电路板设计为什么要阻抗匹配（四）

如何进行阻抗匹配？ 首先驱动电缆电源的输出阻抗，必须和电缆的特性阻抗相等，这样才能使所有输出的功率进入传输电缆，避免从电缆的输入端反射回入源。其次，应该使电缆输出端负荷设备的输入阻抗和电缆的特性阻抗相同，这样所有功率进入了负载设备，而不会被负载反射回电缆。 这个正常的驱动方法有很多的例外，但一般是用来做其他用途的。可以选一个特性阻抗匹配使低频带宽的传输功率最大化，或者使阻抗失配改善更宽广频宽下的响应。这是工程师的抉择，视其需求而决定。 为什么需要阻抗匹配？ 如果您的源输出阻抗，电缆特性阻抗，和负载输入阻抗之间存在失配的话，将存在反射，并完全由电缆长度决定（反射的状态）。此外如果电缆被非正常使用，如挤压，打结，或者连接器的安装不正确，会产生反射，造成功率损失。更有甚者，如果是大功率向电缆输出（比如无线广播台），反射功率可能会损坏功率源设备。所以您必须小心防范阻抗失配问题。 并非所有的教科书中都说明了这个不寻常的情况：当天线把功率送回（没有正确终止），功率可以从同轴电缆的内芯直接穿透到电缆的外芯屏蔽网，这时天线的功率是最低下的。这意味着射频可以传送到同轴电缆的外部，关于同轴电缆最难理解的概念是当电缆被终结时，（对源来说，）感抗和容抗则不存在了。 注：这句话的意思不太明白。是否在说加一个合适的终端电阻之后，由于源的平稳的输出电压和电流，电缆上电压电流不会产生变化，一个正确终止的电缆在源看来是无限长的。 列出电缆阻抗的最大理由是其可靠的电学特征，或者说只是要表明其阻抗。同轴电缆一般承载一些离散的低振幅高频率信号。离散信号的信号衰减是非常严重的-即便是最理想的阻抗匹配也会有半数的信号损失，少许的失配更会造成更大的损失，在天线发送信号的过程中尤为严重。需要仔细匹配传输部分，如同轴电缆，以使信号保真并减少噪音。 所谓的电容在电缆性能或传输能力上有什么影响吗？ 如果同轴电缆被终止了则电缆上的电容没有什么影响。对源来说，电缆上完全没有电容和电感。 这种传输线的特性被应用在PCB上隐藏高频线路的电容。工程人员可以设计出具有恰当的电容和电感值的PCB线路，则对源来说除了一条具有恰当阻抗的传输线，什么都觉察不到 在数据传输中为什么特性阻抗如此重要？ 如果电缆被和本身特性阻抗等值的电阻终止的话，您不能从源端区分电缆是否是无穷长的-所有馈入电缆的信号都被电缆和负载吸收了。 如果阻抗不匹配的话，电缆中的部分波会从电缆失配处反射，当这些反射波碰撞到信号发生器（源）的时候，它们再次反射并和正在发射的正常信号混合，很难区分出哪些是原始信号，哪些是再次反射波。 同样地在将信号脉冲送出电缆时也是如此-当遇到和本电缆特性阻抗不匹配的阻抗时，部分能量被反射回源端。如果信号脉冲到达了电缆的开路或短路端，所有的能量都被反射回去（除了衰减损失部分-这是另一个话题了）。如果是其他不匹配的终止情况，则有部分能量会反射。 反射能量会使信号失真，而且如果信号发生器的阻抗和电缆的阻抗不同的话，能量会被再次反射向电缆终端，形成多余的脉冲信号。 我能否不加阻抗匹配地使用同轴电缆？ 如果电缆非常短，电缆的阻抗对信号的影响不大。通常使用同轴电缆的最佳传送方法是做阻抗匹配。虽然有些应用中线缆的两端并为做正常的阻抗匹配工作。有些特殊的应用则应该在电缆的一端进行匹配，或者故意使两端失配。这些只是些专用的场合，实际上已经仔细考虑过电缆的阻抗，使电缆及缆端终止在组合后形成的整个系统产生预期的传输效果。在此类应用中电缆不再是一条被动的传输线，而成为电路中的信号调整元件。 什么是传播速度比？ 传播速度百分比是以真空光速为基数的。这个百分比指出电缆中的信号速度和真空光速之比率。在合理的条件下，同轴电缆中的的传播速度由绝缘体决定。 为什么频率增大时衰减曲线也趋向增大？ 这主要归结于内外导体间有限的电流穿透能力（趋肤效应）。随着频率增大，电流透入导体的深度会随之减小，从而电流被封闭在金属表面更浅薄的区域。因此电阻和衰减就更大。同时在绝缘体的内部也会有部分的能量损失，也是造成衰减的原因。 如何将将同轴电缆中的衰减降到最低？ 对一条外导体直径固定的导线来说，如果外导体和内导体的电阻率相同，并且假设绝缘体没有损失（至少要类似聚乙烯或聚四氟乙烯在高频下的表现），将下列表达式的值控制到最小，此时同轴电缆中的损失最小。 (1/d+1)/ln(1/d) 其中d是内导体的直径和外导体的直径之比（原文有笔误，根据下文可以断定是内外导体之比率。本文中笔误不少）。使用一个简式或算子可以快速地找到答案。D/d=3.5911相当接近。这个公式据说源自两个公式，一个是同轴电缆阻抗和D/d的关系比公式，另一个是有关损失的公式，可以在Howard Sams出版的“Reference Data for Engineers”第七版中的页29-13找到。 一个有趣的事情要注意，最小衰减并不直接决定导线的阻抗：导线的阻抗是由绝缘体的介电常数决定的。对一条用空气作绝缘层的导线来说，对应的阻抗（只D/d为3.5911时，最小衰减点）大概为76.71欧姆，但如果使用固体聚乙烯作绝缘层的话，最小衰减点对应的阻抗大约是50.6欧姆。所以，不管我们将RG-58做什么用途，不管是做天线馈电用还是做连接测试设备用，都很接近上述给出的最小衰减的条件，而且绝缘体为聚乙烯。 但是如果导线使用了传导速度因子为0.8的发泡绝缘体，对应最小衰减的阻抗变成了61欧姆。但无论如何，最小衰减是一个很重要指标，而且您的阻抗匹配如果没有偏离最佳阻抗50%以上，（失配造成的反射）不会造成太大的损失。 注意，发泡绝缘体导线如果和固体绝缘体导线的阻抗并外径相同的话，发泡绝缘体导线的衰减更低。这是因为，为了使两者的阻抗相同，发泡导线必须使用更粗的内导体，粗导体有更小的RF电阻，故此有更小的损耗。