電路板設(shè)計為什么要阻抗匹配（四）

如何進(jìn)行阻抗匹配？ 首先驅(qū)動電纜電源的輸出阻抗，必須和電纜的特性阻抗相等，這樣才能使所有輸出的功率進(jìn)入傳輸電纜，避免從電纜的輸入端反射回入源。其次，應(yīng)該使電纜輸出端負(fù)荷設(shè)備的輸入阻抗和電纜的特性阻抗相同，這樣所有功率進(jìn)入了負(fù)載設(shè)備，而不會被負(fù)載反射回電纜。 這個正常的驅(qū)動方法有很多的例外，但一般是用來做其他用途的。可以選一個特性阻抗匹配使低頻帶寬的傳輸功率最大化，或者使阻抗失配改善更寬廣頻寬下的響應(yīng)。這是工程師的抉擇，視其需求而決定。 為什么需要阻抗匹配？ 如果您的源輸出阻抗，電纜特性阻抗，和負(fù)載輸入阻抗之間存在失配的話，將存在反射，并完全由電纜長度決定（反射的狀態(tài)）。此外如果電纜被非正常使用，如擠壓，打結(jié)，或者連接器的安裝不正確，會產(chǎn)生反射，造成功率損失。更有甚者，如果是大功率向電纜輸出（比如無線廣播臺），反射功率可能會損壞功率源設(shè)備。所以您必須小心防范阻抗失配問題。 并非所有的教科書中都說明了這個不尋常的情況：當(dāng)天線把功率送回（沒有正確終止），功率可以從同軸電纜的內(nèi)芯直接穿透到電纜的外芯屏蔽網(wǎng)，這時天線的功率是最低下的。這意味著射頻可以傳送到同軸電纜的外部，關(guān)于同軸電纜最難理解的概念是當(dāng)電纜被終結(jié)時，（對源來說，）感抗和容抗則不存在了。 注：這句話的意思不太明白。是否在說加一個合適的終端電阻之后，由于源的平穩(wěn)的輸出電壓和電流，電纜上電壓電流不會產(chǎn)生變化，一個正確終止的電纜在源看來是無限長的。 列出電纜阻抗的最大理由是其可靠的電學(xué)特征，或者說只是要表明其阻抗。同軸電纜一般承載一些離散的低振幅高頻率信號。離散信號的信號衰減是非常嚴(yán)重的-即便是最理想的阻抗匹配也會有半數(shù)的信號損失，少許的失配更會造成更大的損失，在天線發(fā)送信號的過程中尤為嚴(yán)重。需要仔細(xì)匹配傳輸部分，如同軸電纜，以使信號保真并減少噪音。 所謂的電容在電纜性能或傳輸能力上有什么影響嗎？ 如果同軸電纜被終止了則電纜上的電容沒有什么影響。對源來說，電纜上完全沒有電容和電感。 這種傳輸線的特性被應(yīng)用在PCB上隱藏高頻線路的電容。工程人員可以設(shè)計出具有恰當(dāng)?shù)碾娙莺碗姼兄档腜CB線路，則對源來說除了一條具有恰當(dāng)阻抗的傳輸線，什么都覺察不到 在數(shù)據(jù)傳輸中為什么特性阻抗如此重要？ 如果電纜被和本身特性阻抗等值的電阻終止的話，您不能從源端區(qū)分電纜是否是無窮長的-所有饋入電纜的信號都被電纜和負(fù)載吸收了。 如果阻抗不匹配的話，電纜中的部分波會從電纜失配處反射，當(dāng)這些反射波碰撞到信號發(fā)生器（源）的時候，它們再次反射并和正在發(fā)射的正常信號混合，很難區(qū)分出哪些是原始信號，哪些是再次反射波。 同樣地在將信號脈沖送出電纜時也是如此-當(dāng)遇到和本電纜特性阻抗不匹配的阻抗時，部分能量被反射回源端。如果信號脈沖到達(dá)了電纜的開路或短路端，所有的能量都被反射回去（除了衰減損失部分-這是另一個話題了）。如果是其他不匹配的終止情況，則有部分能量會反射。 反射能量會使信號失真，而且如果信號發(fā)生器的阻抗和電纜的阻抗不同的話，能量會被再次反射向電纜終端，形成多余的脈沖信號。 我能否不加阻抗匹配地使用同軸電纜？ 如果電纜非常短，電纜的阻抗對信號的影響不大。通常使用同軸電纜的最佳傳送方法是做阻抗匹配。雖然有些應(yīng)用中線纜的兩端并為做正常的阻抗匹配工作。有些特殊的應(yīng)用則應(yīng)該在電纜的一端進(jìn)行匹配，或者故意使兩端失配。這些只是些專用的場合，實(shí)際上已經(jīng)仔細(xì)考慮過電纜的阻抗，使電纜及纜端終止在組合后形成的整個系統(tǒng)產(chǎn)生預(yù)期的傳輸效果。在此類應(yīng)用中電纜不再是一條被動的傳輸線，而成為電路中的信號調(diào)整元件。 什么是傳播速度比？ 傳播速度百分比是以真空光速為基數(shù)的。這個百分比指出電纜中的信號速度和真空光速之比率。在合理的條件下，同軸電纜中的的傳播速度由絕緣體決定。 為什么頻率增大時衰減曲線也趨向增大？ 這主要?dú)w結(jié)于內(nèi)外導(dǎo)體間有限的電流穿透能力（趨膚效應(yīng)）。隨著頻率增大，電流透入導(dǎo)體的深度會隨之減小，從而電流被封閉在金屬表面更淺薄的區(qū)域。因此電阻和衰減就更大。同時在絕緣體的內(nèi)部也會有部分的能量損失，也是造成衰減的原因。 如何將將同軸電纜中的衰減降到最低？ 對一條外導(dǎo)體直徑固定的導(dǎo)線來說，如果外導(dǎo)體和內(nèi)導(dǎo)體的電阻率相同，并且假設(shè)絕緣體沒有損失（至少要類似聚乙烯或聚四氟乙烯在高頻下的表現(xiàn)），將下列表達(dá)式的值控制到最小，此時同軸電纜中的損失最小。 (1/d+1)/ln(1/d) 其中d是內(nèi)導(dǎo)體的直徑和外導(dǎo)體的直徑之比（原文有筆誤，根據(jù)下文可以斷定是內(nèi)外導(dǎo)體之比率。本文中筆誤不少）。使用一個簡式或算子可以快速地找到答案。D/d=3.5911相當(dāng)接近。這個公式據(jù)說源自兩個公式，一個是同軸電纜阻抗和D/d的關(guān)系比公式，另一個是有關(guān)損失的公式，可以在Howard Sams出版的“Reference Data for Engineers”第七版中的頁29-13找到。 一個有趣的事情要注意，最小衰減并不直接決定導(dǎo)線的阻抗：導(dǎo)線的阻抗是由絕緣體的介電常數(shù)決定的。對一條用空氣作絕緣層的導(dǎo)線來說，對應(yīng)的阻抗（只D/d為3.5911時，最小衰減點(diǎn)）大概為76.71歐姆，但如果使用固體聚乙烯作絕緣層的話，最小衰減點(diǎn)對應(yīng)的阻抗大約是50.6歐姆。所以，不管我們將RG-58做什么用途，不管是做天線饋電用還是做連接測試設(shè)備用，都很接近上述給出的最小衰減的條件，而且絕緣體為聚乙烯。 但是如果導(dǎo)線使用了傳導(dǎo)速度因子為0.8的發(fā)泡絕緣體，對應(yīng)最小衰減的阻抗變成了61歐姆。但無論如何，最小衰減是一個很重要指標(biāo)，而且您的阻抗匹配如果沒有偏離最佳阻抗50%以上，（失配造成的反射）不會造成太大的損失。 注意，發(fā)泡絕緣體導(dǎo)線如果和固體絕緣體導(dǎo)線的阻抗并外徑相同的話，發(fā)泡絕緣體導(dǎo)線的衰減更低。這是因?yàn)椋瑸榱耸箖烧叩淖杩瓜嗤?，發(fā)泡導(dǎo)線必須使用更粗的內(nèi)導(dǎo)體，粗導(dǎo)體有更小的RF電阻，故此有更小的損耗。