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常见问题

同轴线欧(详解)

文字:[大][中][小] 2020-01-02 10:04    浏览次数:    

  同轴线欧(详解)_互联网_IT/计算机_专业资料。什么是典型的电缆阻抗? 同轴电缆使用的最典型阻抗值为 50 欧姆和 75 欧姆。50 欧姆同 轴电缆大概是使用中最常见的,一般使用在无线电发射接收器,实验 室设备,以太等环境下。 另一种常用的电缆类型

  什么是典型的电缆阻抗? 同轴电缆使用的最典型阻抗值为 50 欧姆和 75 欧姆。50 欧姆同 轴电缆大概是使用中最常见的,一般使用在无线电发射接收器,实验 室设备,以太等环境下。 另一种常用的电缆类型是 75 欧姆的同轴电缆,一般用在视频传 输,有限电视网络,天线馈线,长途电讯应用等场合。 电报和电话使用的裸露平行导线 欧姆。 一 对线 的双绞线,使用合适的绝缘体,因为机械加工的限制, 平均阻抗大约在 120 欧姆左右, 这是另一种具有自己特有特性阻抗的 传输线。 某些天线 欧姆的双引线, 以匹配折合半波阵子在 自由空间阻抗。 (但当折合阵子处于八木天线中的时候,阻抗通常会 下降很多,一般在 100-200 欧姆左右) (注:加反射板也会改变阵子的阻抗值,一般会降低,而且反射 板越近则阻抗降低越多。 ) 为什么是 50 欧姆的同轴电缆? 在美国, 用作射频功率传输的标准同轴电缆的阻抗几乎无一例外 地都是 50 欧姆。为什么选用这个数值,在伯德电子公司出示的一篇 论文中有解释。 不的的参数都对应一个最佳的阻抗值。内外导体直径比为 1.65 时导线有最大功率传输能力,对应阻抗为 30 欧姆(注:lg1.65*138 =30 欧姆,要使 用空气为绝缘介质,因为这个时候介电常数最小, 如果使用介电常数为 2.3 的固体聚乙烯,则阻抗只有不到 20 欧姆) 。 最合适电压渗透的直径比为 2.7,对应 阻抗大约是 60 欧姆。 (顺带 一提,这个是很多欧洲国家使用的标准阻抗) 当 发生击穿时,对功率传输能力的考量是忽略了渗透电流的, 而在阻抗很低,30 欧姆时,渗透电流会很高。衰减只源自导体的损 失,此时的衰减大约比最小衰减阻抗 (直径比 3.5911)77 欧姆的时 候上升了 50%,而在这个比率下(D/d=3.5911) ,最大功率的上限为 3 0 欧姆电缆最大功率的一半。 以前,很少使用微波功率,电缆也无法应付大容量传输。因此减 少衰减是最重要的因素,导致了选择 77(75 欧姆)为标准。同时也 确立了硬件的规格。当低耗的绝缘材料在实际中应用到柔性电缆上, 电缆的尺寸规格必须保持不变,才能和现存的设备接口吻合。 聚乙烯的介电常数为 2.3,以空气(介电常数为 1)为绝缘层的 导线 欧姆,如果以聚乙烯来填充绝缘空间的线 欧姆。虽然精确的标准是 50 欧姆,51 欧姆的电缆在今天 仍然在使用。 在 77 欧姆点的衰减最小,60 欧姆点的击穿电压为最大,而 30 欧姆点的功率输送量是最大的。 (注:洋人的思维也如此混乱,这些 性能指标明明不是由阻抗决定的。前面说过,这些由 D/d 比决定的。 闲扯这些只让人产生误解) 另 外一个可以导致 50 欧姆同轴电缆的事情, 如果您使用一个合 适直径的中心导体,并将绝缘体注入中心倒替周围,再在外围装上屏 蔽层,选好所有的尺寸以便别人使 用并顾及到外观的美观,结果其 阻抗都落在 50 欧姆左右。如果想提高阻抗,中心导体的直径和导线 的总径相比的话太细了;如果想降低阻抗,则内外导体之间的绝 缘 体厚度要做的很薄。几乎任何同轴电缆由于机械美观度的原因,都会 接近 50 欧姆,这使 50 欧姆成为标准化的一种自然趋向。 如果在需要 75 欧姆的视频应用中使用了 50 欧姆的电缆会怎 样? 如果 50 欧姆的电缆连接了 75 欧姆的负载(接收器) ,会有相当 一部分的信号反射向发射设备。因为发射设备也是 75 欧姆的,这个 反射信号会有部分再反射向接受设备。因为信号比正常信号有所延 迟,在显示时表现为鬼影一样的图象,大量此类的鬼影象回声一样反 复。同时,反射在某些频率引起部分信号损失。 如何转换电缆的阻抗值? 阻抗本身是不能转换的,除非您更换整一条具有其他阻抗的电 缆,如果您必须要使用现存的电缆,那有一个方法可行:进行阻抗转 换。由于有种转换器可以使用,两端都安装该转换器的的电缆好象具 有了不同阻抗。 有些地方是可以用电阻转接器来转换电缆阻抗的, 转接器比转换 器简单,但使用中一般有很显著的信号损失。 (75 欧姆转换到 50 欧 姆典型的损失有 6dB 左右) 同轴线 欧 只是一个选择,和电路可实现性有点关系。大家在长期的工作中 已经形成了一个规范,上升到国家标准或国际标准。有了标准,大家 都以标准为参数去设计制作器件等, 那么后人在设计电路的时候就要 遵循这个标准了。 比如你设计一个不是 50 欧姆或不是 75 欧姆的电路, 你就买不到与其匹配的电缆,或其它零件,你怎么实现你的电路?所 以要遵循标准。 这个 50 欧姆肯定和制造有关,如介质的介电常数, 尺寸等。 同轴线材的阻抗主要是用于减少噪声的干扰,例 如视频线 欧姆的阻抗,这个大小的阻抗的线材可以很好 地减弱外界和内部电磁波对这个频段的视频信号的干扰。 1.同轴视频线 欧姆 馈线 欧姆是指馈线的阻抗匹配值,因为馈线会有信号衰减,阻抗 匹配的目的就是让微波信号尽可能的以最大值传输到终端。 具体你可 以详细了解阻抗匹配的相关资料。 2.什么叫阻抗匹配 阻抗匹配(Impedance matching)是微波电子学里的一部分,主 要用于传输线上,来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目 的,不会有信号反射回来源点,从而提升能源效益。 大体上,阻抗匹配有两种,一种是透过改变阻抗力 (lumped-circuit matching),另一种则是调整传输线的波长 (transmission line matching)。 要匹配一组线路,首先把负载点的阻抗值,除以传输线的特性阻 抗值来归一化,然后把数值划在史密夫图表上。 改变阻抗力 把电容或电感与负载串联起来,即可增加或减少负载的阻抗值, 在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。 如果把电容或电感接 地,首先图表上的点会以图中心旋转 180 度,然后才沿电阻圈走动, 再沿中心旋转 180 度。重覆以上方法直至电阻值变成 1,即可直接把 阻抗力变为零完成匹配。 调整传输线 由负载点至来源点加长传输线, 在图表上的圆点会沿着图中心以 逆时针方向走动,直至走到电阻值为 1 的圆圈上,即可加电容或电感 把阻抗力调整为零,完成匹配 阻抗匹配则传输功率大,对于一个电源来讲,单它的内阻等于负 载时,输出功率最大,此时阻抗匹配。最大功率传输定理,如果是高 频的话,就是无反射波。对于普通的宽频放大器,输出阻抗 50Ω , 功率传输电路中需要考虑阻抗匹配, 可是如果信号波长远远大于电缆 长度,即缆长可以忽略的话,就无须考虑阻抗匹配了。阻抗匹配是指 在能量传输时,要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等,此时的传 输不会产生反射,这表明所有能量都被负载吸收了.反之则在传输中 有能量损失。高速 PCB 布线时,为了防止信号的反射,要求是线 欧姆。 这是个大约的数字,一般规定同轴电缆基带 50 欧姆, 频带 75 欧姆,对绞线 欧姆,只是取个整而已,为了匹配方 便. 阻抗从字面上看就与电阻不一样,其中只有一个阻字是相同的, 而另一个抗字呢?简单地说,阻抗就是电阻加电抗,所以才叫阻抗; 周延一点地说,阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。在直 流电的世界中,物体对电流阻碍的作用叫做电阻,世界上所有的物质 都有电阻,只是电阻值的大小差异而已。电阻小的物质称作良导体, 电阻很大的物质称作非导体,而最近在高科技领域中称的超导体,则 是一种电阻值几近于零的东西。 但是在交流电的领域中则除了电阻会 阻碍电流以外,电容及电感也会阻碍电流的流动,这种作用就称之为 电抗,意即抵抗电流的作用。电容及电感的电抗分别称作电容抗及电 感抗,简称容抗及感抗。它们的计量单位与电阻一样是奥姆,而其值 的大小则和交流电的频率有关系,频率愈高则容抗愈小感抗愈大,频 率愈低则容抗愈大而感抗愈小。 此外电容抗和电感抗还有相位角度的 问题,具有向量上的关系式,因此才会说:阻抗是电阻与电抗在向量 上的和。 阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配, 得到最大功 率输出的一种工作状态。对于不同特性的电路,匹配条件是不一样 的。 在纯电阻电路中,当负载电阻等于激励源内阻时,则输出功率为 最大,这种工作状态称为匹配,否则称为失配。 当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时, 为使负载得到最大 功率,负载阻抗与内阻必须满足共扼关系,即电阻成份相等,电抗成 份只数值相等而符号相反。这种匹配条件称为共扼匹配。 一.阻抗匹配的研究 在高速的设计中,阻抗的匹配与否关系到信号的质量优劣。阻抗 匹配的技术可以说是丰富多样, 但是在具体的系统中怎样才能比较合 理的应用,需要衡量多个方面的因素。例如我们在系统中设计中,很 多采用的都是源段的串连匹配。对于什么情况下需要匹配,采用什么 方式的匹配,为什么采用这种方式。 例如:差分的匹配多数采用终端的匹配;时钟采用源段匹配; 1、 串联终端匹配 串联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗低于传输线特征 阻抗的条件下,在信号的源端和传输线之间串接一个电阻 R,使源端 的输出阻抗与传输线的特征阻抗相匹配, 抑制从负载端反射回来的信 号发生再次反射. 串联终端匹配后的信号传输具有以下特点: A 由于串联匹配电阻的作用,驱动信号传播时以其幅度的 50% 向负载端传播; B 信号在负载端的反射系数接近+1,因此反射信号的幅度接近 原始信号幅度的 50%。 C 反射信号与源端传播的信号叠加, 使负载端接受到的信号与原 始信号的幅度近似相同; D 负载端反射信号向源端传播,到达源端后被匹配电阻吸 收;? E 反射信号到达源端后,源端驱动电流降为 0,直到下一次信号 传输。 相对并联匹配来说, 串联匹配不要求信号驱动器具有很大的电流 驱动能力。 选择串联终端匹配电阻值的原则很简单, 就是要求匹配电阻值与 驱动器的输出阻抗之和与传输线的特征阻抗相等。 理想的信号驱动器 的输出阻抗为零,实际的驱动器总是有比较小的输出阻抗,而且在信 号的电平发生变化时,输出阻抗可能不同。比如电源电压为+4.5V 的 CMOS 驱动器,在低电平时典型的输出阻抗为 37Ω ,在高电平时典 型的输出阻抗为 45Ω [4];TTL 驱动器和 CMOS 驱动一样,其输出阻抗 会随信号的电平大小变化而变化。因此,对 TTL 或 CMOS 电路来说, 不可能有十分正确的匹配电阻,只能折中考虑。 链状拓扑结构的信号网路不适合使用串联终端匹配, 所有的负载 必须接到传输线的末端。否则,接到传输线中间的负载接受到的波形 就会象图 3.2.5 中 C 点的电压波形一样。可以看出,有一段时间负载 端信号幅度为原始信号幅度的一半。 显然这时候信号处在不定逻辑状 态,信号的噪声容限很低。 串联匹配是最常用的终端匹配方法。它的优点是功耗小,不会给 驱动器带来额外的直流负载,也不会在信号和地之间引入额外的阻 抗;而且只需要一个电阻元件。 2、 并联终端匹配 并联终端匹配的理论出发点是在信号源端阻抗很小的情况下, 通 过增加并联电阻使负载端输入阻抗与传输线的特征阻抗相匹配, 达到 消除负载端反射的目的。实现形式分为单电阻和双电阻两种形式。 并联终端匹配后的信号传输具有以下特点: A 驱动信号近似以满幅度沿传输线传播; B 所有的反射都被匹配电阻吸收; C 负载端接受到的信号幅度与源端发送的信号幅度近似相同。 在实际的电路系统中,芯片的输入阻抗很高,因此对单电阻形式 来说,负载端的并联电阻值必须与传输线的特征阻抗相近或相等。假 定传输线Ω 。如果信号的高电平为 5V,则信号的静态电流将达到 100mA。由于典型的 TTL 或 CMOS 电路 的驱动能力很小,这种单电阻的并联匹配方式很少出现在这些电路 中。 双电阻形式的并联匹配,也被称作戴维南终端匹配,要求的电流 驱动能力比单电阻形式小。 这是因为两电阻的并联值与传输线的特征 阻抗相匹配,每个电阻都比传输线的特征阻抗大。考虑到芯片的驱动 能力,两个电阻值的选择必须遵循三个原则: ⑴. 两电阻的并联值与传输线的特征阻抗相等; ⑵. 与电源连接的电阻值不能太小,以免信号为低电平时驱动 电流过大; ⑶. 与地连接的电阻值不能太小,以免信号为高电平时驱动电 流过大。 并联终端匹配优点是简单易行; 显而易见的缺点是会带来直流功 耗:单电阻方式的直流功耗与信号的占空比紧密相关?;双电阻方式 则无论信号是高电平还是低电平都有直流功耗。 因而不适用于电池供 电系统等对功耗要求高的系统。另外,单电阻方式由于驱动能力问题 在一般的 TTL、CMOS 系统中没有应用,而双电阻方式需要两个元件, 这就对 PCB 的板面积提出了要求,因此不适合用于高密度印刷电路 板。 当然还有: AC 终端匹配; 基于二极管的电压钳位等匹配方式。 二 .将讯号的传输看成软管送水浇花 数位系统之多层板讯号线(Signal Line)中,当出现方波讯号 的传输时,可将之假想成为软管(hose)送水浇花。一端于手握处加 压使其射出水柱,另一端接在水龙头。当握管处所施压的力道恰好, 而让水柱的射程正确洒落在目标区时, 则施与受两者皆欢而顺利完成 使命,岂非一种得心应手的小小成就? 然而一旦用力过度水注射程太远,不但腾空越过目标浪费水资 源,甚至还可能因强力水压无处宣泄,以致往来源反弹造成软管自龙 头上的挣脱!不仅任务失败横生挫折, 而且还大捅纰漏满脸豆花呢! 反之,当握处之挤压不足以致射程太近者,则照样得不到想要的 结果。过犹不及皆非所欲,唯有恰到好处才能正中下怀皆大欢喜。 上述简单的生活细节,正可用以说明方波(Square Wave)讯号 (Signal)在多层板传输线(Transmission Line,系由讯号线、介 质层、及接地层三者所共同组成)中所进行的快速传送。此时可将传 输线(常见者有同轴电缆 Coaxial Cable,与微带线 Microstrip Line 或带线 Strip Line 等)看成软管,而握管处所施加的压力,就好比 板面上“接受端”(Receiver)元件所并联到 Gnd 的电阻器一般,可 用以调节其终点的特性阻抗(Characteristic Impedance),使匹配 接受端元件内部的需求。 三. 传输线之终端控管技术(Termination) 由上可知当“讯号”在传输线中飞驰旅行而到达终点, 欲进入接 受元件(如 CPU 或 Meomery 等大小不同的 IC)中工作时,则该讯号 线本身所具备的“特性阻抗”, 必须要与终端元件内部的电子阻抗相 互匹配才行,如此才不致任务失败白忙一场。用术语说就是正确执行 指令,减少杂讯干扰,避免错误动作”。一旦彼此未能匹配时,则必 将会有少许能量回头朝向“发送端”反弹,进而形成反射杂讯 (Noise)的烦恼。 当传输线ohm 时,则终 端控管的接地的电阻器(Zt)也必须是 28ohm,如此才能协助传输线 的保持,使整体得以稳定在 28 ohm 的设计数值。也唯有在此种 Z0=Zt 的匹配情形下,讯号的传输才会最具效率,其“讯号完整性” (Signal Integrity,为讯号品质之专用术语)也才最好。 四.特性阻抗(Characteristic Impedance) 当某讯号方波,在传输线组合体的讯号线中,以高准位(High Level)的正压讯号向前推进时,则距其最近的参考层(如接地层) 中,理论上必有被该电场所感应出来的负压讯号伴随前行(等于正压 讯号反向的回归路径 Return Path),如此将可完成整体性的回路 (Loop)系统。该“讯号”前行中若将其飞行时间暂短加以冻结,即 可想象其所遭受到来自讯号线、 介质层与参考层等所共同呈现的瞬间 阻抗值 (Instantanious Impedance) , 此即所谓的“特性阻抗”。 是 故该“特性阻抗”应与讯号线之线宽(w)、线厚(t)、介质厚度(h) 与介质常数(Dk)都扯上了关系。 阻抗匹配不良的后果 由于高频讯号的“特性阻抗”(Z0)原词 甚长,故一般均简称之为“阻抗”。读者千万要小心,此与低频 AC 交流电(60Hz)其电线(并非传输线)中,所出现的阻抗值(Z)并 不完全相同。数位系统当整条传输线 都能管理妥善,而控制在 某一范围内(±10%或 ±5%)者,此品质良好的传输线,将可使得 杂讯减少, 而误动作也可避免。 但当上述微带线 的四种变数 (w、 t、h、 r)有任一项发生异常,例如讯号线出现缺口时,将使得原来 的 Z0 突然上升(见上述公式中之 Z0 与 W 成反比的事实),而无法继 续维持应有的稳定均匀(Continuous)时,则其讯号的能量必然会发 生部分前进,而部分却反弹反射的缺失。如此将无法避免杂讯及误动 作了。例如浇花的软管突然被踩住,造成软管两端都出现异常,正好 可说明上述特性阻抗匹配不良的问题。 阻抗匹配不良造成杂讯 上述部分讯号能量的反弹,将造成原来 良好品质的方波讯号,立即出现异常的变形(即发生高准位向上的 Overshoot, 与低准位向下的 Undershoot, 以及二者后续的 Ringing) 。 此等高频杂讯严重时还会引发误动作, 而且当时脉速度愈快时杂讯愈 多也愈容易出错。 近期被问到 RF 系统选择 50ohm 的原因,并要求推导出来,于是 查阅了一些资料,将其总结一下 射频电缆选择 50ohm: 射频同轴电缆在 RF 中通常选用 50ohm 作为标准有几方面 的原因:a)是功率容量,抗击穿电压与衰减之间的综合考虑;b)机 械美观上的考虑 这些可以通过计算来得到,首先假设同轴线的绝缘层是空气介 质,其介电常数为 1。 同轴线=sqrt[(R+jwL)/(G+jwc)],RwL,Gwc,公式 1 简化公式:Z0≈sqrt(L/C)=60*ln(D/d)=138*lg(D/d),公式 2 其中:D 为外导体直径;d 为内导体直径 1、在信号传输过程中希望有最大的功率容量:Pmax Pmax=V2max/Z0∝[E*d*ln(D/d)]2/Z0 公式 3 将公式 2 中 Z0 代人公式 3 中得 Pmax∝[E2d2ln(D/d)]/60,公式 4 对公式 4 求导并令求导结果为 0,即可求得极值,得出 D/d=1.6 5,此时同轴线、在信号传输过程中希望有最小的衰减:α min =α R+α G α R:导体电阻损耗引起的电缆衰减分量,称为导体衰减; α G:绝缘介质损耗引起的电缆衰减分量,称为介质衰减; 由于这里假设是绝缘层为空气介质, 因此我们只考虑导体衰减分 量 α R。 α R=R/(2*Z0),公式 5 R:R=(1/D+1/d)/(2π δ σ );RF 频段时电缆的总的趋肤效应串联 电阻之和,同轴电缆内导体趋肤效应电阻与内导体直径 d 成反比,屏 蔽层趋肤效应电阻与外导体直径 D 成反比,则 R 和(1/D+1/d)成正 比; 将 Z0 代入公式 5,得到 α R=R/(2*Z0)∝(1/D+1/d)/ln(D/d),公式 6 公式 6 进行求导,令求导结果为 0 求得极值,可得出 D/d=3.6, 此时同轴线ohm。 综合功率传输量与衰减两方面的考虑,取折中即 50ohm。 另外还可以这样计算: 在计算电缆最小衰减时得到的电缆阻抗为 77ohm,这是在绝缘层假设为空气时计算得出的结果。在实际应用中 绝缘层一般采用聚乙烯材料,其介电常数为 2.3,当空气作为绝缘层 得 出 最 小 衰 减 的 特 征 阻 抗 为 77 , 换 做 聚 乙 烯 时 , Z0=77/sqrt(2.3)=50。 RF 电缆选择 50ohm 作为标准,还有一个机械美观上的 原因: 为了减小电缆的衰减而提高电缆的阻抗, 中心内导体的直径相对 于整个电缆直径来说要相当细才可以。为降低电缆的特征阻抗,内导 体和屏蔽层之间的绝缘介质的厚度要做的很薄。 这样几乎所有的电缆 为了机械上的美观其特征阻抗都会接近 50ohm,这也使得 50ohm 特征 阻抗成为标准的一个自然趋势。 PCB 制版选择 50ohm 原因: 在 RF 系统中采用 50ohm 阻抗还表现在 PCB 的绘制方面: 对于宽度确定的走线 个主要的因素会影响 PCB 走线的阻抗。 首先,是 PCB 走线近区场的 EMI(电磁干扰)和这个走线距参考平面 的高度是成一定的比例关系的,高度越低意味着辐射越小。其次,串 扰会随走线高度有显著的变化,把高度减少一半,串扰会减少到近四 分之一。最后,高度越低阻抗越小,不易受电容性负载影响。所有的 三个因素都会让设计者把走线尽量靠近参考平面。 阻止你把走线高度 降到零的原因是, 大多数芯片驱动不了阻抗小于 50 欧姆的传输线。 纯机械的角度也要考虑到。例如,从密度上讲,多层板层间距离 很小,70 欧姆阻抗所需要的线宽工艺很难做到。这种情况,你应该 用 50 欧姆,它的线宽更加宽,更易于制造。

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