Когда мы говорим о ВЧ, печатной плате, согласовании импедансов и S-параметрах, мы часто упоминаем сопротивление 50 Ом. И это число неоднократно появляется в различных стандартах, примечаниях по применению и руководствах по проектированию, как будто оно имеет какую-то другую прелесть.

Так почему же оно 50 Ом, а не 40 Ом, 60 Ом или 100 Ом? 50 Ом действительно другое?

Давайте выясним это вместе ниже.

Истоки стандарта 50 Ом можно проследить до конца 1920-х и начала 1930-х годов, когда телекоммуникационная отрасль находилась в зачаточном состоянии. Инженеры используют надувные коаксиальные кабели при проектировании радиопередатчиков. Они надеются, что сигнал удастся передать как можно дальше, поэтому они будут передавать на большой мощности, чтобы сигнал мог охватить более широкую территорию.

Но проблема в том, что коаксиальные кабели имеют потери при передаче, как и обычные провода. Если мощность слишком высока, кабель может повредиться от перегрева или даже расплавиться. Поэтому мы искали кабель, который мог бы выдерживать большую мощность при сохранении низких потерь для достижения более эффективной передачи радиочастот.

Возможно ли это?

Начнем с основного коаксиального кабеля, который называется так потому, что его внутренний и внешний проводники коаксиальны. Как показано ниже:

Обратите внимание, что, как упоминалось позже, мощность коаксиальной линии сильно зависит от радиуса внутреннего и внешнего проводников.

Ниже я перечислил множество формул. Если вам не интересно, вы можете просто перейти к следующему абзацу.

• Формула для расчета импеданса коаксиального кабеля:

Ps: εr — относительная диэлектрическая проницаемость диэлектрического материала. Когда коаксиальный кабель заполнен воздухом, η=120π.

• Его мощность следующая:

PS: напряженность электрического поля пробоя Eb, соответствующая напряжению пробоя Vb.

• Потери в кабеле в основном определяются скин-эффектом и могут быть рассчитаны по следующей формуле.

PS: Rs — поверхностное сопротивление металла.

На основании расчетов по приведенным выше формулам конкретный процесс здесь обсуждаться не будет. Наконец, было обнаружено, что кабели, гарантирующие передачу в режиме ТЕМ:

• Характеристическое сопротивление при наименьших потерях составляет 77 Ом;
• Характеристическое сопротивление для максимальной мощности составляет 30 Ом.

Кроме того, в режиме TE10 структура проводника волновода спроектирована так, чтобы оптимизировать распределение электрического поля. В это время характеристическое сопротивление волновода составляет примерно 60 Ом. Это связано с другим прошлым, поэтому мы не будем вдаваться в подробности.

На данный момент мы до сих пор не видим, как сопротивление 50 Ом стало стандартом. На самом деле ходят слухи, что 50 Ом — это компромиссный выбор между тремя вышеуказанными значениями. Оно близко к среднему значению между 77 Ом и 30 Ом и близко к 60 Ом, что делает его относительно идеальным выбором.

Кроме того, для некоторых кабелей с диэлектрическим заполнением минимальное сопротивление потерь составляет около 50 Ом, что является еще одной естественной причиной выбора 50 Ом.

Однако, помимо импеданса 50 Ом, распространенным стандартом также является сопротивление 75 Ом. Хотя значение напряжения имеет относительно небольшое значение, импеданс 75 Ом все же может быть подходящим выбором в определенных ситуациях, например, при длинных кабелях. Недорогие коаксиальные кабели, особенно с воздушными или низкодиэлектрическими наполнителями, могут достигать импеданса 77 Ом, а 75 Ом — это легко запоминающееся и практичное округленное число.

В высокоскоростных или высокочастотных каналах измерение S-параметра является важным показателем целостности сигнала. Эти параметры определяются на основе некоторого эталонного импеданса, обычно выбирается 50 Ом или 75 Ом, поскольку эти значения соответствуют среде в высокоскоростных/РЧ-системах. Принимая во внимание требуемый импеданс нагрузки, мы можем лучше понять измерения S-параметров и достичь наших целей при проектировании.

Короче говоря, нам все еще приходится думать, что стандарт импеданса 50 Ом не является произвольным выбором, а основан на результатах ряда научных анализов и исторических разработок, таких как баланс между самой высокой передачей мощности, самым высоким напряжением и наименьшее затухание.