射頻里為什么用50歐姆？

在射頻電路中經(jīng)常會用到各種接口的射頻器件（SMA、SMP、BNC等等），因此，就需要使用各種接口的射頻cable線或者連接器將這些射頻器件和設(shè)備連接一起。不過，不管是什么接口類型，你知道它們都是50歐姆（Ω）的嗎？還有我們用到的信號源、頻譜分析儀、網(wǎng)絡(luò)分析儀等等這些儀器的端口都是50歐姆的。這里大家是否還有些疑惑，為什么這么多器件或設(shè)備的接口怎么統(tǒng)統(tǒng)都是選擇50歐姆呢？帶著這些問題我們開始本文的學(xué)習(xí)。

為什么要選擇50歐姆？

我們先了解一下傳輸線的相關(guān)知識，傳輸線是用來傳播信號能量的，它有很多種類，比如，同軸電纜、微帶線、帶狀線等等。常見的射頻電纜就是同軸電纜，一般它是由內(nèi)導(dǎo)體、介質(zhì)、外導(dǎo)體和護(hù)套組成，不過還有一些會有多層屏蔽層和保護(hù)層。

信號的最大功率的傳輸和最小信號的反射由傳輸線的阻抗和系統(tǒng)中的阻抗匹配決定，傳輸線的阻抗我們稱為特性阻抗或特征阻抗。特征阻抗可以用下面的公式表示：

其中，

• D：外導(dǎo)體內(nèi)徑；
• d: 內(nèi)導(dǎo)體外徑；
• ε：填充介質(zhì)的介電常數(shù)；
• ks：內(nèi)導(dǎo)體系數(shù)，與內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)有關(guān)。

從公式中我們可以知道，特征阻抗和傳輸線內(nèi)外導(dǎo)體的尺寸和填充介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)，通過這三個(gè)參數(shù)就可以控制特性阻抗。

傳輸線是用來傳輸能量的，它對最大的承受功率也有一定的要求，最大的承受功率也是跟內(nèi)外導(dǎo)體的尺寸有關(guān)，也就是跟特性阻抗有關(guān)。

其中，

• E：電場強(qiáng)度，當(dāng)其達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)時(shí)就會發(fā)生擊穿；
• D：外導(dǎo)體內(nèi)徑；
• d: 內(nèi)導(dǎo)體外徑。

因此，為了能夠保證信號功率的最大容量傳輸和避免信號功率的損耗，需要選擇一個(gè)合適特性阻抗。

這里又要提到大名鼎鼎的貝爾實(shí)驗(yàn)室，貝爾實(shí)驗(yàn)室在不同參數(shù)的同軸電纜上做了很多實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)同軸電纜其特征阻抗在30歐姆時(shí)承受的信號功率最大，而在77歐姆時(shí)信號的損耗最小。

損耗和阻抗曲線圖

最大承受功率和阻抗曲線圖

為了兼顧最小損耗和最大功率容量，于是就在77歐姆和30歐姆之間，折中選擇一個(gè)50歐姆的特征阻抗，因此，大家都約定俗成的統(tǒng)一選擇50歐姆作為特征阻抗了。

這也就是在一般的射頻器件或者設(shè)備中，我們會發(fā)現(xiàn)的輸入或輸出口的阻抗也基本上都是50歐姆的原因。因此，射頻電路中也都是按照50歐姆的阻抗匹配來進(jìn)行設(shè)計(jì)。

另外一點(diǎn)需要注意，這里的阻抗并不是指的其內(nèi)部導(dǎo)線的電阻是50歐姆。如果用一個(gè)萬用表在導(dǎo)線的兩邊測量電阻，你會發(fā)現(xiàn)它的讀數(shù)是0。實(shí)際上，它是指的是整個(gè)傳輸線系統(tǒng)的阻抗來說的，我們可以將傳輸線看做n個(gè)電阻、電容、電感組成的電路，我們可以用下面的等效電路表示：

同軸線等效電路

為什么需要阻抗匹配？

回到這個(gè)問題之前，我們先看一下什么是阻抗？

電路中的電阻、電感和電容都會對電流起阻礙作用，我們把對電路中的電流所起的阻礙作用叫做阻抗。

阻抗有兩部分組成分別是電阻和電抗，電抗又可以分成感抗和容抗。阻抗還可以用一個(gè)復(fù)數(shù)表示，電阻作為復(fù)數(shù)的實(shí)部，電抗作為復(fù)數(shù)的虛部。

其中：

• Z是阻抗
• X是電抗
• R是電阻
• wL是感抗
• 1/wC是容抗
• f是信號的頻率
• ω 是角頻率

從阻抗的公式上，我們可以看出對于理想的純電阻來說，其電阻是跟信號的頻率無關(guān)的。但是實(shí)際上，任何電路都有電阻、電感和電容，對于感抗和容抗的大小來說是跟頻率有關(guān)的。因此，對于高頻信號來說，電路或系統(tǒng)中的感抗和容抗是不可忽視的。

射頻屬于高頻信號，它不同于低頻信號，往往除了要考慮電阻以外，還必須考慮電路中的感抗和容抗。對于低頻電路而言，電路中傳輸?shù)氖请娏鳌㈦妷旱炔ㄐ?，而射頻電路需要將功率從發(fā)射端傳輸?shù)浇邮斩?。在功率從一個(gè)電路傳輸?shù)搅硪粋€(gè)電路過程中就需要盡量保證信號的功率和質(zhì)量。如何才能保證這些，其中最重要的就是做好電路的阻抗匹配，也就是說要正確的匹配輸入電路和輸出電路的阻抗。

我們可以拿水管和水龍頭的關(guān)系來理解，水管就像是輸出電路，水龍頭可以當(dāng)作輸入電路，水就是傳輸?shù)男盘枴Ｔ诎惭b時(shí)，我們勢必要保證水管和水龍頭的接口互相匹配，這樣水才能自然的從水管流到水龍頭不會有漏水的現(xiàn)象，倘若有一方的接口偏大或偏小都會有漏水的情況出現(xiàn)。

同樣的，對于射頻電路也是如此，不過，射頻電路的接口部分需要的是阻抗匹配。如果射頻電路接口部分沒有正確匹配，信號就會在接口處來回反射，傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)電路的信號功率就會減小。由于高頻信號的波長較短，反射信號也會和原始信號進(jìn)行疊加，這也會導(dǎo)致信號的失真，信號質(zhì)量變差。另外，外界也會有干擾信號進(jìn)入電路。這樣如果沒有正確的阻抗匹配，就無法正確的傳輸射頻信號了。

阻抗匹配

有放大器調(diào)試經(jīng)驗(yàn)的同學(xué)應(yīng)該有遇到這種情況，在有放大器電路的中，如果放大器端口的匹配沒有做好就會有自激的現(xiàn)象出現(xiàn)。這也是為什么我們經(jīng)常會在有射頻放大器兩端加上衰減器的原因，除了衰減大信號之外，還能防止由于放大器端口的阻抗不匹配造成自激。

最后

在射頻電路或射頻系統(tǒng)中，阻抗匹配是一項(xiàng)關(guān)鍵性的工作，匹配的好壞影響著直接系統(tǒng)或電路的信號的傳輸，對系統(tǒng)或電路的性能有著非常大的影響。通常，阻抗匹配的調(diào)試是占用射頻工程師比較大工作量的一項(xiàng)工作。