高速数据对绞电缆的电气性能指标

第1章高速数据对绞电缆的电气性能指标3.1特性阻抗特性阻抗也称波阻抗，是电缆的二次参数，它描述了电磁波沿均匀线路传播而没有反射时所遇到的阻抗，即线路终端匹配时，线路内任一点的电压波（U）和电流波（I）的比值。特性阻抗可以用一个复数表示，当电缆线芯的材料、直径、绝缘形式确定后，特性阻抗只随频率的变化而变化。特性阻抗Z为回路上任意点电压波和电流波之比并有R+j3L尸c—*G+j-C2R、L、G、C分别为对绞回路的电阻、电感、电导、电容，虚部相位角①从零开始到频率/=800Hz时接近-45°，然后逐渐接近零。可以看出传播常数和特性阻抗Z均与电缆的一次参数R、L、G、C有关，TIA/EIA---568---A规定5类缆的特性阻抗为100土15Q.对于局部网布线系统来说，传输媒介具有稳定的阻抗值是很重要的，否则连接器硬件就会和电缆失配。从而引起信号反射导致传输效率下降，甚至网络无法工作。对于高频对称电缆，由于频率增加时，集肤效应增加，使内电感减小，而外电感与频率无关，所以随频率的增加，总电感近似于外电感，此时，:L 120 2a-d—-^^ln 腴dr式中，£,为等效介电常数；a为绝缘线心外径；d为导体直径由式子可以看出特性阻抗和导体类型和直径，绝缘的类型和厚度有关，在某种程度上也与线对的绞合性能有关（因等效介电常数，和绞合有关）。由于一般的标准中都规定了导体的直径d=24（AWG），而且从实际情况中看来，此d值也是最理想值。这样从上式看来影响特性阻抗的只有外径（外径可以看成和导线间距a相等）、组合绝缘介质的等效相对介电常数（§）。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。在实际中常用输入阻抗zin来表述电缆的特性阻抗。其定义如下Z.=Jz°•Z式中：Z0为终端开路时的阻抗测量值；Zs为终端短路时的阻抗测量值。3.2回波损耗回波损耗是数字电缆产品的一项重要指标，回波损耗合并了两种反射的影响，包括对标称阻抗（如：100Q）的偏差以及结构影响，用于表征链路或信道的性能。它是由于电缆长度上特性阻抗的不均匀性引起的，归根到底是由于电缆结构的不均匀性所引起的。由于信号在电缆中的不同地点引起的反射，到达接收端的信号相当于在无线信道传播中的多径效应，从而引起信号的时间扩散和频率选择性衰落，使接收端信号脉冲重叠而无法判决。信号在电缆中的多次反射也导致信号功率的衰减，导致误码率的增加，从而也限制传输速度。在生产数字缆的过程中，电缆的回波损耗指标容易出现不合格。它的表达式是RL=-20lg气—ZcZ^+Z°ZH为负载阻抗，ZC为波阻抗。按标准规定ZC分别为100Q、120Q、150Q。减少回波损耗的方法：提高同心度在绝缘串联生产工序，要求铜导体的直径公差在±0.002mm内，绝缘外径偏差在土0.01mm内。同心度在96%以上，且表面光滑圆整。否则，单线在进行绞对后电缆的特性阻抗会出现超出指标要求的较大峰值。采用一定比例的“预扭”或“退扭”技术并配合使用十字型塑料骨架采用一定比例的“预扭”或“退扭”技术可消除绝缘单线偏心对特性阻抗的影响，同时可降低绝缘单线同心度的要求。而采用十字型塑料骨架，可保持电缆结构的稳定性，使单线不均匀造成的特性阻抗的变化变得平滑，使其近端串音和回波损耗在高频时的性能相当好。采用粘连线对技术粘连线对技术工艺指的是采用两台挤塑机、一个机头共挤，将同一线对的两根绝缘芯线同步挤出将其粘结在一起。绞对线间粘连后，可确保绞对线结构的稳定性，保持线对两根导线中心距(S)的稳定来提高线对阻抗均匀性，从而提高回波损耗指标；也可避免绝缘导体经弯曲扭绞后导体发生散芯而影响电缆的回波损耗指标。3.3结构回波损耗结构回波损耗的表达式是：SRL=-20lgZin-Z式中，Z为拟合阻抗。由此定义可见，SRL实质是描述Z.围绕Z波动大小的一个指标。引起Z.波动的原因是电缆部件存在着突发性或周期性的结构偏差或缺陷，如绝缘外径波动、导体直径波动、绞对时绝缘单线在节点处周期性压伤、绝缘发泡不均匀、绝缘偏心时绞对过程因单线的自转造成两导体中心距s呈周期性的正(余)弦函数波动等。其中周期性的结构偏差或缺陷对SRL危害最大。由于输入阻抗与制造过程中的诸多随机缺陷有着极为直接的关系，而制造过程中这诸多的随机缺陷之间又彼此间相互关联，相互影响，错综复杂，因而难以分析输人阻抗与某个缺陷的定量关系。但通过长期的生产实践得知，生产过程中随机缺陷较小而造成的阻抗波动很小时，SRL曲线上只出现小的尖峰。极轻微的周期性结构不均匀造成的影响与其它缺陷造成的影响迭加一起，最终也会呈现出随机性的波动，这与同轴缆的情况有所不同。当较严重的周期性不均匀缺陷时，且相邻点间的距离等于电缆传输信号波长的一半时，在此频率点及其整数倍频率点上将出现显著的尖峰，即有以下关系：1505_3.4衰减采用utp结构的电缆，最重要的电气参数是衰减与近端串音衰减。衰减与近端串音衰减是决定局域网设计优劣和电缆长度的主要因素。衰减是决定局域网设计和电缆可以做多长的主要因素，近端串音则是线路传输可靠的一项重要指标。衰减值由以下三部分组成：a=a1+a2+a3式中，a1金属衰减。主要由线对中两根导线因高频电阻产生的衰减和对周围金属(导线和屏蔽)反射电磁波而产生的衰减组成；介质衰减a2与介质的损耗、工作频率和工作电容有关，其值近似与频率成正比；阻抗不均匀时波反射引起的附加衰减a3是由于阻抗不均匀造成波的反射，减小了波向前传输的量，造成终端信号的减弱，其等效于有以附加的“衰减”，这是造成衰减曲线在高频下出现“波纹”的主要原因。这种“波纹”可能导致个别频率点上衰减不合格。传输线的衰减常数RCG二

以一~2\L万、'C式中R、C、L、G分别电缆的一次参数的电阻、电容、电感和电导。进一步计算可得：侦=6.0X；。ff"D[£+ ]+9.10X10-5f,'£tg6ln(2a-dYd"d2a2) "dd式中，eD为绝缘等效介电常数;f为工作频率(MHz)；d为导体直径(mm)；KD为衰减的绞线系数；a为对绞线两导体间的中心距(mm)；tgdD为绝缘材料等效介质损耗角正切。从上式中可以看出：对称电缆衰减由导体损耗和介质损耗构成。导体和绝缘几何尺寸及类型是影响数据电缆衰减的主要因素，其衰减与使用频率，介质的介电常数及介质损耗成正比关系，选用低介电常数，低介质损耗的绝缘材料，合理选择绝缘和导体几何尺寸，都可以降低电缆的衰减，另外对绞节距的过于偏小也会因导体有效长度的增加而导致损耗增加，因此应合理地选择对绞节距。导体的损耗随着频率的平方根而增加，介质的损耗即与频率成正比。频率越高，介质衰减值越大，六类缆使用频率为250MHz，所以选用具有低介质损耗角正切的绝缘材料至关重要。绝缘厚度的增加可以降低衰减，但同时也会使阻抗增大，回路会产生阻抗不匹配，影响传输质量。因此应在阻抗允许范围内增加绝缘厚度以达到降低衰减的目的，另外产品成本也会因此而增加，因此应全盘考虑，但更重要的是保证电缆结构尺寸的稳定性和均匀性。3.5串音电磁波从一个传输回路串到另一个传输回路的现象称为串音。串音包括近端串音衰减和远端串音衰减。能量从主串回路传入被串回路的衰减称为串音衰减。此值越大，性能越好。以六类缆为例，有关标准规定六类缆的近端串音衰减（NEXT）和远端串音衰减（ELFEXT）为：NEXT=74.3-15xlgfELFEXT=68-20lgf式中，f为传输频率（MHz），以上两式的的用运范围是1〜250MHz。从两式可以看出电缆的近端串音衰减和远端串音衰减随频率的增大而减小。串音主要来自线对间的电磁耦合，降低串音主要是降低线对间的电容不平衡。绝缘线芯的结构均匀性和对称性是提高NEXT和ELFEXT的基础，合理的绞对节距设计是提高串音防卫度的有力措施，六类缆的对绞节距应在10〜30mm之间。且线对之间节距差，越大越好。但太大的节距差又有损于时延差的减小，因为时延是决定六类缆使用距离的关键参数，时延越大使用距离越短，而减小时延差的措施是适当减小线对节距差，因此必须合理、均衡选择线对之间对绞节距差。降低串音也可以采用线对屏蔽，通过线对屏蔽减少串音是最有效的方法，因为屏蔽可以有效地减少电磁感应在年点之间造成的影响，从而达到有效控制串音的面的，对于屏蔽效果好与差通常由屏蔽材料的厚度和重叠决定。由于传输高频信号时导体会发生集肤效应，频率越高，集肤效应越严重，尤其在5MHz以上时屏蔽效果会降低，甚至失效。因此必须按照最低使用频率来设计和计算屏蔽层的厚度。重叠率是为了减少屏蔽材料接口位置的电磁泄漏，通