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损耗@RF设计中的阻抗匹配及50欧姆的由来？

北京联盟_原题是：RF设计中的阻抗匹配及50欧姆的由来？
为什么很多射频系统或者部件中 ， 很多时候都是用50欧姆的阻抗（有时候这个值甚至就是PCB板的缺省值）， 为什么不是60或者是70欧姆呢？这个数值是怎么确定下来的 ， 背后有什么意义？本文为您打开其中的奥秘 。
我们知道射频的传输需要天线和同轴电缆 ， 射频信号的传输我们总是希望尽可能传输更远的距离 ， 为了传输更远的距离 ， 我们往往希望用很大的功率去发射信号便于覆盖更大的通信范围 。可是实际上 ， 同轴电缆本身是有损耗的 ， 和我们平常使用得导线一样 ， 如果传输功率过大 ， 导线会发热甚至熔断 。这样 ， 我们就有一种期望 ， 试图寻找一种能够传输大功率 ， 同时损耗又非常小的同轴电缆 。
损耗@RF设计中的阻抗匹配及50欧姆的由来？
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大概在1929年 ， 贝尔实验室做了很多实验 ， 最终发现符合这种大功率传输 ， 损耗小的同轴电缆其特征阻抗分别是30欧姆和77欧姆 。其中 ， 30欧姆的同轴电缆可以传输的功率是最大的 ， 77欧姆的同轴电缆传输信号的损耗是最小的 。30欧姆和77欧姆的算术平均值为53.5欧姆 ， 30欧姆和77欧姆的几何平均值是48欧姆 ， 我们经常所说的50欧姆系统阻抗其实是53.5欧姆和48欧姆的一个工程上的折中考虑 ， 考虑最大功率传输和最小损耗尽可能同时满足 。而且通过实践发现 ， 50欧姆的系统阻抗 ， 对于半波长偶极子天线和四分之一波长单极子天线的端口阻抗也是匹配的 ， 引起的反射损耗是最小的 。
我们常见的系统中 ， 比如电视TV和广播FM接收系统中 ， 其系统阻抗基本上都是75欧姆 ， 正是因为75欧姆射频传输系统中 ， 信号传输的损耗是最小的 ， TV和广播FM接收系统中 ， 信号的传输损耗是重要的考虑因素 。而对于带有发射的电台而言 ， 50欧姆是很常见的 ， 因为最大功率传输是我们考虑的主要因素 ， 同时损耗也比较重要 。这就是为什么我们的对讲机系统中 ， 经常看到的都是50欧姆的参数指标 。
如果说阻抗匹配到50欧姆 ， 从数学上 ， 是可以严格做到的 ， 但是实际应用中的任何元件 ， 线路 ， 导线都存在损耗 ， 而且设计的任何系统部件都存在一定的射频带宽 ， 所以匹配到50欧姆 ， 工程上只要保证所有的带内频点落在50欧姆附近即可 。在Smith圆图上来看 ， 就是尽可能趋近于圆图的圆心即可 ， 确保带内的射频传输信号尽可能没有反射损耗 ， 获得最大程度的能量传输 。
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为什么大多数工程师喜欢用 50 欧姆作为 PCB 的传输线阻抗（有时候这个值甚至就是 PCB 板的缺省值）， 为什么不是 60 或者是 70 欧姆呢？
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对于宽度确定的走线 ， 3 个主要的因素会影响 PCB 走线的 阻抗 。首先 ， 是 PCB 走线近区场的 EMI（电磁干扰）和这个走线距参考平面的高度是成一定的比例关系的 ， 高度越低意味着辐射越小 。其次 ， 串扰会随走线高度有显著的变化 ， 把高度减少一半 ， 串扰会减少到近四分之一 。最后 ， 高度越低阻抗越小 ， 不易受电容性负载影响 。所有的三个因素都会让设计者把走线尽量靠近参考平面 。阻止你把走线高度降到零的原因是 ， 大多数芯片驱动不了阻抗小于 50 欧姆的传输线 。（这个规则的特例是可以驱动 27 欧姆的Rambus ， 以及 National 的的 BTL 系列 ， 它可以驱动 17 欧姆）并不是所有的情况都是用50欧姆最好 。例如 ， 8080 处理器的很老的 NMOS 结构 ， 工作在 100KHz ， 没有 EMI ， 串扰和电容性负载的问题 ， 它也不能驱动 50 欧姆 。对于这个处理器来说 ， 高的阻抗意味着低功耗 ， 你要尽可能的用细的 ， 高的这样有高阻抗的线 。纯机械的角度也要考虑到 。例如 ， 从密度上讲 ， 多层板层间距离很小 ， 70 欧姆阻抗所需要的线宽工艺很难做到 。这种情况 ， 你应该用 50 欧姆 ， 它的线宽更加宽 ， 更易于制造 。


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