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[技術(shù)資料] 淺析阻抗
P:2007-12-10 19:22:31
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在現(xiàn)在各類型號的資料電纜生産中，最重要也是最基本的四個參數(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，這四個參數(shù)中最難控制應(yīng)是特性阻抗，尤其對於特殊的多工序控制的網(wǎng)絡(luò)電纜，如阻水五類纜（UTP-ZS）、屏蔽五類纜（FTP）等。怎樣使其與衰減達到平衡，怎樣使其波動範圍控制在100+15Ω之內(nèi)。本文主要是從理論和實際操作中的經(jīng)驗所得來對特性阻抗的控制進行分析。（由於網(wǎng)絡(luò)電纜屬典型的對稱通信電纜，所以以下所有的計算都基於理想的對稱回路）
計算
�。ㄒ唬⑻匦宰杩箶�(shù)值（ZC）的CCC理論計算：
ZC=（（R2+ω2L2）/（G2+ω2C2））1/4
其中的R、G、L、C爲線路的一次傳輸參數(shù)（單個回路的電阻、電導(dǎo)、電感、電容）。由於資料纜的應(yīng)用環(huán)境爲100MHz，遠遠大於30KHz，屬高頻範圍，所以有ωL》R，ωC》G，故有：
ZC=（（R2+ω2L2）/（G2+ω2C2））1/4
≈（ω2L2/ω2C2）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。
�。ǘ�、孤立回路電感（L）的理論計算：
當回路通以交流電後，則在回路的導(dǎo)電線芯中和回路周圍産生磁通Ф，導(dǎo)電線芯內(nèi)的叫內(nèi)磁通，導(dǎo)電線芯外的叫外磁通。電感爲磁通Ф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），總電感爲L=L內(nèi)+L外。
L內(nèi)爲導(dǎo)線內(nèi)部的磁通與流過導(dǎo)線的電流之比所決定的。它的計算公式可在求二孤立導(dǎo)線有效電阻時，其複數(shù)功率的虛部來求得。其計算公式如：L內(nèi)=Q（x）*10-4（亨/公里）
L外是導(dǎo)線外（與回路本身所交鏈的）磁通與流過被交鏈導(dǎo)線中電流之比，即L外=Ф/I�；芈返拇艌龇謥讶鐖D1所示�；芈穬蓪�(dǎo)線中，由導(dǎo)線α電流所産生的磁場強度爲Hα=I/2πr，由導(dǎo)線b中電流所産生的磁場強度爲Hb=I/2π（α-r），由圖1中可以看出
H= Hα+Hb= I（1/r+1/(α-r)）/2π，由此L外可由式L=μH/I求得。
L外=∫rαα-rb [I（1/r+1/(α-r)）/2π]dr/I
回路兩導(dǎo)線rα=rb=d/2，則L外=μln((2α-d)/d)/ 2π。
由於回路中間爲非磁性介質(zhì)，μ=μrμ0=4π*10-7亨/米，則有
L外=4 ln((2α-d)/d)* 10-7亨/米
或L外=4 ln((2α-d)/d)* 10-4亨/公里
由以上可以得出回路的總電感爲
L=L內(nèi)+L外=λ[4 ln((2α-d)/d)+ Q（x）] * 10-4亨/公里 (1)
式中：
１、λ——總的絞合係數(shù)；
�。�、α——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）—爲x=Kd/2的特定函數(shù)，其值隨頻率的增加而減少，當在高頻時接近爲零。
由式（1）中分析可以看出外電感決定於導(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)。
�。ㄈ┕铝⒒芈冯娙荩�C）的理論計算：
回路的電容和一般電容器的電容相似，兩根導(dǎo)線相當於兩個極板，導(dǎo)線間的絕緣相當於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，爲該回路的電容，即C=Q/U。
孤立二導(dǎo)線間的工作電容。兩導(dǎo)線的圖可參照圖1，導(dǎo)線α上的電荷Q在距導(dǎo)線α爲r點的電場強度Eα=Q/2πrε,導(dǎo)線b上的電荷Q在同一點的電場強度爲Eb=Q/2π(α-r)ε。則該點的總的電場強度爲：
E= Eα+ Eb= Q（1/r+1/(α-r)）/2πε。因此回路間的電位差：
U=∫rαα-rb Edr=Q∫rαα-rb [（1/r+1/(α-r)）/2πε]dr
=Ｑ[ln(α-rb)/ rα-lnrb/(α- rα)]/ 2πε
回路中兩導(dǎo)線rα=rb=d/2，則有Ｕ=Ｑ[ln(2α-d)/d]/ πε
則孤立回路的工作電容爲：
Ｃ=Ｑ/Ｕ=πε/[ln(2α-d)/d]
把ε=εrε0=εr/（36π*109）法／米，代入上式可得：
�。�=εr*10－９／[３６ln(2α-d)/d]（法／米）
或Ｃ＝εr*10－６／[３６ln(2α-d)/d]（法／公里） （2）
式中：
�。�、εr——組合絕緣介質(zhì)的等效相對介電常數(shù)；
�。病�α——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Ｃ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Ｌ和Ｃ的計算值可以得出：
ZC=（L/C）1/2=｛λ[4 ln((2α-d)/d)+ Q（x）] * 10-4／［εr*10－６／[３６ln(2α-d)/d]｝｝１/２
由於資料纜工作在高頻下，所以有Ｑ（x）≈0，故有
ZC=｛４λln((2α-d)/d)* 10-4／［εr*10－６／[３６ln(2α-d)/d]｝｝１/２
=１２０（λ／εr）１/２ln((2α-d)/d) （3）
分析
從以上計算公式看來，在其他情況均理想的狀態(tài)下，由於一般的標準中都規(guī)定導(dǎo)體的直徑d=24AWG，而且從實際情況中看來，此d值也是最理想值，所以d可以看成不變值。這樣從上式看來影響特性阻抗值的只有外徑（外徑可以看成和導(dǎo)線間距α相等）、總的絞合係數(shù)（λ）、組合絕緣介質(zhì)的等效相對介電常數(shù)（εr）。而且，ZC正比於α和λ，反比於εr。所以只要控制好了α、λ、εr的值，也就能控制好了ZC。
以上只是從理想狀態(tài)中分析ZC。而實際生産控制中，單線導(dǎo)體和外徑的均勻性對ZC的波動也是很重要，所以要想生産出合格的網(wǎng)絡(luò)電纜，必須需要一臺串聯(lián)生產(chǎn)線；第二、三道工序絞對和成纜的節(jié)距及節(jié)距的穩(wěn)定性，對ZC也有很大影響，一般來說節(jié)距越小ZC越小，穩(wěn)定性也越好，ZC的波動越小。還有一些特殊的網(wǎng)絡(luò)電纜如阻水五類纜和屏蔽五類纜的阻水帶和遮罩層的鬆緊度及鬆緊的均勻性、厚度等也會很大程度的影響ZC。最後還有一點，生産工序的增加，也會降低ZC特性，所以要在保證要求的情況下儘量減少工序。
結(jié)束語
現(xiàn)在的標準中規(guī)定ZC=100+15Ω是很有它的必要性，是由它與外界阻抗的匹配要求和它本身在各個方面與衰減性能的相反性而決定的。在現(xiàn)代的寬帶網(wǎng)路中，ZC性能不好，很容易造成網(wǎng)路的掉包等網(wǎng)路運行的不正常現(xiàn)象。
［810707 在 2007-12-10 19:37:09 編輯過］
anneal - 退火,軟化,韌煉,老煉。將導(dǎo)體加熱后，再經(jīng)過冷卻，減輕其機械應(yīng)力，即所謂「退火」或「軟化」，鍚線經(jīng)過退火后，較為柔軟。 （0） 投訴
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