关于同轴电缆75Ω与50Ω阻抗的故事

zene

关于同轴电缆75Ω与50Ω阻抗的故事

同轴电缆是一种传输线,用来良好地引导电磁波，其一般是由四层材料构成：有两个处于同心结构的导体，两导体之间由电介质（绝缘材料）隔开；然后最外层通常包有绝缘材料作为保护性外皮。


同轴电缆能以低损耗的方式传输模拟信号和数字信号，适用于各种应用，其中常见的有电视广播系统、长途电话传输系统、计算机系统之间的短距离跳线以及局域网互联等等。同轴电缆作为将电视信号传播到千家万户的一种手段发展迅速，这就是有线电视网络。一个有线电视系统可以负载几十个甚至上百个电视频道，其传播范围可以达几十千米。

同轴电缆的发明
具有同轴结构的电缆在1858年完成铺设的首条跨大西洋电报电缆项目里就得到了应用，通过「PCB设计一板即成功专栏」的「信号完整性的历史（黑魔法开始出现）」章节可以了解到当时电缆铺设的情景。


但当时电与磁的相关理论还没有形成统一，直到1860年麦克斯韦才去到伦敦国王学院执教，虽然麦克斯韦对法拉第仰慕许久，但直到此时麦克斯韦才得以与法拉第第一次见面，1864年麦克斯韦的的论文《电磁场的动力学理论》才正式对外发表。

当时用于跨大西洋电报项目电缆的设计理念是引导电流而不是引导电磁波，结果，首条跨大西洋电报电缆项目电缆仅运行了三个星期便宣告失败了。

直到1880年，英国物理学家、工程师和数学家奥利弗·亥维赛（Oliver Heaviside）才对同轴电缆的理论进行了描述，申请了同轴电缆专利（British patent No. 1,407）。



亥维赛设计的同轴电缆外导体由铜管构成，内导体是一根同心的铜导线，两导体间以盘状绝缘子进行隔离，其主要的电介质是空气，使沿着它传播的信号具有低损耗特性。


亥维赛发明的同轴电缆老wu没有找到实物照片，根据专利描述，找了一张现代的同轴电缆图，构造应该差不多，当然，现在的材料和工艺肯定是要更好的，大家凑合着看吧 😜。





亥维赛发明的同轴电缆由于外导体由铜管构成，属于刚性同轴传输线，不是很方便进行折弯，不利于工程实施。

为了克服亥维赛同轴电缆设计中的局限，贝尔实验室的Lloyd Espenschied和Herman Affel开发了与亥维赛设计的同轴电缆具有类似结构的宽带同轴电缆，以支持美国不断发展的电话行业，并为有线电视的发明铺平了道路。其与亥维赛设计的同轴电缆有一个细微的差别，它是半刚性的，可以更容易地盘绕，电缆可以卷绕在一个大直径的滚筒上，以便在海上进行铺设作业。


此后，同轴电缆技术在材料和性能方面获得了长足的进步，为射频/微波/毫米波互连问题提供了广泛的解决方案。

同轴电缆的特性阻抗
同轴电缆的特性阻抗由电缆的结构和材料所决定，由外导体的内径与内导体的外径之比以及电介质的相对介电常数决定，如下边公式所示:



如果同轴电缆的外径是恒定的（也即外导体的内径是恒定的），内导体的直径变大，则特性阻抗会变低，内导体的直径变小，则特性阻抗会变高。另外，特性阻抗与相对介电常数的平方根成反比，所以相对介电常数越高，则特性阻抗就越低。因此，理论上同轴电缆的特征阻抗可以根据结构和材料的自由组合而有任意的数值。

但为什么常用的同轴电缆的特性阻抗只有75Ω和50Ω两种规格呢？
在实际的使用中，很难制造极薄的内导体和极薄的电介质，所以同轴电缆的特性阻抗值范围就限定在几欧姆到几百欧姆之间变化。然而，实际使用的同轴电缆的特征阻抗几乎总是50Ω或75Ω。

特性阻抗是50Ω或75Ω，这是有原因的

当高频信号在同轴电缆上传输时，或多或少都会有所衰减（损耗）。除了由于阻抗不匹配而产生的反射外，还有由于内导体和外导体的电阻和电介质内部的损耗而产生的热量（焦耳热）。



由于集肤效应，电流只在导体的靠近表面很薄的一层流动，所以导体表面的电阻会影响损耗，频率越高，损耗就越大。



空气允许电磁波以接近光速的速度近乎无阻碍地传播，其是一种理想的介电材料，而高分子材料则是在二十世纪初才发展起来的，所以亥维赛选择了空气作为他发明的同轴电缆的电介质。

当高频信号通过同轴电缆时，其损耗是导体损耗和介质损耗之和。由于空气的介电损耗足够小，所以导体损耗成为主导。

由于趋肤效应的作用，导致电流只在外导体靠内很薄的区域以及内导体靠外很薄的区域流动。导体损耗与导体截面成正比。因此，内导体的外径成为损耗因数的主导。

如果把内导体半径加大，这可以降低电阻值，但特性阻抗也会变低，而且必须有更多的电流才能传输相同的功率，由于导体损耗与电流的平方成正比，这也会导体损耗会增加。换句话说，外导体的内径和内导体的外径之间有一个合适的比值，它能最大限度地减少损耗。

简而言之，当外径与内径之比为0.2785，电介质为空气（相对介电常数≈1.000536，20℃，1大气压）时，特性阻抗约为76.65Ω。将数字四舍五入到75Ω，这便是75Ω同轴电缆的起源。

在同轴电缆发明的早期，由于没有合适的适用于高频传输的低损耗的柔性电介质，所以一般都采用空气作为电介质，使用圆盘状的瓷器来固定内导体，或用丝线进行悬空以与外导体隔开。

而到了1933 年,位于英国诺斯威奇的帝国化学工业(Imperial Chemical Industries ICI) 意外地发现了可以在工业上批量生产的聚乙烯，由于发现聚乙烯在非常高频的电磁波下具有非常低的损耗特性，在第二次世界大战之前，它首次被用作同轴电缆的绝缘体。由于聚乙烯可以填充在电缆内部，因此很容易制造出轻小的电缆，而且其特性在弯曲时不会有太大变化，因此很快就在市场上推广开来。

聚乙烯的相对介电常数约为2.26，所以当外径与内径之比为0.2785时，特性阻抗约为51.0Ω。将数字四舍五入到50Ω，这便是50Ω同轴电缆的起源。

虽然现在75Ω的同轴电缆也是用聚乙烯填充的，这样内导体的直径就会小于最小损耗的最优值。然而，由于很难改变已经为75Ω设计的成熟的应用体系，而且50Ω和75Ω之间的损耗差异也并不是很大，这样就造成了50Ω和75Ω两种规格的同轴电缆的并存情况。

huqin165

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