在射频信号链中，阻抗匹配具有哪些更重要的意义?

在射频电路中，50Ω阻抗的应用广泛且普遍，它不仅出现在许多射频系统或部件中，有时甚至是PCB板的默认设置。这一数值选择背后究竟有何深意?为何不是其他如60Ω、70Ω或100Ω等阻抗值呢?要解答这些问题，我们首先得了解射频信号的传输特点。射频信号的传输依赖于天线和同轴电缆，为了实现更远的传输距离，我们通常会希望发射的信号功率足够大，从而覆盖更广的通信范围。然而，同轴电缆与普通导线一样，存在损耗问题。当传输功率过大时，电缆会发热甚至熔断。因此，我们的目标在于寻找一种既能传输大功率信号、损耗又尽可能小的同轴电缆。

在射频电路中，50Ω阻抗之所以得到广泛应用，源于其独特的传输特性。大约在1929年，贝尔实验室经过一系列实验发现，30Ω和77Ω阻抗的同轴电缆在传输大功率信号时表现出色，前者传输功率最大，后者信号损耗最小。然而，在实际应用中，我们往往需要在这两者之间找到一个平衡。于是，50Ω系统阻抗应运而生，它是30Ω和77Ω阻抗的折中考虑，旨在同时满足最大功率传输和最小损耗的需求。此外，50Ω阻抗还与半波长偶极子天线和四分之一波长单极子天线的端口阻抗相匹配，能有效减小反射损耗。

在电视TV和广播FM接收系统中，系统阻抗通常为75Ω，这是由于75Ω射频传输系统在信号传输过程中损耗最小。而对于带有发射功能的电台而言，50Ω阻抗则更为常见，因为最大功率传输是首要考虑因素，同时损耗问题也至关重要。这也是为什么我们的对讲机系统中常采用50Ω参数指标的原因。

理论上，阻抗匹配到50Ω是可行的，但在实际应用中，由于元件、线路和导线都存在损耗，且系统部件具有一定的射频带宽，因此工程上通常只要确保带内频点接近50Ω即可。

对于具有固定宽度的PCB走线，其阻抗会受到三个关键因素的影响。首先，走线近区场的EMI(电磁干扰)与走线距参考平面的高度成比例，高度越低则辐射越小。其次，串扰随走线高度的降低而显著减少，例如，高度减半时，串扰可减少至近四分之一。最后，较低的走线高度对应较小的阻抗，从而降低受电容性负载的影响。这些因素共同促使设计者将走线尽可能靠近参考平面。

然而，存在一些限制无法将走线高度降为零。大多数芯片无法驱动阻抗小于50欧姆的传输线，尽管某些特殊情况如Rambus的27欧姆阻抗和National的BTL系列能驱动17欧姆阻抗。因此，在实际应用中，并非总是选择50欧姆阻抗最为适宜。例如，对于8080处理器这类老旧的NMOS结构，在100KHz的工作频率下，由于不存在EMI、串扰和电容性负载的问题，其并不适合驱动50欧姆阻抗。相反，高阻抗意味着低功耗，因此在此类情况下，应选用细且高的走线以获得高阻抗。

此外，从工艺制造的角度考虑，多层板层间距离较小，实现70欧姆阻抗所需的线宽工艺难度较大。因此，在这种情况下，应优先考虑采用50欧姆阻抗，其更宽的线宽更利于制造。

为什么50欧姆会成为射频传输线的阻抗标准呢?这背后有一段有趣的历史。在微波应用的初期，尤其是在二战期间，阻抗的选择主要根据使用需求来定。对于大功率处理，30欧姆和44欧姆的阻抗较为常用。另一方面，空气填充线的最低损耗阻抗是93欧姆。在那个年代，高频段的应用还很少，且缺乏易弯曲的软电缆，主要使用的是填充空气介质的刚性导管。

随着技术的进步，为了平衡经济性和实用性，需要制定一个统一的阻抗标准。在美国，50欧姆被选为这个标准，由一个名为JAN的组织(后来发展为DESC，再由MIL特别发展)来协调陆军和海军的需求。欧洲则选择了60欧姆。

事实上，在美国最常用的导管是由标尺竿和水管连接而成的，其阻抗大约在5欧姆左右，这在实际应用中并不罕见。尽管如此，随着50欧姆标准的逐渐普及，特别制造的导管也逐渐出现(可能是装修工人稍作调整了管子直径)。后来，像Hewlett-Packard这样业界领先的公司也开始采用这一标准，从而迫使欧洲人也做出了改变。

此外，75欧姆也是远程通讯的标准阻抗，主要适用于介质填充线。由于在77欧姆时获得最低损耗，因此在实际应用中也有其特定的优势。而93欧姆则常用于短接续，如连接计算机主机和监视器等场合，其低电容特性减少了电路负载并允许更长的接续距离。

在射频电路设计中，阻抗匹配是一个至关重要的环节。阻抗不匹配会导致信号反射等严重问题，影响电路的性能和稳定性。因此，在进行射频设计和测试时，必须确保各部分阻抗的匹配性达到要求。

在任何情况下，信号链中的各个组件和设备会在其输入端口和输出端口引起阻抗。此外，信号链中的设备与组件之间互连也会引起其自身的阻抗。假定任何端口上的阻抗是电流/电压之比，则组件或设备的内部响应会直接影响信号链中每个元件端口处阻抗。今天就一起了解一下阻抗匹配以及在射频信号链中的重要性。

具有电阻、电感和电容的电路里，对交流电所起的阻碍作用叫做阻抗。阻抗常用Z表示。阻抗由电阻、感抗和容抗三者组成，但不是三者简单相加。如果三者是串联的，又知道交流电的频率f、电阻R、电感L和电容C，那么串联电路的阻抗。阻抗的单位是欧。

对于一个具体电路，阻抗不是不变的，而是随着频率变化而变化。在电阻、电感和电容串联电路中，电路的阻抗一般来说比电阻大。也就是阻抗减小到最小值。在电感和电容并联电路中，谐振的时候阻抗增加到最大值，这和串联电路相反。

阻抗匹配(Impedance matching)是微波电子学里的一部分，在高频设计中是一个常用的概念，主要用于传输线上， 主要用于传输线上，以此来达到所有高频的微波信号均能传递至负载点的目的，而且几乎不会有信号反射回来源点，从而提升能源效益。信号源内阻与所接传输线的特性阻抗大小相等且相位相同，或传输线的特性阻抗与所接负载阻抗的大小相等且相位相同，分别称为传输线的输入端或输出端处于阻抗匹配状态，简称为阻抗匹配。

在射频信号链中，阻抗匹配具有更重要的意义。阻抗匹配的目的是为了解决功率传输时阻抗不匹配的问题。在射频信号链的每个节点上，如果阻抗匹配不准确，会产生反射。测量阻抗不匹配的一种常用方法是通过所得驻波比(SWR)或电压驻波比(VSWR)进行表示。因此许多常见的射频组件和设备的端口阻抗设计为50 Ohm或75 Ohm，这样可以最大程度地减少阻抗不匹配的可能性，并降低需要设计人员确保信号链中每个元件之间阻抗匹配的要求。

信号链中出现阻抗不匹配会产生各种不良影响。直接表现为本应沿信号链传输的某些信号强度会因阻抗不匹配被反射。这会导致信号强度下降，并使信号链中出现衰减。此外，反射信号可以在两个不匹配的端口之间来回“反弹”并产生驻波。该驻波可能会像端口上的直流电压一样损害或改变某些射频组件和设备的行为。考虑到射频电路通常为非线性，反射信号也有可能导致信号链的通带中产生杂散、谐波、噪声以及其他不良的信号劣化。

在极端情况下，阻抗不匹配可能会导致因反射信号过强而损坏信号链中的设备和组件。例如，如果高功率发射机的输出端与天线端口不匹配，则反射信号强度可能会损坏高功率放大器(HPA)，而高功率放大器比较昂贵，且维修起来比较复杂。在某些情况下，信号链内的阻抗不匹配几乎无法避免。例如，某些类型的滤波器本质上具有反射性。这意味着滤波器通带之外的频率内容将会出现阻抗不匹配，导致通带之外的那些信号被反射。滤波器通常放置在混频器、振荡器、发射机和其他有源元件的输出端，因此可能导致滤波器、元件或信号质量下降和受损。为了解决这个问题，可以采用其他类型的滤波器，例如吸收滤波器，该滤波器主要吸收通带之外的射频能量，或者在信号链的反射元件之间放置衰减器，以吸收反射信号的能量并防止产生驻波。

在某些需要将阻抗不匹配引起的反射降到最小、实现最大功率传输或遵守其他限制(例如将接收信号中的噪声含量降到最小)的情况下，可能需要阻抗匹配电路。从本质上来说，阻抗匹配电路可以进行其中一个端口到另一个端口的阻抗变换。如果此阻抗变换旨在实现最大功率传输，则阻抗匹配会将源端口和负载端口变换为互相共轭匹配。在将天线端口与接收机输入端(例如低噪声放大器(LNA))进行匹配的情况下，可以采用不同的方法。如果需要考虑噪声，则将可能不会采用阻抗匹配电路进行共轭匹配，而是采用阻抗匹配网络，其旨在提供低噪声放大器的噪声系数优化源电阻和偏置点。

如果射频机的输出阻抗与天线的输入阻抗不匹配，就会导致信号反射和衰减，从而影响射频信号的传输效率。因此，射频机阻抗的匹配非常重要。射频机阻抗的大小和稳定性对射频机的性能和稳定性有很大的影响。如果阻抗不稳定，就会导致射频机的输出功率不稳定，从而影响通信质量。射频机阻抗的大小也会对射频机的保护起到关键作用。如果输出阻抗过大，就会导致射频机过载，严重时还会损坏射频机。因此，对于射频机的设计和使用来说，合适的阻抗大小非常重要。