神秘50欧姆阻抗的来源及使用原因

在PCB（Printed Circuit Board，印刷电路板）设计中，50欧姆匹配是一个重要的概念。50欧姆匹配是指将信号源和负载之间的阻抗保持在50欧姆，以获得最佳信号传输效果，因而在高频高速、射频以及微波等行业通常传输线要做50欧姆特性阻抗匹配。

何为阻抗？简单地说，阻抗就是电阻加电抗，阻抗就是电阻抗、电容抗及电感抗在向量上的和。在直流电领域中，物体对电流阻碍的作用叫做电阻，在交流电的领域中除了电阻会阻碍电流以外，电容及电感也会阻碍电流的活动，这种作用就称之为电抗，即抵抗电流的作用。那为什么一定要匹配到50欧姆的阻抗，而不是25欧姆或者75欧姆等其它数值呢？

要搞清楚50欧姆阻抗的来源，需要了解同轴电缆。同轴电缆(Coaxial Cable)是一种电线及信号传输线，一般是由四层物料组成：最内里是一条导电铜线，线的外面有一层塑胶（作绝缘体、电介质之用）围拢，塑胶绝缘层外面又有一层薄的网状导电体（一般为铜或合金），然后导电体最外层以绝缘物料作为外皮。内导体用来传输信号，绝缘层用来阻止信号的漏电和干扰，外层则用来屏蔽信号免受外界干扰。

同轴电缆结构说明

常见的同轴电缆

同轴电缆具有传输高频信号的能力（用作模拟信号和数字信号的传输），并且可以有效抵御干扰，因此广泛应用于通信设备中，如高频信号的传输、电视和广播的传输、计算机系统之间的短距离连接及局域网、监控系统、电子设备等。

在通信设备使用中主要关注同轴电缆的两个性能指标：

①功率容量：即可以传输最大的信号功率值，决定了设备的发射功率；

②传输损耗：即信号输出过程中在同轴线上的损耗大小，决定了传输的距离。

通过计算可知，最大传输功率容量在30Ω，最小传输损耗在70Ω，进行拟合。

上图显示了损耗与功率之间的权衡，可以看出50Ω是在最小损耗、最大功率和最大电压对应的阻抗之间的最不坏的妥协。实际上，50Ω非常接近于 77Ω和 30Ω的平均值，并且它接近于 60Ω，所以自然会认为这是 50 欧姆阻抗标准的原因。然而，人们可能会注意到，在充满 PTFE 的同轴电缆中，最小损耗的阻抗就是大约 50 欧姆，所以这似乎是另一个自然的解释！为了使得同轴线兼具最佳的功率容量与衰减常数，经过反复的权衡后，最后选择30欧姆与75欧姆之间平均值与最简值——50欧姆。因此，50欧姆就此诞生了！

除了理论因素外，行业内巨擘对标准的决定权也决定了50欧姆阻抗的由来，在Harmon Banning 的《电缆：关于 50 Ohm的来历可能有很多故事》一文中，详细介绍了关于50欧姆标准阻抗的来历：在微波应用的初期（即二次世界大战期间），阻抗的选择完全依赖于使用的需要，对于大功率的处理，30欧姆和44欧姆最常被使用。另一方面，最低损耗的空气填充线的阻抗是93欧姆。在那些岁月里，对于很少用的更高频率，没有易弯曲的软电缆，仅仅是填充空气介质的刚性导管。半刚性电缆诞生于50年代早期，真正的微波软电缆出现是大约10年以后了。随着技术的进步，需要给出阻抗标准，以便在经济性和方便性上取得平衡。在美国，敲定了50欧姆是一个折中的最佳方案，欧洲则选择了 60 欧姆。美国为了联合陆军与海军解决这些问题，成立了一个名为JAN的组织（就是后来的 DESC），由MIL(American military standard，美国军用标准)专门开发。不久以后，受美国惠普公司(Hewlett-Packard)等主导的世界级公司的影响，欧洲人也被迫改变选择50欧姆标准。从此，50欧姆的标准一统江湖。

所以50欧姆由来主要源于以下两个原因：

1. 理论因素：50欧姆传输线的特定优势；

2. 行业发展：行业巨擘对标准的话语权。

PCB的欧姆阻抗

阻抗匹配是指信号源或者传输线跟负载之间的一种合适的搭配方式。射频属于高频信号，如射频电路需要将功率从发射端传输到接收端。在功率从一个电路传输到另一个电路过程中就需要尽量保证信号的功率和质量。如何才能保证这些？其中最重要的就是做好电路的阻抗匹配，也就是说要正确地匹配输入电路和输出电路的阻抗。以水管和水龙头的做比喻，水管就像是输出电路，水龙头可以当作输入电路，水就是传输的信号。在安装时，我们势必要保证水管和水龙头的接口互相匹配，这样水才能自然的从水管流到水龙头不会有漏水的现象，倘若有一方的接口偏大或偏小都会有漏水的情况出现。

在高频高速、射频以及微波等行业通常传输线要做50欧姆特性阻抗匹配是因为高频能量从同轴连接器传递到印刷电路板（PCB）的过程通常被称为信号注入，能量传递的效率会因电路结构不同而差异悬殊。 

 PCB 材料及其厚度、工作频率范围等因素，以及连接器设计及其与电路材料的相互作用都会影响电子设备性能。通过对不同信号注入设置的了解和射频微波信号注入方法的优化，可以改进信号的注入效率和减少信号损失，从而提升电路系统性能。实现有效的信号注入与设计相关，一般宽带优化比窄带更有挑战性。通常高频注入随着频率升高而变得更加困难，同时也可能随着电路材料的厚度增加、电路结构的复杂性增加而产生更多问题。

在传输线理论中，传输线被视为具有特定阻抗的无限长线路。

50欧姆匹配的重要性在于它能够将信号源和负载的阻抗进行匹配，减少信号反射和功率损耗，提高信号传输效率。这对于频率较高的高速数字信号和射频信号而言尤为重要。在匹配阻抗为50欧姆的传输线上，信号的反射会被最小化，从而提高信噪比。

微带线：指的是PCB的表层走线，由接地平面支持的介电基板上的条状导体组成。

带状线：指的是PCB的内层走线，只被一种环境包围，即 PCB 材料。一般多层 PCB 设计，信号走线由上下的接地层支撑。

实现50欧姆匹配的关键是设计正确的传输线几何形状和特性阻抗。以下是一些实现50欧姆匹配的方法：

1.传输线宽度选择

根据所使用的材料介电常数和信号层厚度，可以使用传输线宽度公式来计算出特定特性阻抗（通常为50欧姆）所需的线宽。

2.传输线间距和间隔

当有多条传输线并行走向时，良好的50欧姆匹配可以通过控制传输线之间的间距和间隔来实现。较宽的间距会导致较高的特性阻抗，而较小的间隔会导致较低的特性阻抗。

3.地线引脚和地工作平面

在PCB设计中，使用地线引脚和地工作平面来进行50欧姆匹配是常见的做法。通过将传输线与相同特性阻抗的地线引脚连接起来，可以减少信号的反射。此外，还可以使用地工作平面来提供良好的回路接地，从而减少信号的干扰和噪声。

4.使用阻抗转换器

在一些特殊情况下，无法直接实现50欧姆匹配，可以使用阻抗转换器来将信号从不同阻抗（例如75欧姆）转换为50欧姆。阻抗转换器是一个特殊的电路，它能够在传输线之间实现阻抗匹配，以保证最佳信号传输效果。

5.使用阻抗匹配器

阻抗匹配器是一种电气组件，可用于调整传输线的特性阻抗，以实现50欧姆匹配。常见的阻抗匹配器包括电容器、电感器和微带线。通过合理选择和布局这些匹配器，可以在信号源和负载之间提供良好的阻抗匹配。

综上所述，实现50欧姆匹配在PCB设计中是非常重要的。通过正确选择传输线的几何形状和特性阻抗，合理布局传输线间距和间隔，使用地线引脚和地工作平面，以及使用阻抗转换器和阻抗匹配器等方法，可以实现高质量的50欧姆匹配，提高信号传输效率和抗干扰能力。在设计过程中，建议使用专业的电路仿真软件进行模拟分析，以确保实际PCB布局和设计符合50欧姆匹配的要求。