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數(shù)據(jù)電纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和性能控制概論

目錄

第一章   概述

第二章   數(shù)據(jù)電纜主要性能指標(biāo)控制

2.1      衰減

2.2      串音

2.3      阻抗和回波損耗

2.4      相延時(shí)和時(shí)延差

第三章   網(wǎng)線在TIA/EIA 568.B2 與TIA/EIA 568.A中色對(duì)連接的差別

第一章  概述

我們一般生產(chǎn)的數(shù)據(jù)電纜主要有UTP 5E、FTP 5E、U/UTP 5E、SFTP 5E、UTP 6、FTP 6、UTP 6A、CAT 3多對(duì)數(shù)電纜等常見的高頻對(duì)稱電纜。這些電纜都是采用單線對(duì)絞、對(duì)絞線成纜的結(jié)構(gòu)。在這里，我分別對(duì)這種電纜結(jié)構(gòu)作詳細(xì)地分析。

我們公司采用高速串聯(lián)機(jī)以1200-1400m/min的速度高效率的生產(chǎn)出絕緣芯線。然后根據(jù)不同線對(duì)的識(shí)別標(biāo)志、絕緣厚度和導(dǎo)體直徑將芯線有規(guī)則的絞合成一定節(jié)距的對(duì)絞線。數(shù)據(jù)電纜的線芯在工作狀態(tài)下產(chǎn)生開放的電磁場。開放的電磁場將按照信號(hào)電流頻率從低頻到高頻對(duì)外釋放電磁能。也就是說，本來用于信號(hào)傳輸?shù)碾娔芤噪姶艌瞿艿男问较蚓W(wǎng)絡(luò)線路周邊的空間布點(diǎn)的釋放出去。如果這些能量不經(jīng)過必要的裝置給予回籠那么用于傳輸信息的電流能量將迅速衰竭從而使信號(hào)強(qiáng)度無法與各種原因產(chǎn)生的噪音識(shí)別。同時(shí)因?yàn)殡娏髂芰克ソ咭矔?huì)使電子克服電阻壁壘的能力減弱，從而使信息傳遞減速。一旦信源到信宿的超過5120納秒，那么信息處理器就會(huì)把脈沖信號(hào)識(shí)別為反射脈沖信號(hào)而不予處理。也就是說網(wǎng)絡(luò)傳遞信息的功能失去了。因此，我們要采用必要的工藝設(shè)計(jì)來解決開放電磁場帶來的這些影響。

對(duì)絞結(jié)構(gòu)普遍應(yīng)用于數(shù)據(jù)電纜生產(chǎn)。在我們已經(jīng)能夠投產(chǎn)的CAT 7 UTP電纜中我們采用的也是對(duì)絞線外拖包鋁箔的屏蔽結(jié)構(gòu)。在處理開放電磁場問題上，我們目前采用的是對(duì)絞結(jié)構(gòu)和金屬層（帶、網(wǎng)）結(jié)構(gòu)。在電磁場理論中，針對(duì)開放電磁場能量控制問題，大部分采用的是屏蔽和電磁場能量集中和均化的理論。在電纜設(shè)計(jì)中我們都能用到。后面第三部分中我還要詳細(xì)論述屏蔽結(jié)構(gòu)。

為什么采用對(duì)絞結(jié)構(gòu)能夠有效的控制開放電磁場的能量釋放呢？數(shù)據(jù)電纜中采用的細(xì)銅導(dǎo)體是這個(gè)開放電磁場中的兩個(gè)電極。這兩個(gè)電極就是電場的兩極。兩極之間積蓄了電場的能量。但在實(shí)際環(huán)境中，任何攜帶載流子的電介質(zhì)都可以成為一個(gè)電極，大到恒星、星系小到一個(gè)空氣粒子甚至是游離的離子。因此我們生產(chǎn)的電纜帶電工作時(shí)是處于一個(gè)多電極的不規(guī)則的復(fù)雜的電磁場中的。如果我們不能正確認(rèn)識(shí)電磁場的復(fù)雜運(yùn)動(dòng)形式我們就不能設(shè)計(jì)出高性能的數(shù)據(jù)電纜。在對(duì)絞結(jié)構(gòu)中，我們要保證兩個(gè)絞合在一起的芯線a、b相互之間的距離最近而且距離一致，才能保證芯線a、b之間的電磁場能量大部分集中在兩根芯線之間。然而在電纜內(nèi)部還有其他三對(duì)芯線。因此電纜內(nèi)部就有多個(gè)電極和磁極。因此盡量減小兩根對(duì)絞線之間距離與線對(duì)之間的距離的比值對(duì)改善數(shù)據(jù)電纜近端串音、遠(yuǎn)端串音、衰減、等電平近端串音功率和等指標(biāo)都是非常重要的。沿照這種思路，我們在線對(duì)之間加入骨架就增大了線對(duì)之間的距離而開發(fā)出了CAT 6數(shù)據(jù)電纜。同時(shí)在線對(duì)之間加入介電常數(shù)與絕緣介電常數(shù)一致的骨架還會(huì)進(jìn)一步均化電場減弱了電場能量集中也就降低了串?dāng)_的能量。

對(duì)絞線利用鄰近效應(yīng)和交叉效應(yīng)，保證了穩(wěn)定的結(jié)構(gòu)回波損耗參數(shù)和合理的衰減值。同時(shí)我們利用兩根鄰近導(dǎo)體傳輸同一種信號(hào)，對(duì)于其他線對(duì)來說，線對(duì)就是傳輸信號(hào)的理想載體。簡言之，利用屏蔽結(jié)構(gòu)采用一根導(dǎo)體就可以解決信號(hào)傳輸?shù)膯栴}。為了降低成本，我們采用兩根導(dǎo)體對(duì)絞來解決了開放電場的問題。

大家都知道不同線對(duì)尤其是鄰近線對(duì)不能采用相近的對(duì)絞節(jié)距。在這里我把相關(guān)理論簡單闡述一下。車間里眾多設(shè)備制造的噪音讓我們無法在車間清楚地聽到手機(jī)的聲音。這是因?yàn)槁曇羰且环N機(jī)械波。不同頻率的機(jī)械波混雜在一起使手機(jī)聲音的頻率與其中的同一頻率的噪聲共振讓我們無法識(shí)別是設(shè)備的聲音還是手機(jī)的聲音（手機(jī)的音樂頻率是不斷有規(guī)律變化的，因?yàn)檐囬g噪音源多而使不同頻段的聲音都可以產(chǎn)生；聲音的頻段主要在20-20KHZ之間）。只有手機(jī)的聲音比噪音還大時(shí)，我們才會(huì)清楚地聽到手機(jī)的聲音。這種現(xiàn)象在電磁波中也是存在的。

為了降低這些共振感應(yīng)效果，我們要讓同一頻段的電流不能同時(shí)出現(xiàn)在同一段電纜中。也就是說當(dāng)同一頻段的電流在電纜的同一段出現(xiàn)時(shí)它們會(huì)相互進(jìn)入對(duì)方的導(dǎo)體尤其是能量較大的信號(hào)進(jìn)入導(dǎo)體會(huì)讓對(duì)方信源處理器誤認(rèn)為這是自己發(fā)出的信號(hào)。也就是說，這樣增加了信號(hào)中的噪音。

在電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，我們采用改變機(jī)械結(jié)構(gòu)形式的方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)電磁場運(yùn)動(dòng)形式的變化。采用不同的對(duì)絞節(jié)距，一是使信號(hào)在電纜內(nèi)部運(yùn)動(dòng)的時(shí)間不同，二是使相同頻段信號(hào)在同一電纜段中出現(xiàn)的概率減少，三是使電纜線對(duì)之間的阻抗有細(xì)微不同從而改變了信號(hào)傳輸速率、頻率和振幅（也就是說即使相同的信號(hào)分別進(jìn)入數(shù)據(jù)電纜的兩個(gè)線對(duì)，線對(duì)中的信號(hào)速比、頻率和振幅也會(huì)有細(xì)微差別）。為了配合這三種效果，我們還可以讓不同線對(duì)采用不同直徑的導(dǎo)體、不同厚度的絕緣等。

M．法拉第在電磁感應(yīng)理論中告訴我們，不斷變化的電場產(chǎn)生不斷變化的磁場，反之不斷變化的磁場也能產(chǎn)生不斷變化的電場。這里的不斷變化是隨著時(shí)間的推移電磁場有強(qiáng)變?nèi)踉儆扇踝儚?qiáng)，這個(gè)變化過程如果是有規(guī)律的，那么這個(gè)電磁場的變化就有了規(guī)律的頻率。我們按照這些理論可以知道數(shù)據(jù)電纜內(nèi)部傳輸?shù)?/SPAN>1-1000MHZ數(shù)據(jù)信息電流，而且數(shù)據(jù)電纜內(nèi)部至少有兩組這樣的高頻數(shù)據(jù)電流。頻率越高必然引起越高的感應(yīng)電流和磁場，因此要提高數(shù)據(jù)信息的頻段必須考慮高頻感應(yīng)的一系列問題。相關(guān)的結(jié)構(gòu)微調(diào)在 后面的主要性能指標(biāo)部分給予介紹。

對(duì)絞節(jié)距的大小是有技術(shù)要求的。根據(jù)電磁波傳播理論，當(dāng)阻抗沿傳播方向上變化的周期小于等于八分之一波長時(shí)，電磁波將不易覺察到這種變化。因此，為了保證阻抗穩(wěn)定在100±10Ω范圍內(nèi)，我們?cè)谶x擇對(duì)絞節(jié)距時(shí)最大對(duì)絞節(jié)距不能大于最高頻率信號(hào)電流波長的八分之一。通過控制對(duì)絞節(jié)距保證了電纜的阻抗性能，同時(shí)也基本消除了絕緣偏心對(duì)SRL的影響。

對(duì)絞過程中普遍采用了退扭工藝。退扭會(huì)造成單線細(xì)微的損傷并會(huì)造成特性阻抗不均勻。但是退扭（預(yù)扭）工藝使單線和對(duì)絞線產(chǎn)生了內(nèi)在的預(yù)應(yīng)力，當(dāng)電纜在后續(xù)加工和布線過程中受到機(jī)械作用時(shí)預(yù)應(yīng)力可以和作用力相持從而避免了不可預(yù)期的作用力對(duì)電纜結(jié)構(gòu)一致性的破壞，保證了SRL、阻抗等指標(biāo)的穩(wěn)定性。事實(shí)表明，退扭工藝有利于改善電纜的輸入阻抗等性能。同時(shí)我也發(fā)現(xiàn)由于對(duì)絞節(jié)距不同，線纜內(nèi)四對(duì)線組內(nèi)在的絞合應(yīng)力是不同的。這就容易造成成纜線的單組翹起和松弛變形，因此在成纜時(shí)要調(diào)整放線張力，并保證該張力大于線組內(nèi)的預(yù)應(yīng)力。

數(shù)據(jù)電纜成纜節(jié)距一般控制在最大傳輸脈沖電流波長的1/8以下。大節(jié)距成纜有利于提高信號(hào)傳輸速度、控制高頻段電纜阻抗偏高的趨勢，最重要的是降低生產(chǎn)成本。但是同時(shí)會(huì)造成結(jié)構(gòu)回波損耗（SRL）增大、回波損耗指標(biāo)不穩(wěn)定等不利影響。

CAT 7 屬于屏蔽星絞組電纜。7類數(shù)據(jù)電纜是我公司開發(fā)的優(yōu)勢新型產(chǎn)品，在傳輸頻段上達(dá)到 了0.7—1000MHZ。由于7類纜采用了較好的鋁箔分屏蔽結(jié)構(gòu)代替了CAT 6、CAT5E電纜的無屏蔽結(jié)構(gòu)，因此7類電纜的高頻電磁性能有了很大改觀。7類電纜線對(duì)設(shè)計(jì)在一個(gè)相對(duì)封閉的電磁場中，比CAT 6、CAT5E的對(duì)絞結(jié)構(gòu)解決開放電場的方法更完善一些。同時(shí)由此也對(duì)阻抗、近端串音（NEXT）、遠(yuǎn)端串音(FEXT)、等電平近端串音（ELNEXT）、衰減（ATT）、回波損耗(RL)和結(jié)構(gòu)回波損耗（SRL）、相時(shí)延(DOP)、時(shí)延差（SKEW）等指標(biāo)也帶來了一些變化從而要求我們?cè)龃髮?dǎo)體的直徑、增大絕緣厚度和降低絕緣介電常數(shù)等。同時(shí)這些結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增強(qiáng)了電纜的抗拉和抗壓的機(jī)械性能，使電纜在生產(chǎn)過程和安裝使用過程中保持穩(wěn)定的成纜結(jié)構(gòu)。由于增大了導(dǎo)體直徑和絕緣厚度，電纜的電氣性能也有了很大改善。線組屏蔽使導(dǎo)體與屏蔽間的距離發(fā)生變動(dòng)的幅度減小，線對(duì)內(nèi)芯線之間距離因扭曲發(fā)生變化而對(duì)電纜性能的惡化大大降低。不足的地方就是生產(chǎn)成本大幅提高，在市場開拓失去了價(jià)格優(yōu)勢讓用戶更愿意接受CAT6、CAT5E這些價(jià)格較低但能夠滿足使用要求的電纜。目前我公司在CAT7電纜上還處于開發(fā)階段。在高頻性能改善和成本優(yōu)化上面還要做大量工作。

目前公司開發(fā)的350MHZ CAT 5E數(shù)據(jù)電纜是國際領(lǐng)先產(chǎn)品。這表明合理的調(diào)整電纜結(jié)構(gòu)，采用低成本的五類電纜設(shè)計(jì)理念還有很大的帶寬提升空間。對(duì)于FTP、SFTP和CAT 7電纜的結(jié)構(gòu)在其他方面的內(nèi)容在后面的各工序設(shè)備性能介紹和各指標(biāo)實(shí)現(xiàn)的論述中還有詳細(xì)說明。

     如果條件允許，我們也可以采用芯線a與芯線b粘連同時(shí)押出的方法生產(chǎn)線對(duì)。其優(yōu)點(diǎn)是抗拉、抗壓能力較強(qiáng)，電纜安裝前后的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和電氣一致性好。絕緣相互粘連，單導(dǎo)體無法實(shí)現(xiàn)獨(dú)立旋轉(zhuǎn)，確保導(dǎo)體間距的一致性，而達(dá)到極其穩(wěn)定的阻抗和線對(duì)間優(yōu)異的平衡性能。線對(duì)的兩導(dǎo)體中心距波動(dòng)較小，因而具有較好的SRL值。另一方面，此充分利用了間距手段改善TEM傳播的模式，故其線組間的串音也改善很多。但是目前我們的設(shè)備還不能實(shí)現(xiàn)這種芯線的高速生產(chǎn)。在高頻下還是需要控制線對(duì)間距或者采用線對(duì)屏蔽技術(shù)的。但是因?yàn)椴捎昧诉@種穩(wěn)定的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，可以使電纜的傳輸頻段提高到1000MHZ以上。采用完善的發(fā)泡工藝還可以使用單根導(dǎo)體發(fā)泡絕緣線芯代替對(duì)絞線將頻段提高到3GHZ。但這需要采用更加完善的單芯屏蔽結(jié)構(gòu)。

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