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為什么 RF設(shè)計(jì)中的阻抗匹配用 50 Ω ?

06/19 10:19
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之前的文章中聊過(guò) RF 設(shè)計(jì)中的 PCB 板載天線,幾乎所有的射頻電路設(shè)計(jì)中都會(huì)遇到阻抗匹配的問(wèn)題,并且,我們都默認(rèn)了這個(gè)阻抗是 50 歐姆。為什么不是 30 歐姆或者 80 歐姆呢?它是怎么被確定下來(lái)的?今天來(lái)扒一扒這個(gè)歷史成因。

射頻信號(hào)的傳輸有兩種通道,無(wú)線和有線。是的,有線也傳輸射頻信號(hào),比如我們家里的歌華有線,這種閉路電視系統(tǒng)實(shí)際上都是傳播的射頻信號(hào),還有我們小時(shí)候黑白電視的天線,接在電視上的也是用的同軸線纜,畢竟天線自己不能直接在芯片上長(zhǎng)出來(lái),對(duì)了,這個(gè)電池天線的阻抗是 75 歐姆的。

在射頻信號(hào)的傳輸中,我們總是希望盡可能的傳輸更遠(yuǎn)的距離,那么,為了傳輸更遠(yuǎn),我們通常是使用更大的功率去發(fā)射信號(hào)來(lái)覆蓋更大的通信范圍。事實(shí)上,同軸線纜本身存在損耗,它和我們平時(shí)說(shuō)的線纜是一樣的,如果功率過(guò)大,導(dǎo)線就會(huì)發(fā)熱乃至熔斷。由此,我們就產(chǎn)生了一種期望,試圖找一種既能夠保障大功率傳輸,同時(shí)損耗有非常小的同軸線纜。

早在 1929 年,貝爾實(shí)驗(yàn)室做了很多實(shí)驗(yàn),最終發(fā)現(xiàn)符合這種大功率傳輸,損耗小同軸電纜其特征阻抗分別是30歐姆和77歐姆。其中,30歐姆的同軸電纜可以傳輸?shù)墓β适亲畲蟮模?7歐姆的同軸電纜傳輸信號(hào)的損耗是最小的。我們經(jīng)常所說(shuō)的50歐姆系統(tǒng)阻抗其實(shí)是一個(gè)工程上的折中考慮,考慮最大功率傳輸和最小損耗盡可能同時(shí)滿足。

而且通過(guò)實(shí)踐發(fā)現(xiàn),50歐姆的系統(tǒng)阻抗,對(duì)于半波長(zhǎng)偶極子天線和四分之一波長(zhǎng)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。上文提到的有線電視或者廣播 FM 接收系統(tǒng)中,其系統(tǒng)阻抗基本上都是 75 歐姆,這正式因?yàn)?75 歐姆射頻傳輸系統(tǒng)中,信號(hào)傳輸的損耗是最小的,而在 TV 和廣播 FM ?接受系統(tǒng)中,信號(hào)的傳輸損耗是首先要考慮的。相對(duì)的,對(duì)于帶有發(fā)射的電臺(tái)而言,50歐姆是常見(jiàn)的匹配阻抗,這是因?yàn)樽畲蠊β蕚鬏敳攀前l(fā)射設(shè)備考慮的主要因素,同時(shí)損耗也比較重要,這也就是為什么我們藍(lán)牙wifi 通信以及對(duì)講機(jī)中使用的都是 50 歐姆的參數(shù)指標(biāo)。

我們要了解的是,對(duì)于 50 歐姆的阻抗,本質(zhì)上沒(méi)有什么特別的,雖然我們?cè)谏漕l設(shè)備研發(fā)時(shí),經(jīng)常掛在嘴邊,但這也不是一個(gè)基本的常數(shù)。只要我們簡(jiǎn)單的改變一下同軸線纜的物理尺寸,他的特性阻抗就會(huì)改變。盡管如此,50Ω阻抗還是非常重要的,因?yàn)榇蠖鄶?shù)RF(射頻)系統(tǒng)都圍繞該阻抗進(jìn)行設(shè)計(jì)。很難確切地確定為什么50歐姆成為標(biāo)準(zhǔn)的RF(射頻)阻抗,但是可以合理地假設(shè),發(fā)現(xiàn)50歐姆阻抗,在早期同軸電纜的情況下是一個(gè)很好的折衷方案。當(dāng)然,重要的問(wèn)題不是這個(gè)特定值的來(lái)源,而是具有此標(biāo)準(zhǔn)化阻抗的好處。

這使得實(shí)現(xiàn)完美匹配的設(shè)計(jì)要簡(jiǎn)單得多,因?yàn)镮C,固定衰減器,天線等制造商可以考慮這一阻抗來(lái)構(gòu)建其部件。而且,PCB布局和設(shè)計(jì)變得更加簡(jiǎn)單,因?yàn)槿绱硕嗟?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E5%B7%A5%E7%A8%8B%E5%B8%88/">工程師都有相同的目標(biāo),即設(shè)計(jì)特征阻抗為50的微帶和帶狀線。

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2450AT07A0100T 1 Johanson Technology Inc RF/Microwave Antenna, 2400MHz Min, 2500MHz Max,

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