top of page

【Tech Tip】「完美」的阻抗:深入了解射頻衰減器

自1942年以來,Bird一直為50-ohm同軸線系統提供從2至2300 MHz的射頻功率測量儀器,覆蓋範圍從25毫瓦 (milliwatts) 到250千瓦 (kilowatts);在美國,標準的同軸線傳輸阻抗幾乎完全是50-ohm,但這是為什麼呢?這份應用指南將探討為什麼50-ohm是美國的首選整數的科學原理。

徵求「完美」的阻抗


在同心傳輸線中,電磁波透過兩個同心圓柱所限制的介電質媒介進行傳播,由於在微波頻率下電流滲透深度較小(在銀導體中,1 GHz時的集膚深度 (skin depth) 約為0.00008英寸),因此唯一重要的尺寸是中心導體的直徑(d)和外導體的孔徑(D),對於在工業中使用的具有較小損耗的同軸線,其特性阻抗為:

特性阻抗公式



其中,L和C分別表示單位長度的電感和電容,𝜀表示同心圓柱之間介質的介電常數(在空氣中𝜀等於1)。


例如,以下是一個中心導體直徑為一英寸的同軸線中一些代表性的外導體孔徑值:

外導體孔徑值








沒有一個直徑比例適用於所有重要的傳輸參數,在一個中心導體正常TEM模式下傳播電力的同軸線中,最高的電壓梯度出現在中心導體的表面;使用最大的擊穿梯度 𝐸𝑚(例如:對於空氣是74 peak volts per mil) ,則導體之間允許的最高電位差為:




這導致了圖1中的擊穿電壓曲線,該曲線在直徑比為2.718處達到頂峰,對應於60-ohm的阻抗。

圖1中的擊穿電壓曲線



當然,功率是



圖1中的功率承載能力曲線是




例如,如果假設60-ohm線的最大電壓為100 𝑉𝑟s,則與此最大電壓相關的最大功率為167 W;而具有相同外導體直徑的30-ohm線在擊穿之前只能承受82.5 𝑉𝑟ms的最大電壓;然而,與此最大電壓相關的功率為82.52/30,即226 W;換句話說,30-ohm的同軸線具有更高的功率承載能力,但相較於60-ohm的線,擊穿電壓較低。


基於電壓考量的功率容量,忽略了隨著阻抗降低而上升的電流密度,僅考慮導體損耗引起的衰減,在30-ohm的情況下,比最小衰減線阻抗77-ohm(直徑比3.6)高出近50%,由於這種線路只能容納大約30-ohm線路功率容量的一半,所以通常選擇77-ohm用於低功率的遠距離傳輸(例如:有線電視,電視天線引線等)。 根據顧問 C.L. Rouault的說法,在40年代,一個RMA委員會向美國海軍推薦了50-ohm的阻抗標準,既考慮到傳輸參數,也考慮到商業上可用的銅水管尺寸,想象一下,如果沒有來自水管工的建議,通訊業今天可能會處於何種境地!


射頻衰減器:功能、應用與性能探析


雖然在訊號傳輸中,追求最小的衰減是理想的狀態,但在實驗室中,擁有已知衰減量的設備是一個有價值的工具。


同軸衰減器廣泛應用於多種情境,如隔離、比較標準、發射端、或接收端的功率降低以及訊號觀測,在測試中,如濾波器和天線,其阻抗通常與50歐姆不同,在這些情況下,固定衰減墊被用來減少元件之間的相互干擾,以使量測結果有意義。


以一個例子來說,一個10 dB的匹配衰減墊可以將2:1的電壓駐波比(VSWR)減少至1.07,3:1的VSWR減少至1.11,以此類推,圖2呈現了在衰減前後,dB衰減和VSWR這三個參數之間的相關性;然而,這種改變是以功率水平的犧牲為代價的,圖2顯示了在衰減前後,三個參數的相關性中所取得的最佳折衷點。

圖2. 透過衰減降低VSWR
圖2. 透過衰減降低VSWR

圖表上的點是根據以下關係計算得出的:

圖表上的點是根據以下關係計算得出的






當添加衰減器時,輸入至衰減器的功率水平(𝑃𝑖)保持不變,然後經過衰減器的比例(例如 10 dB 使用 10:1,20 dB 使用 100:1)降低至1𝑅𝑖×𝑃𝑖;這個反射的功率水平通過衰減器,再次經過衰減比例的減少:



新的VSWR為:





每個點的值都計算到了五個有效位數,並在圖2中繪製出來。


衰減器也常用於訊號觀測,例如示波器顯示或計數器。它們將線路訊號水平降低到測試設備可以在不失真的情況下運用的程度,針對這些應用以及使用低位準瓦特計 (wattmeter) 進行功率量測的情境,衰減器必須設計成能夠承受其元件內部產生的更高功率消耗。


Bird射頻衰減器:廣泛產品範圍與優異性能


Bird提供了從2 W到4000 W的各種衰減器,產品組合包括風冷、水冷、油電介質、對流冷卻、和傳導冷卻的射頻衰減器,具有多種連接器和衰減值。欲瞭解更多有關這些產品及更多資訊,請至 https://www.eagletek.com.tw/principals/bird


相關產品

Bird 製造多樣化的射頻功率衰減器,範圍從 2 W 到 4000W,其電阻組合包括風冷、水冷、油電介質、對流冷卻、和傳導冷卻射頻單元;提供多樣化的射頻衰減值和連接器可供選擇。


121 次查看
歡迎 訂閱翔宇科技主題式電子報 >,您將可同步掌握最新的產業新訊以及技術文章。
bottom of page