同軸電纜特性阻抗75Ω與50Ω的原因是什么

同軸電纜是一種傳輸線,用來(lái)良好地引導(dǎo)電磁波，其一般是由四層材料構(gòu)成：有兩個(gè)處于同心結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體，兩導(dǎo)體之間由電介質(zhì)（絕緣材料）隔開；然后最外層通常包有絕緣材料作為保護(hù)性外皮。

同軸電纜能以低損耗的方式傳輸模擬信號(hào)和數(shù)字信號(hào)，適用于各種應(yīng)用，其中常見(jiàn)的有電視廣播系統(tǒng)、長(zhǎng)途電話傳輸系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)系統(tǒng)之間的短距離跳線以及局域網(wǎng)互聯(lián)等等。同軸電纜作為將電視信號(hào)傳播到千家萬(wàn)戶的一種手段發(fā)展迅速，這就是有線電視網(wǎng)絡(luò)。一個(gè)有線電視系統(tǒng)可以負(fù)載幾十個(gè)甚至上百個(gè)電視頻道，其傳播范圍可以達(dá)幾十千米。

同軸電纜的發(fā)明

具有同軸結(jié)構(gòu)的電纜在1858年完成鋪設(shè)的首條跨大西洋電報(bào)電纜項(xiàng)目里就得到了應(yīng)用，通過(guò)「PCB設(shè)計(jì)一板即成功專欄」的「信號(hào)完整性的歷史（黑魔法開始出現(xiàn)）」章節(jié)可以了解到當(dāng)時(shí)電纜鋪設(shè)的情景。

但當(dāng)時(shí)電與磁的相關(guān)理論還沒(méi)有形成統(tǒng)一，直到1860年麥克斯韋才去到倫敦國(guó)王學(xué)院執(zhí)教，雖然麥克斯韋對(duì)法拉第仰慕許久，但直到此時(shí)麥克斯韋才得以與法拉第第一次見(jiàn)面，1864年麥克斯韋的的論文《電磁場(chǎng)的動(dòng)力學(xué)理論》才正式對(duì)外發(fā)表。

當(dāng)時(shí)用于跨大西洋電報(bào)項(xiàng)目電纜的設(shè)計(jì)理念是引導(dǎo)電流而不是引導(dǎo)電磁波，結(jié)果，首條跨大西洋電報(bào)電纜項(xiàng)目電纜僅運(yùn)行了三個(gè)星期便宣告失敗了。

直到1880年，英國(guó)物理學(xué)家、工程師和數(shù)學(xué)家?jiàn)W利弗·亥維賽（Oliver Heaviside）才對(duì)同軸電纜的理論進(jìn)行了描述，申請(qǐng)了同軸電纜專利（British patent No. 1,407）。

亥維賽設(shè)計(jì)的同軸電纜外導(dǎo)體由銅管構(gòu)成，內(nèi)導(dǎo)體是一根同心的銅導(dǎo)線，兩導(dǎo)體間以盤狀絕緣子進(jìn)行隔離，其主要的電介質(zhì)是空氣，使沿著它傳播的信號(hào)具有低損耗特性。

亥維賽發(fā)明的同軸電纜老wu沒(méi)有找到實(shí)物照片，根據(jù)專利描述，找了一張現(xiàn)代的同軸電纜圖，構(gòu)造應(yīng)該差不多，當(dāng)然，現(xiàn)在的材料和工藝肯定是要更好的，大家湊合著看吧 。

亥維賽發(fā)明的同軸電纜由于外導(dǎo)體由銅管構(gòu)成，屬于剛性同軸傳輸線，不是很方便進(jìn)行折彎，不利于工程實(shí)施。

為了克服亥維賽同軸電纜設(shè)計(jì)中的局限，貝爾實(shí)驗(yàn)室的Lloyd Espenschied和Herman Affel開發(fā)了與亥維賽設(shè)計(jì)的同軸電纜具有類似結(jié)構(gòu)的寬帶同軸電纜，以支持美國(guó)不斷發(fā)展的電話行業(yè)，并為有線電視的發(fā)明鋪平了道路。其與亥維賽設(shè)計(jì)的同軸電纜有一個(gè)細(xì)微的差別，它是半剛性的，可以更容易地盤繞，電纜可以卷繞在一個(gè)大直徑的滾筒上，以便在海上進(jìn)行鋪設(shè)作業(yè)。

此后，同軸電纜技術(shù)在材料和性能方面獲得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，為射頻/微波/毫米波互連問(wèn)題提供了廣泛的解決方案。

同軸電纜的特性阻抗

同軸電纜的特性阻抗由電纜的結(jié)構(gòu)和材料所決定，由外導(dǎo)體的內(nèi)徑與內(nèi)導(dǎo)體的外徑之比以及電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)決定，如下邊公式所示:

如果同軸電纜的外徑是恒定的（也即外導(dǎo)體的內(nèi)徑是恒定的），內(nèi)導(dǎo)體的直徑變大，則特性阻抗會(huì)變低，內(nèi)導(dǎo)體的直徑變小，則特性阻抗會(huì)變高。另外，特性阻抗與相對(duì)介電常數(shù)的平方根成反比，所以相對(duì)介電常數(shù)越高，則特性阻抗就越低。因此，理論上同軸電纜的特征阻抗可以根據(jù)結(jié)構(gòu)和材料的自由組合而有任意的數(shù)值。

但為什么常用的同軸電纜的特性阻抗只有75Ω和50Ω兩種規(guī)格呢？

在實(shí)際的使用中，很難制造極薄的內(nèi)導(dǎo)體和極薄的電介質(zhì)，所以同軸電纜的特性阻抗值范圍就限定在幾歐姆到幾百歐姆之間變化。然而，實(shí)際使用的同軸電纜的特征阻抗幾乎總是50Ω或75Ω。

特性阻抗是50Ω或75Ω，這是有原因的

當(dāng)高頻信號(hào)在同軸電纜上傳輸時(shí)，或多或少都會(huì)有所衰減（損耗）。除了由于阻抗不匹配而產(chǎn)生的反射外，還有由于內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的電阻和電介質(zhì)內(nèi)部的損耗而產(chǎn)生的熱量（焦耳熱）。

由于集膚效應(yīng)，電流只在導(dǎo)體的靠近表面很薄的一層流動(dòng)，所以導(dǎo)體表面的電阻會(huì)影響損耗，頻率越高，損耗就越大。

空氣允許電磁波以接近光速的速度近乎無(wú)阻礙地傳播，其是一種理想的介電材料，而高分子材料則是在二十世紀(jì)初才發(fā)展起來(lái)的，所以亥維賽選擇了空氣作為他發(fā)明的同軸電纜的電介質(zhì)。

當(dāng)高頻信號(hào)通過(guò)同軸電纜時(shí)，其損耗是導(dǎo)體損耗和介質(zhì)損耗之和。由于空氣的介電損耗足夠小，所以導(dǎo)體損耗成為主導(dǎo)。?

由于趨膚效應(yīng)的作用，導(dǎo)致電流只在外導(dǎo)體靠?jī)?nèi)很薄的區(qū)域以及內(nèi)導(dǎo)體靠外很薄的區(qū)域流動(dòng)。導(dǎo)體損耗與導(dǎo)體截面成正比。因此，內(nèi)導(dǎo)體的外徑成為損耗因數(shù)的主導(dǎo)。

如果把內(nèi)導(dǎo)體半徑加大，這可以降低電阻值，但特性阻抗也會(huì)變低，而且必須有更多的電流才能傳輸相同的功率，由于導(dǎo)體損耗與電流的平方成正比，這也會(huì)導(dǎo)體損耗會(huì)增加。換句話說(shuō)，外導(dǎo)體的內(nèi)徑和內(nèi)導(dǎo)體的外徑之間有一個(gè)合適的比值，它能最大限度地減少損耗。

簡(jiǎn)而言之，當(dāng)外徑與內(nèi)徑之比為0.2785，電介質(zhì)為空氣（相對(duì)介電常數(shù)≈1.000536，20℃，1大氣壓）時(shí)，特性阻抗約為76.65Ω。將數(shù)字四舍五入到75Ω，這便是75Ω同軸電纜的起源。

在同軸電纜發(fā)明的早期，由于沒(méi)有合適的適用于高頻傳輸?shù)牡蛽p耗的柔性電介質(zhì)，所以一般都采用空氣作為電介質(zhì)，使用圓盤狀的瓷器來(lái)固定內(nèi)導(dǎo)體，或用絲線進(jìn)行懸空以與外導(dǎo)體隔開。

而到了1933 年,位于英國(guó)諾斯威奇的帝國(guó)化學(xué)工業(yè)(Imperial?Chemical?Industries ICI) 意外地發(fā)現(xiàn)了可以在工業(yè)上批量生產(chǎn)的聚乙烯，由于發(fā)現(xiàn)聚乙烯在非常高頻的電磁波下具有非常低的損耗特性，在第二次世界大戰(zhàn)之前，它首次被用作同軸電纜的絕緣體。由于聚乙烯可以填充在電纜內(nèi)部，因此很容易制造出輕小的電纜，而且其特性在彎曲時(shí)不會(huì)有太大變化，因此很快就在市場(chǎng)上推廣開來(lái)。

聚乙烯的相對(duì)介電常數(shù)約為2.26，所以當(dāng)外徑與內(nèi)徑之比為0.2785時(shí)，特性阻抗約為51.0Ω。將數(shù)字四舍五入到50Ω，這便是50Ω同軸電纜的起源。

雖然現(xiàn)在75Ω的同軸電纜也是用聚乙烯填充的，這樣內(nèi)導(dǎo)體的直徑就會(huì)小于最小損耗的最優(yōu)值。然而，由于很難改變已經(jīng)為75Ω設(shè)計(jì)的成熟的應(yīng)用體系，而且50Ω和75Ω之間的損耗差異也并不是很大，這樣就造成了50Ω和75Ω兩種規(guī)格的同軸電纜的并存情況。

審核編輯：黃飛

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