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射频同轴电缆的阻抗标准为什么是50Ω或75Ω呢
在PCB设计中在合理的范围内传输线阻抗的具体数值并不重要。只要控制好整条传输线的阻抗不要出现阻抗不连续的情况就好了。设计中的其他因素往往决定了我们用什么样的阻抗标准。
射频同轴电缆的阻抗为什么往往是50Ω呢这个问题与“为什么PCB往往是绿色的”是一样的。这是由多种因素决定的同轴电缆的技术特性当然是其中一个还有历史的原因、商业因素甚至是偶然的原因。同轴电缆阻抗标准和其他很多标准一样往往是处于实用目的而不是基于某种理论而制定的比如信号调制格式、数据传输协议、设备封装和尺寸、材料等等。许多其他我们认为是标准化的东西也是由于很多非技术因素相互妥协而形成的比如成本、实用性、材料供应和制造难度等等。
同轴电缆是由英国科学家Oliver Heaviside于1880年发明的。Heaviside在研究电报线路时发现用绝缘材料包裹导线可以减少信号损耗也使电缆更加耐用。他创造了世界上第一根同轴电缆并申请了专利。后来这项发明经过了很多人的努力才变成今天的这个样子。这些人包括西门子公司、尼古拉·特斯拉和贝尔电话实验室等等。现在大家见到的同轴电缆由内导体和外导体组成中间以发泡聚乙烯介质隔开。电磁场被约束在同轴线两层导体构成的封闭空间中不受外界干扰也不对外辐射因此传输损耗很小。
早期的同轴电缆并没有统一的规格各种阻抗都曾经出现过。50Ω成为标准是在二战时期美国研发生产雷达时发生的。那时候生产的同轴电缆的外导体还是硬质的铜管中间以空气为介质。硬质同轴电缆到现在还有使用其最大的优点是损耗小、传输功率大、传输速度快其传输速度是光速的92%~96%。柔性同轴电缆出现在20世纪60年代。用作硬质同轴电缆的外导体的金属管、接头和连接螺丝等零件理所当然地倾向于使用当时现有的金属管道的标准尺寸内导体则采用AWG标准尺寸这样一来同轴电缆的阻抗就在50Ω左右了。
50Ω成为标准的另一个原因是电缆传输雷达信号的功率很大这就要求传输线具备衰减小能把更多的功率送出去、耐高压要经得起大功率信号的高电压等特点。同轴电缆的内导体直径过大会导致空气绝缘层变薄进而容易被击穿内导体直径太小又会导致导体附近的电场强度增加同样会降低击穿电压。这种空气介质的同轴电缆阻抗在77Ω左右时衰减最小而在30Ω左右时可以传输最大功率所以综合这两个诉求取几何平均 30 × 77 \sqrt{30 \times 77} 30×77 得到50Ω。由于以上两个原因当时的美军陆军和海军联络小组就把50Ω作为生产标准实施了后来成为军方MIL标准并一直沿用到今天。虽然30Ω电缆能传输的功率最大但同轴线的内导体直径太大难以制造生产所以从来没有投入商业生产。而77Ω的电缆因其低损耗的特性很早就被用于电信领域。之所以选择75Ω而不是77Ω作为标准阻抗是为了让同轴电缆的内导体线径符合AWG线径标准。现在75Ω已经成为视频电缆和接口的通用标称阻抗了。
还有没有其他标准阻抗呢当然有。以前还没有有线电视的时候家家户户都要自己竖一根天线。还有一种300Ω的平衡电缆因为电视天线无论是折叠偶极子天线还是八木天线阻抗都是300Ω的不过这种电缆现在很少见了可能业余无线电爱好者还在使用吧。因为中心馈电偶极子天线的阻抗大约为73Ω所以75Ω的同轴电缆通常用于连接短波天线。这些同轴电缆的功率通常不大不需要考虑高压击穿。75Ω同轴电缆不仅具有较低的衰减而且还可以很方便地通过一个4:1的平衡变压器巴伦转换成300Ω。传输电话信号的双绞线的阻抗是600Ω它成为标准更多的是与电话线连接交换机的方式有关。老式模拟电话的双绞线与两个中继线圈相连中继线圈用于检测线路上的信号比如拨号、摘机和供电等。两个线圈加在一起线路终端阻抗为600Ω。有线电话渐渐远离我们了离我们最近的大概是网线内100Ω的双绞线和09Ω的USB信号线了。
