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50欧姆阻抗：它来自何处以及为什么使用它
当我们谈论RF /高速PCB设计中的S参数，阻抗匹配，传输线和其他基本概念时，一遍又一遍地出现了50欧姆阻抗的概念。在互联网上浏览信令标准，组件数据表，应用笔记和设计指南；这是一个反复出现的阻抗值。那么50 Ohm阻抗标准从何而来，为什么如此重要呢？孤立地看，选择50欧姆阻抗似乎是完全任意的：为什么不选择10欧姆或100欧姆呢？
答案主要取决于您问谁。RF社区，尤其是电缆设计师，拥有最佳答案，他们对同轴电缆的分析也为他们提供了解释。除了一个专家的参考书，我从未见过关于PCB发生什么的讨论，但是PCB的答案与常见逻辑电路的内部结构和电气特性有关。如果您准备好上一堂历史课，请选择50欧姆阻抗值，然后继续阅读。我们甚至将研究75欧姆标准，以了解有关RF互连上的信号和功率传输的知识。
同轴电缆的历史和50欧姆阻抗
50欧姆阻抗的历史可以追溯到1920年代末/ 1930年代初，当时电信行业还处于起步阶段。工程师正在设计用于无线电发射机的充气同轴电缆，这些同轴电缆的设计输出功率为kW。这些电缆也将跨越很长的距离，达到数百英里。这意味着电缆的设计必须具有最高的功率传输，最高的电压和最低的衰减。应该使用哪个阻抗来满足所有三个目标？
事实证明，就像其他许多设计问题一样，不可能平衡所有三个目标。
最低损耗：这取决于同轴电缆内部电介质的损耗。对于充气同轴电缆，这发生在大约77欧姆，或者对于某些绝缘介质电缆，大约在50欧姆（在下面有更多说明）。
最高电压：这是基于充气同轴电缆中的中心导体和侧壁之间的电场。当构造导体使其阻抗约为60欧姆时，TE10模式下的电场将最大化。
最高的功率传输：任何尺寸的同轴电缆可能足够长，足以充当传输线并支持波传播。同轴电缆承载的功率受到击穿场和电缆阻抗V2 / Z的限制。事实证明，对于充气式同轴电缆，在TE11截止以下运行时，功率传递最大程度约为30欧姆。
下图显示了损耗与功率之间的权衡。下面的文件由Wikimedia提供，但是您可以从许多其他参考文献中找到类似的图形。您还可以使用阻抗，铜粗糙度/集肤效应和介电吸收来计算损耗，并生成专门用于同轴电缆的类似图形。功率计算需要针对基本传播模式和特性阻抗使用完整解决方案。
关于上图的理解点之一是，通常不包括电介质色散，它会影响较高频率下的结果。计算这些曲线时，色散（Dk值和损耗角正切）被认为具有平坦的色散，这可能与您的频率范围内的实际情况不符。但是，该曲线为我们提供了一个很好的主意，以了解为什么重点放在50欧姆阻抗上。
妥协还是介电？
这个问题的快速答案是，在最小损耗，最大功率和最大电压所对应的阻抗之间，最小的折衷是50 Ohms。实际上，50欧姆非常接近77到30欧姆之间的平均值，并且接近60欧姆，因此可以自然地假设这是50欧姆阻抗标准的原因。但是，可能会注意到，在填充PTFE的同轴电缆中，损耗最小的阻抗仅为50欧姆，因此这似乎是另一种自然的解释！
75欧姆阻抗怎么样？
事实证明，电压值的重要性较小。您可能担心承载力，最大程度地减少损耗，或者试图平衡两者。低成本的带有空气或低Dk介电填料的同轴电缆可以在长距离电缆上产生77欧姆的阻抗，但是舍入到75欧姆而不是使用77欧姆的原因对我来说仍然是个谜。有人会认为75 Ohms是一个很好的四舍五入的数字，容易记住，而有关Microwaves 101的一篇外部文章则声称这是故意设计的。在钢芯同轴电缆中，直径略大一些以提供一些额外的柔韧性，因此阻抗将达到75欧姆。
转换参考阻抗
当使用高速或高频通道时，我们通常将S参数测量用作重要的信号完整性指标。这些是根据一些参考阻抗定义的，通常将其视为上述值之一（50或75欧姆），因为您可能要与高速/ RF系统中的其中一种介质接口。我更愿意根据您所需的端接阻抗来考虑参考阻抗。您正在为每个端口拍摄75或50 Ohm的阻抗，S参数测量显示出您如何偏离设计目标。
如果您在PCB上有用于互连的测量S参数矩阵，则可以通过以下转换将其转换为新的S参数矩阵：
具有两个不同参考阻抗的S参数矩阵之间的转换。
这对于了解在切换参考介质（例如，在75至50欧姆阻抗电缆之间）时S参数可能如何变化很有用。通过使用术语“参考介质”，我们在DUT /互连与理想的50/75欧姆电缆，50/75欧姆端口或另一输入阻抗为50/75欧姆的组件之间进行比较。