来源:滤波器

为什么大多数工程师喜欢用50欧姆作为PCB的传输线阻抗(有时候这个值甚至就是PCB板的缺省值),为什么不是60或者是70欧姆呢?

从生产工艺的角度

对于宽度确定的走线,3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。

根据主流的PCB加工制造工艺,用SIM900A计算得到如下结果

PCB单端阻抗主要是线宽,铜厚,介质厚度三个因素决定的。如上图,50Ω,这三个参数是5.5mil,1.4mil,3.5mil。这些参数对生产来说比较容易制造,阻抗再小,介质厚度得越小,介质厚度再小就会超出生产设备的制程能力。5-6mil也是现在一般PCB生产厂家都能生产的。线宽一点对于现在高密度高速PCB来说,设计工程师又得叫苦不迭了。所以50Ω在业界成为标准,也就不足为奇了。

从电气性能的角度

下面再从损耗的角度看看。在高频高速线路中有个趋肤效应,大家大学学过电子知识的都知道。业界己经证明50Ω对于趋肤效应来说,它的损耗是最小的。通常电缆的趋肤效应损耗L(以分贝做单位)跟总的趋肤效应电阻R(单位长度)除以特性阻抗Z0成正比。

总的趋肤效应电阻R是屏蔽层和中间导体电阻之和。屏蔽层的趋肤效应电阻在高频时,和它的直径d2成反比。同轴电缆内部导体的趋肤效应电阻在高频时,和他的直径d1成反比。总共的串联电阻R,因此和(1/d2+1/d1)成正比。综合这些因素,给定d2和相应的隔离材料的介电常数Er,可以计算出在趋肤效应损耗最小的情况下d2/d1的比值。

假定固态聚乙烯的介电常数为2.25,趋肤效应损耗最小时,d2/d1=3.5911得出特性阻抗正是50欧姆。

从历史的角度

鸟牌电子公司提供了一个最为流传的故事版本,来自于 Harmon Banning 的《电缆:关于 50 欧姆的来历可能有很多故事》。在微波应用的初期,二次世界大战期间,阻抗的选择完全依赖于使用的需要.对于大功率的处理,30欧姆和44欧姆常被使用。

另一方面,最低损耗的空气填充线的阻抗是93欧姆。在那些岁月里,对于很少用的更高频率,没有易弯曲的软电缆,仅仅是填充空气介质的刚性导管。半刚性电缆诞生于50年代早期,真正的微波软电缆出现是大约10年以后了。

随着技术的进步,需要给出阻抗标准,以便在经济性和方便性上取得平衡。在美国,50欧姆是一个折中的选择;为联合陆军和海军解决这些问题,一个名为JAN的组织成立了,就是后来的DESC,由MIL特别发展的。

欧洲选择了60欧姆。事实上,在美国最多使用的导管是由现有的标尺竿和水管连接成的,51.5欧姆是十分常见的。看到和用到50欧姆到51.5欧姆的适配器/转换器,感觉很奇怪的。

最终50欧姆胜出了,并且特别的导管被制造出来(也可能是装修工人略微改变了他们管子的直径)。不久以后,在象Hewlett-Packard 这样在业界占统治地位的公司的影响下,欧洲人也被迫改变了。

所以对于射频50Ω阻抗标准缘由是业界经过长期的实践统一下来的,从生产制造上,电气性能,历史因素上都是一个折中的选择。