《電信傳輸原理、系統(tǒng)及工程》課件第3章 傳輸線和波導(dǎo)在系統(tǒng)中的應(yīng)用

內(nèi)容提要13.1

對稱電纜及其在用戶接入網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用3.2

雙絞線及其在計算機局域網(wǎng)中的應(yīng)用3.3

同軸電纜及其在電信傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用3.4

波導(dǎo)及其在饋線系統(tǒng)中的應(yīng)用3.1對稱電纜及其在用戶接入網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用2對稱電纜是由兩根特性完全相同的金屬導(dǎo)線外涂覆聚乙烯絕緣層而組成，稱為全塑市話對稱電纜，簡稱對稱電纜。通常“對稱電纜”不止一對線，是由多對相互絕緣導(dǎo)線絞合封裝而成，如圖3-1（a）所示。對稱電纜可用來傳輸電話、電報、傳真文件、電視和廣播節(jié)目、數(shù)據(jù)等電信號。3.1.1對稱電纜分類及型號1．對稱電纜的分類

對稱電纜分類方法有多種，若按敷設(shè)方式可分為架空電纜、管道電纜、直埋電纜及水底電纜等4種。2.電信、電信傳輸?shù)亩x

1）架空電纜

架空電纜是用鋼絞線支托電纜架掛在電桿上，其外形如圖3-1（a）所示。架空電纜也可以直接架掛在電桿上，如圖3-1（b）所示

（a）架空—管道電纜

（b）自承式架空電纜

（c）直埋電纜

（d）水底電纜

圖3-1對稱電纜的分類2）管道電纜

架空電纜敷設(shè)簡單易行，但需要樹立電桿，電纜裸露于空中，有礙城市景觀。目前，在大部分城市建設(shè)標(biāo)準中大多要求將電纜敷設(shè)于地下管道中，這種敷設(shè)方法應(yīng)用越來越多。在大樓建筑物內(nèi)的通信電纜，既可預(yù)埋暗管敷設(shè)，也可以架掛在墻壁上，這類電纜結(jié)構(gòu)如圖3-1（a）所示。3）直埋光纜若把電纜敷設(shè)于地溝中稱直埋電纜，在郊區(qū)常采用這種敷設(shè)方法，直埋電纜結(jié)構(gòu)示意如圖3-1（c）所示。4）水底電纜水底電纜線路簡稱水線，它是將特種結(jié)構(gòu)的通信電纜敷設(shè)于水底而成。敷設(shè)通過江河湖海的通信線路，需使用水底電纜，其結(jié)構(gòu)如圖3-1（d）所示2.對稱電纜的型號與規(guī)格

對稱電纜種類較多，其型號與規(guī)格一般由7部分內(nèi)容組合描述，如圖3-2所示，電纜型號與規(guī)格中各字母代碼及數(shù)字代號的含義見表3-1所示。

圖3-2對稱電纜型號與規(guī)格的組成圖表3-1電纜型號與規(guī)格中代碼及代號的意義分類代碼（用途）導(dǎo)體絕緣層內(nèi)護層特征（形狀）外護層（鎧裝）規(guī)格H（市話電纜）HP（市話配線電纜）HJ（局用電話電纜）HR（電話軟線）HB（通信線及廣播線）HD（鐵道通信電纜）T銅（省略不計）L（鋁）G（鋼或鐵）GL—鋁包鋼Y（聚乙烯）YF（泡沫聚乙烯）V（聚氯乙烯）YP（泡沫/實心皮聚乙烯）A（鋁-聚乙烯）V（聚氯乙烯）S（鋼-鋁-聚乙烯）Y（聚乙烯）

T（填充石油膏）G（高頻隔離）C（自承式）23（雙層防腐鋼帶繞包鎧裝聚乙烯外被層）33（單層細鋼絲鎧裝聚乙烯外被層）43（單層粗鋼絲鎧裝聚乙烯外被層）53（單層鋼帶皺紋縱包鎧裝聚乙烯外被層）例200×′2×0.4為200對，線徑0.4mm

一般常用對稱電纜規(guī)格代號排在電纜型號的后面，用數(shù)字表示。下面通過實例作解釋。例如HYA—400×2×0.5的型號電纜，表示為400對，線徑為0.5mm銅芯導(dǎo)線，聚乙烯絕緣、涂鋁聚乙烯內(nèi)護套，而無外護層的全塑市話對稱電纜；HYFA—100×2×0.5的型號電纜，表示為100對，線徑為0.5mm銅芯線，泡沫聚乙烯絕緣層鋁帶屏蔽聚乙烯內(nèi)護套，而無外護層全塑市話對稱電纜；HYAT53—300×2×0.4的電纜，表示為300對，線徑為0.4mm，銅芯實心聚乙烯絕緣，石油膏填充雙面涂塑鋁帶屏蔽單層鋼帶鎧裝聚乙烯外護套，全塑市話對稱電纜。3.1.2對稱電纜在用戶接入網(wǎng)系統(tǒng)中的應(yīng)用

市話對稱電纜在固定電話用戶接入網(wǎng)系統(tǒng)中應(yīng)用最廣泛，如在干線電纜、配線電纜、用戶引入線等應(yīng)用場合，如圖3-3所示。干線電纜通常線對數(shù)量較大，一般在300對以上，配線電纜線對數(shù)量通常小于300對，而用戶引入線線對數(shù)量只有1對，它們的線徑在0.32mm～0.6mm之間。電纜與相應(yīng)的配線設(shè)備適當(dāng)?shù)慕M合就可構(gòu)成用戶接入網(wǎng)系統(tǒng)，常用配線設(shè)備有配線架(MDF)、交接箱、分線盒，如圖3-4所示。隨著光纖接入網(wǎng)的普及應(yīng)用，目前在大城市中對稱電纜已經(jīng)基本退出用戶接入系統(tǒng)。

圖3-3用戶接入網(wǎng)結(jié)構(gòu)

（a）用戶側(cè)纜(MDF)

（b）交接箱（c）分線盒圖3-4用戶引入網(wǎng)的配線設(shè)備3.2雙絞線及其在計算機局域網(wǎng)中的應(yīng)用

對稱電纜的另一種形式就是雙線回路扭絞式，即雙絞線或數(shù)據(jù)線（網(wǎng)線）。典型的雙絞線為四對的，也有25對和50對或更多對雙絞線放在一根電纜外護套內(nèi)。目前，在數(shù)據(jù)通信中，雙絞線電纜是比較常用的一種寬帶接入網(wǎng)系統(tǒng)的傳輸線，它具有制造成本較低、結(jié)構(gòu)簡單、便于網(wǎng)絡(luò)升級的優(yōu)點，主要用于智能大樓綜合布線、小區(qū)計算機局域網(wǎng)布線等。

3.2.1雙絞線電纜分類及型號101.雙絞線電纜的分類雙絞線（TwistedPairwire,TP），按其電氣特性分類，一般分為非屏蔽雙絞線（UnshildedTwistedPair，UTP）和屏蔽雙絞線（ShieldedTwistedPair，STP）兩大類，其基本結(jié)構(gòu)如圖3-5所示。雙絞線的技術(shù)標(biāo)準主要由EIA(美國電子工業(yè)協(xié)會)/TIA(美國電信工業(yè)協(xié)會)和IBM來制定，EIA/TIA負責(zé)制定“Cat”系列的UTP/STP標(biāo)準，IBM負責(zé)制定“Type”系列的STP標(biāo)準。

圖3-5雙絞線電纜分類結(jié)構(gòu)圖UTP電纜是由多對非屏蔽雙絞線外包纏一層塑橡護套構(gòu)成，通常有2、4、25對雙絞線組成，如圖3-6所示。

（a）2對UTP（b）4對UTP（c）25對UTP

圖3-6UTP雙絞線電纜結(jié)構(gòu)圖

STP電纜結(jié)構(gòu)與UTP電纜結(jié)構(gòu)不同，STP電纜的護套層內(nèi)增加了金屬箔屏蔽層，見圖3-7所示。屏蔽雙絞線根據(jù)屏蔽方式的不同可分為二類，即整體屏蔽金屬箔雙絞線電纜和繞對屏蔽電金屬箔雙絞線纜，如圖3-7所示。圖3-7STP雙絞線電纜的結(jié)構(gòu)2.雙絞線電纜的型號與規(guī)格

雙絞線電纜種類較多，其型號與規(guī)格一般由7部分內(nèi)容組合描述，如圖3-8所示，電纜型號與規(guī)格中各字母代碼及數(shù)字代號的含義見表3-4所示。

圖3-8雙絞線電纜型號與規(guī)格組成示意圖表3-4雙絞線電纜的型號與規(guī)格中代碼及代號的意義分類代碼（用途）導(dǎo)體絕緣層內(nèi)護層特征外護層（鎧裝）最高速率（規(guī)格）HS（數(shù)字通信電纜）

T銅（可省略）

Y（聚乙烯）YF（泡沫聚乙烯）Z（低煙無鹵阻燃聚乙烯）YP（泡沫/實心皮聚乙烯）YF（泡沫聚乙烯）A（鋁-聚乙烯）V（聚氯乙烯）S（鋼-鋁-聚乙烯）

Z（低煙無鹵阻燃聚乙烯）T（填充石油膏）P（屏蔽）C（自承式）33（單層細鋼絲鎧裝聚乙烯外被層）

例：“3”代表Cat3類線；“4”代表Cat4類線在工程上，常用的雙絞線電纜習(xí)慣用較為直接的“Cat”標(biāo)準來表示型號。其實“Cat”標(biāo)準與雙絞線電纜的型號與規(guī)格是相對應(yīng)的。比如UTPCat3，對應(yīng)為HSYV-3的UTP電纜型號與規(guī)格；UTPCat5：對應(yīng)為HSYV-5的UTP電纜型號與規(guī)格；UTPCat5e：對應(yīng)為HSYV-5e的UTP電纜型號與規(guī)格，又稱超5類線；STPCat5：對應(yīng)為HSYVP—5的STP電纜型號與規(guī)格，表示縱包鋁箔的5類線；STPCat6：對應(yīng)為HSYVP—6的STP電纜型號與規(guī)格，表示縱包鋁箔后再加金屬屏蔽網(wǎng)的6類線。3.2.2雙絞線在計算機局域網(wǎng)的應(yīng)用目前，UTP電纜的3、4、5類線主要應(yīng)用在園區(qū)網(wǎng)智能大樓綜合布線系統(tǒng)和計算機局域網(wǎng)之中。1.雙絞線在智能大樓綜合布線的應(yīng)用UTP電纜可分為七類，不同類別UTP電纜在傳輸距離、信道寬度和數(shù)據(jù)傳輸速度等方面均受限不同。UTP電纜的數(shù)據(jù)傳輸距離通常都在100米內(nèi)，數(shù)據(jù)傳輸率可達值不盡相同，如表3-5所示。表3-5UTP電纜類型及應(yīng)用范圍類

型使用范圍Cat1線纜最高頻率帶寬是750kHZ，用于報警系統(tǒng)或語音傳輸，低速數(shù)據(jù)傳輸。Cat2線纜最高頻率帶寬是1MHZ，用于語音傳輸和最高傳輸速率4Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，常見于使用4Mbit/s規(guī)范令牌傳遞協(xié)議的舊的令牌網(wǎng)。Cat3EIA/TIA568標(biāo)準中指定的電纜，最高傳輸頻率16Mbit/s，主要應(yīng)用于語音、10Mbit/s以太網(wǎng)（10BASE-T）和4Mbit/s令牌環(huán)，最大網(wǎng)段長度為100m。Cat4用于語音傳輸和最高傳輸速率20Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，最大網(wǎng)段長100mCat5/Cat5e用于語音傳輸和最高傳輸速率100Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸，最大網(wǎng)段長100m；超5類線主要用于千兆位以太網(wǎng)（1000Mbit/s）。Cat6/Cat6e用于最大傳輸速率250Mbit/s～1000Mbit/s，類似于STP雙絞線，最大網(wǎng)段長90～100mCat7計劃的帶寬為600MHz至10GHz，類似于STP雙絞線，最大網(wǎng)段長90～100m。UTP電纜3、4、5類線多用于智能大樓綜合布線系統(tǒng)，一個智能大樓綜合布線系統(tǒng)通常由水平干線子系統(tǒng)、垂直干線子系統(tǒng)、工作區(qū)、管理子系統(tǒng)、設(shè)備間和建筑群子系統(tǒng)6個部分組成，如圖3-9所示。

圖3-9智能大樓綜合布線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.雙絞線在計算機局域網(wǎng)的應(yīng)用

雙絞線在計算機局域網(wǎng)中最典型的應(yīng)用是構(gòu)成

10Mbit/s以太網(wǎng)（10BASE-T），使用星型。拓撲結(jié)構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)中心采用集線器(Hub)，各站點到集線器的距離一般不超過100米，可采用直連網(wǎng)線連接，如圖3-10所示。每個站點需要用兩對雙絞線，分別用于發(fā)送和接收，用標(biāo)準RJ45接頭（如圖3-11所示）連接到網(wǎng)卡上的RJ45連接器的插口。圖3-10星形網(wǎng)計算機局域網(wǎng)

圖3-11RJ45接頭

183.3同軸電纜及其在電信傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用

同軸電纜屬于非對稱電纜，目前射頻同軸電纜為應(yīng)用的主流，比如，有線電視CATV入戶線，移動通信的基站收發(fā)信機到天線之間數(shù)據(jù)線饋線系統(tǒng)，交換機到傳輸設(shè)備電接口的數(shù)據(jù)線等應(yīng)用場景。3.3.1同軸電纜分類及型號1.同軸電纜的分類

從應(yīng)用場景分類，當(dāng)前廣泛使用的同軸電纜有兩種：一種是特性阻抗為50Ω基帶同軸電纜，用于傳輸各類基帶信號，比如用于設(shè)備內(nèi)信號傳輸。另一種特性阻抗為50Ω或75Ω的寬帶同軸電纜，主要用于有線電視系統(tǒng)的傳輸，移動通信饋線系統(tǒng)。同軸電纜的結(jié)構(gòu)示意如圖3-12和圖3-13所示。圖3-12射頻（RF）同軸電纜結(jié)構(gòu)

圖3-13各種同軸電纜結(jié)構(gòu)同軸電纜的另一種分類是根據(jù)同軸管的尺寸來分，如大同軸電纜，內(nèi)導(dǎo)體的外徑5mm、外導(dǎo)體的內(nèi)徑18mm；中同軸電纜，內(nèi)導(dǎo)體的外徑2.6mm、外導(dǎo)體的內(nèi)徑9.5mm；小同軸電纜，內(nèi)導(dǎo)體的外徑1.2mm、外導(dǎo)體的內(nèi)徑4.4mm；微同軸電纜，內(nèi)導(dǎo)體的外徑0.7mm、外導(dǎo)體的內(nèi)徑2.9mm等四種。當(dāng)前除了射頻同軸電纜有較多使用場景外，還有用于隧道內(nèi)天線應(yīng)用的泄漏同軸電纜。1）射頻（RF）同軸電纜射頻同軸電纜內(nèi)導(dǎo)體采用單股或多股銅導(dǎo)線，外導(dǎo)體為銅管或銅絲編織結(jié)構(gòu)，外面再包上一層聚乙烯絕緣外護層，如圖3-12和圖3-13所示。這種電纜有傳輸頻帶寬、屏蔽性能好、質(zhì)量輕、易曲繞和結(jié)構(gòu)簡單等特點。2）漏泄同軸電纜泄漏同軸電纜是在同軸管外導(dǎo)體上開有用作輻射的周期性裸露窗口或槽孔，使電磁波可以漏泄到周圍空間，泄漏損耗可達(10~40)dB/100m且隨頻率而升高，如圖3-14所示。泄漏同軸電纜的工作原理是發(fā)送端的電磁波在泄漏電纜中縱向傳輸?shù)耐瑫r通過槽孔向外界輻射，外界的電磁場也可通過槽孔感應(yīng)到泄漏電纜內(nèi)部并傳送到接收端。（a）耦合型漏泄同軸電纜

（b）輻射型漏泄同軸電纜

圖3-14泄漏同軸電纜2.同軸電纜的型號與規(guī)格同軸電纜的型號與規(guī)格由5部分組成，如圖3-15所示。電纜型號與規(guī)格中各字母代碼及數(shù)字代號的含義見表3-7所示。

圖3-15中特征和規(guī)格用共3部分的數(shù)字代號組成，分別是特性阻抗（Ω）、內(nèi)導(dǎo)體絕緣外徑（mm）和屏蔽層數(shù)。表3-7同軸電纜型號與規(guī)格中代碼及代號的意義21圖3-15同軸電纜型號與規(guī)格組成圖分類代碼（用途）內(nèi)、外導(dǎo)體間絕緣材料外護層特征規(guī)格S（射頻電纜）SS（電視電纜）SZ（數(shù)字電纜）SG（高壓射頻電纜）Y（泡沫聚乙烯）F（聚四氟乙烯）X（橡皮）W(穩(wěn)定聚乙烯)V（聚氯乙烯）Y（聚乙烯）F（聚四氟乙烯）W(物理發(fā)泡)特性阻抗（Ω）

內(nèi)導(dǎo)體絕緣層外徑（mm）和屏蔽層數(shù)有關(guān)同軸電纜型號與規(guī)格的含義，下面通過實例作解釋。例如：型號與規(guī)格為SZYV-75-7-2的同軸電纜，表示數(shù)字同軸電纜、內(nèi)外導(dǎo)體間的絕緣材料為泡沫聚乙烯、外護套材料為聚氯乙烯、特性阻抗為75Ω、內(nèi)導(dǎo)體絕緣層外徑為7mm、屏蔽層數(shù)位2層。223.3.2同軸電纜在電信傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用1.RF同軸電纜在CATV系統(tǒng)中應(yīng)用在有線電視CATV系統(tǒng)中，其傳輸網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般采用星型/樹型混合結(jié)構(gòu)，見圖3-16。圖3-16所示在CATV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中，只有用戶接入線使用的是同軸電纜，用戶同軸電纜的直徑一般不超過7mm，其特性阻抗為75Ω，傳輸頻率達到300MHz。若進一步增加電視頻道數(shù)，則要求其使用頻率應(yīng)達到900MHz，目前同軸電纜的使用頻率可高達1GHz。同軸電纜常用的室內(nèi)插座與插頭，如圖3-17所示。2.RF同軸電纜在饋線系統(tǒng)中的應(yīng)用

天饋線系統(tǒng)是指天線系統(tǒng)與饋線系統(tǒng)的組合系統(tǒng)，是移動通信系統(tǒng)、微波通信系統(tǒng)和衛(wèi)星通信系統(tǒng)中必不可少的組成部分。天線系統(tǒng)是電波傳播的窗口，它將高頻信號能量轉(zhuǎn)換成向空間傳播的電磁波，并向著指定方向傳播，在收端用接收天線將接收的電磁波還原為相應(yīng)的高頻電信號。

圖3-16CATV系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3-17同軸電纜的室內(nèi)插座與插頭（a）同軸電纜移動通信饋線系統(tǒng)的應(yīng)用

（b）同軸電纜微波通信饋線系統(tǒng)的應(yīng)用

圖3-18同軸電纜在無線通信饋線系統(tǒng)應(yīng)用3.泄漏同軸電纜在饋線系統(tǒng)中的應(yīng)用

利用泄漏同軸電纜的電磁輻射功能能夠?qū)崿F(xiàn)向用戶提供連續(xù)的移動信號覆蓋，適用于在隧道、地鐵、大型的多層商業(yè)中心、地下停車場、地下交通系統(tǒng)中提供信號有效覆蓋，它不僅使隧道內(nèi)移動著的機車能與外界通信，而且基站信號通過泄漏電纜輻射，可以穿過車窗、車體傳遞給車廂內(nèi)用戶，用戶的電磁場也可通過槽孔感應(yīng)到泄漏電纜內(nèi)部并傳送到基站接收端。由于漏泄同軸電纜頻帶較寬，多個不同的移動通信系統(tǒng)可共用一條電纜，如圖3-19所示.圖3-19泄漏同軸電纜在隧道的應(yīng)用場景3.4波導(dǎo)及其在饋線系統(tǒng)中的應(yīng)用

高頻信號可以在同軸電纜內(nèi)、外導(dǎo)體之間以電磁場的形態(tài)傳播，此時的同軸電纜就具有波導(dǎo)特性。同軸電纜中的內(nèi)導(dǎo)體及內(nèi)、外導(dǎo)體間介質(zhì)是引起電磁能損耗的重要原因，因此，從結(jié)構(gòu)上講，取消同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體及相關(guān)的絕緣介質(zhì)就可以構(gòu)成波導(dǎo)。波導(dǎo)的主要優(yōu)點有：傳輸頻段高、損耗小、功率容量大，沒有輻射損耗、結(jié)構(gòu)簡單、易于制造，在應(yīng)用上它正好彌補了同軸電纜在較高頻傳輸困難的缺陷。波導(dǎo)是簡單的管狀金屬結(jié)構(gòu)，如前所述，它允許f>fc（或λ<λc）以上的信號通過，而截止頻率以下的信號則被阻止或損耗掉，呈現(xiàn)高通濾波器的特性.3.4.1波導(dǎo)分類及在常規(guī)饋線系統(tǒng)中的應(yīng)用1.波導(dǎo)分類

波導(dǎo)是用來定向引導(dǎo)電磁場傳播的空心金屬管傳輸線。按其結(jié)構(gòu)可分為矩形波導(dǎo)和圓波導(dǎo)等，如第2章圖2-4所示，國產(chǎn)波導(dǎo)的電參數(shù)，如表3-8和表3-9所示。

波導(dǎo)的種類除了封閉式波導(dǎo)管外，還有另一種漏泄波導(dǎo)管。漏泄波導(dǎo)管在圓形（或橢圓）金屬波導(dǎo)管內(nèi)，設(shè)置有一個金屬隔板，將該金屬波導(dǎo)管分隔成第一波導(dǎo)和第二波導(dǎo)，分別等間距地開有第一輻射槽和第二輻射槽，第一輻射槽與第二輻射槽的激化方向不同，可以輻射不同頻率的電磁波，如圖3-20所示。3.4.1波導(dǎo)分類及在常規(guī)饋線系統(tǒng)中的應(yīng)用

漏泄波導(dǎo)管的幾何尺寸不能做的過大，所以漏泄波導(dǎo)應(yīng)用最廣的場景是在地鐵或高鐵隧道的信號覆蓋中，應(yīng)用頻率一般在3GHz~30GHz范圍內(nèi)，其功能與漏泄電纜相似。圖3-20漏泄波導(dǎo)管29表3-8國內(nèi)矩形波導(dǎo)電參數(shù)表（第1位B為波導(dǎo)，第2位J為矩形，B為扁矩形截面）型號主模頻率范圍/GHz內(nèi)截面尺寸/mm主模損耗/（dB/m）寬邊a窄邊b壁厚t頻率/GHz理論值/最大值BJ221.72～2.61109.2254.6122.060.00970/0.013BJ322.6～3.9572.1434.0423.120.0189/0.025BJ705.38～8.1734.8515.7991.56.460.0576/0.075BJ1008.20～12.522.8610.1619.840.110/0.143BB221.72～2.61109.213.1022.060.03018/0.039BB584.64～7.0640.405.001.55.570.13066/0.170BB1008.20～12.522.865.0019.840.1931/0.251表3-9國產(chǎn)圓波導(dǎo)電參數(shù)表（第1位B為波導(dǎo)，第2位Y為圓形截面）型號主模頻率范圍/GHz內(nèi)截面尺寸/mm主模損耗/（dB/m）直徑壁厚t頻率/GHz理論值/最大值BY222.07～2.8397.873.302.1540.0115/0.015BY302.83～3.8871.423.302.9520.0184/0.024BY403.89～5.3351.992.544.0560.0297/0.039BY565.30～