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[技術(shù)資料] 高頻對稱電纜設(shè)計與制造技術(shù)
P:2010-09-21 14:06:09
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摘要: 本文首先介紹了高頻對稱電纜幾個重要電性能指標及其改善措施，然后具體分析了電纜設(shè)計與制造過程中的一些技術(shù),并推導(dǎo)了對絞線最小退扭率的計算公式。
關(guān)鍵詞：串音 回波損耗 退扭率
1.前言
隨著計算機網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)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(jù)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對稱電纜，可是布完線后，檢測發(fā)現(xiàn)電纜的某些指標惡化了許多，尤其是近端串音衰減和結(jié)構(gòu)回波損耗兩項指標。所有這些，歸根到底都與電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝有關(guān)。
本文以1對、2對、4對高頻對稱電纜的設(shè)計制造為例，對設(shè)計和制造中的一些技術(shù)進行了探討。
2．高頻對稱電纜的幾個重要電性能指標及其改善措施
2.1 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(jù)串音產(chǎn)生的機理，減少線對間串音的方法有:
a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(chǔ);
b在條件允許情況下,加大線對間的距離;
c采用優(yōu)化的節(jié)距設(shè)計是提高串音防衛(wèi)度的有力措施;
d 采用線對屏蔽技術(shù)，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。
e 除此之外，保證相鄰線對維持TEM波傳輸也可有效地減少串音[1] ,這也是高頻對稱電纜設(shè)計中可用的另一種理念。我們知道，傳統(tǒng)對絞線結(jié)構(gòu)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。如果將對絞線用與絕緣具有相同等效相對介電常數(shù)且損耗角正切值低的材料擠一層護套(擠壓式)則大部分電磁場分布在絕緣和護套內(nèi)，幾乎沒有電力線從絕緣體散發(fā)出去（見圖1），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（ 比在絕緣體內(nèi)的傳播速度 快。電磁場的這種不均勻性會同時產(chǎn)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。圍繞線對的護套愈厚，串音改善就愈明顯。然而, 由于介質(zhì)損耗的原因,用這種方式來控制串音會導(dǎo)致衰減增加。
圖1 傳統(tǒng)的對絞線和圓形護套電纜的電磁場分布
不過，由于護套的加入為保證電纜的特性阻抗值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。因此，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。為了盡可能降低衰減，采用此思路設(shè)計電纜時通常采用泡沫絕緣和護套。
2.2 特性阻抗與結(jié)構(gòu)回波損耗
特性阻抗是電纜回路上任意點電壓波與電流波之比，并有
（1）
式中R、L、G、C分別為對稱回路的交流電阻、電感、導(dǎo)體間介質(zhì)電導(dǎo)和導(dǎo)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近似表示為
（2）
式中εe值與絕緣材料、絕緣類型、線對間填充介質(zhì)的相對介電常數(shù)有關(guān)；S為回路兩導(dǎo)體的中心距；d為導(dǎo)體直徑。在實際中常用輸入阻抗Zin來表述電纜的特性阻抗。其定義如下:
（3）
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(jié)構(gòu)的不均勻性，信號在傳輸過程中會產(chǎn)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(nèi)急劇惡化。因此，輸入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(jié)構(gòu)回波損耗來描述這種波動情況。結(jié)構(gòu)回波損耗SRL定義如下：
（4）
式中Zm為擬合阻抗。
由此定義可見，SRL實質(zhì)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(jié)構(gòu)偏差或缺陷。如絕緣外徑波動、導(dǎo)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(zhuǎn)造成導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(guān)系，而制造過程中這諸多的隨機缺陷之間又彼此間相互關(guān)聯(lián)，相互影響，錯綜復(fù)雜，因而難以分析輸入阻抗與某個缺陷的定量關(guān)系。但通過長期的生產(chǎn)實踐得知，生產(chǎn)過程中的隨機缺陷較小時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(jié)構(gòu)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(guān)系
（5）
式中f為SRL出現(xiàn)尖峰的的最低處的頻率值（MHz），T為結(jié)構(gòu)波動周期長度單位 （m）。
某企業(yè)在生產(chǎn)六類纜時，四對線的結(jié)構(gòu)回波損耗曲線總是在60MHz 120MHz和180MHz處出現(xiàn)SRL峰值。通過公式5計算得出T應(yīng)在1.9m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。
2.3 衰減
衰減是影響傳輸距離的又一重要因素。其值由以下三部分衰減組成
（6）
其中，金屬衰減主要由線對中兩根導(dǎo)線因高頻電阻產(chǎn)生的衰減和對周圍金屬（導(dǎo)線和屏蔽）反射電磁波而產(chǎn)生的衰減組成；介質(zhì)衰減與介質(zhì)的損耗角正切值、工作頻率和工作電容有關(guān)，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是由于阻抗不均勻造成波的反射，減小了波向前傳輸?shù)牧�，造成終端信號的減弱，其等效于有一附加的的“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(dǎo)致個別頻率點上衰減不合格。
降低衰減的主要途徑是
a. 選用介電常數(shù)和tgδ都低的絕緣料。
b. 采用合理的絕緣型式，如采用泡沫實心皮或泡沫或皮-泡-皮的絕緣型式。
c. 足量的導(dǎo)體尺寸、減小電纜結(jié)構(gòu)偏差和缺陷。
2.4 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(guān)鍵參數(shù)之一。有些通信協(xié)議對數(shù)據(jù)幀的最小長度有明確規(guī)定，如果鏈路的相時延過大(與電纜的相時延和鏈路上設(shè)備延時有關(guān)),在沖突發(fā)生時容易造成數(shù)據(jù)幀的丟失。從傳播速度 可知使用等效相對介電常數(shù)較小的絕緣結(jié)構(gòu)是降低相時延的重要途徑。線對間的相時延差過大會導(dǎo)致并行傳輸數(shù)據(jù)時幀的錯誤。減小線對間總的絞合系數(shù)差值或調(diào)整絕緣發(fā)泡度或微調(diào)絕緣外徑是解決相時延差的主要措施。
3．高頻電纜設(shè)計時需要注意的問題
設(shè)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(yīng)要求。在設(shè)計時最好采用計算機進行優(yōu)化設(shè)計。盡可能采用結(jié)構(gòu)簡單、加工容易的方式。
電纜產(chǎn)品最終是要用到具體的環(huán)境中去的，電纜被安裝后也應(yīng)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(yīng)正常使用環(huán)境能力。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(yīng)采用耐高溫的材料如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(jié)構(gòu)尺寸還應(yīng)滿足與相應(yīng)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制造商的重視。
最后，還應(yīng)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嚮蜻^大的性能指標裕度均會帶來過高的制造成本，降低性價比。
4．常見高頻對稱電纜結(jié)構(gòu)
4.1 常見高頻對稱電纜結(jié)構(gòu)概述
目前，常用的對稱電纜結(jié)構(gòu)有許多種，但其結(jié)構(gòu)及材料通常為：
導(dǎo)體：通常采用圓形金屬導(dǎo)線。根據(jù)使用的頻率和使用的環(huán)境不同，常用的材料有：
a. 裸銅導(dǎo)體：使用最廣的一種。
b. 鍍銀銅線：用于頻率較高的情況。由于集膚效應(yīng)的緣故，其高頻電阻較小，因而金屬衰減也小些，其次當采用氟塑料等材料絕緣時，其鍍銀層還具備較強的抗腐蝕作用，因而使用性能較好。
c. 銅包鋼：由于銅包鋼線的抗拉強度和撓性均較大，因此常常用于抗拉要求較高的平行線。
絕緣材料及絕緣型式：
最常用且最經(jīng)濟的絕緣材料是PE材料。其次，在有些使用場合還會用到氟塑料、輻照交聯(lián)聚乙烯等。
絕緣型式：最常見的是實心絕緣，有時為了降低衰減和縮小電纜尺寸也用泡沫或泡沫實心皮、皮-泡-皮絕緣型式。由于化學(xué)發(fā)泡不均會加大電容不平衡和降低機械性能（機械強度低會導(dǎo)致絕緣嚴重變形，影響SRL），同時發(fā)泡劑分解殘留物易吸潮使介電常數(shù)上升而影響電纜的傳輸質(zhì)量，故泡沫/實心皮、泡沫絕緣有逐漸被物理發(fā)泡取代的趨勢。如果采用化學(xué)發(fā)泡也宜選用品質(zhì)優(yōu)良的HDPE發(fā)泡料（如聯(lián)碳公司HDPE發(fā)泡料，牌號DGDA3487,此料發(fā)泡度在50%以內(nèi)時，其泡孔質(zhì)量與物理發(fā)泡效果相當）。由于低密度發(fā)泡料的機械強度較低，在后序工序或使用過程中容易變形，影響SRL指標,因此宜少用。
線組結(jié)構(gòu)：常見的線組結(jié)構(gòu)為對絞組，偶爾也會遇到星絞組。目前,還有不少的電纜采用粘連絕緣線結(jié)構(gòu),以確保S值在制造和使用過程中的波動和變化盡可能小,以提高阻抗的均勻性。圖2顯示了粘連線對與普通線對電纜在彎曲后S的變化情況。
圖2 粘連線對與普通線對在彎曲時頂端S值的變化情況示意圖
纜芯結(jié)構(gòu)：為了要保證纜芯中線對間分散電容的均勻性，以提高串音衰減和回波損耗，線組構(gòu)成纜芯時通常為采用規(guī)則絞合而不采用束絞。
屏蔽：根據(jù)電纜對抗外來干擾能力要求及使用要求的不同，常用的結(jié)構(gòu)有單個線組屏蔽、分組屏蔽或總屏蔽幾種。使用的材料常常為復(fù)合鋁箔、復(fù)合銅箔、銅線、鍍錫銅線或鍍銀銅線編織等。在普通線對外繞包鋁箔屏蔽時，會由于線組表面不平整導(dǎo)致屏蔽層也不是一個理想的圓柱體，導(dǎo)體離屏?xí)r近時遠，造成SRL值不理想。因此，在條件允許時應(yīng)盡可能采用線對護套的結(jié)構(gòu)，因為在線對護套外加屏蔽時，屏蔽離導(dǎo)體距離的波動情況大為改善，能有效地提高SRL值。
護套：根據(jù)使用環(huán)境的要求不同，常用的護套材料有PVC、LLDPE、橡膠、聚偏氟乙丙烯及其它阻燃材料。
4．2常見的高頻對稱電纜結(jié)構(gòu)實例及其優(yōu)缺點分析
以下組圖為常見的高頻對稱電纜典型結(jié)構(gòu)實例。這些結(jié)構(gòu)的差異主要是因其使用場合或電纜帶寬不同而引起�，F(xiàn)分別對其進行評述：
a)圖3、圖4分別為常見的三、四、五類和超五類UTP和FTP電纜結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是電纜結(jié)構(gòu)緊湊、加工方便，缺點是電纜安裝后的傳輸性能可能因電纜受拉、受壓而出現(xiàn)較大幅度降低。
b)圖5為常見的帶“+”字塑料骨架的的六類纜結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是電纜抗拉、抗壓較強，因而具有較好的安裝性能，其次，線對被“+”字塑料骨架分隔后，電纜的串音指標也有所改善。缺點是電纜外徑較大、需要加工骨架。圖6為帶腔形的塑料骨架的六類數(shù)據(jù)纜結(jié)構(gòu)，其優(yōu)缺點與前者相似，但更抗壓。
圖3 圖4 圖5 圖6
c) 圖7為帶內(nèi)護套的屏蔽星絞組電纜。其優(yōu)點是抗拉、抗壓能力較強，電纜安裝前后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電氣一致性較好，線組屏蔽加在護套后的線組上，導(dǎo)體與屏蔽間的距離波動較小，因而具有較好的SRL值。缺點是制造工藝較復(fù)雜，線組護套后，絕緣外徑、衰減、傳輸時延比不護套時略大。
d) 圖8為帶護套的屏蔽對絞組電纜。其優(yōu)點是抗拉、抗壓能力較強，電纜安裝前后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電氣一致性好，線對屏蔽加在護套后的線對上，導(dǎo)體與屏蔽間的距離波動較小，因而具有較好的SRL值。由于是單對線結(jié)構(gòu)，不存在電纜內(nèi)部串音的問題，因此對絞組還可以用平行線代替，內(nèi)護套材料也可以與絕緣料不同。缺點是制造工藝較復(fù)雜，線對護套后，絕緣外徑、衰減、相時延比不護套時略大。
圖7 圖8
e) 圖9、圖10分別是為帶護套的非屏蔽和屏蔽對絞組電纜。其優(yōu)點是抗拉、抗壓能力較強，電纜安裝前后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電氣一致性好。線對的兩導(dǎo)體中心距波動較小，因而具有較好的SRL值。另一方面，此充分利用了維持TEM傳播的模式，故其線組間的串音也改善很多。缺點是制造工藝較復(fù)雜，線組護套后，絕緣外徑、衰減、時延比不護套時略大。
圖9 圖10
f) 圖11、圖12為特殊條件下使用的非屏蔽對絞組電纜。其優(yōu)點是抗拉、抗壓能力較強，電纜安裝前后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電氣一致性好，絕緣導(dǎo)體相互粘連，單導(dǎo)體無法實現(xiàn)獨立旋轉(zhuǎn)，確保導(dǎo)體間距的一致性，而達到極其穩(wěn)定的阻抗和線對優(yōu)異的平衡性能。線對的兩導(dǎo)體中心距波動較小，因而具有較好的SRL值。另一方面，此充分利用了維持TEM傳播的模式，故其線組間的串音也改善很多。缺點是制造工藝較復(fù)雜，線組護套后，絕緣外徑、衰減和時延比不護套時略大。
g) 圖13、圖14為傳輸頻率可達1GHz以上的平行粘連線結(jié)構(gòu)。為了減少集膚效應(yīng)影響，用鍍銀退火銅線作為導(dǎo)體。由于在1GHz頻帶內(nèi)，如果采用對絞結(jié)構(gòu)，要想改變線對間的絞合節(jié)距使它們互不干擾很難做得到，也很難用屏蔽把每一個線對獨立分隔，因為在屏蔽內(nèi)很可能形成間隙。另外，由于屏蔽和信號線間的距離有波動也會引起阻抗的波動。此外，如果這些芯線絞合不均勻，那么一根單線的長度與線對另一根線的長度就不一樣，而這種差異很可能導(dǎo)致信號傳播延遲畸變。為此，采用了物理發(fā)泡沫絕緣的平行粘連線結(jié)構(gòu)。粘連線的S值變化很小，確保了SRL值。由于每個線組都采用了箔包繞包屏蔽（因為線對無絞合，故繞包層平整，提高了SRL值），因此，沒有節(jié)距時也不會造成線組間的串音。為了保持電磁場的對稱性，圖13所示結(jié)構(gòu)中，屏蔽連通線用了兩根，盡管這會帶來衰減的輕微增加，但其它指標得到改善，因此也是值得的。
圖11 圖12 圖13
圖14
5．高頻對稱電纜制造技術(shù)
高頻對稱電纜制造的關(guān)鍵是保持電纜在宏觀和微觀上結(jié)構(gòu)尺寸的精確和盡可能小的偏差。
5.1 絕緣
絕緣是高頻對稱電纜制造的基礎(chǔ)，絕緣芯線的質(zhì)量直接影響著能否成功生產(chǎn)出高頻對稱電纜, 因此，除了生產(chǎn)絞合導(dǎo)體高頻對稱纜外，為了保證絕緣線芯達到高度精密的幾何尺寸和最佳質(zhì)量，均毫無例外采用串聯(lián)線。下面介紹絕緣工序的幾個主要因素
5.1.1 嚴格控制導(dǎo)體和絕緣外徑的波動
通過對阻抗公式的分析得知：導(dǎo)體的波動比絕緣外徑的波動影響更大。因此，根據(jù)絕緣生產(chǎn)線的情況盡可能將導(dǎo)體波動控制在一個較小的范圍內(nèi)。對于六類以上的對稱電纜其波動應(yīng)控制在±0.002～±0.003mm以內(nèi)。絕緣外徑應(yīng)控制在±0.010～±0.015mm以內(nèi)。如果是粘連線，則導(dǎo)體中心距波動宜控制在3%以內(nèi)。
5.1.2 嚴格控制導(dǎo)體、絕緣的不圓度
當導(dǎo)體和絕緣不是理想的圓柱時會造成電場畸變，影響電場的分布，從而影響電纜的許多項電氣性能指標。影響導(dǎo)體不圓度的主要因素有成品拉絲�？撞粓A、導(dǎo)體在擠塑前所經(jīng)過過線輪上損傷。影響絕緣不圓度的主要因素有：擠塑模蓋孔不圓、擠塑溫度過高，在冷卻前熱的塑料因重力作用下墜而造成、絕緣芯線在過線輪上擦傷。導(dǎo)體最大不圓度不宜大于0.002mm。絕緣的最大不圓度不宜大于0.015mm。
5.1.3 嚴格控制絕緣偏心
絕緣偏心會影響對稱電纜的工作電容和電感從而引起阻抗的波動。通常情況下生產(chǎn)六類及以上電纜時同心度應(yīng)在97%以上。造成絕緣偏心的主要因素有：模芯與導(dǎo)體間的間隙過大造成導(dǎo)線在模芯內(nèi)晃動、擠塑溫度過高，在冷卻前熱的塑料因重力作用下墜而造成、模芯和模蓋同心度不夠。在國外，通常采用一種特殊設(shè)計的可微調(diào)偏的自定心機頭配合在線偏心監(jiān)測儀來調(diào)整同心度，其同心度可達98%以上。
5.1.4 絕緣顏色
高頻對稱電纜的絕緣芯線的顏色分為單色線和帶標志色（色環(huán)、色點和色條）線兩類。由于絕緣料中加入色母料后，常常會因為色母料內(nèi)部有礦物質(zhì)，它的不均勻分布會造成相對介電常數(shù)的不均勻，引發(fā)不同程度的反射波，同時也會增加介質(zhì)損耗角正切值，故生產(chǎn)六類以上電纜時，最好采用表皮著色技術(shù)，并盡可能降低顏色深度，從而減少色母料的不良影響。如果采用色環(huán)或色點作標志色時，宜在絕緣芯線未進入冷卻水槽前用油墨著色，否則色環(huán)或色點易脫落。由于在高速度絕緣線上使用印色環(huán)或色點著色的成本高、技術(shù)難度較大，因此，應(yīng)盡可能采用色條方式。
5.1.5 其它
嚴格控制絕緣附著力：導(dǎo)體與絕緣間的附著力過小，會造成后工序加工時導(dǎo)體與絕緣間的相對轉(zhuǎn)動，造成微觀上的不均勻，影響SRL值。附著力過大，在有些使用場合下，會影響使用。因此，應(yīng)根據(jù)電纜的具體情況確定附著力的控制范圍并嚴格控制。影響絕緣附著力的因素有：導(dǎo)體擠塑前的預(yù)熱溫度、導(dǎo)體的清潔程度、擠塑后的冷卻速度。
嚴格控制導(dǎo)體的伸率范圍：絕緣芯線在后序的加工過程中，因為張力的原因，會產(chǎn)生一定的拉伸，其伸長量與導(dǎo)體的伸率有關(guān)。因此，導(dǎo)體的伸率范圍過大時，會造成后工序加工中導(dǎo)體被不同程度拉細，加大導(dǎo)體線徑的波動范圍從而影響SRL值。生產(chǎn)六類及以上電纜時伸率波動宜控制在5-6%及以下。
盡量使絕緣表面光滑，這可以減小因絞對、成纜時絕緣芯線與絞弓或模具間的摩擦力帶來的各種損傷。
5.2 絞對和成纜
絞對的主要目的是利用交叉效應(yīng)來減小線組間的串音，對于退扭（部分或全部）式絞對在滿足一定條件時，還可以減少絕緣偏心及其它絕緣芯線徑向上的不均勻缺陷。成纜的主要目的是使線對絞合在一起構(gòu)成結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的纜芯。
根據(jù)絞對、成纜是合二為一還分開來完成，通常將絞對與成纜分為一步法和二步法。其中一步法是采用群絞,其最大優(yōu)點是將對絞、成纜兩工序合而為一，省除了對絞后的收繞和成纜時的放出，使對絞的反復(fù)彎曲減少，從而提高了電纜的質(zhì)量。但其缺點為生產(chǎn)效率低、投資大。二步法則是先用絞對機將絕緣線絞成線對，然后再用成纜機成纜，其特點是設(shè)備的投資較少，電纜的質(zhì)量稍差一些，但通過合理配置也能生產(chǎn)合格的電纜。國內(nèi)多采用二步法。
5.2.1 絞對節(jié)距范圍的選擇及控制
通常情況下，電纜的使用頻率越高，信號的波長就越短，絞對節(jié)距越小時平衡效果才好。但過小的絞合節(jié)距又會帶來生產(chǎn)效率低和絕緣芯線扭傷的問題。實踐中，當絕緣芯同心度達到94%以上時，五類纜的節(jié)距可取在10-18mm。絕緣同心度達到97%時，六類纜的節(jié)距可取在10-17mm左右，同心度達到98%以上時可取12-24mm左右。其他規(guī)格的對絞線節(jié)距可按絞對節(jié)距與絞對螺旋角的關(guān)系適當放大或減小。在線對節(jié)距設(shè)計時，應(yīng)保持兩個原則：1。相鄰線對的節(jié)距差盡可能大；2。相鄰和相近的線對節(jié)距不成低整數(shù)倍關(guān)系。
其次，需要控制絕緣芯線放線張力的均勻性和節(jié)距的波動范圍，通常放線張力和節(jié)距波動宜分別控制±10%和±2%以內(nèi)。
5.2.2 不退扭與退扭絞合
5.2.2.1 絞對過程中絕緣芯線的變化
對稱纜的絞對機根據(jù)其是否退扭及退扭量多少分為三大類：不退扭絞對機、部分退扭絞對機、和零扭絞絞對機。
不退扭絞對機
普通的絞對機是一種不退扭的絞對機。線對絞對過程中，兩根線繞著公共軸（線對線中心軸）公轉(zhuǎn)的同時，還會繞自己的軸線轉(zhuǎn)動，一個節(jié)距范圍內(nèi)其轉(zhuǎn)的角度為 （其中γ為絕緣芯線絞對時的螺旋升角）。這會帶來以下后果：
a) 線對節(jié)距很小，扭轉(zhuǎn)的次數(shù)很多，截面上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力集中嚴重，造成絕緣層的嚴重變形和損傷，最終造成電磁場的畸變，影響一些電氣指標如SRL值、衰減。
b) 當絕緣偏心存在時，由于絕緣單線的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)造成導(dǎo)體間的距離周期性變化帶來阻抗的周期性波動，波動周期比較長，在高頻傳輸時這種緩慢變化能被電磁波覺察，影響SRL值。
零扭絞絞對機
它是一種特殊設(shè)計的絞對機，在絞對過程中，兩線間只有公轉(zhuǎn)而不產(chǎn)生自轉(zhuǎn)。這種技術(shù)優(yōu)勢在于消除了絕緣芯線的自扭轉(zhuǎn)帶來的損傷，同時也把絕緣偏心造成的導(dǎo)體中心距離的波動周期縮短到一個節(jié)距內(nèi)（通常也小于電磁波波長的十六分之一）。根據(jù)電磁波傳播理論，當阻抗沿傳播方向上變化的周期小于等于八分之一波長時，電磁波將不易覺察到這種變化，因此，基本消除了絕緣偏心對SRL的影響。
部分退扭絞對機：
這類絞對機是通過一定的方法來減慢或等效地減慢絞對時絕緣單線的自轉(zhuǎn)速度，使線對導(dǎo)體間距離S完成一個周期變化所對應(yīng)的長度包含于若干絞對節(jié)距，但未超過電纜最高使用頻率對應(yīng)的1/8波長，那么線對阻抗也在較快的時間內(nèi)完成一個周期的快速變化，從而使線對總長度上的阻抗變化變得平滑。在這類絞對機中，實現(xiàn)的方式有兩種：
一種是先零扭絞絞對，然后再進行不退扭絞對，最終等效于部分退扭，其退扭率可從0%-100%范圍調(diào)整。
另一種是將絕緣單線先沿絞對時絕緣單線自轉(zhuǎn)方向相反的方向扭轉(zhuǎn)一定的角度，在絞對后也等效地實現(xiàn)了部分退扭，由于有大角度的反復(fù)扭轉(zhuǎn)，因而這種退扭技術(shù)對絕緣芯線仍有一定的損傷，實踐證明隨著退扭率的增加，導(dǎo)體與絕緣層的結(jié)合強度、銅線的內(nèi)應(yīng)力、絕緣表面等都受到破壞，且這種破壞程度幾乎隨著退扭率呈線性關(guān)系增加。特性阻抗波動幅度隨著退扭率從0開始至某一數(shù)值的范圍內(nèi)時呈線性減小，當退扭率達到這數(shù)值后，阻抗的波動幅度又隨著退扭率的增加呈線性增加，但增加的幅度比減小的幅度要緩慢些，其結(jié)果如圖15所示。最小退扭率是單線直徑、絞對節(jié)距的函數(shù)(詳見本文附錄)，通常在5-35%, 六類纜最佳退扭率大至為24-25%。所以，這種絞對機生產(chǎn)六類以上的電纜（此時退扭率通常要求大于30%）時存在著一些問題。
圖15 預(yù)退扭型絞對生產(chǎn)過程中單線損傷程度、阻抗波動縮小程度與退扭率關(guān)系
5.2.2.2 最小值退扭率的確定
由本文附錄得知，要消除絕緣偏心對SRL的影響，就必須進行退扭。只有達到最小退扭率時絕緣偏心對SRL的影響才基本消除。表1給出了生產(chǎn)五類、六類、七類纜，絞對節(jié)距在10-18mm時，生產(chǎn)各類纜需要的最小退扭率。從中可以看出生產(chǎn)這幾種電纜時最小退扭率應(yīng)不小于5%、14%、35%。這也是用普通絞對機生產(chǎn)五類纜合格率低的原因之一。
對于零扭絞絞對機而言, 退扭率越大則S值的波動周期越小,絕緣芯線的扭傷也越小,因而阻抗波動也就越小，但此時的生產(chǎn)效率低；對于預(yù)扭絞絞對機，退扭率過大會影響絕緣的損傷程度，這就是在實際生產(chǎn)過程中通常不采用完全退扭的原因。通常情況下，預(yù)扭絞絞對機常退扭25%； 零扭絞絞對機退扭率33%（此時生產(chǎn)效率最高）。
表1 生產(chǎn)不同類別的電纜時(節(jié)距10-18mm)所需最小退扭率。
電纜類別 最高工作頻率 1/8波長 絞合節(jié)距 最小退扭率(%)
五類 100MHz 290mm 10 不需要退扭
18 4.9
六類 250MHz 116mm 10 3.3
18 13.7
七類 600MHz 48mm 10 15.3
18 35.5
5.2.3 成纜節(jié)距
根據(jù)目前的生產(chǎn)經(jīng)驗，在成纜過程中應(yīng)保證以下幾點：
a) 各組線張力適宜，使纜芯的結(jié)構(gòu)既保持對稱又不過分擠壓。
b) 成纜節(jié)距通常按節(jié)徑比25-30左右選擇。
c) 采取主動放線，最好具有自動對中功能,以減小絞對節(jié)距的破壞程度。
5.2.4絞對與成纜的絞向
對于非退扭式成纜機，絞對和成纜同向絞合時，電纜護套后在內(nèi)應(yīng)力的作用下可能有“打扣”現(xiàn)象，反向絞合則不明顯。同向絞合使線對具有“增扭”的效果，反向則具有“減扭”效果,增扭會使兩導(dǎo)體間的距離相對較穩(wěn)定，減扭則破壞其穩(wěn)定性。其影響效果如圖16所示。實踐證明，在其它條件相同下同向絞合更好！為了盡可能減小同向絞合的不良影響，最好使用退扭式成纜機。
圖16 絞對、成纜同向和反向絞合時對絞對線的影響
5.3 屏蔽
導(dǎo)體對屏蔽間的距離發(fā)生變化, 特別是周期性變化，且變化周期為電磁波波長一半的整數(shù)倍時，會對SRL值產(chǎn)生較大影響。因此，繞包、編織屏蔽的繞包節(jié)距、編織節(jié)距應(yīng)盡可能小于電纜最高傳輸對應(yīng)電磁波波長的一半，最好是小于波長的1/8。其次，要盡可能使屏蔽層內(nèi)表面離導(dǎo)體的波動減小。
5.4 護套
護套時護套不宜過松和過緊，過松的護套會使電纜使用時因外力作用使線對發(fā)生相對滑動, 影響SRL值。過緊會使絕緣層受壓，也會影響電纜衰減。為了減小纜芯放出時對纜芯的破壞，最好采用自動對中式主動放線架。
6．結(jié)束語
一方面,在設(shè)計高頻對稱電纜時應(yīng)充分考慮其安裝性能; 另一方面,高頻對稱電纜是各制造工序不斷改善和提高的產(chǎn)物，只有對制造中的每一個細節(jié)均加以重視才行, 片面地強調(diào)某一細節(jié)都可能帶來事倍功半的效果。
關(guān)鍵詞：串音 回波損耗 退扭率
1.前言
隨著計算機網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)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(jù)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對稱電纜，可是布完線后，檢測發(fā)現(xiàn)電纜的某些指標惡化了許多，尤其是近端串音衰減和結(jié)構(gòu)回波損耗兩項指標。所有這些，歸根到底都與電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造工藝有關(guān)。
本文以1對、2對、4對高頻對稱電纜的設(shè)計制造為例，對設(shè)計和制造中的一些技術(shù)進行了探討。
2．高頻對稱電纜的幾個重要電性能指標及其改善措施
2.1 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(jù)串音產(chǎn)生的機理，減少線對間串音的方法有:
a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(chǔ);
b在條件允許情況下,加大線對間的距離;
c采用優(yōu)化的節(jié)距設(shè)計是提高串音防衛(wèi)度的有力措施;
d 采用線對屏蔽技術(shù)，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。
e 除此之外，保證相鄰線對維持TEM波傳輸也可有效地減少串音[1] ,這也是高頻對稱電纜設(shè)計中可用的另一種理念。我們知道，傳統(tǒng)對絞線結(jié)構(gòu)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。如果將對絞線用與絕緣具有相同等效相對介電常數(shù)且損耗角正切值低的材料擠一層護套(擠壓式)則大部分電磁場分布在絕緣和護套內(nèi)，幾乎沒有電力線從絕緣體散發(fā)出去（見圖1），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（ 比在絕緣體內(nèi)的傳播速度 快。電磁場的這種不均勻性會同時產(chǎn)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。圍繞線對的護套愈厚，串音改善就愈明顯。然而, 由于介質(zhì)損耗的原因,用這種方式來控制串音會導(dǎo)致衰減增加。
圖1 傳統(tǒng)的對絞線和圓形護套電纜的電磁場分布
不過，由于護套的加入為保證電纜的特性阻抗值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。因此，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。為了盡可能降低衰減，采用此思路設(shè)計電纜時通常采用泡沫絕緣和護套。
2.2 特性阻抗與結(jié)構(gòu)回波損耗
特性阻抗是電纜回路上任意點電壓波與電流波之比，并有
（1）
式中R、L、G、C分別為對稱回路的交流電阻、電感、導(dǎo)體間介質(zhì)電導(dǎo)和導(dǎo)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近似表示為
（2）
式中εe值與絕緣材料、絕緣類型、線對間填充介質(zhì)的相對介電常數(shù)有關(guān)；S為回路兩導(dǎo)體的中心距；d為導(dǎo)體直徑。在實際中常用輸入阻抗Zin來表述電纜的特性阻抗。其定義如下:
（3）
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(jié)構(gòu)的不均勻性，信號在傳輸過程中會產(chǎn)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(nèi)急劇惡化。因此，輸入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(jié)構(gòu)回波損耗來描述這種波動情況。結(jié)構(gòu)回波損耗SRL定義如下：
（4）
式中Zm為擬合阻抗。
由此定義可見，SRL實質(zhì)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(jié)構(gòu)偏差或缺陷。如絕緣外徑波動、導(dǎo)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(zhuǎn)造成導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(guān)系，而制造過程中這諸多的隨機缺陷之間又彼此間相互關(guān)聯(lián)，相互影響，錯綜復(fù)雜，因而難以分析輸入阻抗與某個缺陷的定量關(guān)系。但通過長期的生產(chǎn)實踐得知，生產(chǎn)過程中的隨機缺陷較小時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(jié)構(gòu)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(guān)系
（5）
式中f為SRL出現(xiàn)尖峰的的最低處的頻率值（MHz），T為結(jié)構(gòu)波動周期長度單位 （m）。
某企業(yè)在生產(chǎn)六類纜時，四對線的結(jié)構(gòu)回波損耗曲線總是在60MHz 120MHz和180MHz處出現(xiàn)SRL峰值。通過公式5計算得出T應(yīng)在1.9m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。
2.3 衰減
衰減是影響傳輸距離的又一重要因素。其值由以下三部分衰減組成
（6）
其中，金屬衰減主要由線對中兩根導(dǎo)線因高頻電阻產(chǎn)生的衰減和對周圍金屬（導(dǎo)線和屏蔽）反射電磁波而產(chǎn)生的衰減組成；介質(zhì)衰減與介質(zhì)的損耗角正切值、工作頻率和工作電容有關(guān)，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是由于阻抗不均勻造成波的反射，減小了波向前傳輸?shù)牧�，造成終端信號的減弱，其等效于有一附加的的“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(dǎo)致個別頻率點上衰減不合格。
降低衰減的主要途徑是
a. 選用介電常數(shù)和tgδ都低的絕緣料。
b. 采用合理的絕緣型式，如采用泡沫實心皮或泡沫或皮-泡-皮的絕緣型式。
c. 足量的導(dǎo)體尺寸、減小電纜結(jié)構(gòu)偏差和缺陷。
2.4 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(guān)鍵參數(shù)之一。有些通信協(xié)議對數(shù)據(jù)幀的最小長度有明確規(guī)定，如果鏈路的相時延過大(與電纜的相時延和鏈路上設(shè)備延時有關(guān)),在沖突發(fā)生時容易造成數(shù)據(jù)幀的丟失。從傳播速度 可知使用等效相對介電常數(shù)較小的絕緣結(jié)構(gòu)是降低相時延的重要途徑。線對間的相時延差過大會導(dǎo)致并行傳輸數(shù)據(jù)時幀的錯誤。減小線對間總的絞合系數(shù)差值或調(diào)整絕緣發(fā)泡度或微調(diào)絕緣外徑是解決相時延差的主要措施。
3．高頻電纜設(shè)計時需要注意的問題
設(shè)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(yīng)要求。在設(shè)計時最好采用計算機進行優(yōu)化設(shè)計。盡可能采用結(jié)構(gòu)簡單、加工容易的方式。
電纜產(chǎn)品最終是要用到具體的環(huán)境中去的，電纜被安裝后也應(yīng)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(yīng)正常使用環(huán)境能力。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(yīng)采用耐高溫的材料如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(jié)構(gòu)尺寸還應(yīng)滿足與相應(yīng)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制造商的重視。
最后，還應(yīng)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嚮蜻^大的性能指標裕度均會帶來過高的制造成本，降低性價比。
4．常見高頻對稱電纜結(jié)構(gòu)
4.1 常見高頻對稱電纜結(jié)構(gòu)概述
目前，常用的對稱電纜結(jié)構(gòu)有許多種，但其結(jié)構(gòu)及材料通常為：
導(dǎo)體：通常采用圓形金屬導(dǎo)線。根據(jù)使用的頻率和使用的環(huán)境不同，常用的材料有：
a. 裸銅導(dǎo)體：使用最廣的一種。
b. 鍍銀銅線：用于頻率較高的情況。由于集膚效應(yīng)的緣故，其高頻電阻較小，因而金屬衰減也小些，其次當采用氟塑料等材料絕緣時，其鍍銀層還具備較強的抗腐蝕作用，因而使用性能較好。
c. 銅包鋼：由于銅包鋼線的抗拉強度和撓性均較大，因此常常用于抗拉要求較高的平行線。
絕緣材料及絕緣型式：
最常用且最經(jīng)濟的絕緣材料是PE材料。其次，在有些使用場合還會用到氟塑料、輻照交聯(lián)聚乙烯等。
絕緣型式：最常見的是實心絕緣，有時為了降低衰減和縮小電纜尺寸也用泡沫或泡沫實心皮、皮-泡-皮絕緣型式。由于化學(xué)發(fā)泡不均會加大電容不平衡和降低機械性能（機械強度低會導(dǎo)致絕緣嚴重變形，影響SRL），同時發(fā)泡劑分解殘留物易吸潮使介電常數(shù)上升而影響電纜的傳輸質(zhì)量，故泡沫/實心皮、泡沫絕緣有逐漸被物理發(fā)泡取代的趨勢。如果采用化學(xué)發(fā)泡也宜選用品質(zhì)優(yōu)良的HDPE發(fā)泡料（如聯(lián)碳公司HDPE發(fā)泡料，牌號DGDA3487,此料發(fā)泡度在50%以內(nèi)時，其泡孔質(zhì)量與物理發(fā)泡效果相當）。由于低密度發(fā)泡料的機械強度較低，在后序工序或使用過程中容易變形，影響SRL指標,因此宜少用。
線組結(jié)構(gòu)：常見的線組結(jié)構(gòu)為對絞組，偶爾也會遇到星絞組。目前,還有不少的電纜采用粘連絕緣線結(jié)構(gòu),以確保S值在制造和使用過程中的波動和變化盡可能小,以提高阻抗的均勻性。圖2顯示了粘連線對與普通線對電纜在彎曲后S的變化情況。
圖2 粘連線對與普通線對在彎曲時頂端S值的變化情況示意圖
纜芯結(jié)構(gòu)：為了要保證纜芯中線對間分散電容的均勻性，以提高串音衰減和回波損耗，線組構(gòu)成纜芯時通常為采用規(guī)則絞合而不采用束絞。
屏蔽：根據(jù)電纜對抗外來干擾能力要求及使用要求的不同，常用的結(jié)構(gòu)有單個線組屏蔽、分組屏蔽或總屏蔽幾種。使用的材料常常為復(fù)合鋁箔、復(fù)合銅箔、銅線、鍍錫銅線或鍍銀銅線編織等。在普通線對外繞包鋁箔屏蔽時，會由于線組表面不平整導(dǎo)致屏蔽層也不是一個理想的圓柱體，導(dǎo)體離屏?xí)r近時遠，造成SRL值不理想。因此，在條件允許時應(yīng)盡可能采用線對護套的結(jié)構(gòu)，因為在線對護套外加屏蔽時，屏蔽離導(dǎo)體距離的波動情況大為改善，能有效地提高SRL值。
護套：根據(jù)使用環(huán)境的要求不同，常用的護套材料有PVC、LLDPE、橡膠、聚偏氟乙丙烯及其它阻燃材料。
4．2常見的高頻對稱電纜結(jié)構(gòu)實例及其優(yōu)缺點分析
以下組圖為常見的高頻對稱電纜典型結(jié)構(gòu)實例。這些結(jié)構(gòu)的差異主要是因其使用場合或電纜帶寬不同而引起�，F(xiàn)分別對其進行評述：
a)圖3、圖4分別為常見的三、四、五類和超五類UTP和FTP電纜結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是電纜結(jié)構(gòu)緊湊、加工方便，缺點是電纜安裝后的傳輸性能可能因電纜受拉、受壓而出現(xiàn)較大幅度降低。
b)圖5為常見的帶“+”字塑料骨架的的六類纜結(jié)構(gòu)。其優(yōu)點是電纜抗拉、抗壓較強，因而具有較好的安裝性能，其次，線對被“+”字塑料骨架分隔后，電纜的串音指標也有所改善。缺點是電纜外徑較大、需要加工骨架。圖6為帶腔形的塑料骨架的六類數(shù)據(jù)纜結(jié)構(gòu)，其優(yōu)缺點與前者相似，但更抗壓。
圖3 圖4 圖5 圖6
c) 圖7為帶內(nèi)護套的屏蔽星絞組電纜。其優(yōu)點是抗拉、抗壓能力較強，電纜安裝前后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電氣一致性較好，線組屏蔽加在護套后的線組上，導(dǎo)體與屏蔽間的距離波動較小，因而具有較好的SRL值。缺點是制造工藝較復(fù)雜，線組護套后，絕緣外徑、衰減、傳輸時延比不護套時略大。
d) 圖8為帶護套的屏蔽對絞組電纜。其優(yōu)點是抗拉、抗壓能力較強，電纜安裝前后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電氣一致性好，線對屏蔽加在護套后的線對上，導(dǎo)體與屏蔽間的距離波動較小，因而具有較好的SRL值。由于是單對線結(jié)構(gòu)，不存在電纜內(nèi)部串音的問題，因此對絞組還可以用平行線代替，內(nèi)護套材料也可以與絕緣料不同。缺點是制造工藝較復(fù)雜，線對護套后，絕緣外徑、衰減、相時延比不護套時略大。
圖7 圖8
e) 圖9、圖10分別是為帶護套的非屏蔽和屏蔽對絞組電纜。其優(yōu)點是抗拉、抗壓能力較強，電纜安裝前后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電氣一致性好。線對的兩導(dǎo)體中心距波動較小，因而具有較好的SRL值。另一方面，此充分利用了維持TEM傳播的模式，故其線組間的串音也改善很多。缺點是制造工藝較復(fù)雜，線組護套后，絕緣外徑、衰減、時延比不護套時略大。
圖9 圖10
f) 圖11、圖12為特殊條件下使用的非屏蔽對絞組電纜。其優(yōu)點是抗拉、抗壓能力較強，電纜安裝前后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電氣一致性好，絕緣導(dǎo)體相互粘連，單導(dǎo)體無法實現(xiàn)獨立旋轉(zhuǎn)，確保導(dǎo)體間距的一致性，而達到極其穩(wěn)定的阻抗和線對優(yōu)異的平衡性能。線對的兩導(dǎo)體中心距波動較小，因而具有較好的SRL值。另一方面，此充分利用了維持TEM傳播的模式，故其線組間的串音也改善很多。缺點是制造工藝較復(fù)雜，線組護套后，絕緣外徑、衰減和時延比不護套時略大。
g) 圖13、圖14為傳輸頻率可達1GHz以上的平行粘連線結(jié)構(gòu)。為了減少集膚效應(yīng)影響，用鍍銀退火銅線作為導(dǎo)體。由于在1GHz頻帶內(nèi)，如果采用對絞結(jié)構(gòu)，要想改變線對間的絞合節(jié)距使它們互不干擾很難做得到，也很難用屏蔽把每一個線對獨立分隔，因為在屏蔽內(nèi)很可能形成間隙。另外，由于屏蔽和信號線間的距離有波動也會引起阻抗的波動。此外，如果這些芯線絞合不均勻，那么一根單線的長度與線對另一根線的長度就不一樣，而這種差異很可能導(dǎo)致信號傳播延遲畸變。為此，采用了物理發(fā)泡沫絕緣的平行粘連線結(jié)構(gòu)。粘連線的S值變化很小，確保了SRL值。由于每個線組都采用了箔包繞包屏蔽（因為線對無絞合，故繞包層平整，提高了SRL值），因此，沒有節(jié)距時也不會造成線組間的串音。為了保持電磁場的對稱性，圖13所示結(jié)構(gòu)中，屏蔽連通線用了兩根，盡管這會帶來衰減的輕微增加，但其它指標得到改善，因此也是值得的。
圖11 圖12 圖13
圖14
5．高頻對稱電纜制造技術(shù)
高頻對稱電纜制造的關(guān)鍵是保持電纜在宏觀和微觀上結(jié)構(gòu)尺寸的精確和盡可能小的偏差。
5.1 絕緣
絕緣是高頻對稱電纜制造的基礎(chǔ)，絕緣芯線的質(zhì)量直接影響著能否成功生產(chǎn)出高頻對稱電纜, 因此，除了生產(chǎn)絞合導(dǎo)體高頻對稱纜外，為了保證絕緣線芯達到高度精密的幾何尺寸和最佳質(zhì)量，均毫無例外采用串聯(lián)線。下面介紹絕緣工序的幾個主要因素
5.1.1 嚴格控制導(dǎo)體和絕緣外徑的波動
通過對阻抗公式的分析得知：導(dǎo)體的波動比絕緣外徑的波動影響更大。因此，根據(jù)絕緣生產(chǎn)線的情況盡可能將導(dǎo)體波動控制在一個較小的范圍內(nèi)。對于六類以上的對稱電纜其波動應(yīng)控制在±0.002～±0.003mm以內(nèi)。絕緣外徑應(yīng)控制在±0.010～±0.015mm以內(nèi)。如果是粘連線，則導(dǎo)體中心距波動宜控制在3%以內(nèi)。
5.1.2 嚴格控制導(dǎo)體、絕緣的不圓度
當導(dǎo)體和絕緣不是理想的圓柱時會造成電場畸變，影響電場的分布，從而影響電纜的許多項電氣性能指標。影響導(dǎo)體不圓度的主要因素有成品拉絲�？撞粓A、導(dǎo)體在擠塑前所經(jīng)過過線輪上損傷。影響絕緣不圓度的主要因素有：擠塑模蓋孔不圓、擠塑溫度過高，在冷卻前熱的塑料因重力作用下墜而造成、絕緣芯線在過線輪上擦傷。導(dǎo)體最大不圓度不宜大于0.002mm。絕緣的最大不圓度不宜大于0.015mm。
5.1.3 嚴格控制絕緣偏心
絕緣偏心會影響對稱電纜的工作電容和電感從而引起阻抗的波動。通常情況下生產(chǎn)六類及以上電纜時同心度應(yīng)在97%以上。造成絕緣偏心的主要因素有：模芯與導(dǎo)體間的間隙過大造成導(dǎo)線在模芯內(nèi)晃動、擠塑溫度過高，在冷卻前熱的塑料因重力作用下墜而造成、模芯和模蓋同心度不夠。在國外，通常采用一種特殊設(shè)計的可微調(diào)偏的自定心機頭配合在線偏心監(jiān)測儀來調(diào)整同心度，其同心度可達98%以上。
5.1.4 絕緣顏色
高頻對稱電纜的絕緣芯線的顏色分為單色線和帶標志色（色環(huán)、色點和色條）線兩類。由于絕緣料中加入色母料后，常常會因為色母料內(nèi)部有礦物質(zhì)，它的不均勻分布會造成相對介電常數(shù)的不均勻，引發(fā)不同程度的反射波，同時也會增加介質(zhì)損耗角正切值，故生產(chǎn)六類以上電纜時，最好采用表皮著色技術(shù)，并盡可能降低顏色深度，從而減少色母料的不良影響。如果采用色環(huán)或色點作標志色時，宜在絕緣芯線未進入冷卻水槽前用油墨著色，否則色環(huán)或色點易脫落。由于在高速度絕緣線上使用印色環(huán)或色點著色的成本高、技術(shù)難度較大，因此，應(yīng)盡可能采用色條方式。
5.1.5 其它
嚴格控制絕緣附著力：導(dǎo)體與絕緣間的附著力過小，會造成后工序加工時導(dǎo)體與絕緣間的相對轉(zhuǎn)動，造成微觀上的不均勻，影響SRL值。附著力過大，在有些使用場合下，會影響使用。因此，應(yīng)根據(jù)電纜的具體情況確定附著力的控制范圍并嚴格控制。影響絕緣附著力的因素有：導(dǎo)體擠塑前的預(yù)熱溫度、導(dǎo)體的清潔程度、擠塑后的冷卻速度。
嚴格控制導(dǎo)體的伸率范圍：絕緣芯線在后序的加工過程中，因為張力的原因，會產(chǎn)生一定的拉伸，其伸長量與導(dǎo)體的伸率有關(guān)。因此，導(dǎo)體的伸率范圍過大時，會造成后工序加工中導(dǎo)體被不同程度拉細，加大導(dǎo)體線徑的波動范圍從而影響SRL值。生產(chǎn)六類及以上電纜時伸率波動宜控制在5-6%及以下。
盡量使絕緣表面光滑，這可以減小因絞對、成纜時絕緣芯線與絞弓或模具間的摩擦力帶來的各種損傷。
5.2 絞對和成纜
絞對的主要目的是利用交叉效應(yīng)來減小線組間的串音，對于退扭（部分或全部）式絞對在滿足一定條件時，還可以減少絕緣偏心及其它絕緣芯線徑向上的不均勻缺陷。成纜的主要目的是使線對絞合在一起構(gòu)成結(jié)構(gòu)比較穩(wěn)定的纜芯。
根據(jù)絞對、成纜是合二為一還分開來完成，通常將絞對與成纜分為一步法和二步法。其中一步法是采用群絞,其最大優(yōu)點是將對絞、成纜兩工序合而為一，省除了對絞后的收繞和成纜時的放出，使對絞的反復(fù)彎曲減少，從而提高了電纜的質(zhì)量。但其缺點為生產(chǎn)效率低、投資大。二步法則是先用絞對機將絕緣線絞成線對，然后再用成纜機成纜，其特點是設(shè)備的投資較少，電纜的質(zhì)量稍差一些，但通過合理配置也能生產(chǎn)合格的電纜。國內(nèi)多采用二步法。
5.2.1 絞對節(jié)距范圍的選擇及控制
通常情況下，電纜的使用頻率越高，信號的波長就越短，絞對節(jié)距越小時平衡效果才好。但過小的絞合節(jié)距又會帶來生產(chǎn)效率低和絕緣芯線扭傷的問題。實踐中，當絕緣芯同心度達到94%以上時，五類纜的節(jié)距可取在10-18mm。絕緣同心度達到97%時，六類纜的節(jié)距可取在10-17mm左右，同心度達到98%以上時可取12-24mm左右。其他規(guī)格的對絞線節(jié)距可按絞對節(jié)距與絞對螺旋角的關(guān)系適當放大或減小。在線對節(jié)距設(shè)計時，應(yīng)保持兩個原則：1。相鄰線對的節(jié)距差盡可能大；2。相鄰和相近的線對節(jié)距不成低整數(shù)倍關(guān)系。
其次，需要控制絕緣芯線放線張力的均勻性和節(jié)距的波動范圍，通常放線張力和節(jié)距波動宜分別控制±10%和±2%以內(nèi)。
5.2.2 不退扭與退扭絞合
5.2.2.1 絞對過程中絕緣芯線的變化
對稱纜的絞對機根據(jù)其是否退扭及退扭量多少分為三大類：不退扭絞對機、部分退扭絞對機、和零扭絞絞對機。
不退扭絞對機
普通的絞對機是一種不退扭的絞對機。線對絞對過程中，兩根線繞著公共軸（線對線中心軸）公轉(zhuǎn)的同時，還會繞自己的軸線轉(zhuǎn)動，一個節(jié)距范圍內(nèi)其轉(zhuǎn)的角度為 （其中γ為絕緣芯線絞對時的螺旋升角）。這會帶來以下后果：
a) 線對節(jié)距很小，扭轉(zhuǎn)的次數(shù)很多，截面上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力集中嚴重，造成絕緣層的嚴重變形和損傷，最終造成電磁場的畸變，影響一些電氣指標如SRL值、衰減。
b) 當絕緣偏心存在時，由于絕緣單線的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)造成導(dǎo)體間的距離周期性變化帶來阻抗的周期性波動，波動周期比較長，在高頻傳輸時這種緩慢變化能被電磁波覺察，影響SRL值。
零扭絞絞對機
它是一種特殊設(shè)計的絞對機，在絞對過程中，兩線間只有公轉(zhuǎn)而不產(chǎn)生自轉(zhuǎn)。這種技術(shù)優(yōu)勢在于消除了絕緣芯線的自扭轉(zhuǎn)帶來的損傷，同時也把絕緣偏心造成的導(dǎo)體中心距離的波動周期縮短到一個節(jié)距內(nèi)（通常也小于電磁波波長的十六分之一）。根據(jù)電磁波傳播理論，當阻抗沿傳播方向上變化的周期小于等于八分之一波長時，電磁波將不易覺察到這種變化，因此，基本消除了絕緣偏心對SRL的影響。
部分退扭絞對機：
這類絞對機是通過一定的方法來減慢或等效地減慢絞對時絕緣單線的自轉(zhuǎn)速度，使線對導(dǎo)體間距離S完成一個周期變化所對應(yīng)的長度包含于若干絞對節(jié)距，但未超過電纜最高使用頻率對應(yīng)的1/8波長，那么線對阻抗也在較快的時間內(nèi)完成一個周期的快速變化，從而使線對總長度上的阻抗變化變得平滑。在這類絞對機中，實現(xiàn)的方式有兩種：
一種是先零扭絞絞對，然后再進行不退扭絞對，最終等效于部分退扭，其退扭率可從0%-100%范圍調(diào)整。
另一種是將絕緣單線先沿絞對時絕緣單線自轉(zhuǎn)方向相反的方向扭轉(zhuǎn)一定的角度，在絞對后也等效地實現(xiàn)了部分退扭，由于有大角度的反復(fù)扭轉(zhuǎn)，因而這種退扭技術(shù)對絕緣芯線仍有一定的損傷，實踐證明隨著退扭率的增加，導(dǎo)體與絕緣層的結(jié)合強度、銅線的內(nèi)應(yīng)力、絕緣表面等都受到破壞，且這種破壞程度幾乎隨著退扭率呈線性關(guān)系增加。特性阻抗波動幅度隨著退扭率從0開始至某一數(shù)值的范圍內(nèi)時呈線性減小，當退扭率達到這數(shù)值后，阻抗的波動幅度又隨著退扭率的增加呈線性增加，但增加的幅度比減小的幅度要緩慢些，其結(jié)果如圖15所示。最小退扭率是單線直徑、絞對節(jié)距的函數(shù)(詳見本文附錄)，通常在5-35%, 六類纜最佳退扭率大至為24-25%。所以，這種絞對機生產(chǎn)六類以上的電纜（此時退扭率通常要求大于30%）時存在著一些問題。
圖15 預(yù)退扭型絞對生產(chǎn)過程中單線損傷程度、阻抗波動縮小程度與退扭率關(guān)系
5.2.2.2 最小值退扭率的確定
由本文附錄得知，要消除絕緣偏心對SRL的影響，就必須進行退扭。只有達到最小退扭率時絕緣偏心對SRL的影響才基本消除。表1給出了生產(chǎn)五類、六類、七類纜，絞對節(jié)距在10-18mm時，生產(chǎn)各類纜需要的最小退扭率。從中可以看出生產(chǎn)這幾種電纜時最小退扭率應(yīng)不小于5%、14%、35%。這也是用普通絞對機生產(chǎn)五類纜合格率低的原因之一。
對于零扭絞絞對機而言, 退扭率越大則S值的波動周期越小,絕緣芯線的扭傷也越小,因而阻抗波動也就越小，但此時的生產(chǎn)效率低；對于預(yù)扭絞絞對機，退扭率過大會影響絕緣的損傷程度，這就是在實際生產(chǎn)過程中通常不采用完全退扭的原因。通常情況下，預(yù)扭絞絞對機常退扭25%； 零扭絞絞對機退扭率33%（此時生產(chǎn)效率最高）。
表1 生產(chǎn)不同類別的電纜時(節(jié)距10-18mm)所需最小退扭率。
電纜類別 最高工作頻率 1/8波長 絞合節(jié)距 最小退扭率(%)
五類 100MHz 290mm 10 不需要退扭
18 4.9
六類 250MHz 116mm 10 3.3
18 13.7
七類 600MHz 48mm 10 15.3
18 35.5
5.2.3 成纜節(jié)距
根據(jù)目前的生產(chǎn)經(jīng)驗，在成纜過程中應(yīng)保證以下幾點：
a) 各組線張力適宜，使纜芯的結(jié)構(gòu)既保持對稱又不過分擠壓。
b) 成纜節(jié)距通常按節(jié)徑比25-30左右選擇。
c) 采取主動放線，最好具有自動對中功能,以減小絞對節(jié)距的破壞程度。
5.2.4絞對與成纜的絞向
對于非退扭式成纜機，絞對和成纜同向絞合時，電纜護套后在內(nèi)應(yīng)力的作用下可能有“打扣”現(xiàn)象，反向絞合則不明顯。同向絞合使線對具有“增扭”的效果，反向則具有“減扭”效果,增扭會使兩導(dǎo)體間的距離相對較穩(wěn)定，減扭則破壞其穩(wěn)定性。其影響效果如圖16所示。實踐證明，在其它條件相同下同向絞合更好！為了盡可能減小同向絞合的不良影響，最好使用退扭式成纜機。
圖16 絞對、成纜同向和反向絞合時對絞對線的影響
5.3 屏蔽
導(dǎo)體對屏蔽間的距離發(fā)生變化, 特別是周期性變化，且變化周期為電磁波波長一半的整數(shù)倍時，會對SRL值產(chǎn)生較大影響。因此，繞包、編織屏蔽的繞包節(jié)距、編織節(jié)距應(yīng)盡可能小于電纜最高傳輸對應(yīng)電磁波波長的一半，最好是小于波長的1/8。其次，要盡可能使屏蔽層內(nèi)表面離導(dǎo)體的波動減小。
5.4 護套
護套時護套不宜過松和過緊，過松的護套會使電纜使用時因外力作用使線對發(fā)生相對滑動, 影響SRL值。過緊會使絕緣層受壓，也會影響電纜衰減。為了減小纜芯放出時對纜芯的破壞，最好采用自動對中式主動放線架。
6．結(jié)束語
一方面,在設(shè)計高頻對稱電纜時應(yīng)充分考慮其安裝性能; 另一方面,高頻對稱電纜是各制造工序不斷改善和提高的產(chǎn)物，只有對制造中的每一個細節(jié)均加以重視才行, 片面地強調(diào)某一細節(jié)都可能帶來事倍功半的效果。
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