高频和低频特性阻抗译文

技术论文电缆高低频特性阻抗BytheEngineeringDepartmentBeldenElectronicsDivision电子脉冲在电缆数据传输中的应用的增长，需求对电缆电气性能有更好的理解。许多系统规格说明使用的电缆应有一定的特性阻抗，用Q表示。•许多电缆制造商的产品目录中都列举了多数同轴电缆的特性阻抗值，其阻抗值的范围是50~95Q•这个目录可能是指出现在为特定应用设计某些屏蔽对的100to~200ohms值。但是电缆使用者不容易获得多种普通类型屏蔽对的阻抗信息。为何？因为这涉及到电缆多种不同的应用。阻抗定义让我们分析特性阻抗-哪些是特性阻抗，哪些不是特性阻抗-使我们更好地理解数字的含义及阻抗是如何应用在我们应用中的。阻抗的大小欧姆定律说明施加在回路两端的电压和回路中测定的电流，用以下公式计算阻抗的大小。（公式1）

在直流和交流中，此公式关系都保持正确。相位在交流电的情况下，阻抗包括两个部分：欧姆值（前面讨论过的）和相位。相位指电压和电流间瞬时的关系。在双重轨迹的示波镜中同时看电压和电流，观察在有电阻器的情况下（见图1A），电压和电流同时达到最大值，称电压和电流同相位。(ClPURECAPACITORCUHKEmMO1NUNwisjisnFUSE1NPUCTORzj>PBncz._虻"—■-<D1CAPACITORINSERIE吕呵THPES1STDR(ClPURECAPACITORCUHKEmMO1NUNwisjisnFUSE1NPUCTORzj>PBncz._虻"—■-<D1CAPACITORINSERIE吕呵THPES1STDR(A)FEHSTCiRFigure1.电压和电流间的相位关系。示波器的水平轴为线性的时间基数，从左至右读数。）然而，在有电感的情况下，（通常为线圈，但甚至是有一定的电感的直电线），电压的最大值比电流的最大值出现得早（电压引导电流）（见图1B）.这是因为电感阻碍了电流的变化。反过来，在有电容的情况下，电压出现的最大值比电流出现的最大值晚（电压滞后电流）是因为电压要花费时间给电容充电。（如图1C）

相位角如一个完整的周期（在如图1A所示的两个电压和电流的最大值之间）等于360。，那么就能够计算电流最大值和电压最大值之间的度数。对于理想的电感，电压的最大值是否会出现？电流最大值前的周期（+90。）。（电压先于电流90。，或相位角度为90。）。（见图1B）。在理想电容的情况下，电压滞于电流1/4个周期，因此相位角为-90。。事实上，理想的电感和电容不存在。因为它们包含有电阻，因此相位角总是小于90。，无论是+90。还是-90。。（见图1D）电缆特性这与电缆有何关系？简单地说，当由导体、绝缘和屏蔽（如有）组成电缆时，会产生电阻，电容和电感。电缆的等效电路如图2所示。Figure2.Figure2.电缆与交流电源连接的等效电路G1««<丫图2电路并不是指电缆仅有一个电容（C）,电感（L）,电导（G）和电阻（R）。电缆长度的计算相当于由许多个单位长度的测试电缆组成。当在规定长度电缆上进行计算时，整个计算中，以上四个参数必须从同样长的电缆上获得，长度一般是每米或每英尺。注意通过线的电阻代表绝缘的损耗，用平行的电导表示，而不是平行的电阻。理由是当平行存在许多电阻时，得到总的或相等的电阻要求冗长的数学计算，而当平行处理电导系数时，要求的计算为简单的相加。 4当供给远端断开电缆交流电压时，有电流流动。已知电路中测量的电压(E)和电流(I),可用(Z=E/I)计算电阻(Z)。阻抗将有几个大小和相位角度。可能为正值，也可能为负值。如切断部分电缆且重复测量，将能观察到不同的电阻值和不同的相位角。电缆的特性阻抗与长度无关。显然这类测量不能得到特性阻抗。特性阻抗的理论定义假设电缆无限长，将交流电压施加在无限长的电缆上，可对电流进行测量并计算阻抗(大小和相位)。当然，不会有无限长的电缆。引入特性阻抗的概念是为了促使电缆无限长，以至信号永远也不会到达另一端的设想。在此种情况下，阻抗的测量将会产生电缆本身的阻抗，或其特性阻抗，但不是电缆阻抗加上较远终端环境影响的组合。相位角为0或负值(0~-45。)之间。回想电路理论，负相位角表明以特定的频率，采用特定的测量，电缆类似一个串联的带电阻器的电容。考虑用等效电容和电阻器代替无限长电缆。在测试电路中，用两个部件代替电缆及测试电压的应用将会导致与使用电缆时观察到的相同的电流和相位角。只要应用的交流电压的频率不变，电容电阻器的组件时和无限长电缆时测量的阻抗的大小均相同。假如将无限长的电缆切割成很多段有限长的电缆，并将电缆的终端连接在电容-电阻器的组件上装配且发现特性阻抗相同，这是一个惊人的发现。有匹配的特性阻抗(电容电阻器的组件)的终端终止的电缆测量的阻抗与无限长的电缆测得的阻抗仍然相同。如电缆的终端和频率均不变，将电缆切成任意长度，得到的测量阻抗值相同。频率的影响未提到AC信号的频率；仅仅规定了特定频率时的特性阻抗。电感和电容的阻抗取决于频率。感抗由纯电感产生的阻抗称为感抗(X』，Q，等于2(3.1416)^L此处f是频率，Hz，L为感应系数，henries。显然，公式中，当频率增加，感应电抗增加。容抗如由于纯电容产生的阻抗，称为容抗(XJ。等于1/(2(3.1416)fC)，Q。此处f是频率，Hz,C是电容，f。显然容抗随着频率的增加而减小。.特性阻抗依赖感抗和容抗的频率对电缆的特性阻抗有何影响？答案取决于我们讨论的是低频状态还是高频状态。电缆的特性阻抗(Z0)如下所示:(公式2)此处R=导体的串联电阻，QG=分流电导j=—个符号，相位角为+90。pi=3.1416符号f,L.C在前面均有规定。对于用于电缆绝缘的普通材料，当与2(3.1416)fC比较起来时，G足够小，能忽略。低频率时，2(3.1416)fL与电阻比较起来时，足够小，可忽略。因此，低频时使用以下公式。(公式3)

FREQVEMCY（HERTS1『恳FREQVEMCY（HERTS1『恳Mo)段CAVISM此处，：R=低频时的AC电阻，AC电阻与DC电阻几乎相同。Figure3.相关介电常数与频率如电容与频率不同，Zo与频率的平方根成反比且有与DC近似的相位角为-45。，且随着频率的增加，相位角度降至0。。随着频率的增加，PVC和橡胶的电容有一定程度的减小，然而，PE，PP和铁氟龙的变化不大。（见图3.）如阻抗的大小在方格纸上作为函数绘出来，结果为一条向右倾斜的直线，电阻的倾斜为10，频率的倾斜为20。（如图4）参照公式2，观察高频时发生的情况。当f足够大时，有f的两项变得足够大，使R和G均可忽略。合成的公式是:

Zo（公式4）j2-nfLj2-nfC公式4的分子和分母都出现了j2（3.1416）f，因此公式可简化为：（公式Zo（公式4）j2-nfLj2-nfC公式4的分子和分母都出现了j2（3.1416）f，因此公式可简化为：（公式5）Zo=〔GW1H巳昌IMTdgdEIOKIEDECADEFLUENCYtHEHTZ]Figure4.为低频阻抗的倾斜曲线。（实际数据可能在曲线的上面或下面，但在低频区域时，实际数据将与曲线平行。

如L和C与频率无关，这在高频区域成立，Zo为常数，且由于无j项，相位角为零，说明高频特性阻抗为纯电阻。这能作为水平直线在方格图纸上绘出（图5）。通常列举在电缆目录中的特性阻抗是不变的高频阻抗。DECIDE(的巨Ho)DECIDE(的巨Ho)Figure5.高频阻抗的倾斜直线。（在高频区域实际数据在曲线以上或以下，但与曲线平行）如何判断电缆是在高频区域还是在低频区域中使用呢？图4和图5的曲线在同样的方格纸上绘出如图6。如特定电缆特性的点正好落在低频和高频曲线交点的左边，此位置被认为是低频区域。如电缆的特性的点正好落在低频和高频曲线的右边，此位置被认为是高频区域。在交点附近，出现一个过渡区域，其中公式2中的所有项对过渡区域有一定的影响且在两条相交的直线之间真实的阻抗曲线将有一个平滑的过渡（见图6）。在过渡区域的高频端，随着频率的增加，电感有轻微的减小，因此，当频率接近高频值时,Zo的曲线有轻微的下滑。FREQUENCYfHERTZSFigure6.阻抗与频率（连接低频和高频曲线的虚线表示过渡区域。出现的频率的范围取决于低频曲线的位置。）将有不同线规，故有不同导体电阻的两条电缆的实际测试数据绘在图7上，说明导体电阻在低频区域和过渡区域的影响。这两条电缆被设计成不管导体规格都有相同电容的单对电缆，此对电缆以PE绝缘，且分别有最大和最小的屏蔽。在Zo占据的数据频率的范围内，两种电缆的曲线均未到达高频区域范围内。在过渡区域频率的范围内，如何计算R,L,C,和G的实际数值，最终计算Zo的值？由于数字太长，不可能从从电缆的尺寸，导体和绝缘的特性计算出电缆的R,L,C,和G的值。因为由于频率的增加，电流趋向于流向导体的表面（趋肤效应），R随着过渡区域频率的变化而变化。如果绝缘材料的电容随着频率的变化而变化的话，C的可靠值很难获得。幸运的是，，有适合的仪器的话，Zo的计算变得相对简单。能用如下表示，给出频率，测量终端断路（Zoc）时电缆长度的阻抗，且在较远端短路时重复测量（Zsc）。用以下公式计算Zo:（公式6）NOTEZoc和Zsc都有大小和相位，通过公式6计算的Zo也有大小和相位。通过计算传播速度、电缆的电容或通过反射计来测量高频下的Zo。为什么特性阻抗在数据传输中是重要的？记住，如果与电缆在其匹配特性阻抗长度处终止，你就不能判断电缆从发送端算起是有限长的——所有信号通过电缆和负载反馈给电缆，仿佛从水体的岸边产生的均匀间隔的波浪，向外扩散，互不干扰。然而，如果将障碍物置于离岸边不远处的水中，波浪将会被反射回岸边，破坏向外的波浪。当反射回的波浪撞击波浪发生源，这种反射波浪将会被再次反射且与向外的波浪混合叠加，使我们很难辨别哪一个是原始波，哪一个为反射波。

EREqfErqCY(HEHTS)1.0DO10010,000EREqfErqCY(HEHTS)1.0DO10010,000Figure7.阻抗和频率（24AWG屏蔽对和12AWG屏蔽对的实际测试数据）。当脉冲发送到电缆时，同样的情况发生了——当脉冲遇到阻抗而不是电缆的特性阻抗时，能量的一部分被发射回发送端。如遇到断开电路或短路时，所有的能量均被反射（除衰减损耗或其他），另一端有很少的能量被反射。反射的能量破坏了脉冲，且如果脉冲发生器的阻抗与电缆的特性阻抗不相同时，能量将会被重新反射回电缆，作为特殊脉冲出现。特殊的反射脉冲将会导致电缆的末端接受错误的数据，取决于与原始脉冲比较起来的反射脉冲的大小和时间。在高频区域，使负载的电阻和电缆的阻抗相等是一件相对简单的事情。然而，脉冲是低频和高频的混合物，取决于高频和低频升高的时间，耐久性和重复的速度。它将由系统的设计者来决定低频时电缆升高的阻抗是否将会导致必需的允许采取哪种设计步骤的任何困难。尤其是在低频区域，另一个必需考虑的难题是高频时与电缆特性阻抗匹配的脉冲发生器在低频