Bei Spuren mit einer bestimmten Breite wirken sich drei Hauptfaktoren auf die Impedanz ausLeiterplatteSpuren. Zunächst einmal ist die EMI (elektromagnetische Interferenz) des Nahfelds der Leiterbahn der Leiterplatte proportional zur Höhe der Leiterbahn von der Referenzebene. Je geringer die Höhe, desto geringer die Strahlung. Zweitens ändert sich das Übersprechen signifikant mit der Höhe der Spur. Wenn die Höhe um die Hälfte reduziert wird, wird das Übersprechen auf fast ein Viertel reduziert. Schließlich ist die Impedanz umso geringer, je geringer die Höhe ist, und sie ist weniger anfällig für kapazitive Lasten. Alle drei Faktoren ermöglichen es dem Konstrukteur, die Spur so nah wie möglich an der Referenzebene zu halten. Der Grund, der Sie daran hindert, die Leiterbahnhöhe auf Null zu reduzieren, ist, dass die meisten Chips keine Übertragungsleitungen mit einer Impedanz von weniger als 50 Ohm ansteuern können. (Ein Sonderfall dieser Regel ist Rambus, der 27 Ohm treiben kann, und die BTL-Serie von National, die 17 Ohm treiben kann). Nicht in allen Situationen ist es am besten, 50 Ohm zu verwenden. Beispielsweise arbeitet die sehr alte NMOS-Struktur des 8080-Prozessors bei 100 kHz ohne die Probleme von EMI, Übersprechen und kapazitiver Last und kann 50 Ohm nicht treiben. Bei diesem Prozessor bedeutet eine hohe Impedanz einen geringen Stromverbrauch, und Sie sollten möglichst dünne Drähte mit hoher Impedanz verwenden. Auch eine rein mechanische Betrachtungsweise ist zu berücksichtigen. Zum Beispiel ist der Abstand zwischen den Schichten einer Mehrschichtplatine im Hinblick auf die Dichte sehr gering, und der für eine Impedanz von 70 Ohm erforderliche Linienbreitenprozess ist schwierig zu erreichen. In diesem Fall sollten Sie 50 Ohm verwenden, was eine größere Linienbreite hat und einfacher herzustellen ist. Welche Impedanz hat das Koaxialkabel? Im HF-Bereich sind die betrachteten Themen nicht die gleichen wie bei Leiterplatten, aber Koaxialkabel in der HF-Industrie haben auch einen ähnlichen Impedanzbereich. Gemäß der IEC-Veröffentlichung (1967) ist 75 Ohm ein gängiger Impedanzstandard für Koaxialkabel (Anmerkung: Luft wird als Isolierschicht verwendet), da Sie einige gängige Antennenkonfigurationen anpassen können. Es definiert auch ein 50-Ohm-Kabel auf der Basis von festem Polyethylen, denn wenn die äußere Abschirmschicht mit einem festen Durchmesser und der Dielektrizitätskonstante auf 2,2 (die Dielektrizitätskonstante von festem Polyethylen) festgelegt ist, ist der Skin-Effekt-Verlust der 50-Ohm-Impedanz am kleinsten. Sie können anhand der grundlegenden Physik beweisen, dass 50 Ohm das Beste sind. Der Skin-Effekt-Verlust des Kabels L (in Dezibel) ist proportional zum gesamten Skin-Effekt-Widerstand R (Einheitslänge) dividiert durch die charakteristische Impedanz Z0. Der Gesamt-Skin-Effekt-Widerstand R ist die Summe des Widerstands der Abschirmschicht und des Zwischenleiters. Der Skin-Effekt-Widerstand der Abschirmschicht ist bei hohen Frequenzen umgekehrt proportional zu ihrem Durchmesser d2. Der Skin-Effekt-Widerstand des Innenleiters eines Koaxialkabels ist bei hohen Frequenzen umgekehrt proportional zu seinem Durchmesser d1. Der Gesamtserienwiderstand R ist daher proportional zu (1/d2 + 1/d1). Kombiniert man diese Faktoren bei gegebenem d2 und der entsprechenden Dielektrizitätskonstante ER des Isoliermaterials, kann man die folgende Formel verwenden, um den Skin-Effekt-Verlust zu reduzieren. In jedem Grundlagenbuch über elektromagnetische Felder und Mikrowellen findet man, dass Z0 eine Funktion von d2, d1 und ER ist (Anmerkung: die relative Dielektrizitätskonstante der Isolierschicht). Setzen Sie Gleichung 2 in Gleichung 1 ein und Zähler und Nenner werden mit d2 multipliziert. , Nach dem Aussortieren von Formel 3 wird der konstante Term (/60)*(1/d2) getrennt und der effektive Term ((1+d2/d1)/ln(d2/d1)) bestimmt den Minimalpunkt. Schauen Sie sich den Minimalpunkt der Formel in Formel 3 genauer an, der nur von d2/d1 gesteuert wird und nichts mit ER und dem festen Wert d2 zu tun hat. Nimm d2/d1 als Parameter und zeichne ein Diagramm für L. Wenn d2/d1=3,5911 (Hinweis: Löse eine transzendente Gleichung), erhalte den Minimalwert. Unter der Annahme, dass die Dielektrizitätskonstante von festem Polyethylen 2,25 und d2/d1 = 3,5911 beträgt, beträgt die charakteristische Impedanz 51,1 Ohm. Vor langer Zeit haben Radioingenieure diesen Wert der Einfachheit halber auf 50 Ohm als optimalen Wert für Koaxialkabel angenähert. Dies beweist, dass L um 0 Ohm am kleinsten ist. Dies hat jedoch keinen Einfluss auf die Verwendung anderer Impedanzen. Wenn Sie beispielsweise ein 75-Ohm-5-Kabel mit demselben Schirmdurchmesser (Hinweis: d2) und Isolator (Hinweis: ER) herstellen, erhöht sich der Skin-Effekt-Verlust um 12 %. Für verschiedene Isolatoren wird die optimale Impedanz, die durch das optimale d2/d1-Verhältnis erzeugt wird, leicht unterschiedlich sein (Hinweis: Luftisolierung entspricht beispielsweise etwa 77 Ohm, und der Ingenieur wählt zur einfachen Verwendung einen Wert von 75 Ohm). Sonstige Ergänzungen: Die obige Herleitung erklärt auch, warum die 75-Ohm-TV-Kabel-Schnittfläche eine lotusförmige Hohlkernstruktur ist, während das 50-Ohm-Kommunikationskabel ein Vollkern ist. Es gibt auch eine wichtige Erinnerung. Versuchen Sie, sofern es die wirtschaftliche Lage zulässt, ein Kabel mit großem Außendurchmesser zu wählen (Hinweis: d2). Neben der Erhöhung der Festigkeit liegt der Hauptgrund darin, dass je größer der Außendurchmesser, desto größer der Innendurchmesser (das optimale Durchmesserverhältnis d2) /d1), der HF-Verlust des Leiters natürlich kleiner ist. Warum sind 50 Ohm zum Impedanzstandard für HF-Übertragungsleitungen geworden? Bird Electronics bietet eine der am weitesten verbreiteten Versionen der Geschichte aus Harmon Bannings „Cable: There may be many stories about the origin of 50 Ohm“. In den Anfängen der Mikrowellenanwendungen, während des Zweiten Weltkriegs, war die Wahl der Impedanz vollständig von den Anforderungen des Einsatzes abhängig. Für die Hochleistungsverarbeitung wurden häufig 30 Ohm und 44 Ohm verwendet. Andererseits beträgt die Impedanz der verlustärmsten luftgefüllten Leitung 93 Ohm. Für höhere Frequenzen, die selten verwendet wurden, gab es damals keine flexiblen flexiblen Kabel, sondern starre, mit Luftmedium gefüllte Kanäle. Halbstarre Kabel wurden in den frühen 1950er Jahren geboren, und echte flexible Mikrowellenkabel erschienen etwa 10 Jahre später. Mit dem Fortschritt der Technologie müssen Impedanzstandards vorgegeben werden, um ein Gleichgewicht zwischen Wirtschaftlichkeit und Bequemlichkeit zu finden. In den Vereinigten Staaten sind 50 Ohm eine Kompromisswahl; Damit die gemeinsame Armee und Marine diese Probleme lösen können, wurde eine Organisation namens JAN gegründet, die später DESC hieß und speziell von MIL entwickelt wurde. Europa wählte 60 Ohm. Tatsächlich besteht die am häufigsten verwendete Leitung in den Vereinigten Staaten aus vorhandenen Stangen und Wasserrohren, und 51,5 Ohm sind sehr verbreitet. Es fühlt sich seltsam an, einen Adapter/Konverter von 50 Ohm auf 51,5 Ohm zu sehen und zu verwenden. Am Ende gewannen 50 Ohm und es wurden spezielle Leitungen hergestellt (oder vielleicht haben die Dekorateure den Durchmesser ihrer Röhren geringfügig geändert). Unter dem Einfluss eines in der Branche dominierenden Unternehmens wie Hewlett-Packard waren bald darauf auch die Europäer gezwungen, sich zu ändern. 75 Ohm ist der Standard für Fernkommunikation. Da es sich um eine dielektrische Füllleitung handelt, ergibt sich der geringste Verlust bei 77 Ohm. 93 Ohm wurden für kurze Verbindungen verwendet, z. B. zum Anschließen eines Computerhosts und eines Monitors. Seine geringe Kapazität reduziert die Belastung der Schaltung und ermöglicht längere Verbindungen; interessierte Leser können auf die MIT RadLab Series, Volume 9 verweisen, die eine ausführlichere Beschreibung enthält.
