50Ω阻抗問題詳解及射頻電路設(shè)計(jì)中的阻抗匹配基本知識(shí)

50Ω阻抗問題詳解及射頻電路設(shè)計(jì)中的阻抗匹配為什么很多射頻系統(tǒng)或者部件中，很多時(shí)候都是用50歐姆的阻抗。有時(shí)候這個(gè)值甚至就是PCB板的缺省值，為什么不是60或者是70歐姆呢？這個(gè)數(shù)值是怎么確定下來的，背后有什么意義？本文為您打開其中的奧秘。我們知道射頻的傳輸需要天線和同軸電纜，射頻信號(hào)的傳輸我們總是希望盡可能傳輸更遠(yuǎn)的距離，為了傳輸更遠(yuǎn)的距離，我們往往希望用很大的功率去發(fā)射信號(hào)便于覆蓋更大的通信范圍?？墒菍?shí)際上，同軸電纜本身是有損耗的，和我們平常使用的導(dǎo)線一樣，如果傳輸功率過大，導(dǎo)線會(huì)發(fā)熱甚至熔斷。這樣，我們就有一種期望，試圖尋找一種能夠傳輸大功率，同時(shí)損耗又非常小的同軸電纜。大概在1929年，貝爾實(shí)驗(yàn)室做了很多實(shí)驗(yàn)，最終發(fā)現(xiàn)符合這種大功率傳輸，損耗小的同軸電纜其特征阻抗分別是30歐姆和77歐姆。其中，30歐姆的同軸電纜可以傳輸?shù)墓β适亲畲蟮模?7歐姆的同軸電纜傳輸信號(hào)的損耗是最小的。30歐姆和77歐姆的算術(shù)平均值為53.5歐姆，30歐姆和77歐姆的幾何平均值是48歐姆，我們經(jīng)常所說的50歐姆系統(tǒng)阻抗其實(shí)是53.5歐姆和48歐姆的一個(gè)工程上的折中考慮，考慮最大功率傳輸和最小損耗盡可能同時(shí)滿足。而且通過實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，50歐姆的系統(tǒng)阻抗，對(duì)于半波長(zhǎng)偶極子天線和四分之一波長(zhǎng)單極子天線的端口阻抗也是匹配的，引起的反射損耗是最小的。我們常見的系統(tǒng)中，比如電視TV和廣播FM接收系統(tǒng)中，其系統(tǒng)阻抗基本上都是75歐姆，正是因?yàn)?5歐姆射頻傳輸系統(tǒng)中，信號(hào)傳輸?shù)膿p耗是最小的，TV和廣播FM接收系統(tǒng)中，信號(hào)的傳輸損耗是重要的考慮因素。而對(duì)于帶有發(fā)射的電臺(tái)而言，50歐姆是很常見的，因?yàn)樽畲蠊β蕚鬏斒俏覀兛紤]的主要因素，同時(shí)損耗也比較重要。這就是為什么我們的對(duì)講機(jī)系統(tǒng)中，經(jīng)常看到的都是50歐姆的參數(shù)指標(biāo)。如果說阻抗匹配到50歐姆，從數(shù)學(xué)上，是可以嚴(yán)格做到的，但是實(shí)際應(yīng)用中的任何元件，線路，導(dǎo)線都存在損耗，而且設(shè)計(jì)的任何系統(tǒng)部件都存在一定的射頻帶寬，所以匹配到50歐姆，工程上只要保證所有的帶內(nèi)頻點(diǎn)落在50歐姆附近即可。在Smith圓圖上來看，就是盡可能趨近于圓圖的圓心即可，確保帶內(nèi)的射頻傳輸信號(hào)盡可能沒有反射損耗，獲得最大程度的能量傳輸。?為什么大多數(shù)工程師喜歡用50歐姆作為PCB的傳輸線阻抗（有時(shí)候這個(gè)值甚至就是PCB板的缺省值），為什么不是60或者是70歐姆呢？?對(duì)于寬度確定的走線，3個(gè)主要的因素會(huì)影響PCB走線的阻抗。首先，是PCB走線近區(qū)場(chǎng)的EMI（電磁干擾）和這個(gè)走線距參考平面的高度是成一定的比例關(guān)系的，高度越低意味著輻射越小。其次，串?dāng)_會(huì)隨走線高度有顯著的變化，把高度減少一半，串?dāng)_會(huì)減少到近四分之一。最后，高度越低阻抗越小，不易受電容性負(fù)載影響。所有的三個(gè)因素都會(huì)讓設(shè)計(jì)者把走線盡量靠近參考平面。阻止你把走線高度降到零的原因是，大多數(shù)芯片驅(qū)動(dòng)不了阻抗小于50歐姆的傳輸線。（這個(gè)規(guī)則的特例是可以驅(qū)動(dòng)27歐姆的Rambus，以及National的的BTL系列，它可以驅(qū)動(dòng)17歐姆）并不是所有的情況都是用50歐姆最好。例如，8080處理器的很老的NMOS結(jié)構(gòu)，工作在100KHz，沒有EMI，串?dāng)_和電容性負(fù)載的問題，它也不能驅(qū)動(dòng)50歐姆。對(duì)于這個(gè)處理器來說，高的阻抗意味著低功耗，你要盡可能的用細(xì)的，高的這樣有高阻抗的線。純機(jī)械的角度也要考慮到。例如，從密度上講，多層板層間距離很小，70歐姆阻抗所需要的線寬工藝很難做到。這種情況，你應(yīng)該用50歐姆，它的線寬更加寬，更易于制造。同軸電纜的阻抗又是怎么樣的呢？在RF領(lǐng)域，和PCB中考慮的問題不一樣，但是RF工業(yè)中同軸電纜也有類似的阻抗范圍。根據(jù)IEC的出版物（1967年），75歐姆是一個(gè)常見的同軸電纜（注：空氣作為絕緣層）阻抗標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)槟憧梢院鸵恍┏Ｒ姷奶炀€配置相匹配。它也定義了一種基于固態(tài)聚乙烯的50歐姆電纜，因?yàn)閷?duì)于直徑固定的外部屏蔽層和介電常數(shù)固定為2.2（固態(tài)聚乙烯的介電常數(shù)）的時(shí)候，50歐姆阻抗趨膚效應(yīng)損耗最小。?你可以從基本的物理學(xué)來證明50歐姆是最好的，電纜的趨膚效應(yīng)損耗L（以分貝做單位）和總的趨膚效應(yīng)電阻R（單位長(zhǎng)度）除以特性阻抗Z0成正比?？偟内吥w效應(yīng)電阻R是屏蔽層和中間導(dǎo)體電阻之和。屏蔽層的趨膚效應(yīng)電阻在高頻時(shí)，和它的直徑d2成反比。同軸電纜內(nèi)部導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)電阻在高頻時(shí)，和它的直徑d1成反比?？偣驳拇?lián)電阻R，因此和(1/d2+1/d1)成正比。綜合這些因素，給定d2和相應(yīng)的隔離材料的介電常數(shù)ER，你可以用以下公式來減少趨膚效應(yīng)損耗。?在任何關(guān)于電磁場(chǎng)和微波的基礎(chǔ)書中，你都可以找到Z0是d2，d1和ER（博主注：絕緣層的相對(duì)介電常數(shù)）的函數(shù)。?把公式2帶入公式1中，分子分母同時(shí)乘以d2,整理得到：?公式3分離出常數(shù)項(xiàng)(/60)*(1/d2),有效的項(xiàng)((1+d2/d1)/ln(d2/d1))確定最小點(diǎn)。仔細(xì)查看公式三公式的最小值點(diǎn)僅由d2/d1控制，和ER以及固定值d2無關(guān)。以d2/d1為參數(shù)，為L(zhǎng)做圖，顯示d2/d1=3.5911時(shí)（注：解一個(gè)超越方程），取得最小值。假定固態(tài)聚乙烯的介電常數(shù)為2.25，d2/d1=3.5911得出特性阻抗為51.1歐姆。很久之前，無線電工程師為了方便使用，把這個(gè)值近似為50歐姆作為同軸電纜最優(yōu)值。這證明了在0歐姆附近，L是最小的。但這并不影響你使用其他阻抗。例如，你做一個(gè)75歐姆的電纜，有著同樣的屏蔽層直徑（注：d2）和絕緣體（注：ER），趨膚效應(yīng)損耗會(huì)增加12%。不同的絕緣體，用最優(yōu)d2/d1比例產(chǎn)生的最優(yōu)阻抗會(huì)略有不同。注：比如空氣絕緣就對(duì)應(yīng)77歐姆左右，工程師取值75歐姆方便使用。其他補(bǔ)充：上述推導(dǎo)也解釋了為什么75歐姆電視電纜切面是藕狀空芯結(jié)構(gòu)而50歐姆通信電纜是實(shí)芯的。還有一個(gè)重要提示，只要經(jīng)濟(jì)情況許可，盡量選擇大外徑電纜（博主注：d2），除了提高強(qiáng)度外，更主要的原因是，外徑越大，內(nèi)徑也越大（最優(yōu)的徑比d2/d1），導(dǎo)體的RF損耗當(dāng)然就越小。為什么50歐姆成為了射頻傳輸線的阻抗標(biāo)準(zhǔn)？一個(gè)最為流傳的故事版本，來自于HarmonBanning的《電纜：關(guān)于50歐姆的來歷可能有很多故事》。在微波應(yīng)用的初期，二次世界大戰(zhàn)期間，阻抗的選擇完全依賴于使用的需要.對(duì)于大功率的處理，30歐姆和44歐姆常被使用。另一方面，最低損耗的空氣填充線的阻抗是93歐姆。在那些歲月里，對(duì)于很少用的更高頻率，沒有易彎曲的軟電纜，僅僅是填充空氣介質(zhì)的剛性導(dǎo)管。半剛性電纜誕生于50年代早期，真正的微波軟電纜出現(xiàn)是大約10年以后了。隨著技術(shù)的進(jìn)步，需要給出阻抗標(biāo)準(zhǔn)，以便在經(jīng)濟(jì)性和方便性上取得平衡。在美國(guó)，50歐姆是一個(gè)折中的選擇；為聯(lián)合陸軍和海軍解決這些問題，一個(gè)名為JAN的組織成立了，就是后來的DESC，由MIL特別發(fā)展的。歐洲選擇了60歐姆。事實(shí)上，在美國(guó)最多使用的導(dǎo)管是由現(xiàn)有的標(biāo)尺竿和水管連接成的，51.5歐姆是十分常見的?？吹胶陀玫?0歐姆到51.5歐姆的適配器/轉(zhuǎn)換器，感覺很奇怪的。最終50歐姆勝出了，并且特別的導(dǎo)管被制造出來（也可能是裝修工人略微改變了他們管子的直徑）。不久以后，在像Hewlett-Packard這樣在業(yè)界占統(tǒng)治地位的公司的影響下，歐洲人也被迫改變了。75歐姆是遠(yuǎn)程通訊的標(biāo)準(zhǔn)，由于是介質(zhì)填充線，在77歐姆獲得最低的損耗。93歐姆一直用于短接續(xù)，如連接計(jì)算機(jī)主機(jī)和監(jiān)視器，其低電容的特點(diǎn)，減少了電路的負(fù)載，并允許更長(zhǎng)的接續(xù)；感興趣的讀者可以查閱MITRadLabSeries的第9卷，里面有更詳細(xì)的描述。RF電路設(shè)計(jì)中的阻抗匹配阻抗匹配是射頻（RF）設(shè)計(jì)和測(cè)試的基本要求。阻抗不匹配引起的信號(hào)反射會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的問題。當(dāng)您處理由理想電源，傳輸線和負(fù)載組成的理論電路時(shí)，匹配似乎是一項(xiàng)微不足道的常識(shí)。?射頻系統(tǒng)中的阻抗分布假設(shè)負(fù)載阻抗ZL是固定的。我們需要做的就是包括一個(gè)等于ZL的源阻抗（ZS），然后設(shè)計(jì)傳輸線，使其特性阻抗（Z0）也等于ZL。但是，讓我們暫時(shí)考慮一下在由眾多無源元件和集成電路組成的復(fù)雜RF（射頻）電路中實(shí)施此方案的難度。如果工程師不得不根據(jù)選擇的一個(gè)阻抗作為所有其他阻抗的基礎(chǔ)來修改每個(gè)組件并指定每個(gè)微帶的尺寸，那么射頻（RF）設(shè)計(jì)的過程將非常笨拙。此外，這還假定該項(xiàng)目已經(jīng)進(jìn)入PCB階段。如果我們想使用離散模塊以現(xiàn)成的電纜作為互連來測(cè)試和表征系統(tǒng)，該怎么辦？在這種情況下，補(bǔ)償不匹配的阻抗更加不切實(shí)際。解決方案很簡(jiǎn)單：選擇可在眾多RF（射頻）系統(tǒng)中使用的標(biāo)準(zhǔn)化阻抗，并確保相應(yīng)設(shè)計(jì)組件和電纜，等都已經(jīng)選擇了該阻抗：業(yè)界選擇的這種標(biāo)準(zhǔn)阻抗的單位是歐姆，數(shù)字是50。50Ω電阻首先要了解的是，對(duì)于50Ω阻抗，本質(zhì)上沒有什么特別的。雖然您可能會(huì)覺得，如果您花了足夠的時(shí)間來和RF（射頻）工程師一起工作，就會(huì)感覺到那并不是一個(gè)基本的常數(shù)。它甚至不是電氣工程的基本常數(shù)，例如，請(qǐng)記住，簡(jiǎn)單地改變同軸電纜的物理尺寸都會(huì)改變它的特性阻抗。盡管如此，50Ω阻抗還是非常重要的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)RF（射頻）系統(tǒng)都圍繞該阻抗進(jìn)行設(shè)計(jì)。很難確切地確定為什么50Ω成為標(biāo)準(zhǔn)的RF（射頻）阻抗，但是可以合理地假設(shè)發(fā)現(xiàn)50Ω在早期同軸電纜的情況下是一個(gè)很好的折衷方案。當(dāng)然，重要的問題不是這個(gè)特定值的來源，而是具有此標(biāo)準(zhǔn)化阻抗的好處。實(shí)現(xiàn)完美匹配的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單得多，因?yàn)镮C，固定衰減器，天線等制造商可以考慮這一阻抗來構(gòu)建其部件。而且，PCB布局變得更加簡(jiǎn)單，因?yàn)槿绱硕嗟墓こ處煻加邢嗤哪繕?biāo)，即設(shè)計(jì)特征阻抗為50的微帶和帶狀線。?PCB板材的阻抗分布根據(jù)AnalogDevices的該應(yīng)用筆記（MT-094.pdf），您可以按以下方式創(chuàng)建50Ω微帶：1盎司銅，20mil寬的走線，走線和接地層之間的間隔為10mil（假設(shè)采用的是FR-4的電介質(zhì)材料）。在繼續(xù)進(jìn)行之前，我們要弄清楚，并不是每個(gè)高頻系統(tǒng)或組件都針對(duì)50Ω設(shè)計(jì)的?？梢赃x擇其他值，實(shí)際上75Ω阻抗仍然很常見；同軸電纜的特性阻抗與其外徑（D2）與內(nèi)徑（D1）之比的自然對(duì)數(shù)成正比。?同軸傳輸線的特性阻抗分布這意味著內(nèi)部導(dǎo)體和外部導(dǎo)體之間的更大間隔對(duì)應(yīng)于更高的阻抗。兩個(gè)導(dǎo)體之間的較大間距也導(dǎo)致較低的電容。因此，75Ω同軸電纜的電容比50Ω同軸電纜的電容低，這使75Ω電纜更適合于高頻數(shù)字信號(hào)，因?yàn)檫@種信號(hào)需要低電容，以避免與邏輯低和邏輯高之間的快速過渡相關(guān)的高頻內(nèi)容過度衰減。反射系數(shù)考慮到阻抗匹配在RF設(shè)計(jì)中的重要性，我們不奇怪發(fā)現(xiàn)有一個(gè)用于表示匹配質(zhì)量的特定參數(shù)。稱為反射系數(shù)；該符號(hào)為Γ（希臘大寫字母gamma）。它是反射波的復(fù)振幅與入射波的復(fù)振幅之比。但是，入射波和反射波之間的關(guān)系由源阻抗（ZS）和負(fù)載阻抗（ZL）確定，因此可以根據(jù)這些阻抗定義反射系數(shù)為：?如果在這種情況下“源”是傳輸線，我們可以將ZS更改為Z0，得到的反射系數(shù)如下：?在典型的系統(tǒng)中，反射系數(shù)的大小為0到1之間的某個(gè)數(shù)字。讓我們看一下數(shù)學(xué)上最簡(jiǎn)單的三種情況，以幫助我們了解反射系數(shù)與實(shí)際電路行為的對(duì)應(yīng)關(guān)系：a、如果匹配完美（ZL=Z0），則分子為零，因此反射系數(shù)為零。這是有道理的，因?yàn)橥昝榔ヅ洳粫?huì)導(dǎo)致反射。b、如果負(fù)載阻抗是無限的（即開路，ZL=無窮大），則反射系數(shù)變?yōu)闊o窮大除以無窮大，即為1，而反射系數(shù)為1對(duì)應(yīng)于全反射，即所有波能都被反射。這也是有道理的，因?yàn)檫B接到開路的傳輸線對(duì)應(yīng)于一個(gè)完全的不連續(xù)性（請(qǐng)參見上一講的內(nèi)容）-負(fù)載不能吸收任何能量，因此必將被全部反射。c、如果負(fù)載阻抗為零（即短路，ZL=0），則反射系數(shù)的大小變?yōu)閆0除以Z0。這樣我們又有了|Γ|=1，這也是有道理的，因?yàn)槎搪芬矊?duì)應(yīng)于不能吸收任何入射波能量的阻抗完全不連續(xù)性。駐波比（VSWR）用于描述阻抗匹配的另一個(gè)參數(shù)是電壓駐波比（VSWR），定義如下：?從所得駐波（VSWR）的角度來看，VSWR接近阻抗匹配。它傳達(dá)了最高駐波幅度與最低駐波幅度之比。有很多駐波（VSWR）視頻可以幫助您可視化阻抗失配與駐波幅度特性之間的關(guān)系，下圖顯示了三種不同反射系數(shù)的駐波幅度特性。?三種VSWR情況下的波形圖:更大的阻