chǔ)器件，我們一般討論的傳輸線模型都是低損或者無(wú)損傳輸線，傳輸線的特性阻抗可以寫(xiě)成

所以特性阻抗反映的是傳輸線的分布參數(shù)L和C對(duì)高頻信號(hào)幅度和相位的影響。

射頻系統(tǒng)中的特性阻抗選擇為什么都是50歐姆？而不是10歐姆，100歐姆呢？實(shí)際上在射頻系統(tǒng)中存在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，一個(gè)是75歐姆系統(tǒng)，另一個(gè)是50歐姆系統(tǒng)。廣電系統(tǒng)是75歐姆的系統(tǒng)，其對(duì)應(yīng)的傳輸線都是75歐姆的傳輸線；在其他的無(wú)線電系統(tǒng)基本上都是50歐姆的系統(tǒng)，其對(duì)應(yīng)的傳輸線是50歐姆的傳輸線。傳輸線的特性打算了這兩個(gè)系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)阻抗。

討論表明同軸電纜的每單位長(zhǎng)度的損耗和能傳輸?shù)墓β逝c電纜阻抗特性有關(guān)。由圖3和圖4可知，同軸電纜特性組阻抗在77歐姆時(shí)其傳輸損耗是最低的；同軸電纜特性組阻抗在30歐姆時(shí)其承載功率最大。早期的廣電系統(tǒng)是單向傳輸網(wǎng)，選擇損耗較小的特性阻抗75歐姆。其他無(wú)線電通信系統(tǒng)多是雙向網(wǎng)絡(luò)，既要考慮