數(shù)據(jù)電纜里面特性阻抗

1、數(shù)據(jù)電纜里面特性阻抗地解析一、概述     在現(xiàn)在各類型號(hào)的數(shù)據(jù)電纜生產(chǎn)中，最重要也是最基本的四個(gè)參數(shù)：特性阻抗（IMPEDANCE）、衰減（ATTENUATION）、近端串音（NEAR-END CROSSTALK）、結(jié)構(gòu)回波損耗（SRL）。相比之下，這四個(gè)參數(shù)中最難控制應(yīng)是特性阻抗，尤及對(duì)于特殊的多工序控制的數(shù)據(jù)纜，如阻水五類纜（UTP-ZS）、屏蔽五類纜（FTP）等。怎樣使其與衰減達(dá)到平衡，怎樣使其波動(dòng)范圍控制在100+15之內(nèi)。本文主要是從理論和實(shí)際操作中的經(jīng)驗(yàn)所得來(lái)對(duì)特性阻抗的控制進(jìn)行分析。（由于數(shù)據(jù)電纜屬典型的對(duì)稱通信電纜，所以以下所有的計(jì)算都

2、基于理想的對(duì)稱回路）    二、計(jì)算    （一）、特性阻抗數(shù)值（ZC）的理論計(jì)算：    ZC=（R2+2L2/ G2+2C2）1/4其中的R、G、L、C為線路的一次傳輸參數(shù)（單個(gè)回路的電阻、電導(dǎo)、電感、電容）。由于數(shù)據(jù)纜的應(yīng)用環(huán)境為100MHz，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于30KHz，屬高頻范圍，所以有LR，CG，故有ZC=（R2+2L2/ G2+2C2）1/4（2L2/2C2）1/4=（L/C）1/2，由以上式中可以看出要想算出ZC，只要知道L、C就可以了。    （二）、孤立回路電感（L）的理論計(jì)算：   

3、  當(dāng)回路通以交流電后，則在回路的導(dǎo)電線芯中和回路周圍產(chǎn)生磁通，導(dǎo)電線芯內(nèi)的叫內(nèi)磁通，導(dǎo)電線芯外的叫外磁通。電感為磁通與引起磁通的電流I之比，所以相應(yīng)的內(nèi)外磁通亦有內(nèi)外電感（L內(nèi)和L外），總電感為L(zhǎng)=L內(nèi)+L外。    L內(nèi)為導(dǎo)線內(nèi)部的磁通與流過(guò)導(dǎo)線的電流之比所決定的。它的計(jì)算公式可在求二孤立導(dǎo)線有效電阻時(shí)，其復(fù)數(shù)功率的虛部來(lái)求得。其計(jì)算公式如：L內(nèi)=Q（x）*10-4（亨/公里）                 L外是導(dǎo)線外（與回路本

4、身所交鏈的）磁通與流過(guò)被交鏈導(dǎo)線中電流之比，即L外=/I。回路的磁場(chǎng)分布如圖1所示?；芈穬蓪?dǎo)線中，由導(dǎo)線電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為H=I/2r，由導(dǎo)線b中電流所產(chǎn)生的磁場(chǎng)強(qiáng)度為Hb=I/2（-r），由圖1中可以看出H=H+Hb=I（1/r+1/(-r)）/2,由此L外可由式L=H/I求得。    L外=r-rb I（1/r+1/(-r)）/2dr/I    回路兩導(dǎo)線r=rb=d/2，則L外=ln(2-d)/d)/ 2。由于回路中間為非磁性介質(zhì)，=r0=4*10-7亨/米，則有    L外=4 ln(2-d)/d)* 10-7亨/米

5、60;   或 L外=4 ln(2-d)/d)* 10-4亨/公里    由以上可以得出回路的總電感為     L=L內(nèi)+L外=4 ln(2-d)/d)+ Q（x） * 10-4亨/公里 (1)    式中：、總的絞合系數(shù)；    、回路兩導(dǎo)線中心間距離（毫米）；    3、d 導(dǎo)電線芯直徑（毫米）；    4、Q（x）為x=Kd/2的特定函數(shù)，其值隨頻率的增加而減少，當(dāng)在高頻時(shí)接近為零。    由式（1）中分析可以看出外電感

6、決定于導(dǎo)電線芯的直徑和導(dǎo)電線芯間的距離，內(nèi)電感決定導(dǎo)電線芯本身的特性（如導(dǎo)線直徑、材料的磁導(dǎo)率和電導(dǎo)率）和傳輸電流的頻率，還有他倆也都和絞合的情況有關(guān)。    （三）孤立回路電容（C）的理論計(jì)算：     回路的電容和一般電容器的電容相似，兩根導(dǎo)線相當(dāng)于兩個(gè)極板，導(dǎo)線間的絕緣相當(dāng)于電容器極板間的介質(zhì)。因此導(dǎo)線上帶有的電荷的電量Q與兩導(dǎo)線間的電位差U之比，為該回路的電容，即C=Q/U。    孤立二導(dǎo)線間的工作電容。兩導(dǎo)線的圖可參照?qǐng)D1，導(dǎo)線上的電荷Q在距導(dǎo)線為r點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度E=Q/2r,導(dǎo)線b上的電荷Q在同一點(diǎn)的電

7、場(chǎng)強(qiáng)度為Eb=Q/2(-r)。則該點(diǎn)的總的電場(chǎng)強(qiáng)度為E= E+Eb=Q（1/r+1/(-r)）/2。因此回路間的電位差：    U=r-rb Edr=Qr-rb （1/r+1/(-r)）/2dr    =ln(-rb)/ r-lnrb/(- r)/ 2    回路中兩導(dǎo)線rrbd/2，則有l(wèi)n(2-d)/d/     則孤立回路的工作電容為：    ln(2-d)/d    把r0=r/（36*109）法米，代入上式可得：    r*10ln(2-d)/d

8、（法米）    或r*10ln(2-d)/d（法公里） （2）    式中：、r組合絕緣介質(zhì)的等效相對(duì)介電常數(shù)；    、回路兩導(dǎo)線中心間距離（毫米）；    3、d 導(dǎo)電線芯直徑（毫米）；    由式（2）分析可以看出與導(dǎo)電線芯直徑、線間距離和絕緣介質(zhì)有關(guān)。    綜合以上的和的計(jì)算值可以得出：    ZC=（L/C）1/24 ln(2-d)/d)+ Q（x） * 10-4r*10ln(2-d)/d     由于數(shù)

9、據(jù)纜工作在高頻下，所以有（x）0，故有    ZC= ln(2-d)/d)* 10-4r*10ln(2-d)/d（r）ln(2-d)/d) （3）    三、分析     從以上計(jì)算公式看來(lái)，在其它情況均理想的狀態(tài)下，由于一般的標(biāo)準(zhǔn)中都規(guī)定導(dǎo)體的直徑d=24AWG，而且從實(shí)際情況中看來(lái)，此d值也是最理想值，所以d可以看成不變值。這樣從上式看來(lái)影響特性阻抗值的只有外徑（外徑可以看成和導(dǎo)線間距相等）、總的絞合系數(shù)（）、組合絕緣介質(zhì)的等效相對(duì)介電常數(shù)（r）。而且，ZC正比于和，反比于r。所以只要控制好了、r的值，也就能控

10、制好數(shù)據(jù)電纜生產(chǎn)的過(guò)程控制和特點(diǎn)TCL的數(shù)據(jù)電纜在生產(chǎn)過(guò)程采用的是兩步法。  下面就其中的一些過(guò)程控制和各項(xiàng)性能參數(shù)與這些控制的關(guān)系做一些簡(jiǎn)述：一、TCL數(shù)據(jù)電纜生產(chǎn)過(guò)程中的在線檢測(cè)及質(zhì)量控制要保證數(shù)據(jù)電纜的高質(zhì)量性能，在生產(chǎn)過(guò)程中，前三道工序串聯(lián)線、絞對(duì)、成纜是最重要，在這三道工序中串聯(lián)線生產(chǎn)又是重中這重。A銅導(dǎo)體直徑變化的監(jiān)控銅導(dǎo)體直徑的變化對(duì)絕緣線芯的影響甚為重要。一根0.510/0.910mm絕緣芯線的水電容約為216pF/m，如銅絲直徑變化0.001mm，而絕緣外徑不變，電容約變化0.72 pF/m。銅絲直徑變化+0.002mm，電容變化將達(dá)3pF/m。所以要嚴(yán)格

11、控制銅絲直徑的偏差。B絕緣外徑的反饋控制為了保證絕緣外徑的恒定，必需用X一Y雙軸激光測(cè)徑儀或用激光測(cè)徑儀旋轉(zhuǎn)掃描圓周各點(diǎn)直徑，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理后反饋控制擠出外徑。在上述結(jié)構(gòu)規(guī)格時(shí)，當(dāng)銅絲直徑不變，而絕緣外徑變化0.002mm時(shí)，電容變化約為0.8 pF/m，故外徑的公差在+0.005mm，電容變化可達(dá)4pF/m。通過(guò)測(cè)徑反饋，對(duì)于像羅森泰等高精度串聯(lián)線在擠出機(jī)和線速同步系統(tǒng)較好時(shí)，一般均可控制在+0.003mm以內(nèi)，即電容變化不會(huì)超過(guò)2 pF/m。C同心度的監(jiān)控?cái)D出線的同心度很大程度上取決于機(jī)頭的圓周均流程度和模具同心度。國(guó)外先進(jìn)的精密模具，同心度偏差均大大低于0.001mm，故擠出線芯的同心度能

12、保證在95%以上。由于模具的磨損或生產(chǎn)過(guò)程中的意外情況（如進(jìn)線偏，或有小雜質(zhì)夾入等），擠出線芯的同心度會(huì)受到影響。為此，在先進(jìn)的串聯(lián)線上均裝偏心顯示儀，利用電感應(yīng)探頭在線芯表面高速旋轉(zhuǎn)，掃描圓周四周的絕緣厚度變化，就能在顯示屏上顯示出偏心程度。這種在線檢測(cè)儀的重復(fù)性可達(dá)+0.002mm。當(dāng)偏心值超過(guò)設(shè)定極限，就會(huì)自動(dòng)報(bào)警，使操作人員及時(shí)更換模具或排除故障。D電容控制在實(shí)心絕緣線芯的生產(chǎn)中，由于絕緣材料的介電常數(shù)變化極微，故控制銅絲直徑及絕緣外徑就可以達(dá)到控制電容的目的。在泡沫絕緣中，控制直徑和電容必需聯(lián)合進(jìn)行，以求發(fā)泡絕緣的電容及外徑均能符合設(shè)計(jì)要求。近年來(lái)，由于物理發(fā)泡技術(shù)不斷提高，發(fā)泡穩(wěn)定

13、度、電容和外徑就比較容易。從最新的研究成果看來(lái)，只控制外徑并不能完全反映擠出線芯的全面質(zhì)量情況，由于工藝的波動(dòng)和材料的缺陷等，往往在生產(chǎn)局部表面不平的情況。這在外徑測(cè)量控制中，特別是單軸或雙軸（X一Y）測(cè)徑時(shí)，這些偶然現(xiàn)象不一定會(huì)測(cè)到。而且控制時(shí)是按照處理后的平均測(cè)定值來(lái)反饋控制。但在電容監(jiān)控中，不論是銅線直徑的變化、絕緣外徑的變化、表面缺陷甚至偏心，均最終會(huì)反映到電容上。所以監(jiān)控電容是關(guān)鍵中的關(guān)鍵。為了保證高性能數(shù)據(jù)電纜的質(zhì)量，TCL的串聯(lián)線上采用了在線頻譜分析儀，通過(guò)快速測(cè)定電容來(lái)探知和記錄整根線芯結(jié)構(gòu)的微小變化，并自動(dòng)計(jì)算出對(duì)結(jié)構(gòu)回波損耗的影響。這種測(cè)定數(shù)據(jù)通過(guò)FFT（快速傅立葉變換）的

14、頻譜分析，最終反映在微機(jī)顯示屏上并儲(chǔ)存下來(lái)。這對(duì)早期發(fā)現(xiàn)線芯缺陷來(lái)保證最終電纜的傳輸十分有用，而且這一記錄可以打印出來(lái)，供進(jìn)一步工藝分析及改進(jìn)之用。E綜合控制銅線直徑檢測(cè)、絕緣外徑X一Y測(cè)控及電容監(jiān)視是制造數(shù)據(jù)纜最基本必備的在線控制儀器，加上先進(jìn)的控制處理器，就可以全線進(jìn)行嚴(yán)格的控制。如條件許可，可加上偏心顯示及FFT頻譜分析等儀器，這對(duì)提高產(chǎn)品等級(jí)會(huì)有很大幫助。F絞對(duì)及成纜過(guò)程的控制在絞對(duì)及成纜過(guò)程（包括群絞機(jī)）中，單線或?qū)€線張力的均勻是最重要的，除了必需有較靈敏的張力閉環(huán)控制外，采用張力監(jiān)控，隨時(shí)顯示張力的變化，對(duì)保證工藝穩(wěn)定甚有幫助。為此，采用人機(jī)對(duì)話顯示控制屏，會(huì)有助于操作人員及時(shí)準(zhǔn)

15、確的了解運(yùn)轉(zhuǎn)中的過(guò)程工藝參數(shù)和排除故障。TCL公司采用的法高登公司和日本琴林公司的絞對(duì)成纜設(shè)備已全部配有此種人機(jī)對(duì)話界面，且絞對(duì)絞距間的公差可以控制在+0.1mm，成纜的絞距公差可以控制在+5mm。二、以上是對(duì)各項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)的控制分析，下面就以上各項(xiàng)過(guò)程控制與數(shù)據(jù)電纜的電氣性能特性間的關(guān)系做一解析。A衰減（Attenuation）表示字符a單位為分貝dB衰減是信號(hào)沿著一定長(zhǎng)度的線纜傳輸所產(chǎn)生的損耗，如下圖：此值與線纜的長(zhǎng)度有著直接的關(guān)系，并隨頻率的上升而增加，主要表示為初始傳送端信號(hào)強(qiáng)度與接收端信號(hào)強(qiáng)度的比值。故此值是越小越好。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)衰減性能做出了嚴(yán)格規(guī)定，即有：對(duì)五類和超五類：1.967f+0

16、.023f+0.050/f（dB）對(duì)六類：1.808f+0.017f+0.020/f（dB）導(dǎo)體和絕緣的材料性能，以及幾何尺寸是影響UTP類電纜衰減的主要因素，對(duì)其他派生數(shù)據(jù)電纜如FTP，金屬的臨近效應(yīng)也是一個(gè)重要的影響因素。護(hù)套幾乎沒(méi)有什么影響作用。最理想的絕緣材料是發(fā)泡全氟乙丙烯（FEP），但由于生產(chǎn)的不易所以現(xiàn)在沒(méi)有被大量應(yīng)用。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的只是高頻下許多簡(jiǎn)化后得到的公式，無(wú)法通過(guò)公式來(lái)看出他的影響因素，其實(shí)際按生產(chǎn)工藝的計(jì)算公式是如下：=(6.0*10-3*f*(k/d+d/2a2)/(2a-d)/d)+9.1*10-5f*tg式中：絕緣等效介電常數(shù)據(jù) d導(dǎo)體外徑mmf工作頻率Hz k衰

17、減的絞合系數(shù)，取1a導(dǎo)體間中心距mm tg絕緣材料等效介質(zhì)損失角正切由以上可以明顯的看出哪些參數(shù)對(duì)衰減的影響。一般來(lái)說(shuō)現(xiàn)在各家公司在生產(chǎn)出較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)電纜的情況下，單線所用的原材料都差不多，那么主要差別就是在d（導(dǎo)體外徑上），包括它的大小和在同一外徑的正負(fù)公差。從上面的生產(chǎn)過(guò)程控制中可以看出來(lái)，TCL的外徑公差可以控制在+0.001mm，對(duì)于不同線對(duì)間，由于不同的絞距，所以不同線對(duì)間的衰減是不一樣，但可以通過(guò)這種高精度的外徑控制來(lái)使不同線對(duì)間的衰減相差控制到最小。這就是為什么有些廠家的數(shù)據(jù)電纜有一個(gè)線對(duì)的衰減很大，有一對(duì)的衰減很小，而TCL的數(shù)據(jù)電纜的衰減四對(duì)都差不多，相差不大的原因所在。另在

18、公式中不能直接性的看出溫度對(duì)衰減的影響,現(xiàn)在一般標(biāo)準(zhǔn)中和經(jīng)驗(yàn)值認(rèn)為溫度每升高1度衰減增加0.4%。B特性阻抗（Characteristic Impedance）表示字符Z 單位特性阻抗是數(shù)據(jù)電纜中最重要指標(biāo)之一，他的計(jì)算公式可列為：Z=120(2a-d)/d)/由上式可以看出導(dǎo)體和絕緣的材料及幾何尺寸都會(huì)影響到特性阻抗值。結(jié)合衰減的公式，可以看出，為了數(shù)據(jù)電纜的特性阻抗值和衰減值都達(dá)到要求，必需尋找一個(gè)幾何尺寸a、d的平衡點(diǎn)，除了控制其幾何尺寸a、d外，便是控制絕緣的、tg。此值現(xiàn)在標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定100+15或150+15C同衰減中所述現(xiàn)在所用的材料基本相似，主要是銅的外徑公差和絕緣的外徑公差，而

19、在過(guò)程控制中可以看到TCL兩者的公差分別可控制到+0.001mm和+0.003mm以內(nèi)，這是其他廠家很難做到的。所以TCL數(shù)據(jù)電纜的阻抗可控制在100+8以內(nèi)。阻抗的波動(dòng)越少，對(duì)傳輸過(guò)程中阻抗不匹配就越好控制。故此值的波動(dòng)是越小越好，理想狀態(tài)是沒(méi)有波動(dòng)全是100或150+。C近端串?dāng)_（Near End Cross talk）表示字符NEXT 單位dBNEXT是傳送線對(duì)與接收線對(duì)之間產(chǎn)生干擾的信號(hào)，它對(duì)信號(hào)的接收產(chǎn)生不良影響，故此值越大越好。如下圖：定義公式如下：NEXT=10（P1N/P2N）=20（V1N/V2N）P1N主串對(duì)輸入功率P2N為電纜近端被串對(duì)輸出功率V1N主串對(duì)輸入電壓V2N為

20、電纜近端被串對(duì)輸出電壓這個(gè)參數(shù)主要通過(guò)控制絞對(duì)節(jié)距及節(jié)距比來(lái)消除影響，另外線對(duì)之間的距離遠(yuǎn)近也會(huì)影響此參數(shù)。TCL數(shù)據(jù)電纜的絞對(duì)節(jié)距及節(jié)距比完全可以滿足標(biāo)準(zhǔn)的要求，而且可以輕易的達(dá)到超高余量，另在六類線中采用了獨(dú)特的骨架設(shè)計(jì)就是利用了此原理。標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)此參數(shù)值的規(guī)定如下：五類：NEXT62.3-15f超五類：NEXT65.3-15f六類：NEXT74.3-15f對(duì)于此，還有一個(gè)同NEXT相關(guān)的近端串音功率和（Power Sum Near End Cross talk），簡(jiǎn)寫(xiě)為PSNEXT，他是指分別把任何一對(duì)線作為主串線對(duì)，其他所有線對(duì)對(duì)他都有一個(gè)NEXT，再把這些NEXT值相加，即為此主串線對(duì)

21、的PSNEXT值。對(duì)他的影響因素和NEXT相同。標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定計(jì)算值：五類和超五類：PSNEXT62.3-15f六類：PSNEXT72.3-15fD結(jié)構(gòu)回波損耗（Structural Return Loss）表示字符SRL單位dB結(jié)構(gòu)回波損耗是線纜阻抗一致性的量度，阻抗的變化會(huì)引起返回反射，當(dāng)一部分信號(hào)的能量被反射回傳輸端時(shí)就會(huì)產(chǎn)生一種干擾信號(hào)。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的計(jì)算公式如下：五類：120MHz為23dB、20100MHz為23-10（f/20）超五類：120MHz為28dB、20100MHz為28-10（f/20）六類：120MHz為30dB、20250MHz為30-10（f/20）造成SRL脈動(dòng)的

22、原因多發(fā)生在絕緣擠出階段，可以是個(gè)別的局部的視在電纜缺陷，也可以是許多呈周期性分布的甚至無(wú)法用普通檢測(cè)儀器分辨的細(xì)微缺陷，后者所產(chǎn)生的反射波會(huì)在某些頻率上相互迭加，當(dāng)反射波振幅極大時(shí)，電纜的傳輸性能開(kāi)始在這些頻率點(diǎn)上甚至整個(gè)頻寬范圍內(nèi)急劇惡化。事實(shí)上有三種不同類型的以上缺陷：突發(fā)性的或局部的電纜結(jié)構(gòu)偏差，如電纜表面的突起、劃痕或氣孔均會(huì)產(chǎn)生大量反射波，并波及許多頻率點(diǎn)，造成這一原因的有：模具磨損、絕緣偏心、外來(lái)機(jī)械損傷及表面污染等。在整個(gè)制造段長(zhǎng)度上隨機(jī)分布的幅度微小的電纜結(jié)構(gòu)偏差，所產(chǎn)生的反射波不會(huì)相互迭加，不會(huì)超出標(biāo)準(zhǔn)許可的范圍，造成這一類結(jié)構(gòu)偏差的原因?yàn)榻^緣擠出過(guò)程中外徑和同心度圍繞標(biāo)稱值的不規(guī)則波動(dòng)。貫穿整個(gè)制造段長(zhǎng)度的周期性分布的小幅度電纜結(jié)構(gòu)偏差，所產(chǎn)生的反射波會(huì)在某些相位相互迭加，使電纜的傳輸性能惡化。造成這一類結(jié)構(gòu)偏差的原因有：擠出機(jī)螺桿轉(zhuǎn)速的循環(huán)脈動(dòng)、牽引速度的周期變化、擠出機(jī)各區(qū)溫度的規(guī)則性波動(dòng)、導(dǎo)體放線張力不穩(wěn)定等。以上三點(diǎn)影響結(jié)構(gòu)回波損耗最大