高速數(shù)據(jù)對絞電纜的電氣性能指標

第1章高速數(shù)據(jù)對絞電纜的電氣性能指標3.1特性阻抗特性阻抗也稱波阻抗，是電纜的二次參數(shù)，它描述了電磁波沿均勻線路傳播而沒有反射時所遇到的阻抗，即線路終端匹配時，線路內(nèi)任一點的電壓波（U）和電流波（I）的比值。特性阻抗可以用一個復數(shù)表示，當電纜線芯的材料、直徑、絕緣形式確定后，特性阻抗只隨頻率的變化而變化。特性阻抗Z為回路上任意點電壓波和電流波之比并有R+j3L尸c—*G+j-C2R、L、G、C分別為對絞回路的電阻、電感、電導、電容，虛部相位角①從零開始到頻率/=800Hz時接近-45°，然后逐漸接近零?？梢钥闯鰝鞑コ?shù)和特性阻抗Z均與電纜的一次參數(shù)R、L、G、C有關(guān)，TIA/EIA---568---A規(guī)定5類纜的特性阻抗為100土15Q.對于局部網(wǎng)布線系統(tǒng)來說，傳輸媒介具有穩(wěn)定的阻抗值是很重要的，否則連接器硬件就會和電纜失配。從而引起信號反射導致傳輸效率下降，甚至網(wǎng)絡(luò)無法工作。對于高頻對稱電纜，由于頻率增加時，集膚效應(yīng)增加，使內(nèi)電感減小，而外電感與頻率無關(guān)，所以隨頻率的增加，總電感近似于外電感，此時，:L 120 2a-d—-^^ln 腴dr式中，￡,為等效介電常數(shù)；a為絕緣線心外徑；d為導體直徑由式子可以看出特性阻抗和導體類型和直徑，絕緣的類型和厚度有關(guān)，在某種程度上也與線對的絞合性能有關(guān)（因等效介電常數(shù)，和絞合有關(guān)）。由于一般的標準中都規(guī)定了導體的直徑d=24（AWG），而且從實際情況中看來，此d值也是最理想值。這樣從上式看來影響特性阻抗的只有外徑（外徑可以看成和導線間距a相等）、組合絕緣介質(zhì)的等效相對介電常數(shù)（§）。而且，Z正比于a和A，反比于，。所以只要控制好了a、入8的值，也就能控制好。在實際中常用輸入阻抗zin來表述電纜的特性阻抗。其定義如下Z.=Jz°?Z式中：Z0為終端開路時的阻抗測量值；Zs為終端短路時的阻抗測量值。3.2回波損耗回波損耗是數(shù)字電纜產(chǎn)品的一項重要指標，回波損耗合并了兩種反射的影響，包括對標稱阻抗（如：100Q）的偏差以及結(jié)構(gòu)影響，用于表征鏈路或信道的性能。它是由于電纜長度上特性阻抗的不均勻性引起的，歸根到底是由于電纜結(jié)構(gòu)的不均勻性所引起的。由于信號在電纜中的不同地點引起的反射，到達接收端的信號相當于在無線信道傳播中的多徑效應(yīng)，從而引起信號的時間擴散和頻率選擇性衰落，使接收端信號脈沖重疊而無法判決。信號在電纜中的多次反射也導致信號功率的衰減，導致誤碼率的增加，從而也限制傳輸速度。在生產(chǎn)數(shù)字纜的過程中，電纜的回波損耗指標容易出現(xiàn)不合格。它的表達式是RL=-20lg氣—ZcZ^+Z°ZH為負載阻抗，ZC為波阻抗。按標準規(guī)定ZC分別為100Q、120Q、150Q。減少回波損耗的方法：提高同心度在絕緣串聯(lián)生產(chǎn)工序，要求銅導體的直徑公差在±0.002mm內(nèi)，絕緣外徑偏差在土0.01mm內(nèi)。同心度在96%以上，且表面光滑圓整。否則，單線在進行絞對后電纜的特性阻抗會出現(xiàn)超出指標要求的較大峰值。采用一定比例的“預(yù)扭”或“退扭”技術(shù)并配合使用十字型塑料骨架采用一定比例的“預(yù)扭”或“退扭”技術(shù)可消除絕緣單線偏心對特性阻抗的影響，同時可降低絕緣單線同心度的要求。而采用十字型塑料骨架，可保持電纜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，使單線不均勻造成的特性阻抗的變化變得平滑，使其近端串音和回波損耗在高頻時的性能相當好。采用粘連線對技術(shù)粘連線對技術(shù)工藝指的是采用兩臺擠塑機、一個機頭共擠，將同一線對的兩根絕緣芯線同步擠出將其粘結(jié)在一起。絞對線間粘連后，可確保絞對線結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，保持線對兩根導線中心距(S)的穩(wěn)定來提高線對阻抗均勻性，從而提高回波損耗指標；也可避免絕緣導體經(jīng)彎曲扭絞后導體發(fā)生散芯而影響電纜的回波損耗指標。3.3結(jié)構(gòu)回波損耗結(jié)構(gòu)回波損耗的表達式是：SRL=-20lgZin-Z式中，Z為擬合阻抗。由此定義可見，SRL實質(zhì)是描述Z.圍繞Z波動大小的一個指標。引起Z.波動的原因是電纜部件存在著突發(fā)性或周期性的結(jié)構(gòu)偏差或缺陷，如絕緣外徑波動、導體直徑波動、絞對時絕緣單線在節(jié)點處周期性壓傷、絕緣發(fā)泡不均勻、絕緣偏心時絞對過程因單線的自轉(zhuǎn)造成兩導體中心距s呈周期性的正(余)弦函數(shù)波動等。其中周期性的結(jié)構(gòu)偏差或缺陷對SRL危害最大。由于輸入阻抗與制造過程中的諸多隨機缺陷有著極為直接的關(guān)系，而制造過程中這諸多的隨機缺陷之間又彼此間相互關(guān)聯(lián)，相互影響，錯綜復雜，因而難以分析輸人阻抗與某個缺陷的定量關(guān)系。但通過長期的生產(chǎn)實踐得知，生產(chǎn)過程中隨機缺陷較小而造成的阻抗波動很小時，SRL曲線上只出現(xiàn)小的尖峰。極輕微的周期性結(jié)構(gòu)不均勻造成的影響與其它缺陷造成的影響迭加一起，最終也會呈現(xiàn)出隨機性的波動，這與同軸纜的情況有所不同。當較嚴重的周期性不均勻缺陷時，且相鄰點間的距離等于電纜傳輸信號波長的一半時，在此頻率點及其整數(shù)倍頻率點上將出現(xiàn)顯著的尖峰，即有以下關(guān)系：1505_3.4衰減采用utp結(jié)構(gòu)的電纜，最重要的電氣參數(shù)是衰減與近端串音衰減。衰減與近端串音衰減是決定局域網(wǎng)設(shè)計優(yōu)劣和電纜長度的主要因素。衰減是決定局域網(wǎng)設(shè)計和電纜可以做多長的主要因素，近端串音則是線路傳輸可靠的一項重要指標。衰減值由以下三部分組成：a=a1+a2+a3式中，a1金屬衰減。主要由線對中兩根導線因高頻電阻產(chǎn)生的衰減和對周圍金屬(導線和屏蔽)反射電磁波而產(chǎn)生的衰減組成；介質(zhì)衰減a2與介質(zhì)的損耗、工作頻率和工作電容有關(guān)，其值近似與頻率成正比；阻抗不均勻時波反射引起的附加衰減a3是由于阻抗不均勻造成波的反射，減小了波向前傳輸?shù)牧?，造成終端信號的減弱，其等效于有以附加的“衰減”，這是造成衰減曲線在高頻下出現(xiàn)“波紋”的主要原因。這種“波紋”可能導致個別頻率點上衰減不合格。傳輸線的衰減常數(shù)RCG二

以一~2\L萬、'C式中R、C、L、G分別電纜的一次參數(shù)的電阻、電容、電感和電導。進一步計算可得：偵=6.0X；。ff"D[￡+ ]+9.10X10-5f,'￡tg6ln(2a-dYd"d2a2) "dd式中，eD為絕緣等效介電常數(shù);f為工作頻率(MHz)；d為導體直徑(mm)；KD為衰減的絞線系數(shù)；a為對絞線兩導體間的中心距(mm)；tgdD為絕緣材料等效介質(zhì)損耗角正切。從上式中可以看出：對稱電纜衰減由導體損耗和介質(zhì)損耗構(gòu)成。導體和絕緣幾何尺寸及類型是影響數(shù)據(jù)電纜衰減的主要因素，其衰減與使用頻率，介質(zhì)的介電常數(shù)及介質(zhì)損耗成正比關(guān)系，選用低介電常數(shù)，低介質(zhì)損耗的絕緣材料，合理選擇絕緣和導體幾何尺寸，都可以降低電纜的衰減，另外對絞節(jié)距的過于偏小也會因?qū)w有效長度的增加而導致?lián)p耗增加，因此應(yīng)合理地選擇對絞節(jié)距。導體的損耗隨著頻率的平方根而增加，介質(zhì)的損耗即與頻率成正比。頻率越高，介質(zhì)衰減值越大，六類纜使用頻率為250MHz，所以選用具有低介質(zhì)損耗角正切的絕緣材料至關(guān)重要。絕緣厚度的增加可以降低衰減，但同時也會使阻抗增大，回路會產(chǎn)生阻抗不匹配，影響傳輸質(zhì)量。因此應(yīng)在阻抗允許范圍內(nèi)增加絕緣厚度以達到降低衰減的目的，另外產(chǎn)品成本也會因此而增加，因此應(yīng)全盤考慮，但更重要的是保證電纜結(jié)構(gòu)尺寸的穩(wěn)定性和均勻性。3.5串音電磁波從一個傳輸回路串到另一個傳輸回路的現(xiàn)象稱為串音。串音包括近端串音衰減和遠端串音衰減。能量從主串回路傳入被串回路的衰減稱為串音衰減。此值越大，性能越好。以六類纜為例，有關(guān)標準規(guī)定六類纜的近端串音衰減（NEXT）和遠端串音衰減（ELFEXT）為：NEXT=74.3-15xlgfELFEXT=68-20lgf式中，f為傳輸頻率（MHz），以上兩式的的用運范圍是1?250MHz。從兩式可以看出電纜的近端串音衰減和遠端串音衰減隨頻率的增大而減小。串音主要來自線對間的電磁耦合，降低串音主要是降低線對間的電容不平衡。絕緣線芯的結(jié)構(gòu)均勻性和對稱性是提高NEXT和ELFEXT的基礎(chǔ)，合理的絞對節(jié)距設(shè)計是提高串音防衛(wèi)度的有力措施，六類纜的對絞節(jié)距應(yīng)在10?30mm之間。且線對之間節(jié)距差，越大越好。但太大的節(jié)距差又有損于時延差的減小，因為時延是決定六類纜使用距離的關(guān)鍵參數(shù)，時延越大使用距離越短，而減小時延差的措施是適當減小線對節(jié)距差，因此必須合理、均衡選擇線對之間對絞節(jié)距差。降低串音也可以采用線對屏蔽，通過線對屏蔽減少串音是最有效的方法，因為屏蔽可以有效地減少電磁感應(yīng)在年點之間造成的影響，從而達到有效控制串音的面的，對于屏蔽效果好與差通常由屏蔽材料的厚度和重疊決定。由于傳輸高頻信號時導體會發(fā)生集膚效應(yīng)，頻率越高，集膚效應(yīng)越嚴重，尤其在5MHz以上時屏蔽效果會降低，甚至失效。因此必須按照最低使用頻率來設(shè)計和計算屏蔽層的厚度。重疊率是為了減少屏蔽材料接口位置的電磁泄漏，通