为什么是50欧姆,50欧姆阻抗的来源和意义

　　本文介绍了在射频、PCB、阻抗匹配和S参数相关知识中经常提到的50Ohm（欧姆）阻抗的来源和意义。

　　当我们在说射频、PCB以及阻抗匹配和S参数相关知识时，经常会提到50Ohm（欧姆）阻抗。而且这个数字反复出现在各种标准、应用说明和设计指南中，好像有什么不一样的魅力。

　　那为什么是50Ohm，不是40Ohm，60Ohm或者100Ohm？ 难道50Ohm真的与众不同吗？

　　下面我们一起来了解下。

　　50Ohm这个标准的起源可以追溯到20世纪20年代末至30年代初，当时电信业正处于起步阶段。工程师们在设计无线电发射器使用的是充气同轴电缆，希望信号能传得越远越好，因此会用高功率发射，以便信号覆盖更广的区域。

　　但问题是，同轴电缆在传输中会有损耗，就像普通的电线一样，如果功率太高，电缆可能会因为过热而损坏，甚至熔化。所以，一直在寻找一种电缆，它既能承受较大的功率，又能保持低损耗，以实现更有效的射频传输。

　　这可能吗？

　　我们先从基本的同轴电缆说起，因为它的内导体和外导体共轴，故叫此名。如下图：

　　注意哈，后面要说的到同轴线的功率容量与内外导体半径有很大的关系。

　　同轴电缆的阻抗计算公式为：

　　式中εr 是介质材料的相对介电常数，当同轴电缆填充空气时，η=120π。

　　其功率容量为公式为：

　　式中击穿电压 Vb 对应的击穿电场强度Eb。

　　电缆的损耗主要由趋肤效应决定，可以通过如下公式计算。

　　式中Rs为金属的表面电阻。

　　根据上面几个公式的计算，具体过程就不在此展开了。最终发现在保证TEM 模式传输时的电缆：

　　最低损耗时特性阻抗在77Ohm；

　　最高功率容量的特性阻抗为 30Ohm。

　　另外，在TE10模式下，波导的导体结构被设计成使得电场分布最优，这时波导的特性阻抗大约是60Ohm。

　　到这儿，我们还是看不出50Ohm阻抗怎么就成了标准。实际上据传，50Ohm是上面3个值之间做出的一个折中选择。它既接近77Ohm和30Ohm之间的平均值，也接近60Ohm，这使得它成为一个相对理想的选择。

　　此外，对于某些介电填充电缆，损耗最小的阻抗恰好在50Ohm左右，这为选择50Ohm提供了另一个自然的理由。

　　不过，除了50Ohm阻抗，75Ohm阻抗也是一个常见的标准。虽然电压值的重要性相对较低，但75Ohm阻抗在某些情况下，如长距离电缆运行中，仍然是一个有效的选择。低成本的同轴电缆，特别是那些带有空气或低介电填充物的，可以达到77Ohm的阻抗，而75Ohm则是一个容易记忆且实用的四舍五入数字。

　　在高速或高频信道中，S参数测量是一个重要的信号完整性指标。这些参数是根据某个参考阻抗定义的，通常选择50Ohm或75Ohm，因为这些值与高速/射频系统中的介质相匹配。通过考虑所需的终端阻抗，我们可以更好地理解S参数测量，并在设计中实现目标。

　　总之，50Ohm阻抗标准并非随意选择，而是基于一系列科学分析和历史发展的结果，比如说是最高功率传输、最高电压和最低衰减之间的平衡。