電阻是一個(gè)實(shí)實(shí)在在的物理元器件,通過(guò)歐姆定律我們可以知道,電壓、電流和電阻三者之間的關(guān)系,U=I*R。
我們通過(guò)一個(gè)具體的電路來(lái)分析這三者之間的具體關(guān)系,請(qǐng)看下面的一張最簡(jiǎn)單的電路圖。這個(gè)電路圖只有一個(gè)電源一個(gè)電阻和一些導(dǎo)線組成。當(dāng)然這個(gè)電阻的阻值也可以通過(guò)用萬(wàn)用表來(lái)直接測(cè)量。特性阻抗就不一樣了,用萬(wàn)用表測(cè)量一根50歐姆特性阻抗時(shí),將會(huì)發(fā)現(xiàn)是短路的。這就需要我們從概念上區(qū)分電阻(哪怕是剛好是50歐姆的電阻)和特性阻抗是兩碼事。就像溫度上面的度(攝氏度)和角度上的度一樣,不是一個(gè)東西。
電阻這個(gè)物理量大家都懂,這里就不解釋了。我們來(lái)分析一下這個(gè)特性阻抗到底是何方神圣,是在什么條件下才會(huì)用這個(gè)東西的。
其實(shí)特性阻抗是和射頻緊密相隔的一個(gè)物理量,在認(rèn)識(shí)特性阻抗之前先認(rèn)識(shí)一下射頻。我們知道電臺(tái),手機(jī)通訊信號(hào),wifi等都是向外部發(fā)射信號(hào)能量的裝置,也就是說(shuō)能量是從天線射出去,能量不再回來(lái)到天線了,可以想像就像機(jī)槍向外面掃射一樣,子彈打出去就不回來(lái)了。
好了,明白射頻這個(gè)東西之后,我們?cè)賮?lái)到具體的傳輸射頻能量的導(dǎo)線上面來(lái)。導(dǎo)線上面?zhèn)鬏數(shù)纳漕l信號(hào)也是一樣的,希望它傳過(guò)去就不要反傳回來(lái)了,要是有能量反傳回來(lái)就說(shuō)明傳輸?shù)男Ч盍恕?br style="margin:0px;padding:0px;outline:0px;max-width:100%;box-sizing:border-box !important;overflow-wrap:break-word !important;visibility:visible;" />為了更具體的說(shuō)明特性阻抗這個(gè)東西 我這里打一個(gè)比方:
同一個(gè)電路板上面有2根導(dǎo)線(假設(shè)都是很長(zhǎng)的兩根線,你能想像它有多長(zhǎng)就有多長(zhǎng)),因?yàn)橥粋€(gè)板,那么2根導(dǎo)線的銅皮厚度都是一樣的。兩根導(dǎo)線,長(zhǎng)(無(wú)限長(zhǎng))和厚度是一樣的,只能唯一不同的是寬度了,假設(shè)1號(hào)導(dǎo)線寬度是1(單位),2號(hào)導(dǎo)線是2(單位)。也就是說(shuō)2號(hào)線寬度是1號(hào)線的兩倍。
如上圖所示,假如同時(shí)都接的是一樣的射頻發(fā)射源,同樣的一小段時(shí)間T,那么我們看看這兩根導(dǎo)線會(huì)有什么區(qū)別。同一個(gè)發(fā)射源,那么兩根線的輸出射頻電壓是一樣的,射頻傳輸?shù)木嚯x是一樣的(假設(shè)都是光速,實(shí)際比光速少)。唯一不同的是線寬,而2號(hào)線的線比1號(hào)線寬一倍,那么2號(hào)線需要1號(hào)線2倍的電量來(lái)填滿多出的線寬面積(其實(shí)是導(dǎo)線銅皮與底面產(chǎn)生的電容效應(yīng))。也就是說(shuō):Q2=兩倍的Q1。
因?yàn)? i = Q/T (射頻電流=電量/時(shí)間),那么可以知道2號(hào)線的射頻電流是1號(hào)線的兩倍(因?yàn)闀r(shí)間是一樣的,2號(hào)線電量是1號(hào)線的兩倍)。
到了這里,我們找出個(gè)神秘的特性阻抗就不遠(yuǎn)了,為什么呢,因?yàn)槲覀冎离娮?電壓/電流。其實(shí)特性阻抗也有這種關(guān)系:特性阻抗=射頻電壓/射頻電流。從上面我們知道,射頻電壓一樣的,電流關(guān)系為 i2=兩倍的i1 。
則2號(hào)線的特性阻抗只有1號(hào)線的一半!
這就是我們所說(shuō)的線越是寬,特性阻抗越小。
上面是我舉個(gè)例子說(shuō)明特性阻抗與電阻的區(qū)別,以及為什么同樣一個(gè)板子,特性阻抗與線寬有關(guān)系,與長(zhǎng)度沒(méi)有關(guān)系。
實(shí)際上影響特性阻抗的因素很多,包括材料,導(dǎo)線與底板地間距等等很多因素相關(guān)。導(dǎo)線的特性阻抗用通俗的話來(lái)描述(只是比喻),就是導(dǎo)線對(duì)其上面?zhèn)鬏數(shù)纳漕l能量阻礙力的大小。上面我們是假設(shè)導(dǎo)線是無(wú)限長(zhǎng)的,而實(shí)際上的導(dǎo)線長(zhǎng)度是有限。當(dāng)射頻信號(hào)到達(dá)導(dǎo)線末端,能量沒(méi)有辦法釋放,就會(huì)沿著導(dǎo)線反傳回來(lái)。就跟我們對(duì)著墻喊,聲音碰到墻反傳回來(lái)產(chǎn)生回音。也就是說(shuō)我們想像中的射頻信號(hào)發(fā)射出去就沒(méi)有反射回來(lái)的情況在現(xiàn)實(shí)是不存在的。如上圖所示,假如我們?cè)诰€的末端接上一個(gè)電阻來(lái)消耗(或者接收)線上傳輸過(guò)來(lái)的射頻能量。有人會(huì)問(wèn),為什么導(dǎo)線的特性阻抗的電阻不消耗能量,非要接個(gè)電阻才能消耗呢?其實(shí)啊,導(dǎo)線只是傳輸能量的,導(dǎo)線本身并不消耗能量或者近似于不損耗能量(有點(diǎn)想電容或者電感的屬性)。電阻則是一個(gè)損耗能量的元件。當(dāng)R=R0 時(shí),傳輸過(guò)來(lái)的能量剛剛好被末端的電阻R吸收完,沒(méi)有能量反射回去??煽闯蛇@導(dǎo)線是無(wú)線長(zhǎng)。當(dāng)R=∞時(shí)(開(kāi)路),能量全部反射回去,而且在線的末端點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生2倍于發(fā)射源的電壓。當(dāng)R=0時(shí),末端點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)-1倍于源電壓反射回去。阻抗匹配是指負(fù)載阻抗與激勵(lì)源內(nèi)部阻抗互相適配,得到最大功率輸出的一種工作狀態(tài)。阻抗匹配是針對(duì)射頻等而言的,對(duì)于功率電路則不適用的,否則會(huì)燒掉東西。
我們常常聽(tīng)說(shuō)特性阻抗50歐姆,75歐姆等等,這個(gè)50歐姆是怎么來(lái)的,為什么是50歐姆 而不是51歐姆呢,或者45歐姆呢?
這個(gè)是約定來(lái)的,50歐姆應(yīng)該說(shuō)對(duì)于一般射頻電路傳輸效果更好。也就是說(shuō),我們的導(dǎo)線,電纜要做50歐姆,是因?yàn)殡娐坟?fù)載已經(jīng)相當(dāng)于50歐姆的電阻。你做別的阻抗值導(dǎo)線,就和負(fù)載不匹配。偏離越遠(yuǎn),傳輸?shù)男Ч蜁?huì)越差!