问题

不懂,为什么50Ω的导线串联以后还是50Ω?

回答
这个问题问得很有意思,也触及到了一些基础的电学概念。你之所以会感到困惑,可能是因为我们日常生活中对“串联”的理解,往往是想着把一个个独立的电阻器件接在一起,然后总电阻就等于它们之和。但导线本身,我们通常不把它当作一个带有“阻值”的概念来对待,这才是问题的关键。

咱们先来仔细聊聊“导线”和“电阻”。

1. 导线:低电阻的代名词

我们用来连接电路的导线,比如铜线、铝线,它们的设计初衷就是为了让电流能够尽可能顺畅地通过,也就是它们的电阻要非常非常小。正是因为这个“小”,我们在很多时候都可以忽略不计。

想象一下,你手上有一根非常细的铜丝,它也有电阻,只不过这个电阻非常非常小,可能只有几毫欧(mΩ)或者更低。如果这根铜丝的电阻是 0.01Ω,而我们说它“是50Ω的导线”,这其实是在一个特定的语境下的简化说法。

可能出现的“50Ω导线”的语境是什么?

传输线效应(Transmission Line Effects): 这是最有可能让你接触到“50Ω导线”这个概念的地方。在高频电路,特别是射频(RF)和微波领域,导线的长度相对于信号的波长来说变得重要起来。在这种情况下,我们不再简单地把导线看作一个纯粹的电阻,而是要考虑它本身的特性阻抗(Characteristic Impedance)。

特性阻抗 (Z₀): 这个值不是导线本身的电阻,而是一个由导线的物理结构(比如直径、绝缘材料、几何形状)决定的参数。它描述了当一个电信号在传输线上传播时,电流和电压之间的比例关系。对于同轴电缆(Coaxial Cable)这类传输线,50Ω 是一个非常标准且广泛使用的特性阻抗值。

为什么是50Ω? 这个值是根据实际应用需求(例如阻抗匹配、功率传输效率、损耗最小化等)经过工程优化得出的。它提供了一个在宽频率范围内相对良好的性能。

传感器或特殊用途的线缆: 在某些特定的应用中,比如传感器信号的传输,为了抗干扰或者其他特殊需求,可能会设计制造一些具有一定阻抗的专用线缆。但这种情况相对较少,尤其不是我们通常理解的普通连接线。

误解或简化: 有时在教学或非专业交流中,为了方便理解,可能会用一个较大的数值来代表一条导线的“阻抗”,但这通常不是指它本身的电阻值,而是可能包含了一些其他因素或者是一个估算值。不过,如果说的是“导线本身的电阻”,那么它是非常小的。

2. 串联电阻的叠加原理

根据基尔霍夫电压定律(Kirchhoff's Voltage Law)和欧姆定律(Ohm's Law),电阻的串联会使总电阻增大。如果两个阻值为 R1 和 R2 的电阻串联,那么总电阻 R_total = R1 + R2。

回到你的问题:“为什么50Ω的导线串联以后还是50Ω?”

这取决于你对“50Ω导线”的理解:

如果你说的“50Ω导线”是指它的“特性阻抗”是50Ω:
在不考虑其他因素的情况下,两条具有相同特性阻抗的传输线串联,总的特性阻抗并不是简单相加的。 这是一个复杂的概念,涉及到波的传播和匹配。通常情况下,如果两条理想的50Ω传输线串联,并且端接正确,它们的整体传输特性仍然可以保持近似50Ω,前提是中间的连接是良好匹配的。
但是,如果我们要考虑的是它们总的有效传输线长度或者整体的损耗,那情况就不同了。一条1米长的50Ω传输线和一条10米长的50Ω传输线串联,总的长度增加了,因此总的信号损耗(Attenuation)也会增加。从这个意义上说,它们整体的“效果”是累加的。

如果你说的“50Ω导线”是指它本身带有50Ω的“电阻”:
这几乎是不可能的。 导线本身的直流电阻非常小。如果真的有一根导线,其直流电阻是50Ω,那它几乎就是一根很长的、很细的电阻丝了,而不是我们通常意义上的导线。
如果真是这样(虽然不现实),那么两条50Ω的“电阻导线”串联,按照串联电阻的原理,总电阻就应该是 50Ω + 50Ω = 100Ω。

最有可能的情况:

你遇到的“50Ω的导线”很可能指的是射频同轴电缆(RF Coaxial Cable)的特性阻抗为50Ω。这类线缆之所以有特性阻抗的说法,是因为在高频下,导线的长度和其周围介质的性质会影响电磁波的传播,形成一种叫做“传输线”的物理模型。

在这种模型下,我们考虑的是电流和电压的瞬时关系,而不是一个固定的“电阻值”。 当我们把两条50Ω特性的同轴电缆通过一个匹配良好的连接器(比如N型接头或SMA接头)连接起来时,它们整体的传输特性依然可以被视为近似50Ω。 这就好比你把两个同样规格的“水管”(这里的水管比作传输线)接起来,只要接头不漏水,并且水泵的压力稳定,那么整体的水流特性(类比阻抗)并不会因为多接了一段相同的管子而剧烈变化,而是保持了类似的水流“阻力”。

总结一下让你不惑的点:

导线本身直流电阻极小,通常我们不谈论它的“电阻值”,而是谈论它的“特性阻抗”(尤其是在高频下)。
“50Ω的导线”通常是指它的特性阻抗。
特性阻抗的串联和普通电阻的串联原理不同。 在匹配良好的情况下,多段具有相同特性阻抗的传输线串联,整体的特性阻抗可以维持原值,但总的信号损耗和长度会累加。

所以,当你听到“50Ω的导线串联后还是50Ω”,这个说法在射频和微波领域,并且在良好匹配的条件下是成立的,它指的是特性阻抗的延续,而不是简单的电阻叠加。

希望这样解释能让你更清楚一些!

网友意见

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在电气工程领域,计算特性阻抗Z0来分析传输线是很重要的。


上面的公式,可能有助于用户了解在公式中如何使用数值来寻找传输线的特性阻抗。


可以看到, 特性阻抗Z0和长度是无关的。


同样, 特性阻抗Z0和金属材料的导电性能也无关。


因此, 不管是铜的还是铝的, 只要保持同样的几何形状和比例, 特性阻抗Z0是定的(也就是常数)。


传输线可以抽象成这个图(当然数值可能不同):



其实在高中物理高考(考古)题里面就有一个类似的例子。


如果您能理解这个例子, 就能很快理解传输线的特征阻抗计算公式。

假设整组AB两端的电阻為 X.

则将AB往右移一格, 后半截 A`B 仍然可看成是“新的”同样阻值 X 的电阻.


另外, 以上电阻可看成是R1和“X”并联后,再和R1串联。


立方程求解, 即可得答案。 



如果您能理解这个方程, 考个 211/985 也不是什么难事。 基本上唾手可得。

如果您考上了 211/985, 但不能理解这个方程, 那就是个难解的谜了.....


【此处省略 1000 字】


自测智商:

arealme.com/iq-2018/en/



** 这是样板, P 图 P 出来的

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因为分析上已经放弃总电阻这个概念了。

你看,输入阻抗的思路说的是你这个点应该有多大的阻抗,但高频里它是从波变化到这个点应该有的结果出发的。而非从一个宏观效应去出发。

你可以这样想,有100个50Ω的电阻串联起来,如果你不去从总电阻这个观念出发,而是从每个电阻有多大的电阻出发。那每个电阻当然一直是50Ω。50Ω的特性阻抗只是细化到这条线上每个点都满足某种比值关系为50而已。



稍微讲细点。

电阻串联会增加本来就不是什么天经地义的真理,也是基于一定的情况推导出来的。

太习以为忘了怎么来是常事,该复习基础概念了。


一、什么是电阻,为什么平常低频电路里,串联电阻会叠加

简而言之,理想电阻这个东西意味着,加在电阻上的电压 ,无论什么机理,结果上伴随的电流 一定满足 。

这很弱智,但很重要。因为这是电阻这个模型的关键。


考虑两个电阻串联。

由于电荷守恒,加上电源的变化相比电磁波前进要慢得多,可以假设流进理想导线和流出理想导线的电流时时相等,所以认为同一条支路上的电流相等。

前面说了,电阻一定满足 ,因此对于相同电流的电阻,各自的电压为 和

再因为能量守恒,加上电源的变化相比电磁波前进要慢得多,可以假设它们各自的电压之和时时等于它们两端的总电压。或者说电阻两端的电势差,这两个电势差之和,等于以它们为整体的两端的电势差,也就是

那么,就有

从而对整体有

(标黑的字在中学里的用词一般是“假设瞬时完成”之类的字眼,不过太久我也忘了原文怎么写)



二、高频和低频发生了什么差别,现在的50Ω阻抗是什么东西

即便我们粗略地说光速是 ,只看数值其实也就是0.3G而已。

如果你的电源变化频率特别快,电磁波前进了一点点,电源就大幅度变了,就不能像前面那样假设。

比如对于一个频率是2.4GHz的电源来说,电磁波按光速前进了125mm,电源已经变化完差不多一个周期了,对于一条0.5米空气介质的均匀无耗传输线,这时候这0.5米都差不多变化4个周期了,电压电流分布在某个时间看起来是这样的

结果上就是在传输线上电压、电流会随距离有明显变化,也就是平常课本说的波长和电路尺寸相比拟

那就不能再有支路电流相等,总电压等于各电压之和之类的假设了。

假设都没了,上面各种假设的推论以及 的观点不是扯皮吗, 在变 也在变。

整套分析方法直接暴毙了。


虽然你硬要坚持一下,也不是不能对 和 积分整个 再整个 出来,不过工程师是没继续沿着这个思路前进,换了一种分析方式。

所以你看,抛弃这种思路后,已经没有串联后的总电阻这个概念了。


再说这种情况是怎么分析的。既然会变化那就当成波处理了,引申出电压波、电流波的观念,以及特性阻抗、输入阻抗的观念。

假设电路已经形成了稳态,然后时间固定。这样全程就只有随距离变化的参量。


特性阻抗 和电阻 的道理差不多,表示的是无论什么机理,最终结果是在特性阻抗为 的点上的入射电压波 和入射电流波 一定满足 ,或是在该点上的反射波满足

注意这说的是定点上。具体如何定量出的关系从等效电路推导,等效参量由工艺决定,不作展开。


输入阻抗则是衡量某个点阻抗应该是多大的。思路是用总电压波比总电流波。

总电压波由入射电压波和反射电压波组成,所以在某个点的输入阻抗

然后再根据有没有损耗、均不均匀定量出波的表达式,在维持 的条件下算出某个点的 是多少。是没有整体效果一说的。

这时,假如没有反射波,结果就等于传输线的特性阻抗,你想说的一直是50Ω应该是想说这个。


罗里吧嗦讲得有点多,如果还有不会的再追问吧

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这个50欧是特性阻抗,不是导线的电阻,就算构成导线的金属是理想导体,它也是50欧。

用特性阻抗描述的不是“导线”而是“传输线”,传输线一般来说有几个很重要的特点,也就是我们讨论特性阻抗的前提:

  1. 至少由两根导体组成,比如说“平行线”就是两条导线,“同轴线”由圆筒状的外壳和细长的芯线组成,“微带线”由导体参考平面和一根扁长的导线组成。实际使用中,我们通常把其中一根导体接地,另一根作为承载信号的线。
  2. 传输线是细长的线装结构,也就是说有一个特定的信号传输方向,随便拿一个面或者体来讨论特性阻抗是没有意义的。
  3. 传输线必须是均匀的,也就是说,在与信号传输方向垂直的任意面作横截面都是一样的,直观的说就是这根线从头到尾,每个地方的截面都一样,一样的导体材质,一样的粗细,一样的填充材料等等。

满足上面三个前提后,我们再看看特性阻抗的物理意义:

我们知道波的速度是有限的,最大就是光速,在传输线中更慢一些,也就是说,从传输线一头加一个阶跃信号(如果不懂阶跃信号,就想象传输线上本来没电两根导体不连接但电势差为0,现在给两根导体之间加一个1V的电压),那么在传输线的另一头的能够测量到这个信号会有一些延迟,延迟与传输线长度成正比,那么对于激励源来说,在信号发出后,但还未到达另一头这段时间内发生了什么呢?

传输线两根导体之间存在分布电容,由于传输线是均匀的,那么单位长度上的分布电容容值是相同的,当1V的电压上升沿传输线向前推进的过程中,信号前方是没有充电的分布电容,后方是充到1V的电容,既有越来越多的电容被充到1V,给这些电容充电需要激励源提供电流,由于传输线是均匀的,信号向前推进的速度也是固定的,所以单位时间内需要充电的分布电容容值也是恒定的,这意味着激励源需要提供的电流是恒定的。

已知阶跃信号的电压是1V,在阶跃信号传输过程中激励源需要提供一个恒定的电流I,这个I的大小只取决于传输线的横截面特性,那么传输线的特性阻抗R=1V/I

工程上通常把传输线的特性阻抗设定为50欧,就这样。


补充:

前面说特性阻抗的物理意义,提到了“波速有限”和“分布电容”但没有提“分布电感”,实际上正因为分布电感和分布电容同时存在,他们在单位长度上的时间常数决定了这根传输线中的波速,这才导致了“波速有限”这个结果,这几个物理量总是同时存在的,不好说哪个是因哪个是果,以我有限的知识和直觉,我只能说这可能有更深层次的物理学原理。

特性阻抗与长度无关,与横截面有关,这里主要考虑各部分的尺寸和形状,介质的介电常数等等因素。考虑一根常见的同轴线,如果有1km长,构成它的导体电阻可能已经远远超过50欧,但不影响特性阻抗仍然是50欧。

上面从行波的角度讲了特性阻抗的物理意义,那么波到达传输线末端时会怎样呢?还有反射系数是从阻抗计算出来的,它为什么能表征反射信号和入射信号的比?史密斯圆图又是什么,它为什么这么圆?

这些问题实质上也可以很容易理解,请看这里

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