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在射頻電路中經(jīng)常會(huì)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(guò)，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(hào)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(wèn)題我們開(kāi)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(shí)，傳輸線是用來(lái)傳播信號(hào)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(jiàn)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(guò)還有一些會(huì)有多層屏蔽層和保護(hù)層。
信號(hào)的最大功率的傳輸和最小信號(hào)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(guò)這三個(gè)參數(shù)就可以控制特性阻抗。
傳輸線是用來(lái)傳輸能量的，它對(duì)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(chǎng)強(qiáng)度，當(dāng)其達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí)時(shí)就會(huì)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(hào)功率的最大容量傳輸和避免信號(hào)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(hào)功率最大，而在77歐姆時(shí)信號(hào)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(huì)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(lái)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(wàn)用表在導(dǎo)線的兩邊測(cè)量電阻，你會(huì)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(lái)說(shuō)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(wèn)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(huì)對(duì)電流起阻礙作用，我們把對(duì)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(hào)的頻率
- ω 是角頻率
從阻抗的公式上，我們可以看出對(duì)于理想的純電阻來(lái)說(shuō)，其電阻是跟信號(hào)的頻率無(wú)關(guān)的。但是實(shí)際上，任何電路都有電阻、電感和電容，對(duì)于感抗和容抗的大小來(lái)說(shuō)是跟頻率有關(guān)的。因此，對(duì)于高頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，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(hào)，它不同于低頻信號(hào)，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(duì)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(guò)程中就需要盡量保證信號(hào)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(shuō)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(lái)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?hào)。在安裝時(shí)，我們勢(shì)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(huì)有漏水的現(xiàn)象，倘若有一方的接口偏大或偏小都會(huì)有漏水的情況出現(xiàn)。
同樣的，對(duì)于射頻電路也是如此，不過(guò)，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(méi)有正確匹配，信號(hào)就會(huì)在接口處來(lái)回反射，傳輸?shù)搅硗庖粋€(gè)電路的信號(hào)功率就會(huì)減小。由于高頻信號(hào)的波長(zhǎng)較短，反射信號(hào)也會(huì)和原始信號(hào)進(jìn)行疊加，這也會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的失真，信號(hào)質(zhì)量變差。另外，外界也會(huì)有干擾信號(hào)進(jìn)入電路。這樣如果沒(méi)有正確的阻抗匹配，就無(wú)法正確的傳輸射頻信號(hào)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(méi)有做好就會(huì)有自激的現(xiàn)象出現(xiàn)。這也是為什么我們經(jīng)常會(huì)在有射頻放大器兩端加上衰減器的原因，除了衰減大信號(hào)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(hào)的傳輸，對(duì)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。
