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)的傳輸依賴于天線和同軸電纜，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)線一樣，存在損耗問題。當(dāng)傳輸功率過大時(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阻抗還與半波長偶極子天線和四分之一波長單極子天線的端口阻抗相匹配，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，因?yàn)樽畲蠊β蕚鬏斒鞘滓紤]因素，同時(shí)損耗問題也至關(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、線路和導(dǎo)線都存在損耗，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，其阻抗會(huì)受到三個(gè)關(guān)鍵因素的影響。首先，走線近區(qū)場(chǎng)的EMI(電磁干擾)與走線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)者將走線盡可能靠近參考平面。

然而，存在一些限制無法將走線高度降為零。大多數(shù)芯片無法驅(qū)動(dòng)阻抗小于50歐姆的傳輸線，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，因此在此類情況下，應(yīng)選用細(xì)且高的走線以獲得高阻抗。

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，其更寬的線寬更利于制造。

為什么50歐姆會(huì)成為射頻傳輸線的阻抗標(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，50歐姆被選為這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，由一個(gè)名為JAN的組織(后來發(fā)展為DESC，再由MIL特別發(fā)展)來協(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。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，像Hewlett-Packard這樣業(yè)界領(lǐng)先的公司也開始采用這一標(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。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，電路的阻抗一般來說比電阻大。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，主要用于傳輸線上， 主要用于傳輸線上，以此來達(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)反射回來源點(diǎn)，從而提升能源效益。信號(hào)源內(nèi)阻與所接傳輸線的特性阻抗大小相等且相位相同，或傳輸線的特性阻抗與所接負(fù)載阻抗的大小相等且相位相同，分別稱為傳輸線的輸入端或輸出端處于阻抗匹配狀態(tài)，簡稱為阻抗匹配。

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所得駐波比(SWR)或電壓駐波比(VSWR)進(jìn)行表示。因此許多常見的射頻組件和設(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法避免。例如，某些類型的濾波器本質(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)問題，可以采用其他類型的濾波器，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)上來說，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。如果輸出阻抗過大，就會(huì)導(dǎo)致射頻機(jī)過載，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)和使用來說，合適的阻抗大小非常重要。