高頻和低頻特性阻抗譯文

技術論文電纜高低頻特性阻抗BytheEngineeringDepartmentBeldenElectronicsDivision電子脈沖在電纜數據傳輸中的應用的增長，需求對電纜電氣性能有更好的理解。許多系統(tǒng)規(guī)格說明使用的電纜應有一定的特性阻抗，用Q表示。?許多電纜制造商的產品目錄中都列舉了多數同軸電纜的特性阻抗值，其阻抗值的范圍是50~95Q?這個目錄可能是指出現在為特定應用設計某些屏蔽對的100to~200ohms值。但是電纜使用者不容易獲得多種普通類型屏蔽對的阻抗信息。為何？因為這涉及到電纜多種不同的應用。阻抗定義讓我們分析特性阻抗-哪些是特性阻抗，哪些不是特性阻抗-使我們更好地理解數字的含義及阻抗是如何應用在我們應用中的。阻抗的大小歐姆定律說明施加在回路兩端的電壓和回路中測定的電流，用以下公式計算阻抗的大小。（公式1）

在直流和交流中，此公式關系都保持正確。相位在交流電的情況下，阻抗包括兩個部分：歐姆值（前面討論過的）和相位。相位指電壓和電流間瞬時的關系。在雙重軌跡的示波鏡中同時看電壓和電流，觀察在有電阻器的情況下（見圖1A），電壓和電流同時達到最大值，稱電壓和電流同相位。(ClPURECAPACITORCUHKEmMO1NUNwisjisnFUSE1NPUCTORzj>PBncz._虻"—■-<D1CAPACITORINSERIE呂呵THPES1STDR(ClPURECAPACITORCUHKEmMO1NUNwisjisnFUSE1NPUCTORzj>PBncz._虻"—■-<D1CAPACITORINSERIE呂呵THPES1STDR(A)FEHSTCiRFigure1.電壓和電流間的相位關系。示波器的水平軸為線性的時間基數，從左至右讀數。）然而，在有電感的情況下，（通常為線圈，但甚至是有一定的電感的直電線），電壓的最大值比電流的最大值出現得早（電壓引導電流）（見圖1B）.這是因為電感阻礙了電流的變化。反過來，在有電容的情況下，電壓出現的最大值比電流出現的最大值晚（電壓滯后電流）是因為電壓要花費時間給電容充電。（如圖1C）

相位角如一個完整的周期（在如圖1A所示的兩個電壓和電流的最大值之間）等于360。，那么就能夠計算電流最大值和電壓最大值之間的度數。對于理想的電感，電壓的最大值是否會出現？電流最大值前的周期（+90。）。（電壓先于電流90。，或相位角度為90。）。（見圖1B）。在理想電容的情況下，電壓滯于電流1/4個周期，因此相位角為-90。。事實上，理想的電感和電容不存在。因為它們包含有電阻，因此相位角總是小于90。，無論是+90。還是-90。。（見圖1D）電纜特性這與電纜有何關系？簡單地說，當由導體、絕緣和屏蔽（如有）組成電纜時，會產生電阻，電容和電感。電纜的等效電路如圖2所示。Figure2.Figure2.電纜與交流電源連接的等效電路G1??<丫圖2電路并不是指電纜僅有一個電容（C）,電感（L）,電導（G）和電阻（R）。電纜長度的計算相當于由許多個單位長度的測試電纜組成。當在規(guī)定長度電纜上進行計算時，整個計算中，以上四個參數必須從同樣長的電纜上獲得，長度一般是每米或每英尺。注意通過線的電阻代表絕緣的損耗，用平行的電導表示，而不是平行的電阻。理由是當平行存在許多電阻時，得到總的或相等的電阻要求冗長的數學計算，而當平行處理電導系數時，要求的計算為簡單的相加。 4當供給遠端斷開電纜交流電壓時，有電流流動。已知電路中測量的電壓(E)和電流(I),可用(Z=E/I)計算電阻(Z)。阻抗將有幾個大小和相位角度?？赡転檎?，也可能為負值。如切斷部分電纜且重復測量，將能觀察到不同的電阻值和不同的相位角。電纜的特性阻抗與長度無關。顯然這類測量不能得到特性阻抗。特性阻抗的理論定義假設電纜無限長，將交流電壓施加在無限長的電纜上，可對電流進行測量并計算阻抗(大小和相位)。當然，不會有無限長的電纜。引入特性阻抗的概念是為了促使電纜無限長，以至信號永遠也不會到達另一端的設想。在此種情況下，阻抗的測量將會產生電纜本身的阻抗，或其特性阻抗，但不是電纜阻抗加上較遠終端環(huán)境影響的組合。相位角為0或負值(0~-45。)之間?；叵腚娐防碚摚撓辔唤潜砻饕蕴囟ǖ念l率，采用特定的測量，電纜類似一個串聯的帶電阻器的電容?？紤]用等效電容和電阻器代替無限長電纜。在測試電路中，用兩個部件代替電纜及測試電壓的應用將會導致與使用電纜時觀察到的相同的電流和相位角。只要應用的交流電壓的頻率不變，電容電阻器的組件時和無限長電纜時測量的阻抗的大小均相同。假如將無限長的電纜切割成很多段有限長的電纜，并將電纜的終端連接在電容-電阻器的組件上裝配且發(fā)現特性阻抗相同，這是一個驚人的發(fā)現。有匹配的特性阻抗(電容電阻器的組件)的終端終止的電纜測量的阻抗與無限長的電纜測得的阻抗仍然相同。如電纜的終端和頻率均不變，將電纜切成任意長度，得到的測量阻抗值相同。頻率的影響未提到AC信號的頻率；僅僅規(guī)定了特定頻率時的特性阻抗。電感和電容的阻抗取決于頻率。感抗由純電感產生的阻抗稱為感抗(X』，Q，等于2(3.1416)^L此處f是頻率，Hz，L為感應系數，henries。顯然，公式中，當頻率增加，感應電抗增加。容抗如由于純電容產生的阻抗，稱為容抗(XJ。等于1/(2(3.1416)fC)，Q。此處f是頻率，Hz,C是電容，f。顯然容抗隨著頻率的增加而減小。.特性阻抗依賴感抗和容抗的頻率對電纜的特性阻抗有何影響？答案取決于我們討論的是低頻狀態(tài)還是高頻狀態(tài)。電纜的特性阻抗(Z0)如下所示:(公式2)此處R=導體的串聯電阻，QG=分流電導j=—個符號，相位角為+90。pi=3.1416符號f,L.C在前面均有規(guī)定。對于用于電纜絕緣的普通材料，當與2(3.1416)fC比較起來時，G足夠小，能忽略。低頻率時，2(3.1416)fL與電阻比較起來時，足夠小，可忽略。因此，低頻時使用以下公式。(公式3)

FREQVEMCY（HERTS1『懇FREQVEMCY（HERTS1『懇Mo)段CAVISM此處，：R=低頻時的AC電阻，AC電阻與DC電阻幾乎相同。Figure3.相關介電常數與頻率如電容與頻率不同，Zo與頻率的平方根成反比且有與DC近似的相位角為-45。，且隨著頻率的增加，相位角度降至0。。隨著頻率的增加，PVC和橡膠的電容有一定程度的減小，然而，PE，PP和鐵氟龍的變化不大。（見圖3.）如阻抗的大小在方格紙上作為函數繪出來，結果為一條向右傾斜的直線，電阻的傾斜為10，頻率的傾斜為20。（如圖4）參照公式2，觀察高頻時發(fā)生的情況。當f足夠大時，有f的兩項變得足夠大，使R和G均可忽略。合成的公式是:

Zo（公式4）j2-nfLj2-nfC公式4的分子和分母都出現了j2（3.1416）f，因此公式可簡化為：（公式Zo（公式4）j2-nfLj2-nfC公式4的分子和分母都出現了j2（3.1416）f，因此公式可簡化為：（公式5）Zo=〔GW1H巳昌IMTdgdEIOKIEDECADEFLUENCYtHEHTZ]Figure4.為低頻阻抗的傾斜曲線。（實際數據可能在曲線的上面或下面，但在低頻區(qū)域時，實際數據將與曲線平行。

如L和C與頻率無關，這在高頻區(qū)域成立，Zo為常數，且由于無j項，相位角為零，說明高頻特性阻抗為純電阻。這能作為水平直線在方格圖紙上繪出（圖5）。通常列舉在電纜目錄中的特性阻抗是不變的高頻阻抗。DECIDE(的巨Ho)DECIDE(的巨Ho)Figure5.高頻阻抗的傾斜直線。（在高頻區(qū)域實際數據在曲線以上或以下，但與曲線平行）如何判斷電纜是在高頻區(qū)域還是在低頻區(qū)域中使用呢？圖4和圖5的曲線在同樣的方格紙上繪出如圖6。如特定電纜特性的點正好落在低頻和高頻曲線交點的左邊，此位置被認為是低頻區(qū)域。如電纜的特性的點正好落在低頻和高頻曲線的右邊，此位置被認為是高頻區(qū)域。在交點附近，出現一個過渡區(qū)域，其中公式2中的所有項對過渡區(qū)域有一定的影響且在兩條相交的直線之間真實的阻抗曲線將有一個平滑的過渡（見圖6）。在過渡區(qū)域的高頻端，隨著頻率的增加，電感有輕微的減小，因此，當頻率接近高頻值時,Zo的曲線有輕微的下滑。FREQUENCYfHERTZSFigure6.阻抗與頻率（連接低頻和高頻曲線的虛線表示過渡區(qū)域。出現的頻率的范圍取決于低頻曲線的位置。）將有不同線規(guī)，故有不同導體電阻的兩條電纜的實際測試數據繪在圖7上，說明導體電阻在低頻區(qū)域和過渡區(qū)域的影響。這兩條電纜被設計成不管導體規(guī)格都有相同電容的單對電纜，此對電纜以PE絕緣，且分別有最大和最小的屏蔽。在Zo占據的數據頻率的范圍內，兩種電纜的曲線均未到達高頻區(qū)域范圍內。在過渡區(qū)域頻率的范圍內，如何計算R,L,C,和G的實際數值，最終計算Zo的值？由于數字太長，不可能從從電纜的尺寸，導體和絕緣的特性計算出電纜的R,L,C,和G的值。因為由于頻率的增加，電流趨向于流向導體的表面（趨膚效應），R隨著過渡區(qū)域頻率的變化而變化。如果絕緣材料的電容隨著頻率的變化而變化的話，C的可靠值很難獲得。幸運的是，，有適合的儀器的話，Zo的計算變得相對簡單。能用如下表示，給出頻率，測量終端斷路（Zoc）時電纜長度的阻抗，且在較遠端短路時重復測量（Zsc）。用以下公式計算Zo:（公式6）NOTEZoc和Zsc都有大小和相位，通過公式6計算的Zo也有大小和相位。通過計算傳播速度、電纜的電容或通過反射計來測量高頻下的Zo。為什么特性阻抗在數據傳輸中是重要的？記住，如果與電纜在其匹配特性阻抗長度處終止，你就不能判斷電纜從發(fā)送端算起是有限長的——所有信號通過電纜和負載反饋給電纜，仿佛從水體的岸邊產生的均勻間隔的波浪，向外擴散，互不干擾。然而，如果將障礙物置于離岸邊不遠處的水中，波浪將會被反射回岸邊，破壞向外的波浪。當反射回的波浪撞擊波浪發(fā)生源，這種反射波浪將會被再次反射且與向外的波浪混合疊加，使我們很難辨別哪一個是原始波，哪一個為反射波。

EREqfErqCY(HEHTS)1.0DO10010,000EREqfErqCY(HEHTS)1.0DO10010,000Figure7.阻抗和頻率（24AWG屏蔽對和12AWG屏蔽對的實際測試數據）。當脈沖發(fā)送到電纜時，同樣的情況發(fā)生了——當脈沖遇到阻抗而不是電纜的特性阻抗時，能量的一部分被發(fā)射回發(fā)送端。如遇到斷開電路或短路時，所有的能量均被反射（除衰減損耗或其他），另一端有很少的能量被反射。反射的能量破壞了脈沖，且如果脈沖發(fā)生器的阻抗與電纜的特性阻抗不相同時，能量將會被重新反射回電纜，作為特殊脈沖出現。特殊的反射脈沖將會導致電纜的末端接受錯誤的數據，取決于與原始脈沖比較起來的反射脈沖的大小和時間。在高頻區(qū)域，使負載的電阻和電纜的阻抗相等是一件相對簡單的事情。然而，脈沖是低頻和高頻的混合物，取決于高頻和低頻升高的時間，耐久性和重復的速度。它將由系統(tǒng)的設計者來決定低頻時電纜升高的阻抗是否將會導致必需的允許采取哪種設計步驟的任何困難。尤其是在低頻區(qū)域，另一個必需考慮的難題是高頻時與電纜特性阻抗匹配的脈沖發(fā)生器在低頻