为何电阻值通常为 50 欧姆？

2024-06-03 14:34:19 679

当我们深入讨论射频技术、PCB设计、阻抗匹配以及S参数等相关知识时，一个数字似乎格外引人注目，那就是50Ohm（欧姆）阻抗。这个数字在各种标准、应用说明和设计指南中频繁出现，仿佛拥有某种特殊的魔力，成为了射频领域的一个标志性符号。

那为什么是50Ohm，不是40Ohm，60Ohm或者100Ohm？难道50Ohm真的与众不同吗？

下面我们一起来了解下。

50Ohm这个标准的起源可以追溯到20世纪20年代末至30年代初，当时电信业正处于起步阶段。工程师们在设计无线电发射器使用的是充气同轴电缆，希望信号能传得越远越好，因此会用高功率发射，以便信号覆盖更广的区域。

但问题是，同轴电缆在传输中会有损耗，就像普通的电线一样，如果功率太高，电缆可能会因为过热而损坏，甚至熔化。所以，一直在寻找一种电缆，它既能承受较大的功率，又能保持低损耗，以实现更有效的射频传输。

这可能吗？

我们先从基本的同轴电缆说起，因为它的内导体和外导体共轴，故叫此名。如下图：

注意哈，后面要说的到同轴线的功率容量与内外导体半径有很大的关系。

下面我列了好多公式，没兴趣可以直接跳到下一段。

同轴电缆的阻抗计算公式为：

Ps：ε_r 是介质材料的相对介电常数当同轴电缆填充空气时，η=120π。

其功率容量为公式为：

PS：击穿电压 V_b 对应的击穿电场强度E_b。

电缆的损耗主要由趋肤效应决定，可以通过如下公式计算。

PS：Rs为金属的表面电阻。

根据上面几个公式的计算，具体过程就不此说了。最终发现在保证TEM 模式传输时的电缆：

最低损耗时特性阻抗在77 Ohm；
最高功率容量的特性阻抗为 30 Ohm。

另外，在TE10模式下，波导的导体结构被设计成使得电场分布最优，这时波导的特性阻抗大约是60Ohm。这又涉及到其他背景了，咱们就不细说。

到这儿，我们还是看不出50Ohm阻抗怎么就成了标准。实际上据传，50Ohm是上面 3 个值之间做出的一个折中选择。它既接近77Ohm和30Ohm之间的平均值，也接近60欧姆，这使得它成为一个相对理想的选择。

此外，对于某些介电填充电缆，损耗最小的阻抗恰好在50Ohm左右，这为选择50Ohm提供了另一个自然的理由。

不过，除了50Ohm阻抗，75Ohm阻抗也是一个常见的标准。虽然电压值的重要性相对较低，但75Ohm阻抗在某些情况下，如长距离电缆运行中，仍然是一个有效的选择。低成本的同轴电缆，特别是那些带有空气或低介电填充物的，可以达到77Ohm的阻抗，而75Ohm则是一个容易记忆且实用的四舍五入数字。

在高速或高频信道中，S参数测量是一个重要的信号完整性指标。这些参数是根据某个参考阻抗定义的，通常选择50Ohm或75Ohm，因为这些值与高速/射频系统中的介质相匹配。通过考虑所需的终端阻抗，我们可以更好地理解S参数测量，并在设计中实现目标。

总之，咱们还是要认为50Ohm阻抗标准并非随意选择，而是基于一系列科学分析和历史发展的结果，比如说是最高功率传输、最高电压和最低衰减之间的平衡。

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