电缆阻抗及特性阻抗一样疑问Word下载.docx
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如果电缆承载的是射频信号，并非正弦波，Z0还是等于电缆上的电压和导线中的电流比。
所以特性阻抗由下面的公式定义：
Z0=E/I
电压和电流是有电缆中的感抗和容抗共同决定的。
所以特性阻抗公式可以被写成后面这个形式：
其中
R=该导体材质（在直流情况下）一个单位长度的电阻率，欧姆
G=单位长度的旁路电导系数（绝缘层的导电系数），欧姆
j=只是个符号，指明本项有一个+90'
的相位角（虚数）
π=
L=单位长度电缆的电感量
c=单位长度电缆的电容量
注：
线圈的感抗等于XL=2πfL，电容的容抗等于XC=1/2πfL。
从公式看出，特性阻抗正比于电缆的感抗和容抗的平方根。
对于电缆一般所使用的绝缘材料来说，和2πfc相比，G微不足道可以忽略。
在低频情况，和R相比2πfL微不足道可以忽略，所以在低频时，可以使用下面的等式：
原文这里是Zo=sqrt（R/（j*2*pi*f*L））
应该是有个笔误。
阻抗不应该是反比于感抗.实际上低频时应该是电阻和容抗占主导地位。
如果电容不跟随频率变化，则Z0和频率的平方根成反比关系，在接近直流的状态下有一个-45'
的相位角，当频率增加相位角逐渐减少到0'
。
当频率上升时，聚氯乙烯和橡胶材料会稍微降低电容，但聚乙烯，聚丙烯，特氟纶（聚四氟乙烯）的变化不大。
当频率提高到一定程度（f足够大），公式中包含f的两项变的很大，这时候R和G可能可以被忽略。
等式成为
简化成
高频下的电缆性质
在高频下您不能把电缆视作一条简单的电缆。
在此时它是波导。
特性阻抗是为电磁波而设立的电阻系数。
故此阻抗负责描述高频下电缆的状态。
高频通常用100kHz以上的频率传输（当然能否高频传输取决于电缆）。
如果您在电缆一端输入合适频率的正弦交流信号，信号以电波的形式传播过电缆。
如果电缆的长度和该交流信号频率的波长相比是个很大的数字的话（注:
即电缆长度是波长的很多倍），在传送过程中可以测量AC的电压和电流比，这个比值叫做这条电缆的特性阻抗。
实际上电缆的特性阻抗由电缆的几何形状和绝缘部分决定的。
电缆的长度不影响电缆的特性阻抗。
就是说使用多数绝缘材料电容不会起变化。
而电感量L的定义公式为
L=μ（N^2/I）S
μ=介质磁导率
N=线圈匝数
I=线圈长度
S=线圈横截面积
可以看出，电感量只和材质及几何形状有关，和频率无关。
所以在f足够高的情况下，特性阻抗和频率没有关系了。
频率再高，特性阻抗都等于电感量除以电容量的平方根。
（实际上特性阻抗等于感抗容抗乘积的平方根，由于在乘积中约除了有关频率部分，所以有些资料中说特性阻抗和频率无关，实际上应该是在足够高频的情况下，特性阻抗和频率无关）
同轴电缆的模型是怎么样的？
同轴电缆可以表示为分布的串联电感和分布的并联电容，一种不对称的过滤装置排列起来，特定的电缆有唯一的值。
如果给定某个频率，而且这个频率合适，这套过滤装置可以最大化地传递信号；
如果频率再提高的话，这套装置会削弱信号。
这段信息很有意思，考虑一下，特性阻抗没有变化，而信号却减弱了！
为什么会这样？
唯一的合理解释，就是在电缆的接收端电压和电流都减弱了，而且是按照相同的比例减弱的。
下面画出一张传输线分布参数的草图，这个理论是无线电工业的工程工具之一，在这个理论中线长可以变动，可以使用复数源，和复数的终端阻抗。
实际上阻抗这个词代表有实部和虚部
如何用同轴电缆本身的性质计算特性阻抗？
电缆的长度和它的特性阻抗无关。
特性阻抗是由导体的大小和间隔，还有就是导体之间的绝缘体的种类决定的。
通常的同轴电缆在常规的频率下使用，特性阻抗由内导体和外（屏蔽）导体的尺寸决定的，当然内导体和外导体之间的绝缘体也起着决定作用。
下列方程可以用来计算同轴电缆的特性阻抗：
（摘自ReferenceDataforRadioEngineersbookpublishedbyHowardW.Sams&
Co.1975,page24-21）
其中：
lg=以10为底的对数
d=中心导体的直径
D=电缆屏蔽层的内径
e=介电常数（空气为1）
简单地说，同轴电缆的特性阻抗就是一个商的平方根（这个商是单位长度的电感除以单位长度的电容）同轴电缆的特性阻抗典型值在20-150欧姆之间。
电缆的长度无论如何都无法影响特性阻抗。
如果同轴电缆使用的传输频率过高，则波会以我们不期望的方式传播，（就是说会产生非预期的电场和磁场图）电缆这时不能正常工作是由多方面原因造成的。
如何计算平衡传输线（对称传输线）的特性阻抗？
特性阻抗是由导体的大小和导体间的间隔，以及导体之间使用的绝缘体决定的。
平衡传输线或双绞线的阻抗Z0，由线距和线径比决定，前面提到的绝缘体种类一样起决定作用。
现实中的Z0在高频下相当接近纯电阻，但并不完全相等。
下列公式可以用来计算接近地面的平衡传输线的特性阻抗（摘自ReferenceDataforRadioEngineersbookpublishedbyHowardW.Sams&
Co.1975,page24-22）
lg=以10为底的对数
d=传输线线径
D=线对之间的距离
e=介电常数（空气为1）
h=线对和地面之间的距离
这个公式不只是适用于非屏蔽平衡传输线，当D比d大,而h比d更大的时候（带屏蔽的平行传输线也适用）。
如果双绞线离地面非常远（h接近无穷大）则地面的影响可以忽略不计，线缆的阻抗可以由一个简化的公式近似：
（原文作者本人推演上面的公式得出的）
将对数中真数部分少做改动对结果影响不大，因为结果是真数的指数，可以这个简化接受。
但原来的公式有个开方，这个相当于结果1/2！
对双绞线来说，典型的特性阻抗在75欧姆到1000欧姆之间，可以满足各种应用的需要。
典型旧式电话线对，架在电线杆间的空中，其特性阻抗大约是600欧姆左右。
现在使用的电话和电讯电缆典型的特性阻抗为100或120欧姆。
我可以使用哪种电路模型来描述长线的同轴电缆？
如果您知道一定长度的电缆的电感量和电容量的话，可以使用下面的电路模型描述长线同轴电缆：
这个模型对理解描述阻抗，电容，电感之间关系的阻抗等式非常有帮助：
我能否使用万用表来测量电缆的阻抗？
电缆的特性阻抗只描述了电缆在高频信号下的的工作性质。
万用表是用直流电流来测量电阻值的，所以不能用万用表或其他简单的测量设备来测量电缆的阻抗。
通常最好的方法是检查电缆的类型（一般印刷在电缆外面）查阅相关的信息手册，而不要试图实际测量.
我如何测量电缆的阻抗呢？
使用一个关系式来确定Z0比使用设备测量要简单很多。
在给定的频率，可以这样来推算电缆的阻抗：
测量一段电缆在远端开路情况下的阻抗Zoc，再测量该段电缆在远端短路的情况下的阻抗Zsc，用下面的等式来确定ZO:
Zoc=某一电缆在远端开路的情况下测量出的阻抗
Zsc=该电缆在远端短路的情况下测量出的阻抗
注意：
对Zoc和Zsc的测量包含了幅值和相位，所以Z0也会有幅值和相位。
阻抗高频测量法是先确定电缆的传播速度和电容，或者使用反射计。
什么情况下电缆的阻抗会影响到信号？
为了使电缆的特性阻抗能够对传输的信号产生不同的影响，电缆的长度必须至少是实际载频波
长的数分之一。
（注：
表达的意思应该是电缆长度和波长必须是可比的，使信号可以在传输线上传送出波形的一部分，如1/4或更多）
大多数的金属丝可以用光速60~70%来传递交流电，换个说法就是每秒传递万公里。
一个频率为20000Hz的音频信号的波长为9750米（195/=9750m），所以电缆起码要有4~5公里长才开始影响音频信号。
所以音频连接电缆的特性阻抗和其他困扰我们的问题相比，算不上什么。
标准的视频信号很少有超过10MHz的，其大概波长大概是20米。
这样高的频率足以使特性阻抗开始对信号产生影响。
高分辨率的电脑显示信号和高速的数据信号经常超过100MHz，所以即便是很短的电缆传输，也要考虑到正确的阻抗匹配问题。
如何进行阻抗匹配？
首先驱动电缆电源的输出阻抗，必须和电缆的特性阻抗相等，这样才能使所有输出的功率进入传输电缆，避免从电缆的输入端反射回入源。
其次，应该使电缆输出端负荷设备的输入阻抗和电缆的特性阻抗相同，这样所有功率进入了负载设备，而不会被负载反射回电缆。
这个正常的驱动方法有很多的例外，但一般是用来做其他用途的。
可以选一个特性阻抗匹配使低频带宽的传输功率最大化，或者使阻抗失配改善更宽广频宽下的响应。
这是工程师的抉择，视其需求而决定。
为什么需要阻抗匹配？
如果您的源输出阻抗，电缆特性阻抗，和负载输入阻抗之间存在失配的话，将存在反射，并完全由电缆长度决定（反射的状态）。
此外如果电缆被非正常使用，如挤压，打结，或者连接器的安装不正确，会产生反射，造成功率损失。
更有甚者，如果是大功率向电缆输出（比如无线广播台），反射功率可能会损坏功率源设备。
所以您必须小心防范阻抗失配问题。
并非所有的教科书中都说明了这个不寻常的情况：
当天线把功率送回（没有正确终止），功率可以从同轴电缆的内芯直接穿透到电缆的外芯屏蔽网，这时天线的功率是最低下的。
这意味着射频可以传送到同轴电缆的外部，关于同轴电缆最难理解的概念是当电缆被终结时，（对源来说，）感抗和容抗则不存在了。
这句话的意思不太明白。
是否在说加一个合适的终端电阻之后，由于源的平稳的输出电压和电流，电缆上电压电流不会产生变化，一个正确终止的电缆在源看来是无限长的。
列出电缆阻抗的最大理由是其可靠的电学特征，或者说只是要表明其阻抗。
同轴电缆一般承载一些离散的低振幅高频率信号。
离散信号的信号衰减是非常严重的-即便是最理想的阻抗匹配也会有半数的信号损失，少许的失配更会造成更大的损失，在天线发送信号的过程中尤为严重。
需要仔细匹配传输部分，如同轴电缆，以使信号保真并减少噪音。
所谓的电容在电缆性能或传输能力上有什么影响吗？
如果同轴电缆被终止了则电缆上的电容没有什么影响。
对源来说，电缆上完全没有电容和电感。
这种传输线的特性被应用在PCB上隐藏高频线路的电容。
工程人员可以设计出具有恰当的电容和电感值的PCB线路，则对源来说除了一条具有恰当阻抗的传输线，什么都觉察不到。
在数据传输中为什么特性阻抗如此重要？
如果电缆被和本身特性阻抗等值的电阻终止的话，您不能从源端区分电缆是否是无穷长的-所有馈入电缆的信号都被电缆和负载吸收了。
如果阻抗不匹配的话，电缆中的部分波会从电缆失配处反射，当这些反射波碰撞到信号发生器（源）的时候，它们再次反射并和正在发射的正常信号混合，很难区分出哪些是原始信号，哪些是再次反射波。
同样地在将信号脉冲送出电缆时也是如此-当遇到和本电缆特性阻抗不匹配的阻抗时，部分能量被反射回源端。
如果信号脉冲到达了电缆的开路或短路端，所有的能量都被反射回去（除了衰减损失部分-这是另一个话题了）。
如果是其他不匹配的终止情况，则有部分能量会反射。
反射能量会使信号失真，而且如果信号发生器的阻抗和电缆的阻抗不同的话，能量会被再次反射向电缆终端，形成多余的脉冲信号。
我能否不加阻抗匹配地使用同轴电缆？
如果电缆非常短，电缆的阻抗对信号的影响不大。
通常使用同轴电缆的最佳传送方法是做阻抗匹配。
虽然有些应用中线缆的两端并为做正常的阻抗匹配工作。
有些特殊的应用则应该在电缆的一端进行匹配，或者故意使两端失配。
这些只是些专用的场合，实际上已经仔细考虑过电缆的阻抗，使电缆及缆端终止在组合后形成的整个系统产生预期的传输效果。
在此类应用中电缆不再是一条被动的传输线，而成为电路中的信号调整元件。
什么是传播速度比？
传播速度百分比是以真空光速为基数的。
这个百分比指出电缆中的信号速度和真空光速之比率。
在合理的条件下，同轴电缆中的的传播速度由绝缘体决定。
为什么频率增大时衰减曲线也趋向增大？
这主要归结于内外导体间有限的电流穿透能力（趋肤效应）。
随着频率增大，电流透入导体的深度会随之减小，从而电流被封闭在金属表面更浅薄的区域。
因此电阻和衰减就更大。
同时在绝缘体的内部也会有部分的能量损失，也是造成衰减的原因。
如何将将同轴电缆中的衰减降到最低？
对一条外导体直径固定的导线来说，如果外导体和内导体的电阻率相同，并且假设绝缘体没有损失（至少要类似聚乙烯或聚四氟乙烯在高频下的表现），将下列表达式的值控制到最小，此时同轴电缆中的损失最小。
（1/d+1）/ln（1/d）
其中d是内导体的直径和外导体的直径之比（原文有笔误，根据下文可以断定是内外导体之比率。
本文中笔误不少）。
使用一个简式或算子可以快速地找到答案。
D/d=相当接近。
这个公式据说源自两个公式，一个是同轴电缆阻抗和D/d的关系比公式，另一个是有关损失的公式，可以在HowardSams出版的“ReferenceDataforEngineers”第七版中的页29-13找到。
一个有趣的事情要注意，最小衰减并不直接决定导线的阻抗：
导线的阻抗是由绝缘体的介电常数决定的。
对一条用空气作绝缘层的导线来说，对应的阻抗（只D/d为时，最小衰减点）大概为欧姆，但如果使用固体聚乙烯作绝缘层的话，最小衰减点对应的阻抗大约是欧姆。
所以，不管我们将RG-58做什么用途，不管是做天线馈电用还是做连接测试设备用，都很接近上述给出的最小衰减的条件，而且绝缘体为聚乙烯。
但是如果导线使用了传导速度因子为的发泡绝缘体，对应最小衰减的阻抗变成了61欧姆。
但无论如何，最小衰减是一个很重要指标，而且您的阻抗匹配如果没有偏离最佳阻抗50%以上，（失配造成的反射）不会造成太大的损失。
注意，发泡绝缘体导线如果和固体绝缘体导线的阻抗并外径相同的话，发泡绝缘体导线的衰减更低。
这是因为，为了使两者的阻抗相同，发泡导线必须使用更粗的内导体，粗导体有更小的RF电阻，故此有更小的损耗。
典型的电缆阻抗
什么是典型的电缆阻抗？
同轴电缆使用的最典型阻抗值为50欧姆和75欧姆。
50欧姆同轴电缆大概是使用中最常见的，一般使用在无线电发射接收器，实验室设备，以太等环境下。
另一种常用的电缆类型是75欧姆的同轴电缆，一般用在视频传输，有限电视网络，天线馈线，长途电讯应用等场合。
电报和电话使用的裸露平行导线也是典型的阻抗为600欧姆。
一对线径标准22的双绞线，使用合适的绝缘体，因为机械加工的限制，平均阻抗大约在120欧姆左右，这是另一种具有自己特有特性阻抗的传输线。
某些天线系统中使用300欧姆的双引线，以匹配折合半波阵子在自由空间阻抗。
（但当折合阵子处于八木天线中的时候，阻抗通常会下降很多，一般在100-200欧姆左右）
（注：
加反射板也会改变阵子的阻抗值，一般会降低，而且反射板越近则阻抗降低越多。
）
为什么是50欧姆的同轴电缆？
在美国，用作射频功率传输的标准同轴电缆的阻抗几乎无一例外地都是50欧姆。
为什么选用这个数值，在伯德电子公司出示的一篇论文中有解释。
不的的参数都对应一个最佳的阻抗值。
内外导体直径比为时导线有最大功率传输能力，对应阻抗为30欧姆（注：
*138=30欧姆，要使用空气为绝缘介质，因为这个时候介电常数最小，如果使用介电常数为的固体聚乙烯，则阻抗只有不到20欧姆）。
最合适电压渗透的直径比为，对应阻抗大约是60欧姆。
（顺带一提，这个是很多欧洲国家使用的标准阻抗）
当发生击穿时，对功率传输能力的考量是忽略了渗透电流的，而在阻抗很低，30欧姆时，渗透电流会很高。
衰减只源自导体的损失，此时的衰减大约比最小衰减阻抗（直径比77欧姆的时候上升了50%，而在这个比率下（D/d=，最大功率的上限为30欧姆电缆最大功率的一半。
以前，很少使用微波功率，电缆也无法应付大容量传输。
因此减少衰减是最重要的因素，导致了选择77（75欧姆）为标准。
同时也确立了硬件的规格。
当低耗的绝缘材料在实际中应用到柔性电缆上，电缆的尺寸规格必须保持不变，才能和现存的设备接口吻合。
聚乙烯的介电常数为，以空气（介电常数为1）为绝缘层的导线的阻抗为77欧姆，如果以聚乙烯来填充绝缘空间的话，阻抗将减少为51欧姆。
虽然精确的标准是50欧姆，51欧姆的电缆在今天仍然在使用。
在77欧姆点的衰减最小，60欧姆点的击穿电压为最大，而30欧姆点的功率输送量是最大的。
洋人的思维也如此混乱，这些性能指标明明不是由阻抗决定的。
前面说过，这些由D/d比决定的。
闲扯这些只让人产生误解）
另外一个可以导致50欧姆同轴电缆的事情，如果您使用一个合适直径的中心导体，并将绝缘体注入中心倒替周围，再在外围装上屏蔽层，选好所有的尺寸以便别人使用并顾及到外观的美观，结果其阻抗都落在50欧姆左右。
如果想提高阻抗，中心导体的直径和导线的总径相比的话太细了；
如果想降低阻抗，则内外导体之间的绝缘体厚度要做的很薄。
几乎任何同轴电缆由于机械美观度的原因，都会接近50欧姆，这使50欧姆成为标准化的一种自然趋向。
电缆的电容和特性阻抗
取一条短粗的同轴电缆，不连接任何东西，中心导体和屏蔽层就形成了一个电容器。
如果一直为电容充电直至压差为100V，然后将屏蔽层和中心导体短路，电流有多大？
电流不象普通电容那样无穷大（由寄生电阻和电抗决定了的），而是由导线的特性阻抗决定的的。
如果是50欧姆电缆充电到100V，电流会是2安培（100/50）。
电流形成一个方波，时宽（持续时间，脉冲宽度，选哪个称呼都一样）由电缆长度决定（大约英尺，因导线的速度因子不同而变化）。
这个例子可以用来产生电流脉冲到半导体激光器，如果想要比此类电缆产生的波长更长的脉冲，可以使用集总阻抗之类的东西。
应用同轴电缆
如果在需要75欧姆的视频应用中使用了50欧姆的电缆会怎样？
如果50欧姆的电缆连接了75欧姆的负载（接收器），会有相当一部分的信号反射向发射设备。
因为发射设备也是75欧姆的，这个反射信号会有部分再反射向接受设备。
因为信号比正常信号有所延迟，在显示时表现为鬼影一样的图象，大量此类的鬼影象回声一样反复。
同时，反射在某些频率引起部分信号损失。
我如何转换电缆的阻抗值？
阻抗本身是不能转换的，除非您更换整一条具有其他阻抗的电缆，如果您必须要使用现存的电缆，那有一个方法可行：
进行阻抗转换。
由于有种转换器可以使用，两端都安装该转换器的的电缆好象具有了不同阻抗。
有些地方是可以用电阻转接器来转换电缆阻抗的，转接器比转换器简单，但使用中一般有很显著的信号损失。
（75欧姆转换到50欧姆典型的损失有6dB左右）
电路板上印刷电路的阻抗
电路板上的线路能够发送高速信号，前提条件是要仔细地调整线路的阻抗，使其和源驱动元件（芯片）的阻抗及目的地元件阻抗想匹配。
如果可以控制好板面上线路的线厚，线宽，线高，微带线可以表现为某个阻值的特性阻抗。
特性阻抗公式
Er=介电常数（典型的玻璃纤维板为
h=绝缘体的高度（电路线和玻璃纤维板底面之间的距离）
t=铜质线路的厚度
w=铜质线路的宽度
介电常数Er对于常规"
英寸=的玻璃纤维来说是。
使线路的厚度保持为"
，宽度保持"
，则其微带线的阻抗控制为50欧姆。
当为电路板安排线路的时候，差动线路对应该保持相同的长度，同时这些线路应该尽可能地短。
不同阻抗之间的阻抗匹配
如果两条具有不同阻抗的电缆连接在一起，或者电缆连接到具有不同阻抗的信号源时，则需要做阻抗匹配工作以避免连接处发生信号反射。
使用转换器进行阻抗匹配
异阻抗匹配的最正统方法是使用具有正确阻抗转换率的匹配转换器。
转换器的阻抗转换率有下面的公式计算：
Za=输入阻抗
Na=输入线圈的匝数
Zb=输出阻抗
Nb=输出线圈的匝数
等式可以转化为另一种形式
从这个等式可以看出，匝数比和两级线圈间的电压转换比相等。
这意味可以使用电压比套入公式，而不必知道确切的匝数比。
这种异阻抗匹配实际上是使用变压器进行的，由于翻译的通顺使用了转换器一词，实际上transformer的中文意思之一就是变压器）
以上只是从理想状态中分析ZC。
而实际生产操纵中，单线导体和外径的均匀性对ZC的波动也是很重要，因此要想生产出合格的数据缆，必需需要一台串联生产线；
第二、三道工序绞对和成缆的节距及节距的稳固性，对ZC
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