我们知道,大部分射频同轴电缆都采用50欧姆特性阻抗,但是其计算值却并不恰好为 50欧姆,这是什么原因呢?
式(1.1)或式(1.2)表明,同轴电缆的特性阻抗与外导体内径D,内导体外径d和介电常数εr这三个参数有关,要保证电缆阻抗的准确,必须精确地控制这三个参数。在电缆的制造过程中,物理尺寸D和d的公差更容易控制;而不同批次介质的介电常数εr相对来说更难控制。比如,聚四氟乙烯(PTFE)材料的介电常数通常在2.0—2.1之间,图1.2 显示了在给定外导体内径D和内导体外径 d 尺寸的条件下,介电常数与特性阻抗之间的关系。
通常,在射频同轴电缆的手册中,会给出特性阻抗的偏差范围 ,而对于介质,则只给出使用的材料而并不提供介电常数值。
为什么采用 50欧姆特性阻抗? 同轴电缆的阻抗有250欧姆、50欧姆、75欧姆、93欧姆等,但在绝大多数场合,都采用 50欧姆作为标准,这是为什么呢?
通常认为导体的截面积越大损耗就越低,但事实并非完全如此。同轴电缆的每单位长度的损耗是D/d的函数,也就是和电缆的特性阻抗有关。式(1.3)为电缆损耗的计算公式:
表1.1表示了式(1.3)中各个参数的定义,并列举了一个阻抗和损耗关系的实际案例。假设有一条空气介质、固态屏蔽的同轴电缆,其外导体内径保持0.39in 不变(lin = 2 .54cm ),内导体外径从0.01in至0.28in变化时,根据式(1.3)可以计算出电缆的单位长度插入损耗随特性阻抗的变化关系。
表1.1同轴电缆的特性阻抗与损耗的关系
经过计算,我们发现同轴电缆单位长度的最低损耗并非出现在内导体外径d最大时,而是出现在外导体内径与内导体外径之比(D/d)为3.6时,此时电缆的特性阻抗为77欧姆 ,图1.3呈现了同轴电缆单位长度的损耗与其特性阻抗的关系。
对于同轴电缆的最大承受功率,通常认为内外导体的间距越大则同轴电缆可承受的电压越高,即承受功率越大,但实际上也不完全准确。同轴电缆的最大承受功率同样与其特性阻抗有关。式(1.4) 给出了电缆的最大峰值功率Pmax:
可以发现,Pmax与损耗一样也是D/d的函数。
在空气介质的同轴电缆中,当最大电场强度Em达到约2.9*104V/cm时,就会发生击穿。由式(1.4)可以计算出当同轴电缆的外导体内径与内导体外径(D/d)之比为1.65时,其承受的功率最大,此时对应的特性阻抗为30欧姆。图1.4 呈现了同轴电缆的最大承受功率与其特性阻抗的关系。
为了兼顾最小的损耗和最大的功率容量,应该在77欧姆和30欧姆之间找一个适当的数值。二者的算术平均值为53.5欧姆,而几何平均值为48.06欧姆;之所以选取50欧姆的特性阻抗,是为了做到二者兼顾。此外, 50欧姆阻抗的射频连接器也更加容易设计和加工。 绝大部分应用于通信领域的射频电缆的特性阻抗是50欧姆,在广播电视中则用到75欧姆的电缆。
大部分的测试仪器都是50欧姆的阻抗,如果要测量75欧姆阻抗的器件,可以通过一个 50欧姆/ 75欧姆的阻抗变换器来进行阻抗匹配,但是需要注意这种阻抗变换器有约5.7dB的插入损耗。