電子工程師新手必須掌握的一個概念是阻抗和阻抗匹配，特別是關于傳輸線、電纜和連接器。本常見問題解答涉及兩種最常用的“標準”阻抗：50 Ω 和 75 Ω，它們的定義以及各自的作用。
同軸電纜和傳輸線之間存在著明顯的關系。同軸電纜等傳輸線看起來像是簡單的無源元件，僅由內導體和外導體（或屏蔽層）組成，如圖1（頂部）所示。
圖1：同軸電纜原理圖（上圖）未給出其等效電路模型（下圖）的任何提示。來源：Circuit Design Inc.
簡單來說，它只是一根導體（電線），被一個360度的屏蔽層完全包圍，用于限制從中心導體輻射的任何電磁能量，同時防止外部能量撞擊電線。但同軸電纜/傳輸線的情況遠不止于此。
當然，更復雜的是，即使物理上只有兩根導體——中心線和屏蔽層——但信號源或發射器看到的電纜似乎由分布電感和電容構成，如圖 1（底部）等效電路所示。同軸電纜充當波導，支持電磁能量的傳播，同時也限制電磁能量。
50 Ω 還是 75 Ω？
傳輸線具有特性阻抗，通常用 Z o表示。電纜的特性阻抗可以有多種可能的值，具體取決于導體尺寸、內部間距以及電纜內導體與外屏蔽層之間的間隔絕緣體的介電特性，其中最常見的值為 50 Ω 或 75 Ω。
當射頻工程師考慮項目傳輸線的阻抗時，他們可能會自動假設所有這些線路的標稱阻抗都是 50 Ω。這很合理，因為當今很多射頻設計工作都基于這個值。它也不是一個隨意的數字，因為使用 50 Ω 有充分的技術理由。
然而，也有許多射頻應用的傳輸線阻抗為 75 Ω。這些應用主要與視頻信號和有線電視相關，在這個龐大的市場中，包括許多相關功能，例如覆蓋整個建筑的分配放大器。對于這些領域的設計人員和最終用戶來說，75 Ω 是“正常”阻抗，而 50 Ω 則比較特殊（不過，您甚至可以在家得寶 (Home Depot) 和類似的大型商店購買 75 Ω 電纜）。
使用兩種截然不同的阻抗引發了一些有趣的問題：為什么會有兩個標準阻抗？哪個阻抗在哪些方面“更好”？它們為什么有這些值？使用其中一種阻抗真的重要嗎？如果重要，具體有哪些方面？
這些看似簡單的同軸電纜及其連接器的背后有很多故事，而不僅僅是帶有周圍屏蔽的實心內導體；同軸電纜實際上是用于電磁能的精確尺寸的波導管（圖 2）。
圖2：同軸電纜的物理結構概念上很簡單，但實際上它是一個尺寸經過精心設計、由特定材料制成的組件。來源：Elsevier/Science Direct
選擇正確的阻抗
阻抗問題的答案既有歷史淵源，也有技術根源。答案始于Lloyd Espenscheid和Herman Affel的研究，他們在1929年為傳奇的貝爾實驗室工作期間開發并分析了第一根同軸電纜（美國專利1,835,031，“同心導電系統”）。
他們的目標是找到一種能夠傳播4MHz信號的傳輸介質——在長途電話發展的早期，這是一個非常寬的帶寬——這種帶寬足以在數百英里的距離內傳輸大約1000個帶寬受限的模擬語音呼叫。要做到這一點，需要一條能夠承受高電壓和高功率的傳輸線。
兩位研究人員分析了衰減、額定電壓和額定功率等關鍵傳輸線參數之間的權衡，并得出了重要圖表和相關結論（圖 3）。
圖3：傳輸線的關鍵參數包括衰減、額定電壓和額定功率，每個參數在不同阻抗下都有最佳值。來源：EEVblog 電子社區論壇
該分析考察了阻抗函數的三個特性的性能：
那么，最佳阻抗值是多少呢？與大多數工程決策一樣，沒有“理想”的阻抗值；相反，最佳選擇需要權衡利弊。50 Ω 的阻抗值對于功率和電壓（例如來自發射器或線路驅動器等信號源的輸出）來說是一個不錯的折衷方案。相反，對于以低衰減為主要目標的情況，例如來自天線或模擬視頻鏈路的低電平信號，75 Ω 是更好的選擇。
還有其他原因使得 75 Ω 成為理想的阻抗。標準半波偶極子天線在其諧振頻率下的“固有”阻抗為 73 Ω，而廣泛使用的折疊偶極子天線的阻抗為 300 Ω。這意味著 75 Ω 與較大的偶極子天線幾乎完美匹配，同時，使用基本的 4:1 平衡-不平衡轉換器也很容易實現折疊偶極子與 75 Ω 傳輸線的緊密匹配。
最終分析
實際上，在單一設計中使用不同的阻抗來實現不同的目標會增加設計的復雜性。例如，幾厘米短距離內的損耗差異可能可以忽略不計。此外，連接 75 Ω 電纜和 50 Ω 電纜時的電壓駐波比 (VSWR) 為 1.5:1，這可能是一個可接受的非單位值，因為在許多低功率或中等功率情況下，低于 2:1 的 VSWR 被認為是可以接受的。
將電纜和阻抗理論與實際的同軸電纜聯系起來并非易事。將電磁場理論和分析轉化為實際的傳輸線是同軸電纜的功能，大多數同軸電纜都帶有“RG”標識；RG，即無線電波導，源自二戰時期同軸電纜的原始軍用規范。
市面上有無數種標準同軸電纜版本可供選擇，這還不包括卷軸長度。這很大程度上是因為除了阻抗之外，電纜的電氣和機械性能因素還有很多權衡。
一般來說，較低頻率需要更大直徑的電纜來適應低衰減的射頻波長，而較細的電纜則適用于較高頻率。對于數十千兆赫的低功率射頻，同軸電纜的直徑可能只有一兩毫米。同時，較細的電纜無法處理大量的射頻功率，因此必須遷移到具有適當高頻性能的較粗電纜。
設計人員會仔細考慮設計中使用的標稱阻抗。首先，他們不應假設系統阻抗為 50 Ω，而實際上可能是 75 Ω，反之亦然。此外，在編制至關重要的物料清單 (BOM) 時，務必檢查同軸電纜及相關連接器，或任何指定的預切和端接電纜的阻抗值。
很容易不小心選錯了 75 Ω 同軸電纜，而不是原本想要的 50 Ω 同軸電纜，反之亦然。此外，像經典的 BNC 型連接器（雖然歷史最悠久，但仍在沿用）就有 50 Ω 和 75 Ω 兩種版本，外觀相同，尺寸僅略有不同。用戶甚至只需輕輕“按壓”即可完成連接。因此，雖然大多數射頻設計都采用 50 Ω 電阻，但不要忽視或忽略 75 Ω 同軸電纜和連接器；它們可能適合項目，或者已經設計并投入使用。
您是否曾經因使用 50 Ω 而陷入困境，因為在應用中 75 Ω 才是正確值，反之亦然？
