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【什么是电缆的阻抗?】 -数据电缆测试入门和常见测试问题解答

发布日期:2017年09月07日   浏览次数:4次   编辑:深圳连讯

【什么是电缆的阻抗?】  读者大都熟知欧姆定律:U=RI,或者 R=U/I,其中的 R 是电阻或者电阻负载,电阻与材料的电阻率  (又称导电系数)有关。但在高频信号的传输过程中,我们需要了解传输高频信号的物理介质(比如双绞线、同轴线)的传输特性。这种传输特性与传输介质的导电材料(例如铜或银)、几何形状、分布电感(L0)、分布电容(C0)、导电系数(电阻率)、绝缘材料(介电常数)等都有关系,低频信号传输时则往往不考虑这些分布参数的影响。

这里需要先说说什么是分布参数。所有的电子线路图中都用L 代表电感器(通常是线圈),C 代表电容器(通常是方形、原片形或圆柱形)。微观上看,双绞线其实就是两根彼此靠近的圆柱形铜导体。一段双绞线(例如一米),就是彼此靠近的一对圆柱形铜导体。问:这对圆柱形铜导体是不是自身就存在电感和电容呢?答案是:存在。一米双绞线的每根圆柱形铜导体虽然外形上不是电感器,但本身也存在微量电感;两根相互靠近的一米铜导体虽然外形上不是电容器,但两者之间确实存在着微量电容(即电荷感应系数)。我们把这些“外形特征”看不见,但“身体”中包含着的微量电感、电容就叫做分布参数(分布电感 L0、分布电容 C0)。

用来衡量这些分布参数相关性的是一个比较复杂的等效参数,不过,由于这个参数等效计算的结果正好是以欧姆(Ω)为单位,所以中文把这个参数叫译做“特性阻抗”,有时简称阻抗。请读者注意,这个特性阻抗参数和欧姆定律中常举例的纯电阻完全是两个概念,虽然计量单位都是欧姆,但此“欧姆”非彼“欧姆”。特性阻抗是分布感应参数的等效值,它被用来衡量介质的传输特性,且不随“均匀”传输线的长度改变而发生变化(虽然计算时会假设长度无限),而电阻是与传输线的长度密切相关的一个参数,传输线越长,电阻值通常也越大。特性阻抗表达式虽然复杂,但随着工作频率的提高(一般大于 2MHz 以后),其值会趋于稳定。近似地,此稳定值只与(L0/C0)比值的均方根和绝缘介质的介电常数有关。所以,材料不变的情况下,只要传输线保持结构均匀,其分布参数 L0、C0 就会保持不变,那么链路每“一点”的特性阻抗也会保持不便(即保持阻抗连续性)。

双绞线常见的特性阻抗规格是 100Ω 和 120Ω。前者通常用于计算机数据网络,后者较多用于现场总线和工控网。

双绞线是一种传输线。理论上,“均匀传输线”上沿长度方向上每一点的分布参数的感应等效值(特性阻抗)是连续不变的,这就叫阻抗的“连续性”。例如,一段 100 米的“均匀双绞线”,其 35 米处的特性阻抗值和 53 米处的特性阻抗值理论上是一样的(都是 100Ω,即分布电感和分布电容、微电阻等是保持一致的)。而真实条件下的双绞线都不是真正的均匀双绞线,传输线上每点的特性阻抗值会因为制造、安装等原因可能都是不一样的,存在着一定的波动(例如存在 10%的波动)。这种现象就叫做阻抗不连续。这是由于传输线的加工过程无法做到完全保持持续的均匀一致而造成的。如果生产过程中铜线的直径和铜线外绝缘层的厚度随机地发生微小的变化,那么电磁感应的分布参数值 L0 和 C0 就会发生微小变化,等效出来的特性阻抗值就会发生变化。例如,53 米处特性阻抗为 103Ω,53 米处为 98Ω。同轴线也存在同样的情况,同轴线中的内导线直径会沿着长度方向发生微小变化,外导体的直径和内外导体之间的绝缘层的厚度也会发生微小变化,这样等效出来的阻抗值跟着也发生微小变化,所以感应分布沿长度方向是不连续的,也就是说阻抗是不连续的。

需要提请读者注意的是,分布参数的微小变化在低频信号传输时对信号传输的影响是很微弱的,只有在传输高频信号时才产生明显影响(长线理论)。如果只是用同轴线传输几千赫兹频率的语音信号(电话),那么即便是阻抗发生大幅度突变的同轴线对这种信号的传输基本上没有影响(相当于短线),但如果传输 100MHz 的电视信号,则有可能出现图像重影。

上没有影响(相当于短线),但如果传输 100MHz 的电视信号,则有可能出现图像重影。   阻抗突变是阻抗不连续的一种明显表现,一般发生在传输路径上发生几何尺寸明显变化的地方,当然,也发生在材料突变和绝缘介质突变的地方。例如,双绞线和水晶头之间的连接点就是一个阻抗突变点,因为双绞线的结构和几何尺寸与水晶头内金属针脚的几何结构、尺寸均不同,两者的等效阻抗也不一样。再比如,双绞线与配架模块的内部金属结构、几何尺寸都不相同,等效阻抗也不一样,两者相连接时就会在接触点出现阻抗突变的现象。同样地,水晶头插入模块后与模块的连接点也是一个典型的阻抗不连续点。

计算机网络使用的同轴电缆(50 欧姆)和有线电视使用的同轴电缆(75 欧姆)特性阻抗不同,两者前后误接到一起混用时也会发生阻抗突变,突变点就在连接点处。

沿线对向前传输的信号在阻抗突变点会发生发射,突变越大反射的能量就越强

阻抗突变越大反射的能量越强。如果传输线对端开路,此时可以认为阻抗值变成无穷大,相对突变量也是无穷大,则信号传输到对端后会几乎全部反射回来。如果传输线的对端短路,此时可以认为短路点阻抗值变成“零”,阻抗突变值很大,则信号传输到对端后也会几乎全部反射回来。由此可知,开路和短路是阻抗突变的两个极端情形,所以反射回来的信号能量在此时都是最大的。我们可利用这点来测量电缆的长度和定位开路/短路位置。反射回来的信号会回到信号的发送端,与正常传输的信号叠加在一起被接收,致使信号读取出错。那么,开路和短路点谁反射能量更大呢?由于都是阻抗极限值,反射能量几乎都接近 100%。

对于特性阻抗为 75 欧姆的同轴线(家用电视机用的就是这种线),如果在传输线的对端接上一个 75 欧姆的纯电阻,则信号传输到对端时会被这个纯电阻全部吸收,没有信号能量会被反射回来。对于 100 欧姆 UTP 电缆(非屏蔽双绞线)在对端的每对线对上各接上一个 100欧姆纯电阻后,信号能量在对端也会被全部吸收,不会有信号能量反射回来。这种在传输线出口接上纯电阻的方法是消除信号反射的一个重要技术,我们习惯上也把它称作“终端阻抗匹配”或简称“终端匹配”。匹配电阻的阻值必须与传输线的特性阻抗值相等,这样才能将信号能量全部吸收不反射回去。类似地,在 120Ω总线的两端一般也要各接上一个 120 欧姆的纯电阻,防止信号在总线内来回反射,减小其干扰正常数据帧的传输。

其实,阻抗匹配的概念并不止于此,如果将两段均匀的同轴电缆连接起来,在连接点处“加工”得很平顺,没有出现微观意义上的阻抗突变现象,则我们也把这两段同轴线的连接称作匹配。推而广之,凡是阻抗连续的点我们都说它们是匹配的。按照这个思路,我们就知道通常在双绞线和模块的连接点处,阻抗是有“失配”现象存在的,一条布线链路的接插件和连接件所在的位置经常也是阻抗不连续的位置,或者说是阻抗失配的位置。失配的原因主要是传输线的几何结构(尺寸和形状)发生了突变。凡是阻抗不连续点也“一定是”一个信号能量的反射点。

 

 


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