电子工程师新手必须掌握的一个概念是阻抗和阻抗匹配，特别是关于传输线、电缆和连接器。本常见问题解答涉及两种最常用的“标准”阻抗：50 Ω 和 75 Ω，它们的定义以及各自的作用。
同轴电缆和传输线之间存在着明显的关系。同轴电缆等传输线看起来像是简单的无源元件，仅由内导体和外导体（或屏蔽层）组成，如图1（顶部）所示。
图1：同轴电缆原理图（上图）未给出其等效电路模型（下图）的任何提示。来源：Circuit Design Inc.
简单来说，它只是一根导体（电线），被一个360度的屏蔽层完全包围，用于限制从中心导体辐射的任何电磁能量，同时防止外部能量撞击电线。但同轴电缆/传输线的情况远不止于此。
当然，更复杂的是，即使物理上只有两根导体——中心线和屏蔽层——但信号源或发射器看到的电缆似乎由分布电感和电容构成，如图 1（底部）等效电路所示。同轴电缆充当波导，支持电磁能量的传播，同时也限制电磁能量。
50 Ω 还是 75 Ω？
传输线具有特性阻抗，通常用 Z o表示。电缆的特性阻抗可以有多种可能的值，具体取决于导体尺寸、内部间距以及电缆内导体与外屏蔽层之间的间隔绝缘体的介电特性，其中最常见的值为 50 Ω 或 75 Ω。
当射频工程师考虑项目传输线的阻抗时，他们可能会自动假设所有这些线路的标称阻抗都是 50 Ω。这很合理，因为当今很多射频设计工作都基于这个值。它也不是一个随意的数字，因为使用 50 Ω 有充分的技术理由。
然而，也有许多射频应用的传输线阻抗为 75 Ω。这些应用主要与视频信号和有线电视相关，在这个庞大的市场中，包括许多相关功能，例如覆盖整个建筑的分配放大器。对于这些领域的设计人员和最终用户来说，75 Ω 是“正常”阻抗，而 50 Ω 则比较特殊（不过，您甚至可以在家得宝 (Home Depot) 和类似的大型商店购买 75 Ω 电缆）。
使用两种截然不同的阻抗引发了一些有趣的问题：为什么会有两个标准阻抗？哪个阻抗在哪些方面“更好”？它们为什么有这些值？使用其中一种阻抗真的重要吗？如果重要，具体有哪些方面？
这些看似简单的同轴电缆及其连接器的背后有很多故事，而不仅仅是带有周围屏蔽的实心内导体；同轴电缆实际上是用于电磁能的精确尺寸的波导管（图 2）。
图2：同轴电缆的物理结构概念上很简单，但实际上它是一个尺寸经过精心设计、由特定材料制成的组件。来源：Elsevier/Science Direct
选择正确的阻抗
阻抗问题的答案既有历史渊源，也有技术根源。答案始于Lloyd Espenscheid和Herman Affel的研究，他们在1929年为传奇的贝尔实验室工作期间开发并分析了第一根同轴电缆（美国专利1,835,031，“同心导电系统”）。
他们的目标是找到一种能够传播4MHz信号的传输介质——在长途电话发展的早期，这是一个非常宽的带宽——这种带宽足以在数百英里的距离内传输大约1000个带宽受限的模拟语音呼叫。要做到这一点，需要一条能够承受高电压和高功率的传输线。
两位研究人员分析了衰减、额定电压和额定功率等关键传输线参数之间的权衡，并得出了重要图表和相关结论（图 3）。
图3：传输线的关键参数包括衰减、额定电压和额定功率，每个参数在不同阻抗下都有最佳值。来源：EEVblog 电子社区论坛
该分析考察了阻抗函数的三个特性的性能：
衰减（损耗）很大程度上取决于电缆中的电介质。对于Affel和Espenscheid分析的充气同轴电缆，其最低损耗约为77Ω，而某些电介质的最低损耗约为50Ω。电压最大值是同轴外导体和内导体之间电场强度的函数。对于支持TE 10电磁场(EM)波导模式下射频信号的同轴电缆，电场最大值出现在60 Ω左右。功率处理能力由击穿场和阻抗（V 2 /Z）决定；对于在 TE 11模式截止频率以下工作的充气同轴电缆，功率传输在 30 Ω 左右时达到最大值。那么，最佳阻抗值是多少呢？与大多数工程决策一样，没有“理想”的阻抗值；相反，最佳选择需要权衡利弊。50 Ω 的阻抗值对于功率和电压（例如来自发射器或线路驱动器等信号源的输出）来说是一个不错的折衷方案。相反，对于以低衰减为主要目标的情况，例如来自天线或模拟视频链路的低电平信号，75 Ω 是更好的选择。
还有其他原因使得 75 Ω 成为理想的阻抗。标准半波偶极子天线在其谐振频率下的“固有”阻抗为 73 Ω，而广泛使用的折叠偶极子天线的阻抗为 300 Ω。这意味着 75 Ω 与较大的偶极子天线几乎完美匹配，同时，使用基本的 4:1 平衡-不平衡转换器也很容易实现折叠偶极子与 75 Ω 传输线的紧密匹配。
最终分析
实际上，在单一设计中使用不同的阻抗来实现不同的目标会增加设计的复杂性。例如，几厘米短距离内的损耗差异可能可以忽略不计。此外，连接 75 Ω 电缆和 50 Ω 电缆时的电压驻波比 (VSWR) 为 1.5:1，这可能是一个可接受的非单位值，因为在许多低功率或中等功率情况下，低于 2:1 的 VSWR 被认为是可以接受的。
将电缆和阻抗理论与实际的同轴电缆联系起来并非易事。将电磁场理论和分析转化为实际的传输线是同轴电缆的功能，大多数同轴电缆都带有“RG”标识；RG，即无线电波导，源自二战时期同轴电缆的原始军用规范。
市面上有无数种标准同轴电缆版本可供选择，这还不包括卷轴长度。这很大程度上是因为除了阻抗之外，电缆的电气和机械性能因素还有很多权衡。
一般来说，较低频率需要更大直径的电缆来适应低衰减的射频波长，而较细的电缆则适用于较高频率。对于数十千兆赫的低功率射频，同轴电缆的直径可能只有一两毫米。同时，较细的电缆无法处理大量的射频功率，因此必须迁移到具有适当高频性能的较粗电缆。
设计人员会仔细考虑设计中使用的标称阻抗。首先，他们不应假设系统阻抗为 50 Ω，而实际上可能是 75 Ω，反之亦然。此外，在编制至关重要的物料清单 (BOM) 时，务必检查同轴电缆及相关连接器，或任何指定的预切和端接电缆的阻抗值。
很容易不小心选错了 75 Ω 同轴电缆，而不是原本想要的 50 Ω 同轴电缆，反之亦然。此外，像经典的 BNC 型连接器（虽然历史最悠久，但仍在沿用）就有 50 Ω 和 75 Ω 两种版本，外观相同，尺寸仅略有不同。用户甚至只需轻轻“按压”即可完成连接。因此，虽然大多数射频设计都采用 50 Ω 电阻，但不要忽视或忽略 75 Ω 同轴电缆和连接器；它们可能适合项目，或者已经设计并投入使用。
您是否曾经因使用 50 Ω 而陷入困境，因为在应用中 75 Ω 才是正确值，反之亦然？