物联网应用专家

当前位置: 首页 >应用方案 >技术应用 >

为什么无线电通信大多用50欧姆的标准?

分享到:

  天线绝大部分是通过同轴线缆馈电到模块上,为了能量传输的最大化,天线与同轴线的阻抗必须匹配,故天线的输入阻抗和射频同轴线的特征阻抗一致。同轴电缆的阻抗有25欧姆、50欧姆、75欧姆、93欧姆,为什么我们的无线电通信大多用50欧姆的标准呢?

  同轴电缆的阻抗又是怎么样的呢?在射频领域,和 PCB 中考虑的问题不一样,但是射频工业中同轴电缆也有类似的阻抗范围。根据 IEC 的出版物(1967年),75 欧姆是一个常见的同轴电缆(注:空气作为绝缘层)阻抗标准,因为你可以和一些常见的天线配置相匹配。它也定义了一种基于固态聚乙烯的 50 欧姆电缆,因为对于直径固定的外部屏蔽层和介电常数固定为 2.2(固态聚乙烯的介电常数)的时候,50 欧姆阻抗趋肤效应损耗最小。

QQ截图20191221110428

  (图为同轴电缆的结构图)

  很久之前,无线电工程师为了方便使用,把这个值近似为 50 欧姆参考文末详细推导作为同轴电缆最优值。这证明了在50 Ω附近,电缆的趋肤效应损耗是最小的,但这并不影响你使用其他阻抗。例如,对于不同的绝缘体(不同的介电常数),用最优 d2/d1 比例(趋肤效应最小)产生的最优阻抗会略有不同(如空气介电常数=1.0,就对应约 77 Ω,常取值 75 Ω方便使用;介电常数=2.2(固态聚乙烯介质),阻抗就约为51.1Ω)。

  为什么 50 欧姆成为了射频传输线的阻抗标准?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。75 欧姆是远程通讯的标准,由于是介质填充线,在 77 欧姆获得最低的损耗。93 欧姆一直用于短接续,如连接计算机主机和监视器,其低电容的特点,减少了电路的负载,并允许更长的接续;感兴趣的读者可以查阅 MIT RadLa。

  附:我们从物理学原理来证明,同轴线采用50Ω阻抗其趋肤效应最小。

QQ截图20191221110802

  上述推导也解释了为什么 75 欧姆电视电缆切面是藕状空芯结构,而 50 欧姆通信电缆是实芯的。还有一个重要提示,只要经济情况许可,尽量选择大外径电缆(d2),除了提高强度外,更主要的原因是,外径越大,内径也越大(最优的径比d2/d1),导体的射频损耗当然就越小。

  故有:1、当用于广播电视这种单向传输网时,应该选择损耗最小的阻抗。最接近77欧姆的阻抗为75欧姆。2、当用于无线电通信这种双向传输系统时,既要考虑损耗小,还要兼顾发射时可承受功率大,综合选择50欧姆就是最佳方案了。


https://www.wjx.cn/jq/84863372.aspx