神秘的50欧姆阻抗：它的来源和我们为什么使用它

当我们谈论射频/高速PCB设计中的S参数、阻抗匹配、传输线和其他基本概念时，50欧姆阻抗的概念层出不穷。浏览互联网上的信令标准、组件数据表、应用说明和设计指南；这是一个反复出现的阻抗值。那么50欧姆阻抗标准从何而来，为什么它很重要？孤立地看，选择50欧姆阻抗似乎完全是任意的：为什么不选择10欧姆或100欧姆呢？

答案主要取决于你问谁。射频社区，特别是电缆设计师，有最好的答案，他们对同轴电缆的分析支持了他们的解释。除了一位专家的参考资料，我从来没有看到过这种讨论是关于PCB上发生的事情的，但是PCB的答案与常见逻辑电路的内部结构和电气特性有关。如果你已经准备好上历史课了50欧姆的阻抗值，那就继续读吧。我们甚至会研究75欧姆的标准，看看我们能学到什么关于射频互连的信号和功率传输。

50欧姆阻抗的历史可以追溯到20世纪20年代末30年代初，当时电信业还处于初级阶段。工程师们正在为设计输出千瓦功率的无线电****机设计充气同轴电缆。这些电缆也将跨越很长的距离，达到数百英里。这意味着电缆需要设计成最高功率传输、最高电压和最低衰减。应该使用哪种阻抗来满足这三个目标？

事实证明，这三个目标是不可能平衡的，就像在许多其他设计问题中一样。

• 最低损耗：这取决于同轴电缆内部介质的损耗。对于充气同轴电缆，在大约77欧姆时会出现这种情况，对于某些介质填充电缆，这种情况大约为50欧姆（更多信息请参见下文）。

• 最高电压：这是基于中心导体和充气同轴电缆侧壁之间的电场。当导体的阻抗约为60欧姆时，TE10模式下的电场最大。

• 最高功率传输：任何尺寸的同轴电缆都可能足够长，可以像传输线一样支持波的传播。同轴电缆承载的功率受击穿场和电缆阻抗的限制：V2/Z。结果表明，对于在TE11截止值以下工作的充气同轴电缆，功率传输在大约30欧姆时最大。

下图显示了损耗和功率之间的权衡。下面的文件由Wikimedia提供，但是您可以从许多其他参考资料中找到类似的图形。您也可以使用阻抗、铜粗糙度/集肤效应和介电吸收并为同轴电缆生成类似的图形。功率计算需要对基波传播模式和特性阻抗进行全解。

关于上图，需要了解的一点是，介质色散通常不包括在内，并且在较高的频率下会影响结果。在计算这些曲线时，色散（Dk值和损耗切线）被认为具有平坦的色散，这可能与您的频率范围内的实际情况不符。然而，这条曲线给了我们一个很好的解释，为什么会把重点放在50欧姆阻抗上。

这个问题的快速答案是50欧姆是最小损耗、最大功率和最大电压对应的阻抗之间最小的折衷。事实上，50欧姆非常接近77到30欧姆之间的平均值，接近60欧姆，所以很自然地假设这就是50欧姆阻抗标准的原因。然而，人们可能会注意到，聚四氟乙烯填充同轴电缆的最小损耗阻抗只有大约50欧姆，所以这似乎是另一个自然的解释！

事实证明，电压值不那么重要；要么你担心携带能量，尽量减少损失，要么试图平衡两者。带有空气或低Dk介质填充物的低成本同轴电缆可以在长距离电缆中达到77欧姆的阻抗，但是为什么要舍入到75欧姆而不是使用77欧姆，对我来说仍然是个谜。人们会认为75欧姆是一个很好的四舍五入的数字，很容易记住，而一篇关于微波炉101的外部文章声称这是有意设计的。在钢芯同轴电缆中，直径稍微过大，以提供额外的灵活性，因此阻抗将达到75欧姆。不管这是不是真的，我不能证实，但我欢迎任何人请在LinkedIn上联系我并给出答案 !

在处理高速或高频信道时，我们通常使用S参数测量作为重要的信号完整性度量。这些是根据一些参考阻抗定义的，通常取上述值之一（50或75欧姆），因为您可能正在与高速/RF系统中的其中一种介质接口。我更愿意把参考阻抗看成是你想要的终端阻抗；每个端口的阻抗为75或50欧姆S参数测量向你展示你在设计中是如何偏离这个目标的。

如果您的PCB上有一个互连的测量S参数矩阵，您可以通过以下转换将其转换为新的S参数矩阵：

具有两个不同参考阻抗的S参数矩阵之间的变换。

这有助于了解当您切换参考介质（例如，75至50欧姆阻抗电缆）时，S参数的变化情况。通过使用“参考介质”一词，我们将DUT/互连与理想化的50/75欧姆电缆、50/75欧姆端口或其他输入阻抗为50/75欧姆的组件进行比较。

无论您需要设计为50欧姆阻抗或其他值，PCB布局功能Altium Designer ®包括高速设计和射频设计所需的工具。您可以访问Simberian的三维场求解器在Layer Stack Manager中实现PCB堆栈中的阻抗控制。