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[技術資料] 高頻對稱電纜設計與制造技術之一
P:2007-06-14 14:23:58
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一、前言
隨著計算機網絡和數(shù)據通信的發(fā)展，人們對對稱電纜的要求也越來越高，從幾年前帶寬為100MHz的五類纜到今天高達1000MHz的數(shù)據纜，無疑是一個巨大的飛躍。眾所周知，同軸纜的電磁場是封閉的、規(guī)則的。達到1000MHz的帶寬是比較容易的。然而，對稱電纜的電磁場是開放的，既不規(guī)則也不均勻，要制造高頻對稱電纜其難度可想而知。很多時候，電纜制造商制造出了符合要求的某些指標惡化了許多，尤其是近端串音衰減和結構回波損耗兩項指標，所有這些，歸根到底都與電纜結構設計和制造工藝有關。本篇以1對、2對、4對高頻對稱電纜的設計為例，對設計中的一些有關問題進行了探討，有關于制造技術將在另一篇論文中論述
二、高頻對稱電纜的幾個重要電性能指標及其改善措施
（一）串音
串音引起的誤碼是影響通信距離的主要因素之一。根據串音產生的機理，減少線對間串音的方法有：
1．保證絕緣單線的均勻性和對稱性、盡可能降低線對間電容不平衡是提高線對抗干擾能力的基礎；
2．在條件允許情況下，加大線對間的距離；
3．采用優(yōu)化的節(jié)距設計是提高串音防衛(wèi)度的有力措施；
4．采用線對屏蔽技術、但此種方法因電磁波的反射，需要適當增加絕緣外徑、使用時也需要帶屏蔽的接插件；
5．保證相鄰線對維持TEM波傳輸也可有效地減少串音，這也是高頻對稱電纜設計中可用的另一種理念。我們知道、傳統(tǒng)對絞線結構的電纜中，在對絞線的中心有很強的電場，并有很大一部分泄漏于絕緣層外。如果在對絞線外層再擠包一層與絕緣具有相同的等效相對介電常數(shù)且損耗角正切值低的護套（擠壓式），則大部分電磁場分布在絕緣和護套內，有效減少電力線從絕緣體散發(fā)出去，因而從源頭上減小了對相鄰線對的串音。另一方面，電磁波在絕緣體周圍的空氣中傳播速度C空，（C空≈C0，其中C0為真空中傳播速度）大于絕緣體內的傳播速度C絕（C絕=C0/√εe，其中εe為電纜的等效相對介電常數(shù)），即C空＞C絕。電磁場的這種不均勻性作用下，會同時產生沿傳播方向的電磁矢量以及垂直于傳播方向的電磁能量，從而引起串音增加。因此，圍繞線對的護套愈厚，串音改善就愈明顯。然而，由于介質損耗的原因，用這種方式來控制串音卻會導致衰減增加。
但是，為了保證電纜一定的特性阻抗值，由于護套的加人則需要增加絕緣外徑或增加絕緣的發(fā)泡度，最終電纜的衰減并不會增加多少，有時反而略低。另外，當串音得到有效控制時，即使信號衰減增加了，但傳輸信號時的信噪比卻增加了。因此，為了盡可能降低衰減，采用這種思路設計的電纜通常采用泡沫絕緣和護套。
（二）特性阻抗與結構回波損耗
特性阻抗Zc，是電纜回路上任意點電壓波與電流波之比，并與電纜一次參數(shù)有如下關系：
式中，R、L、G、C分別為對稱回路的交流電阻、電感、導體間介質電導和導體間互電容；ω為信號的角頻率。在高頻下無屏蔽對稱電纜的特性阻抗可近似表示為：
式中,εe值與絕緣材料、絕緣類型、線對間填充介質的相對介電常數(shù)有關；s為回路兩導體的中心距；d為導體直徑。在實際中常用輸人阻抗Zin來表述電纜的特性阻抗，其定義如下：
式中：Z0為終端開路時的阻抗測量值；Zs為終端短路時的阻抗測量值。
由于電纜結構的不均勻性，信號在傳輸過程中會產生波的反射，反射波在某些頻率點相互迭加，當反射波幅值極大時，電纜的傳輸性能會在這些頻率點上甚至整個頻寬范圍內急劇惡化。因此，輸人阻抗頻率掃描曲線是一條起伏頗大的隨機分布曲線。通常用結構回波損耗來描述這種波動情況。結構回波損耗SRL定義如下：
式中，Zm為擬合阻抗。由此定義可見，SRL實質是描述Zin圍繞Zm波動大小的一個指標。引起Zin波動的原因是電纜部件存在著突發(fā)性或周期性的結構偏差或缺陷，如絕緣外徑波動、導體直徑波動、絞對時絕緣單線在節(jié)點處周期性壓傷、絕緣發(fā)泡不均勻、絕緣偏心時絞對過程因單線的自轉造成兩導體中心距s呈周期性的正（余）弦函數(shù)波動等。其中周期性的結構偏差或缺陷對SRL危害最大。由于輸入阻抗與制造過程中的諸多隨機缺陷有著極為直接的關系，而制造過程中這諸多的隨機缺陷之間又彼此間相互關聯(lián)，相互影響，錯綜復雜，因而難以分析輸人阻抗與某個缺陷的定量關系。但通過長期的生產實踐得知，生產過程中隨機缺陷較小而造成的阻抗波動很小時，SRL曲線上只出現(xiàn)小的尖峰。極輕微的周期性結構不均勻造成的影響與其它缺陷造成的影響迭加一起，最終也會呈現(xiàn)出隨機性的波動，這與同軸纜的情況有所不同。當較嚴重的周期性不均勻缺陷時，且相鄰點間的距離等于電纜傳輸信號波長的一半時，在此頻率點及其整數(shù)倍頻率點上將出現(xiàn)顯著的尖峰，即有以下關系：
式中f為SRL:出現(xiàn)尖峰的最低處的頻率值（MHz），T為結構波動周期長度單位（m）。某企業(yè)在生產六類纜時，四對線的結構回波損耗曲線總是在60MHz, 120 MHz和180 MHz處出現(xiàn)SRL峰值。通過式(5）計算得出T應在1.9 m左右并以此查找原因，最終發(fā)現(xiàn)是成纜機出現(xiàn)了故障，造成成纜節(jié)距的周期性大幅度波動。
（三）衰減
衰減是影響傳輸距離的又一重要因素，其值由以下三部分組成：
α=α1＋α2＋α3
式中，α1金屬衰減。主要由線對中兩根導線因高頻電阻產生的衰減和對周圍金屬（導線和屏蔽）反射電磁波而產生的衰減組成；介質衰減α2與介質的損耗、工作頻率和工作電容有關，其值近似與頻率成正比；阻抗不均勻時波反射引起的附加衰減α3 是由于阻抗不均勻造成波的反射，減小了波向前傳輸?shù)牧浚斐山K端信號的減弱，其等效于有以附加的“衰減”，這是造成衰減曲線在高頻下出現(xiàn)“波紋”的主要原因。這種“波紋”可能導致個別頻率點上衰減不合格。
降低衰減的主要途徑是：
1．選用介電常數(shù)和tgδ都低的絕緣料；
2．采用合理的絕緣形式，如采用泡炸實心皮或泡沫或皮-泡-皮的絕緣型式；
3．足量的導體尺寸、減小電纜結構偏差和缺陷。
（四）相時延和不同線對間的相時延差
相時延是決定高頻對稱電纜通信距離的關鍵參數(shù)之一。有些通信協(xié)議對數(shù)據幀的最小長度有明確規(guī)定，若鏈路的相時延過大（與電纜的相時延和鏈路上設備延時有關），在沖突發(fā)生時易造成數(shù)據幀的丟失。從傳播速度Vp∝1/√εe可知，使用等效相對介電常數(shù)較小的絕緣結構是降低相時延的重要途徑。線對間的相時延差過大會導致并行傳輸數(shù)據時幀的錯誤。減小線對間總的絞合系數(shù)差值或調整絕緣發(fā)泡度或微調絕緣外徑是解決相時延差的主要措施。
三、高頻電纜設計時需要注意的問題
設計高頻對稱電纜時，首先要保證其電氣性能和機械物理性能滿足相應要求。在設計時最好采用計算機進行優(yōu)化設計，盡可能采用結構簡單、加工容易的方式。
電纜產品最終是要用到具體的環(huán)境中去的，電纜被安裝后也應具備良好的傳輸性能。這就要求電纜具有良好的抗拉、抗壓及良好的適應于正常使用環(huán)境的能力，如室外高頻對稱電纜宜采耐候護套材料并具備良好的防潮能力；高溫環(huán)境下使用的高頻對稱電纜應采用耐高溫的材料如四氟乙烯-六氟丙烯共聚物（FEP）、輻照交聯(lián)聚乙烯等。其次，因與接插件配套的原因，高頻對稱電纜的結構尺寸還應滿足與相應接插件相匹配的要求。然而，這個兩個問題并未引起所有高頻對稱纜御造商的重視。
最后，還應重視電纜的性價比。不恰當?shù)夭捎酶咝阅艿牟牧匣蚣庸すに�，或過大的性能指標裕度均會帶來過高的制造成本，降低性價比。
22-tube coaxial cable - 22管同軸電纜 （0） 投訴
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