在射頻電路中，50Ω阻抗的應(yīng)用廣泛且普遍，它不僅出現(xiàn)在許多射頻系統(tǒng)或部件中，有時(shí)甚至是PCB板的默認(rèn)設(shè)置。這一數(shù)值選擇背后究竟有何深意?為何不是其他如60Ω、70Ω或100Ω等阻抗值呢?要解答這些問(wèn)題，我們首先得了解射頻信號(hào)的傳輸特點(diǎn)。射頻信號(hào)的傳輸依賴(lài)于天線(xiàn)和同軸電纜，為了實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離，我們通常會(huì)希望發(fā)射的信號(hào)功率足夠大，從而覆蓋更廣的通信范圍。然而，同軸電纜與普通導(dǎo)線(xiàn)一樣，存在損耗問(wèn)題。當(dāng)傳輸功率過(guò)大時(shí)，電纜會(huì)發(fā)熱甚至熔斷。因此，我們的目標(biāo)在于尋找一種既能傳輸大功率信號(hào)、損耗又盡可能小的同軸電纜。

在射頻電路中，50Ω阻抗之所以得到廣泛應(yīng)用，源于其獨(dú)特的傳輸特性。大約在1929年，貝爾實(shí)驗(yàn)室經(jīng)過(guò)一系列實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，30Ω和77Ω阻抗的同軸電纜在傳輸大功率信號(hào)時(shí)表現(xiàn)出色，前者傳輸功率最大，后者信號(hào)損耗最小。然而，在實(shí)際應(yīng)用中，我們往往需要在這兩者之間找到一個(gè)平衡。于是，50Ω系統(tǒng)阻抗應(yīng)運(yùn)而生，它是30Ω和77Ω阻抗的折中考慮，旨在同時(shí)滿(mǎn)足最大功率傳輸和最小損耗的需求。此外，50Ω阻抗還與半波長(zhǎng)偶極子天線(xiàn)和四分之一波長(zhǎng)單極子天線(xiàn)的端口阻抗相匹配，能有效減小反射損耗。

在電視TV和廣播FM接收系統(tǒng)中，系統(tǒng)阻抗通常為75Ω，這是由于75Ω射頻傳輸系統(tǒng)在信號(hào)傳輸過(guò)程中損耗最小。而對(duì)于帶有發(fā)射功能的電臺(tái)而言，50Ω阻抗則更為常見(jiàn)，因?yàn)樽畲蠊β蕚鬏斒鞘滓紤]因素，同時(shí)損耗問(wèn)題也至關(guān)重要。這也是為什么我們的對(duì)講機(jī)系統(tǒng)中常采用50Ω參數(shù)指標(biāo)的原因。

理論上，阻抗匹配到50Ω是可行的，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于元件、線(xiàn)路和導(dǎo)線(xiàn)都存在損耗，且系統(tǒng)部件具有一定的射頻帶寬，因此工程上通常只要確保帶內(nèi)頻點(diǎn)接近50Ω即可。

對(duì)于具有固定寬度的PCB走線(xiàn)，其阻抗會(huì)受到三個(gè)關(guān)鍵因素的影響。首先，走線(xiàn)近區(qū)場(chǎng)的EMI(電磁干擾)與走線(xiàn)距參考平面的高度成比例，高度越低則輻射越小。其次，串?dāng)_隨走線(xiàn)高度的降低而顯著減少，例如，高度減半時(shí)，串?dāng)_可減少至近四分之一。最后，較低的走線(xiàn)高度對(duì)應(yīng)較小的阻抗，從而降低受電容性負(fù)載的影響。這些因素共同促使設(shè)計(jì)者將走線(xiàn)盡可能靠近參考平面。

然而，存在一些限制無(wú)法將走線(xiàn)高度降為零。大多數(shù)芯片無(wú)法驅(qū)動(dòng)阻抗小于50歐姆的傳輸線(xiàn)，盡管某些特殊情況如Rambus的27歐姆阻抗和National的BTL系列能驅(qū)動(dòng)17歐姆阻抗。因此，在實(shí)際應(yīng)用中，并非總是選擇50歐姆阻抗最為適宜。例如，對(duì)于8080處理器這類(lèi)老舊的NMOS結(jié)構(gòu)，在100KHz的工作頻率下，由于不存在EMI、串?dāng)_和電容性負(fù)載的問(wèn)題，其并不適合驅(qū)動(dòng)50歐姆阻抗。相反，高阻抗意味著低功耗，因此在此類(lèi)情況下，應(yīng)選用細(xì)且高的走線(xiàn)以獲得高阻抗。

此外，從工藝制造的角度考慮，多層板層間距離較小，實(shí)現(xiàn)70歐姆阻抗所需的線(xiàn)寬工藝難度較大。因此，在這種情況下，應(yīng)優(yōu)先考慮采用50歐姆阻抗，其更寬的線(xiàn)寬更利于制造。

為什么50歐姆會(huì)成為射頻傳輸線(xiàn)的阻抗標(biāo)準(zhǔn)呢?這背后有一段有趣的歷史。在微波應(yīng)用的初期，尤其是在二戰(zhàn)期間，阻抗的選擇主要根據(jù)使用需求來(lái)定。對(duì)于大功率處理，30歐姆和44歐姆的阻抗較為常用。另一方面，空氣填充線(xiàn)的最低損耗阻抗是93歐姆。在那個(gè)年代，高頻段的應(yīng)用還很少，且缺乏易彎曲的軟電纜，主要使用的是填充空氣介質(zhì)的剛性導(dǎo)管。

隨著技術(shù)的進(jìn)步，為了平衡經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用性，需要制定一個(gè)統(tǒng)一的阻抗標(biāo)準(zhǔn)。在美國(guó)，50歐姆被選為這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，由一個(gè)名為JAN的組織(后來(lái)發(fā)展為DESC，再由MIL特別發(fā)展)來(lái)協(xié)調(diào)陸軍和海軍的需求。歐洲則選擇了60歐姆。

事實(shí)上，在美國(guó)最常用的導(dǎo)管是由標(biāo)尺竿和水管連接而成的，其阻抗大約在5歐姆左右，這在實(shí)際應(yīng)用中并不罕見(jiàn)。盡管如此，隨著50歐姆標(biāo)準(zhǔn)的逐漸普及，特別制造的導(dǎo)管也逐漸出現(xiàn)(可能是裝修工人稍作調(diào)整了管子直徑)。后來(lái)，像Hewlett-Packard這樣業(yè)界領(lǐng)先的公司也開(kāi)始采用這一標(biāo)準(zhǔn)，從而迫使歐洲人也做出了改變。

此外，75歐姆也是遠(yuǎn)程通訊的標(biāo)準(zhǔn)阻抗，主要適用于介質(zhì)填充線(xiàn)。由于在77歐姆時(shí)獲得最低損耗，因此在實(shí)際應(yīng)用中也有其特定的優(yōu)勢(shì)。而93歐姆則常用于短接續(xù)，如連接計(jì)算機(jī)主機(jī)和監(jiān)視器等場(chǎng)合，其低電容特性減少了電路負(fù)載并允許更長(zhǎng)的接續(xù)距離。

在射頻電路設(shè)計(jì)中，阻抗匹配是一個(gè)至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。阻抗不匹配會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射等嚴(yán)重問(wèn)題，影響電路的性能和穩(wěn)定性。因此，在進(jìn)行射頻設(shè)計(jì)和測(cè)試時(shí)，必須確保各部分阻抗的匹配性達(dá)到要求。

在任何情況下，信號(hào)鏈中的各個(gè)組件和設(shè)備會(huì)在其輸入端口和輸出端口引起阻抗。此外，信號(hào)鏈中的設(shè)備與組件之間互連也會(huì)引起其自身的阻抗。假定任何端口上的阻抗是電流/電壓之比，則組件或設(shè)備的內(nèi)部響應(yīng)會(huì)直接影響信號(hào)鏈中每個(gè)元件端口處阻抗。今天就一起了解一下阻抗匹配以及在射頻信號(hào)鏈中的重要性。

具有電阻、電感和電容的電路里，對(duì)交流電所起的阻礙作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由電阻、感抗和容抗三者組成，但不是三者簡(jiǎn)單相加。如果三者是串聯(lián)的，又知道交流電的頻率f、電阻R、電感L和電容C，那么串聯(lián)電路的阻抗。阻抗的單位是歐。

對(duì)于一個(gè)具體電路，阻抗不是不變的，而是隨著頻率變化而變化。在電阻、電感和電容串聯(lián)電路中，電路的阻抗一般來(lái)說(shuō)比電阻大。也就是阻抗減小到最小值。在電感和電容并聯(lián)電路中，諧振的時(shí)候阻抗增加到最大值，這和串聯(lián)電路相反。

阻抗匹配(Impedance matching)是微波電子學(xué)里的一部分，在高頻設(shè)計(jì)中是一個(gè)常用的概念，主要用于傳輸線(xiàn)上， 主要用于傳輸線(xiàn)上，以此來(lái)達(dá)到所有高頻的微波信號(hào)均能傳遞至負(fù)載點(diǎn)的目的，而且?guī)缀醪粫?huì)有信號(hào)反射回來(lái)源點(diǎn)，從而提升能源效益。信號(hào)源內(nèi)阻與所接傳輸線(xiàn)的特性阻抗大小相等且相位相同，或傳輸線(xiàn)的特性阻抗與所接負(fù)載阻抗的大小相等且相位相同，分別稱(chēng)為傳輸線(xiàn)的輸入端或輸出端處于阻抗匹配狀態(tài)，簡(jiǎn)稱(chēng)為阻抗匹配。

在射頻信號(hào)鏈中，阻抗匹配具有更重要的意義。阻抗匹配的目的是為了解決功率傳輸時(shí)阻抗不匹配的問(wèn)題。在射頻信號(hào)鏈的每個(gè)節(jié)點(diǎn)上，如果阻抗匹配不準(zhǔn)確，會(huì)產(chǎn)生反射。測(cè)量阻抗不匹配的一種常用方法是通過(guò)所得駐波比(SWR)或電壓駐波比(VSWR)進(jìn)行表示。因此許多常見(jiàn)的射頻組件和設(shè)備的端口阻抗設(shè)計(jì)為50 Ohm或75 Ohm，這樣可以最大程度地減少阻抗不匹配的可能性，并降低需要設(shè)計(jì)人員確保信號(hào)鏈中每個(gè)元件之間阻抗匹配的要求。

信號(hào)鏈中出現(xiàn)阻抗不匹配會(huì)產(chǎn)生各種不良影響。直接表現(xiàn)為本應(yīng)沿信號(hào)鏈傳輸?shù)哪承┬盘?hào)強(qiáng)度會(huì)因阻抗不匹配被反射。這會(huì)導(dǎo)致信號(hào)強(qiáng)度下降，并使信號(hào)鏈中出現(xiàn)衰減。此外，反射信號(hào)可以在兩個(gè)不匹配的端口之間來(lái)回“反彈”并產(chǎn)生駐波。該駐波可能會(huì)像端口上的直流電壓一樣損害或改變某些射頻組件和設(shè)備的行為?？紤]到射頻電路通常為非線(xiàn)性，反射信號(hào)也有可能導(dǎo)致信號(hào)鏈的通帶中產(chǎn)生雜散、諧波、噪聲以及其他不良的信號(hào)劣化。

在極端情況下，阻抗不匹配可能會(huì)導(dǎo)致因反射信號(hào)過(guò)強(qiáng)而損壞信號(hào)鏈中的設(shè)備和組件。例如，如果高功率發(fā)射機(jī)的輸出端與天線(xiàn)端口不匹配，則反射信號(hào)強(qiáng)度可能會(huì)損壞高功率放大器(HPA)，而高功率放大器比較昂貴，且維修起來(lái)比較復(fù)雜。在某些情況下，信號(hào)鏈內(nèi)的阻抗不匹配幾乎無(wú)法避免。例如，某些類(lèi)型的濾波器本質(zhì)上具有反射性。這意味著濾波器通帶之外的頻率內(nèi)容將會(huì)出現(xiàn)阻抗不匹配，導(dǎo)致通帶之外的那些信號(hào)被反射。濾波器通常放置在混頻器、振蕩器、發(fā)射機(jī)和其他有源元件的輸出端，因此可能導(dǎo)致濾波器、元件或信號(hào)質(zhì)量下降和受損。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以采用其他類(lèi)型的濾波器，例如吸收濾波器，該濾波器主要吸收通帶之外的射頻能量，或者在信號(hào)鏈的反射元件之間放置衰減器，以吸收反射信號(hào)的能量并防止產(chǎn)生駐波。

在某些需要將阻抗不匹配引起的反射降到最小、實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸或遵守其他限制(例如將接收信號(hào)中的噪聲含量降到最小)的情況下，可能需要阻抗匹配電路。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，阻抗匹配電路可以進(jìn)行其中一個(gè)端口到另一個(gè)端口的阻抗變換。如果此阻抗變換旨在實(shí)現(xiàn)最大功率傳輸，則阻抗匹配會(huì)將源端口和負(fù)載端口變換為互相共軛匹配。在將天線(xiàn)端口與接收機(jī)輸入端(例如低噪聲放大器(LNA))進(jìn)行匹配的情況下，可以采用不同的方法。如果需要考慮噪聲，則將可能不會(huì)采用阻抗匹配電路進(jìn)行共軛匹配，而是采用阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，其旨在提供低噪聲放大器的噪聲系數(shù)優(yōu)化源電阻和偏置點(diǎn)。

如果射頻機(jī)的輸出阻抗與天線(xiàn)的輸入阻抗不匹配，就會(huì)導(dǎo)致信號(hào)反射和衰減，從而影響射頻信號(hào)的傳輸效率。因此，射頻機(jī)阻抗的匹配非常重要。射頻機(jī)阻抗的大小和穩(wěn)定性對(duì)射頻機(jī)的性能和穩(wěn)定性有很大的影響。如果阻抗不穩(wěn)定，就會(huì)導(dǎo)致射頻機(jī)的輸出功率不穩(wěn)定，從而影響通信質(zhì)量。射頻機(jī)阻抗的大小也會(huì)對(duì)射頻機(jī)的保護(hù)起到關(guān)鍵作用。如果輸出阻抗過(guò)大，就會(huì)導(dǎo)致射頻機(jī)過(guò)載，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)損壞射頻機(jī)。因此，對(duì)于射頻機(jī)的設(shè)計(jì)和使用來(lái)說(shuō)，合適的阻抗大小非常重要。