高频特性阻抗讲解
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技术论文电缆高低频特性阻抗By the Engineering Department Belden Electronics Division电子脉冲在电缆数据传输中的应用的增长,需求对电缆电气性能有更好的理解。
许多系统规格说明使用的电缆应有一定的特性阻抗,用Ω表示。
.许多电缆制造商的产品目录中都列举了多数同轴电缆的特性阻抗值,其阻抗值的范围是50~95 Ω. 这个目录可能是指出现在为特定应用设计某些屏蔽对的100 to~200 ohms值。
但是电缆使用者不容易获得多种普通类型屏蔽对的阻抗信息。
为何?因为这涉及到电缆多种不同的应用。
阻抗定义让我们分析特性阻抗-哪些是特性阻抗,哪些不是特性阻抗-使我们更好地理解数字的含义及阻抗是如何应用在我们应用中的。
阻抗的大小欧姆定律说明施加在回路两端的电压和回路中测定的电流,用以下公式计算阻抗的大小。
(公式1)在直流和交流中,此公式关系都保持正确。
相位在交流电的情况下,阻抗包括两个部分:欧姆值(前面讨论过的)和相位。
相位指电压和电流间瞬时的关系。
在双重轨迹的示波镜中同时看电压和电流,观察在有电阻器的情况下(见图1A),电压和电流同时达到最大值,称电压和电流同相位。
Figure 1.电压和电流间的相位关系。
(示波器的水平轴为线性的时间基数,从左至右读数。
)然而,在有电感的情况下,(通常为线圈,但甚至是有一定的电感的直电线) ,电压的最大值比电流的最大值出现得早(电压引导电流) (见图1B). 这是因为电感阻碍了电流的变化。
反过来,在有电容的情况下,电压出现的最大值比电流出现的最大值晚(电压滞后电流)是因为电压要花费时间给电容充电。
(如图1C)相位角如一个完整的周期(在如图1A所示的两个电压和电流的最大值之间)等于360o ,那么就能够计算电流最大值和电压最大值之间的度数。
对于理想的电感,电压的最大值是否会出现?电流最大值前的周期(+90o)。
(电压先于电流90o,或相位角度为90o)。
什么是特性阻抗?影响特性阻抗的因素有哪些?
阻抗为区别直流电(DC)的电阻,把交流电所遇到的阻力称为阻抗(Z0),包括电阻(R)、感抗(XC)和容抗(XL)。
1特性阻抗
又称“特征阻抗”。
在高频范围内,信号传输过程中,信号沿到达的地方,信号线和参考平面间由于电场的建立,会产生一个瞬间电流I,而如果信号的输出电平为V,在信号传输过程中,传输线就会等效成一个电阻,大小为
V/I,把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z0。
特性阻抗受介电常数、介质厚度、线宽等因素影响。
是指在某一频率下,传输信号线中(也就是我们制作的线路板的铜线),相对某一参考层(也就是常说的屏蔽层、影射层或参考层),其高频信号或电磁波在传播过程中所受的阻力称之为特性阻抗,它实际上是电阻抗、电感抗、电容抗等一个矢量总和。
2控制PCB特性阻抗的意义。
同轴线缆特性阻抗的介绍及测量特性阻抗是长线传输中的概念,通常用来衡量高频领域下系统的对信号的传输能力大小。
对于低频线路,根据欧姆定律:R=U/I 。
在高频下,还需要计算信号的波动性,反映传输线任一点特性的参量为反射系数τ和特性阻抗Z,因为传输线上的阻抗不可能始终为一个恒定的值,即阻抗不连续,在这些阻抗变化的点就会产生波的反射,任意传输线上的波均是由入射波和反射波的叠加组成,区别在于入射波与反射波成分的不同。
因此,传输线有两种极限状态:1. 无反射波,反射系数=0,称之为行波状态或匹配;2. 全反射,反射系数模=1,称之为驻波状态。
传输线上任意点Z’上的反射系数τ(z’)与特性阻抗Z(z’)的关系如下:其中:Z0:负载阻抗传输线上任一点都可以等效为一段匹配线路与一个阻抗为Z’的负载,特性阻抗即为负载上入射波电压与入射波电流之比,类似地,特性阻抗也等于反射波电压与反射波电流之比:根据阻抗计算公式:其中:Z:特性阻抗R:电阻L:电感G:电导C:电容j:复数虚部w:2πf(f=频率)可知特性阻抗是一个与频率相关的复数。
FAKRA匹配的线路为同轴线缆,在实际应用中,同轴线缆的阻抗可以按如下公式计算:其中:Z:特性阻抗εr:绝缘体的相对介电常数D:外导体内径d:内导体外径可以通过调节连接器及线缆的结构及材质来限制特性阻抗,但FAKRA连接器的导体与线缆需要通过压接装配在一起,这势必会导致连接部位的尺寸变化,因此对于完整的线缆组件,我们也需要验证其特性阻抗是否满足也在规定的范围之内。
阻抗特性测试使用“时域反射法”,特性阻抗分析仪本质上是“高速脉冲源+高宽带取样示波器”模块的有机结合并辅以复杂的校准算法。
如下图所示,测试时通过带宽测试探头向被测线缆组件输入高速脉冲信号,取样接头接受反射信号,采样得到其反射电压,因为入射的阶跃脉冲的幅度是已知的,这样就可以计算出被测线路的反射系数τ,而仪器的输出阻抗为50Ω,根据上述公式,可以计算出反射点的特性阻抗值Z。
贴片电容高频阻抗
贴片电容在高频下的阻抗特性对于理解其电气性能和在电路设计中的应用至关重要。
在高频下,电容器会表现出电感性质,这是因为电容器中的电流和电压之间存在相位差,这与理想电容器的行为不同。
这种相位差导致了电容器的有效电感性质,也称为等效串联电感(ESL)。
等效串联电感与电容器的物理尺寸、材料和结构有关。
例如,贴片电容的ESL与其几何尺寸成正比,因此大型电容器的ESL通常更高。
此外,电容器的ESL还与其介电常数和介电材料的特性有关。
除了等效串联电感外,还有一个与频率相关的阻抗分量,称为等效并联电阻(EPR)。
EPR是由于介质材料的损耗和金属电极的电阻引起的。
随着频率的增加,EPR逐渐成为主导的阻抗分量。
贴片电容在高频下的总阻抗Z可以表示为:Z = √((ESL/C)^2 + EPR^2),其中C是电容器的电容值。
这个公式描述了贴片电容在高频下的阻抗行为,展示了ESL和EPR对总阻抗的共同影响。
在高频电路设计中,了解贴片电容的阻抗特性对于确保电路性能至关重要。
通过选择适当的电容值和考虑其ESL和EPR,设计师可以优化电路的性能,特别是在需要低阻抗或低ESL 的应用中。
此外,了解这些特性有助于选择合适的电容类型和规格,以适应不同频率和阻抗要求的设计需求。
请注意,以上内容涉及的领域知识比较专业,仅供您参考。
如需更准确完整的信息,建议咨询电子电气领域的专业人士或者查阅相关技术手册。
阻抗匹配在高频设计中是一个常用的概念,下面对这个“阻抗匹配”进行解析。
阐述什么是阻抗匹配。
阻抗匹配(Impedance matching)是微波电子学里的一部分,主要用于传输线上,来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的,不会有信号反射回来源点,从而提升能源效益。
大体上,阻抗匹配有两种,一种是透过改变阻抗力(lumped-circuit matching),另一种则是调整传输线的波长(transmission line matching)。
要匹配一组线路,首先把负载点的阻抗值,除以传输线的特性阻抗值来归一化,然后把数值划在史密夫图表上。
改变阻抗力把电容或电感与负载串联起来,即可增加或减少负载的阻抗值,在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。
如果把电容或电感接地,首先图表上的点会以图中心旋转180度,然后才沿电阻圈走动,再沿中心旋转180度。
重覆以上方法直至电阻值变成1,即可直接把阻抗力变为零完成匹配。
调整传输线由负载点至来源点加长传输线,在图表上的圆点会沿著图中心以逆时针方向走动,直至走到电阻值为1的圆圈上,即可加电容或电感把阻抗力调整为零,完成匹配阻抗匹配则传输功率大,对于一个电源来讲,单它的内阻等于负载时,输出功率最大,此时阻抗匹配。
最大功率传输定理,如果是高频的话,就是无反射波。
对于普通的宽频放大器,输出阻抗50Ω,功率传输电路中需要考虑阻抗匹配,可是如果信号波长远远大于电缆长度,即缆长可以忽略的话,就无须考虑阻抗匹配了。
阻抗匹配是指在能量传输时,要求负载阻抗要和传输线的特征阻抗相等,此时的传输不会产生反射,这表明所有能量都被负载吸收了.反之则在传输中有能量损失。
高速 PCB布线时,为了防止信号的反射,要求是线路的阻抗为50欧姆。
这是个大约的数字,一般规定同轴电缆基带50欧姆,频带75欧姆,对绞线则为100欧姆,只是取个整而已,为了匹配方便.阻抗从字面上看就与电阻不一样,其中只有一个阻字是相同的,而另一个抗字呢?简单地说,阻抗就是电阻加电抗,所以才叫阻抗;周延一点地说,阻抗就是电阻、电容抗及电感抗在向量上的和。
电线电缆高频性能1.特性阻抗2.衰减3.回波损耗4.VSWR5.串音6.延时7.延时差8.转移阻抗9.屏蔽效应同轴线影响阻抗的因素﹕介电常数﹔绝缘线径﹔导体线径。
1) 介电常数是材料本身固有的﹐不同的材料具有不同的介电常数。
可通过发泡度的大小来改变介电常数的大小﹐即发泡度增大—介电常数减小—阻抗增大﹔发泡度不均匀—介电常数不均匀—阻抗不均匀。
2) 绝缘线径﹕绝缘线径增大—阻抗增大﹔绝缘线径不均匀—阻抗不均匀。
3) 导体线径: 导体线径增大—阻抗减小﹔导体线径不均匀—阻抗不均匀。
设计改善:阻抗偏小,加大线径或加大发泡度工艺改善:水中电容调小,对绞时注意防止芯线变形,同轴编织时注意张力调节等.•对绞线•影响阻抗的因素﹕•介电常数﹔绝缘线径﹔导体线径﹔对绞节距﹔绕包松紧(对屏蔽)﹔成缆节距﹔成缆包带松紧﹔编织的松紧﹔外被的松紧。
•1) 发泡度:发泡度增大—介电常数减小—阻抗增大﹔发泡度不均匀—介电常数不均匀—阻抗不均匀。
•2) 绝缘线径﹕绝缘线径增大—阻抗增大﹔绝缘线径不均匀—阻抗不均匀。
•3) 导体线径: 导体线径减小—阻抗增大。
•4)对绞节距﹕•a)非屏蔽线对﹕对绞节距减小—阻抗减小﹔•b)屏蔽线对﹕对绞节距增大—阻抗减小﹔•5) 绕包﹕绕包张力大—铝箔紧—阻抗小。
•6) 成缆节距(非对屏蔽)﹕成缆节距减小—阻抗减小。
•7) 成缆包带(非对屏蔽) ﹕成缆包带紧—阻抗减小。
•8) 编织的松紧(非对屏蔽) ﹕编织紧—阻抗减小。
•9) 外被的松紧(非对屏蔽) ﹕外被紧—阻抗小。
2. 衰减(Attenuation)衰减表示线路的材料等原因而引起的信号损失线缆的衰减主要由两部份组成﹐一为介质内偶极子受交变电场作用做取向运动引起的介质损耗﹐一为导体上热磁涡流及导体发热引起的能量损失。
单位为“dB/m”α= 10 log ( Pout / Pin ) = 20 log ( Vout / Vin )是指输出端功率(P out)比入射功率(P in),讯号损耗剩下多少。
高频电阻知识点总结一、高频电阻的概念高频电阻是指在高频电路中使用的电阻元件。
在高频电路中,电阻的特性和性能要求与直流电路中的要求有所不同。
高频电路中的电阻需要考虑电流、电压和热耗等因素,另外对电感和电容的影响也需要特别考虑。
电阻在高频电路中起着对信号的调制、分配和传输等作用。
因此,高频电路中的电阻需要具备良好的高频性能,如低损耗、低串扰、稳定性好等特点。
二、高频电阻的分类1.按器件结构分类:分有线电阻和无线电阻两大类。
有线电阻是指通过金属或合金导线制成的,如碳膜电阻、膜电阻、金属膜电阻、金属氧化膜电阻、金属箔电阻等。
无线电阻是指通过石墨、水泥、氧化铁、酚醛树脂、陶瓷等非金属材料制成的电阻,如电阻线、石墨电阻、水泥电阻、陶瓷电阻等。
2.按电阻值分类:分固定电阻和可变电阻两大类。
固定电阻是指电阻值固定不变的电阻元件,如碳膜电阻、金属膜电阻等。
可变电阻是指可以通过外部调节改变电阻值的电阻元件,如电位器、可变电容器等。
三、高频电阻的特性1.高频电阻的阻值的稳定性高频电路中,电阻阻值的稳定性对电路的性能影响是非常大的。
阻值稳定性很差的电阻容易导致电路性能的不稳定。
在高频电路中,一般采用贴片电阻作为固定电阻元件,因为它具有较好的阻值稳定性。
2.高频电阻的频率特性高频电路中电阻的阻值随频率的变化如果不符合线性规律,就会导致电路的工作频率范围受到限制,因此电阻的频率特性是高频电路中电阻的一个重要特性。
常见的高频电阻如贴片电阻的频率特性在10MHz以下基本保持线性;而碳膜电阻的频率特性在几十MHz以上就不再保持线性。
四、高频电阻的应用1.通信设备在无线通信设备中,高频电阻被广泛应用于功率放大器、发射机、接收机等各个模块中。
高频电阻在这些设备中起到分配、调制和传输信号的作用。
2.射频电路在射频电路中,高频电阻通常作为匹配网络中的元件,用于匹配天线阻抗与射频前端的输入阻抗。
3.汽车电子在汽车电子设备中,高频电阻通常用于汽车无线电通信系统、汽车信息娱乐系统和汽车导航系统等。
英文名称:impedance matching基本概念信号传输过程中负载阻抗和信源内阻抗之间的特定配合关系。
一件器材的输出阻抗和所连接的负载阻抗之间所应满足的某种关系,以免接上负载后对器材本身的工作状态产生明显的影响。
对电子设备互连来说,例如信号源连放大器,前级连后级,只要后一级的输入阻抗大于前一级的输出阻抗5-10倍以上,就可认为阻抗匹配良好;对于放大器连接音箱来说,电子管机应选用与其输出端标称阻抗相等或接近的音箱,而晶体管放大器则无此限制,可以接任何阻抗的音箱。
匹配条件①负载阻抗等于信源内阻抗,即它们的模与辐角分别相等,这时在负载阻抗上可以得到无失真的电压传输。
②负载阻抗等于信源内阻抗的共轭值,即它们的模相等而辐角之和为零。
这时在负载阻抗上可以得到最大功率。
这种匹配条件称为共轭匹配。
如果信源内阻抗和负载阻抗均为纯阻性,则两种匹配条件是等同的。
阻抗匹配是指负载阻抗与激励源内部阻抗互相适配,得到最大功率输出的一种工作状态。
对于不同特性的电路,匹配条件是不一样的。
在纯电阻电路中,当负载电阻等于激励源内阻时,则输出功率为最大,这种工作状态称为匹配,否则称为失配。
当激励源内阻抗和负载阻抗含有电抗成份时,为使负载得到最大功率,负载阻抗与内阻必须满足共扼关系,即电阻成份相等,电抗成份绝对值相等而符号相反。
这种匹配条件称为共扼匹配。
阻抗匹配(Impedance matching)是微波电子学里的一部分,主要用于传输线上,来达至所有高频的微波信号皆能传至负载点的目的,不会有信号反射回来源点,从而提升能源效益。
史密夫图表上。
电容或电感与负载串联起来,即可增加或减少负载的阻抗值,在图表上的点会沿著代表实数电阻的圆圈走动。
如果把电容或电感接地,首先图表上的点会以图中心旋转180度,然后才沿电阻圈走动,再沿中心旋转180度。
重覆以上方法直至电阻值变成1,即可直接把阻抗力变为零完成匹配。
共轭匹配在信号源给定的情况下,输出功率取决于负载电阻与信号源内阻之比K,当两者相等,即K=1时,输出功率最大。
什么是特性阻抗特性阻抗的说明推荐文章excel2013三大新特性热度:个人独特性与法律普遍性之调适热度:元朝的特性:蒙元史若干问题的思考论文热度:原癌基因的名词解释_分类_产物和功能_特性热度:四年级上册数学三角形的特性教案热度:特性阻抗又称特征阻抗,它不是直流电阻,属于长线传输中的概念。
那么你对特性阻抗了解多少呢?以下是由店铺整理关于什么是特性阻抗的内容,希望大家喜欢!特性阻抗的简介在高频范围内,信号传输过程中,信号沿到达的地方,信号线和参考平面(电源或地平面)间由于电场的建立,会产生一个瞬间电流,如果传输线是各向同性的,那么只要信号在传输,就始终存在一个电流I,而如果信号的输出电平为V,在信号传输过程中,传输线就会等效成一个电阻,大小为V/I,把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z。
信号在传输的过程中,如果传输路径上的特性阻抗发生变化,信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。
影响特性阻抗的因素有:介电常数、介质厚度、线宽、铜箔厚度。
特性阻抗的类比说明现象类比:运输线的糟糕路况(类似传输线里的特性阻抗)会影响运输车队的速度,路越窄,路的阻碍作用越大(特性阻抗大,通过的无线电波能量就小);路越宽、路况越好,通过的车队速度越快(通过的无线电波能量越多)。
假若一段路况特别好,另一段路况特别差,从路况好的路段进入差的路段,车队就需要放慢速度。
这就说明两段路的路况不匹配(阻抗不匹配)。
特性阻抗是射频传输线影响无线电波电压、电流的幅值和相位变化的固有特性,等于各处的电压与电流的比值,用表示。
在射频电路中,电阻、电容、电感都会阻碍交变电流的流动,合称阻抗。
电阻是吸收电磁能量的,理想电容和电感不消耗电磁能量。
阻抗合起来影响无线电波电压、电流的幅值和相位。
同轴电缆的特性阻抗和导体内、外直径大小及导体间介质的介电常数有关,而与工作频率传输线所接的射频器件以及传输线长短无关。
也就是说,射频传输线各处的电压和电流的比值是一定的,特征阻抗是不变的。
高频电缆特性阻抗、输入阻抗、工作衰减的有关介绍本文章择录于《继电保护高频通道》作者:黄根祥高频电缆是用来连接高频收发信机和结合滤波器用的,它是高频电流出入的必经之路,一般有几百公尺长。
对高频电缆的要求是:1、对于被传输的信号应呈现尽可能小的衰耗;2、尽可能使其输入阻抗与两端的有关负载阻抗匹配。
高频保护用的高频电缆,通常采用单芯式同轴电缆。
这类电缆按型号的不同它们的结构也不完全相同,但是基本构造大致一样,电缆中心是铜芯,铜芯是内导体,其外包有一层绝缘物,绝缘物外面是一层铜丝网或铝包的外导体。
因内外导体铜轴,故称之为同轴电缆。
内外导体之间的绝缘物用聚苯乙烯。
或纸绝缘作成,良好的塑料绝缘具有小的介质损耗和小的介电常数,所有内外导体之间的电容是很小的,因此对高频电流的衰耗也小。
在外导体的外面再覆以绝缘层。
高频电缆在传输高频电流时,由于集肤效应的作用,内导体的电流都集中在其表面。
而由于外两导体之间邻近效应的作用,外导体中的电流都集中在其内侧,所有外导体的外侧是没有电流流通的,这样外导体外侧就形成了对高频磁场的一个金属屏蔽层。
另外,在相-地制通道中,,由于收发信机和结合滤波器均有一端接地,故高频电缆的外导体通常是接地的,因此,外导体的外侧就形成了一个由良导体构成的接地屏蔽罩,它同时有着对电场屏蔽和高频磁场屏蔽的作用。
这样,即可减少外来信号的干扰,又可减小电缆中高频电流对外界的干扰。
高频电缆虽然不长,但由于在传播的是高频电流,其波长较短,电缆长度足以与波长相比拟,故对高频电缆的分析仍然要用解决分布参数电路的方法来解决。
对于高频电缆的分析,着重需要解决其特性阻抗和输入阻抗的有关问题,高频电缆的特性阻抗与频率之间的关系,它与电缆长度无关。
高频电缆的输入阻抗与频率之间成波形变化的关系,高频电缆的输入阻抗与线路长度之间也成波动形成变化的关系,当电缆与两端的负载达到阻抗匹配时,电缆的输入阻抗等于其特性阻抗。
当高频电缆长度为工作频率λ∕4偶数倍时,电缆的输入阻抗将出现极大值;当高频电缆的长度为工作频率的λ∕4奇数倍时,电缆的输入阻抗将出现极小值。
什么是特性阻抗,什么叫特性阻抗特征阻抗(也有人称特性阻抗),它是在甚高频、超高频范围内的概念,它不是直流电阻。
属于长线传输中的概念。
在信号的传输过程中,在信号沿到达的地方,信号线和参考平面(电源平面或地平面)之间由于电场的建立,就会产生一个瞬间的电流,如果传输线是各向同性的,那么只要信号在传输,就会始终存在一个电流I,而如果信号的输出电平为V,则在信号传输过程中(注意是传输过程中),传输线就会等效成一个电阻,大小为V/I,我们把这个等效的电阻称为传输线的特征阻抗(characteristic Impedance)Z。
要格外注意的是,这个特征阻抗是对交流(AC)信号而言的,对直流(DC)信号,传输线的电阻并不是Z,而是远小于这个值。
信号在传输的过程中,如果传输路径上的特征阻抗发生变化,信号就会在阻抗不连续的结点产生反射。
传输线的基本特性是特性阻抗和信号的传输延迟,在这里,我们主要讨论特性阻抗。
传输线是一个分布参数系统,它的每一段都具有分布电容、电感和电阻。
传输线的分布参数通常用单位长度的电感L和单位长度的电容C以及单位长度上的电阻、电导来表示,它们主要由传输线的几何结构和绝缘介质的特性所决定的。
分布的电容、电感和电阻是传输线本身固有的参数,给定某一种传输线,这些参数的值也就确定了,这些参数反映着传输线的内在因素,它们的存在决定着传输线的一系列重要特性。
一个传输线的微分线段可以用等效电路描述如下:传输线的等效电路是由无数个微分线段的等效电路串联而成,如下图所示:从传输线的等效电路可知,每一小段线的阻抗都是相等的。
传输线的特性阻抗就是微分线段的特性阻抗。
传输线可等效为:Z0 就是传输线的特性阻抗。
Z0描述了传输线的特性阻抗,但这是在无损耗条件下描述的,电阻上热损耗和介质损耗都被忽略了的,也就是直流电压变化和漏电引起的电压波形畸变都未考虑在内。
实际应用中,必须具体分析。
传输线分类当今的快速切换速度或高速时钟速率的PCB 迹线必须被视为传输线。