电路板设计为什么要阻抗匹配（三）

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Reference Data for Radio Engineers book published by Howard W. Sams & Co. 1975, page 24-21）

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Reference Data for Radio Engineers book published by Howard W. Sams & Co. 1975, page 24-22）

其中

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）

注：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:

其中

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19.5万公里。一个频率为20000Hz的音频信号的波长为9750米(195/0.02MHz=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。