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電子元件 傳感器 開關 多種型號 原裝優勢 量大價優

作者:admin

發布時間:2022-04-01

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大家都知道“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,特性阻抗的單位是歐姆。那么從全世界范圍來看,占主導地位的射頻/微波同軸傳輸線阻抗都是50Ω。特別是在無線通訊領域,各種射頻器件,連接器,同軸線纜cable,甚至一些射頻PCB印制線都是以50Ω阻抗作為標準。這是為什么呢?

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01從生產工藝的角度

從PCB生產加工工藝角度出發,以現有的大部分PCB生產廠商的設備考慮,生產50Ω阻抗的PCB是比較容易實現的。

從阻抗計算過程可知,過低的阻抗需要較寬的線寬以及薄介質或較大的介電常數,這對于目前高密板來說空間上比較難滿足。

過高的阻抗又需要較細的線寬及較厚的介質或較小的介電常數,不利于EMI及串擾的抑制,同時對于多層板及從量產的角度來講加工的可靠性會比較差。

控制50Ω阻抗在使用常用板材(FR4、RO4350B等)、常用芯板的環境下,生產常用的板厚的產品(如0.508mm、1mm、1.2mm等),可設計常見的線寬(4~10mil),這樣板廠加工起來是非常方便的,對其加工使用的設備要求也不是很高。

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02從PCB設計方面考慮

50Ω也是綜合考慮之后的選擇。從阻抗計算過程可知,對于寬度確定的走線,板材介質越薄,阻抗越低。3個主要的因素會影響PCB走線的阻抗。

首先,是PCB走線近區場的EMI(電磁干擾)和這個走線距參考平面的高度(即微帶線到參考地的距離)是成一定的比例關系的,高度越低意味著輻射越小。

其次,串擾會隨走線高度有顯著的變化,把高度減少一半,串擾會減少到近四分之一。

最后,高度越低阻抗越小,不易受電容性負載影響。

03從信號全路徑方面考慮

設計中還需要考慮最關鍵的一個因素,那就是芯片的驅動能力,在早期大多數芯片驅動不了阻抗小于50Ω的傳輸線,而更高阻抗的傳輸線由于實現起來不便,所以折中采用50Ω阻抗。

04從電氣性能的角度

下面再從損耗的角度看看。在高頻高速線路中有個趨膚效應。業界己經證明50Ω對于趨膚效應來說,它的損耗是最小的。通常電纜的趨膚效應損耗L(以分貝做單位)跟總的趨膚效應電阻R(單位長度)除以特性阻抗Z0成正比。

總的趨膚效應電阻R是屏蔽層和中間導體電阻之和。屏蔽層的趨膚效應電阻在高頻時,和它的直徑d2成反比。同軸電纜內部導體的趨膚效應電阻在高頻時,和他的直徑d1成反比??偣驳拇撾娮鑂,因此和(1/d2+1/d1)成正比。

綜合這些因素,給定d2和相應的隔離材料的介電常數Er,可以計算出在趨膚效應損耗最小的情況下d2/d1的比值。假定固態聚乙烯的介電常數為2.25,趨膚效應損耗最小時,d2/d1=3.5911得出特性阻抗正是50Ω。

05從歷史的角度

一個廣為流傳的故事版本,來自于HarmonBanning的《電纜:關于50Ω的來歷可能有很多故事》。在微波應用的初期,二次世界大戰期間,阻抗的選擇完全依賴于使用的需要.對于大功率的處理,30Ω和44Ω常被使用。

另一方面,最低損耗的空氣填充線的阻抗是93Ω。在那些歲月里,對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的剛性導管。半剛性電纜誕生于50年代早期,真正的微波軟電纜出現是大約10年以后了。

隨著技術的進步,需要給出阻抗標準,以便在經濟性和方便性上取得平衡。在美國,50Ω是一個折中的選擇;為聯合陸軍和海軍解決這些問題,一個名為JAN的組織成立了,就是后來的DESC,由MIL特別發展的歐洲選擇了60Ω。

事實上,在美國最多使用的導管是由現有的標尺竿和水管連接成的,51.5Ω是十分常見的??吹胶陀玫?0Ω到51.5Ω的適配器/轉換器,感覺很奇怪的最終50Ω勝出了,并且特別的導管被制造出來(也可能是裝修工人略微改變了他們管子的直徑)。不久以后,在象Hewlett-Packard這樣在業界占統治地位的公司的影響下,歐洲人也被迫改變了。

上邊說是一個故事,但是確實反映出一個事實,50Ω是一個經過大量實踐后的折中產物。早期微波射頻系統常用同軸線纜作為連接線,從設計角度考慮,肯定是希望經過同軸線纜傳輸的微波射頻信號傳輸功率能盡量大,而傳輸損耗盡量的小。

大概在1929年,貝爾實驗室做了很多實驗和推導,最終發現對于同軸線纜,當同軸線特征阻抗為30Ω時,可以傳輸的信號功率是最大的;當同軸線特征阻抗為77Ω時,同軸線纜傳輸信號的損耗是最小的。

30Ω和77Ω的算術平均值為53.5Ω,30Ω和77Ω的幾何平均值是48Ω,我們經常所說的50Ω標準阻抗其實是53.5Ω和48Ω的一個工程上的折中考慮,即同時兼顧最大功率傳輸和最小損耗。

而且,通過實踐發現,50Ω的系統阻抗,對于半波長偶極子天線和四分之一波長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。

綜上,對于射頻應用種的50Ω阻抗標準,是業界經過長期的實踐統一下來的,從生產制造上,從設計上,電氣性能上,歷史因素上都是一個折中的選擇。


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