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一、前言

隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和數(shù)據(jù)通信的發(fā)展，人們對(duì)對(duì)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(dá)1000MHz的數(shù)據(jù)纜，無疑是一個(gè)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(dá)到1000MHz的帶寬是比較容易的。然而，對(duì)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(duì)稱電纜其難度可想而知。很多時(shí)候，電纜制造商制造出了符合要求的某些指標(biāo)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(xiàng)指標(biāo)，所有這些，歸根到底都與電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝有關(guān)。本篇以1對(duì)、2對(duì)、4對(duì)高頻對(duì)稱電纜的設(shè)計(jì)為例，對(duì)設(shè)計(jì)中的一些有關(guān)問題進(jìn)行了探討，有關(guān)于制造技術(shù)將在另一篇論文中論述

二、高頻對(duì)稱電纜的幾個(gè)重要電性能指標(biāo)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(jù)串音產(chǎn)生的機(jī)理，減少線對(duì)間串音的方法有：

1．保證絕緣單線的均勻性和對(duì)稱性、盡可能降低線對(duì)間電容不平衡是提高線對(duì)抗干擾能力的基礎(chǔ)；

2．在條件允許情況下，加大線對(duì)間的距離；

3．采用優(yōu)化的節(jié)距設(shè)計(jì)是提高串音防衛(wèi)度的有力措施；

4．采用線對(duì)屏蔽技術(shù)、但此種方法因電磁波的反射，需要適當(dāng)增加絕緣外徑、使用時(shí)也需要帶屏蔽的接插件；

5．保證相鄰線對(duì)維持TEM波傳輸也可有效地減少串音，這也是高頻對(duì)稱電纜設(shè)計(jì)中可用的另一種理念。我們知道、傳統(tǒng)對(duì)絞線結(jié)構(gòu)的電纜中，在對(duì)絞線的中心有很強(qiáng)的電場，并有很大一部分泄漏于絕緣層外。如果在對(duì)絞線外層再擠包一層與絕緣具有相同的等效相對(duì)介電常數(shù)且損耗角正切值低的護(hù)套（擠壓式），則大部分電磁場分布在絕緣和護(hù)套內(nèi)，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(duì)相鄰線對(duì)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(nèi)的傳播速度C絕（C絕=C0/√εe，其中εe為電纜的等效相對(duì)介電常數(shù)），即C空＞C絕。電磁場的這種不均勻性作用下，會(huì)同時(shí)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。因此，圍繞線對(duì)的護(hù)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卻會(huì)導(dǎo)致衰減增加。

但是，為了保證電纜一定的特性阻抗值，由于護(hù)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(huì)增加多少，有時(shí)反而略低。另外，當(dāng)串音得到有效控制時(shí)，即使信號(hào)衰減增加了，但傳輸信號(hào)時(shí)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(shè)計(jì)的電纜通常采用泡沫絕緣和護(hù)套。

（二）特性阻抗與結(jié)構(gòu)回波損耗

特性阻抗Zc，是電纜回路上任意點(diǎn)電壓波與電流波之比，并與電纜一次參數(shù)有如下關(guān)系：

式中，R、L、G、C分別為對(duì)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(hào)的角頻率。在高頻下無屏蔽對(duì)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(duì)間填充介質(zhì)的相對(duì)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(shí)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(shí)的阻抗測量值；Zs為終端短路時(shí)的阻抗測量值。

由于電纜結(jié)構(gòu)的不均勻性，信號(hào)在傳輸過程中會(huì)產(chǎn)生波的反射，反射波在某些頻率點(diǎn)相互迭加，當(dāng)反射波幅值極大時(shí)，電纜的傳輸性能會(huì)在這些頻率點(diǎn)上甚至整個(gè)頻寬范圍內(nèi)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(jī)分布曲線。通常用結(jié)構(gòu)回波損耗來描述這種波動(dòng)情況。結(jié)構(gòu)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(shí)質(zhì)是描述Zin圍繞Zm波動(dòng)大小的一個(gè)指標(biāo)。引起Zin波動(dòng)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(dòng)、導(dǎo)體直徑波動(dòng)、絞對(duì)時(shí)絕緣單線在節(jié)點(diǎn)處周期性壓傷、絕緣發(fā)泡不均勻、絕緣偏心時(shí)絞對(duì)過程因單線的自轉(zhuǎn)造成兩導(dǎo)體中心距s呈周期性的正（余）弦函數(shù)波動(dòng)等。其中周期性的結(jié)構(gòu)偏差或缺陷對(duì)SRL危害最大。由于輸入阻抗與制造過程中的諸多隨機(jī)缺陷有著極為直接的關(guān)系，而制造過程中這諸多的隨機(jī)缺陷之間又彼此間相互關(guān)聯(lián)，相互影響，錯(cuò)綜復(fù)雜，因而難以分析輸人阻抗與某個(gè)缺陷的定量關(guān)系。但通過長期的生產(chǎn)實(shí)踐得知，生產(chǎn)過程中隨機(jī)缺陷較小而造成的阻抗波動(dòng)很小時(shí)，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，最終也會(huì)呈現(xiàn)出隨機(jī)性的波動(dòng)，這與同軸纜的情況有所不同。當(dāng)較嚴(yán)重的周期性不均勻缺陷時(shí)，且相鄰點(diǎn)間的距離等于電纜傳輸信號(hào)波長的一半時(shí)，在此頻率點(diǎn)及其整數(shù)倍頻率點(diǎn)上將出現(xiàn)顯著的尖峰，即有以下關(guān)系：

式中f為SRL:出現(xiàn)尖峰的最低處的頻率值（MHz），T為結(jié)構(gòu)波動(dòng)周期長度單位（m）。某企業(yè)在生產(chǎn)六類纜時(shí)，四對(duì)線的結(jié)構(gòu)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(jì)算得出T應(yīng)在1.9 m左右并以此查找原因，最終發(fā)現(xiàn)是成纜機(jī)出現(xiàn)了故障，造成成纜節(jié)距的周期性大幅度波動(dòng)。

（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(duì)中兩根導(dǎo)線因高頻電阻產(chǎn)生的衰減和對(duì)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α2與介質(zhì)的損耗、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(shí)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�，造成終端信號(hào)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(dǎo)致個(gè)別頻率點(diǎn)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(shí)心皮或泡沫或皮-泡-皮的絕緣型式；

3．足量的導(dǎo)體尺寸、減小電纜結(jié)構(gòu)偏差和缺陷。

（四）相時(shí)延和不同線對(duì)間的相時(shí)延差

相時(shí)延是決定高頻對(duì)稱電纜通信距離的關(guān)鍵參數(shù)之一。有些通信協(xié)議對(duì)數(shù)據(jù)幀的最小長度有明確規(guī)定，若鏈路的相時(shí)延過大（與電纜的相時(shí)延和鏈路上設(shè)備延時(shí)有關(guān)），在沖突發(fā)生時(shí)易造成數(shù)據(jù)幀的丟失。從傳播速度Vp∝1/√εe可知，使用等效相對(duì)介電常數(shù)較小的絕緣結(jié)構(gòu)是降低相時(shí)延的重要途徑。線對(duì)間的相時(shí)延差過大會(huì)導(dǎo)致并行傳輸數(shù)據(jù)時(shí)幀的錯(cuò)誤。減小線對(duì)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(shí)延差的主要措施。

三、高頻電纜設(shè)計(jì)時(shí)需要注意的問題

設(shè)計(jì)高頻對(duì)稱電纜時(shí)，首先要保證其電氣性能和機(jī)械物理性能滿足相應(yīng)要求。在設(shè)計(jì)時(shí)最好采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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)于正常使用環(huán)境的能力，如室外高頻對(duì)稱電纜宜采耐候護(hù)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(duì)稱電纜應(yīng)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(duì)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(gè)兩個(gè)問題并未引起所有高頻對(duì)稱纜御造商的重視。

最后，還應(yīng)重視電纜的性價(jià)比。不恰當(dāng)?shù)夭捎酶咝阅艿牟牧匣蚣庸すに�，或過大的性能指標(biāo)裕度均會(huì)帶來過高的制造成本，降低性價(jià)比。