精品通信电缆设计Word格式文档下载.docx
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数据电缆中采用的细铜导体是这个开放电磁场中的两个电极。
这两个电极就是电场的两极。
两极之间积蓄了电场的能量。
但在实际环境中,任何携带载流子的电介质都可以成为一个电极,大到恒星、星系小到一个空气粒子甚至是游离的离子。
因此我们生产的电缆带电工作时是处于一个多电极的不规则的复杂的电磁场中的。
如果我们不能正确认识电磁场的复杂运动形式我们就不能设计出高性能的数据电缆。
在对绞结构中,我们要保证两个绞合在一起的芯线a、b相互之间的距离最近而且距离一致,才能保证芯线a、b之间的电磁场能量大部分集中在两根芯线之间。
然而在电缆内部还有其他三对芯线。
因此电缆内部就有多个电极和磁极。
因此尽量减小两根对绞线之间距离与线对之间的距离的比值对改善数据电缆近端串音、远端串音、衰减、等电平近端串音功率和等指标都是非常重要的。
沿照这种思路,我们在线对之间加入骨架就增大了线对之间的距离而开发出了CAT6数据电缆。
同时在线对之间加入介电常数与绝缘介电常数一致的骨架还会进一步均化电场减弱了电场能量集中也就降低了串扰的能量.
对绞线利用邻近效应和交叉效应,保证了稳定的结构回波损耗参数和合理的衰减值.同时我们利用两根邻近导体传输同一种信号,对于其
他线对来说,线对就是传输信号的理想载体。
简言之,利用屏蔽结构采用一根导体就可以解决信号传输的问题。
为了降低成本,我们采用两根导体对绞来解决了开放电场的问题。
大家都知道不同线对尤其是邻近线对不能采用相近的对绞节距.在这里我把相关理论简单阐述一下。
车间里众多设备制造的噪音让我们无法在车间清楚地听到手机的声音。
这是因为声音是一种机械波。
不同频率的机械波混杂在一起使手机声音的频率与其中的同一频率的噪声共振让我们无法识别是设备的声音还是手机的声音(手机的音乐频率是不断有规律变化的,因为车间噪音源多而使不同频段的声音都可以产生;
声音的频段主要在20—20KHZ之间)。
只有手机的声音比噪音还大时,我们才会清楚地听到手机的声音。
这种现象在电磁波中也是存在的.
为了降低这些共振感应效果,我们要让同一频段的电流不能同时出现在同一段电缆中。
也就是说当同一频段的电流在电缆的同一段出现时它们会相互进入对方的导体尤其是能量较大的信号进入导体会让对方信源处理器误认为这是自己发出的信号。
也就是说,这样增加了信号中的噪音.
在电缆结构设计中,我们采用改变机械结构形式的方法来实现对电磁场运动形式的变化。
采用不同的对绞节距,一是使信号在电缆内部运动的时间不同,二是使相同频段信号在同一电缆段中出现的概率减少,三是使电缆线对之间的阻抗有细微不同从而改变了信号传输速率、频率和振幅(也就是说即使相同的信号分别进入数据电缆的两个线对,线对中的信号速比、频率和振幅也会有细微差别)。
为了配合这三种效果,我们还可以让不同线对采用不同直径的导体、不同厚度的绝缘等。
M.法拉第在电磁感应理论中告诉我们,不断变化的电场产生不断变化的磁场,反之不断变化的磁场也能产生不断变化的电场。
这里的不断变化是随着时间的推移电磁场有强变弱再由弱变强,这个变化过程如果是有规律的,那么这个电磁场的变化就有了规律的频率.我们按照这些理论可以知道数据电缆内部传输的1-1000MHZ数据信息电流,而且数据电缆内部至少有两组这样的高频数据电流。
频率越高必然引起越高的感应电流和磁场,因此要提高数据信息的频段必须考虑高频感应的一系列问题.相关的结构微调在
后面的主要性能指标部分给予介绍。
对绞节距的大小是有技术要求的.根据电磁波传播理论,当阻抗沿传播方向上变化的周期小于等于八分之一波长时,电磁波将不易觉察到这种变化.因此,为了保证阻抗稳定在100±
10Ω范围内,我们在选择对绞节距时最大对绞节距不能大于最高频率信号电流波长的八分之一。
通过控制对绞节距保证了电缆的阻抗性能,同时也基本消除了绝缘偏心对SRL的影响.
对绞过程中普遍采用了退扭工艺。
退扭会造成单线细微的损伤并会造成特性阻抗不均匀。
但是退扭(预扭)工艺使单线和对绞线产生了内在的预应力,当电缆在后续加工和布线过程中受到机械作用时预应力可以和作用力相持从而避免了不可预期的作用力对电缆结构一致性的破坏,保证了SRL、阻抗等指标的稳定性.事实表明,退扭工艺有利于改善电缆的输入阻抗等性能。
同时我也发现由于对绞节距不同,线缆内四对线组内在的绞合应力是不同的。
这就容易造成成缆线的单组翘起和松弛变形,因此在成缆时要调整放线张力,并保证该张力大于线组内的预应力.
数据电缆成缆节距一般控制在最大传输脉冲电流波长的1/8以下。
大节距成缆有利于提高信号传输速度、控制高频段电缆阻抗偏高的趋势,最重要的是降低生产成本。
但是同时会造成结构回波损耗(SRL)增大、回波损耗指标不稳定等不利影响.
CAT7属于屏蔽星绞组电缆。
7类数据电缆是我公司开发的优势新型产品,在传输频段上达到
了0.7—1000MHZ。
由于7类缆采用了较好的铝箔分屏蔽结构代替了CAT6、CAT5E电缆的无屏蔽结构,因此7类电缆的高频电磁性能有了很大改观.7类电缆线对设计在一个相对封闭的电磁场中,比CAT6、CAT5E的对绞结构解决开放电场的方法更完善一些。
同时由此也对
阻抗、近端串音(NEXT)、远端串音(FEXT)、等电平近端串音(ELNEXT)、衰减(ATT)、回波损耗(RL)和结构回波损耗(SRL)、相时延(DOP)、时延差(SKEW)等指标也带来了一些变化从而要求我们增大导体的直径、增大绝缘厚度和降低绝缘介电常数等。
同时这些结构设计增强了电缆的抗拉和抗压的机械性能,使电缆在生产过程和安装使用过程中保持稳定的成缆结构。
由于增大了导体直径和绝缘厚度,电缆的电气性能也有了很大改善.线组屏蔽使导体与屏蔽间的距离发生变动的幅度减小,线对内芯线之间距离因扭曲发生变化而对电缆性能的恶化大大降低.不足的地方就是生产成本大幅提高,在市场开拓失去了价格优势让用户更愿意接受CAT6、CAT5E这些价格较低但能够满足使用要求的电缆。
目前我公司在CAT7电缆上还处于开发阶段。
在高频性能改善和成本优化上面还要做大量工作。
目前公司开发的350MHZCAT5E数据电缆是国际领先产品.这表明合理的调整电缆结构,采用低成本的五类电缆设计理念还有很大的带宽提升空间.对于FTP、SFTP和CAT7电缆的结构在其他方面的内容在后面的各工序设备性能介绍和各指标实现的论述中还有详细说明。
如果条件允许,我们也可以采用芯线a与芯线b粘连同时押出的方法生产线对。
其优点是抗拉、抗压能力较强,电缆安装前后的结构稳定性和电气一致性好。
绝缘相互粘连,单导体无法实现独立旋转,确保导体间距的一致性,而达到极其稳定的阻抗和线对间优异的平衡性能。
线对的两导体中心距波动较小,因而具有较好的SRL值。
另一方面,此充分利用了间距手段改善TEM传播的模式,故其线组间的串音也改善很多。
但是目前我们的设备还不能实现这种芯线的高速生产。
在高频下还是需要控制线对间距或者采用线对屏蔽技术的.但是因为采用了这种稳定的产品结构,可以使电缆的传输频段提高到1000MHZ以上。
采用完善的发泡工艺还可以使用单根导体发泡绝缘线芯代替对绞线将频段提高到3GHZ。
但这需要采用更加完善的单芯屏蔽结构。
因为数据电缆传输信号必须采用高频交变电流,所以高频交变的电磁场是必然要产生的。
但是对于信号传输来讲,这种高频交变的电磁场带来的能量交换引起的信号能量的衰减、串音和反射回波等复杂的电磁运动就成为设计中考虑的重要因素.
2.1衰减
在这种电磁场中引起衰减的因素很多,主要有三种类型:
电介质衰减、屏蔽反射和感应涡流衰减、外电极感应形成复杂电磁场中的能量衰减。
电介质衰减与介质的损耗角正切值、工作频率和工作电容有关,其值近似与频率成正比。
一般电介质中的电磁偶极子、游离电荷、电离子或基团、材料电磁缺陷都会获得电缆中的电磁能量而将这种能量转变成自身的动能。
一般这种能量转换是不可逆转的,也是电缆设计中必须重点考虑的控制因素.选用介电常数尽量小的绝缘材料、填充材料、屏蔽材料和护套材料等材料是频段尽量高的通讯电缆设计的首要课题。
同时金属导体内部的电阻产生的衰减也是能量衰减的重要因素。
因此我们在导体选料时选用导电率较高的99。
99%纯度的铜丝作为CAT5E、CAT6、CAT7数据电缆的导体.在一些对信号精度要求较高的高性能数据电缆中还可利用高频电流的趋肤效应采用镀银、镀金材料做导体.减小信号衰减对于提高信噪比是非常有益的。
在复杂的数据电缆电磁场中,屏蔽材料还会产生感应电流。
这种感应电流是金属屏蔽层中的不断绕原子核旋转的电子切割磁力线产生涡流电流并在金属屏蔽层表面形成电荷的积累。
这种电荷积累会使电磁场分布更加复杂。
因为信号电流频率和强度是不断变化的,所以金属屏蔽层上的感应电压也是不断变化的。
电压发生变化后就会形成电荷流动。
在FTP数据电缆设计中我们设计了一根接地线就是为了把这些电荷及时引走,避免电荷积累引起电场集中。
同时我必须说明,屏蔽材料产生的感应磁场能量损失也是不可逆的。
但是金属屏蔽层给数据电缆提供的相对完善的闭合磁场对于改善电缆衰减性能、回波损耗等指标所作出的贡献是远远大于这点弊病的。
在非屏蔽电缆中临近导体对线组内电磁场能的吸收转换和反射散射对线对能量衰减的
影响也是很大的。
因此频段越高的电缆采用的屏蔽结构就越完善。
光在不同的介质中传输的速率是不同的,会在不同介质界面上产生折射、反射,并产生能量传递和转换。
电磁波(场)在阻抗不均匀的数据电缆中传输时也会在阻抗发生变化的界面上发生折射、反射、能量传递和转换,从而使向前传输的信号能量矢量减弱,使信噪比变小。
这是沿网络线路介质、结构等不同而引起的“衰减"
,这也是造成衰减曲线在高频下出现“波纹”的主要原因.这种“波纹"
可能导致个别频率点上衰减不合格.同时它还会造成回波损耗在不同频率点上的反射回波累计能量值的极大变化.
在设计中降低数据对称电缆衰减的主要途径是:
a。
选用介电常数和tgδ都低的绝缘料;
b.采用合理的绝缘型式,如采用泡沫实心皮或泡沫或皮—泡-皮的绝缘型式;
c.足量的导体尺寸、减小电缆结构偏差和缺陷。
在实际工程测量中还要了解衰减常数计算的知识,衰减常数表示电磁波在均匀电缆上每公里的能量衰减值。
它的单位为奈培Np/km或分贝dB/km(1Np=8。
686dB).信号衰减通常是由金属导体中的能量损耗和介质中的能量损耗引起的信号能量减少而产生的衰减,在开放式数据对称电缆电磁场中,逃逸到电缆之外被外界电介质捕获的能量也是相当可观的.
衰减常数α=
式(2-1-1)(引自《电线电缆手册》)单位是NP/km(1NP/km=8。
686dB/km),其中R是电缆导体的直流电组,G是电缆导体的电导,L是电缆的对称回路电感,C是电缆的工作电容,ω是电缆中信号电流的角频率。
五类和六类数字通信电缆在芯线设计理念上采用的是同轴电缆的原理尽管对绞数据电缆的电场不是同轴规则的。
在高频下(0.6MHZ以上)时,R〈<
ωL和G<
<
ωC.这时《电线电缆手册》同轴电缆的衰减常数计算公式可以简化为α=
式(2-1—2),ZC=
式(2-1—3)。
虽然我认为这两个公式在高频下即ω值非常大时没有合理性和准确性,但是众多工程设计人员仍然乐意采用这两个公式作为电缆结构设计的依据。
在数据对称对绞电缆中,因为G和L的值比较小,所以α=
公式中后面的
〈
≈0。
这时衰减常数近似可以看作α=
式(2—1-4)。
因此,降低直流电阻R和导体间工作电容C就是减小衰减常数α的有效方法.减小直流电阻R可以通过增大导体截面积、选用高电导率的金属材料.增大导体的截面积会造成工作电容增大。
为了达到同时降低电容C的目的,我们还要同时按比例增大绝缘的厚度,以保证导体间工作电容保持不变甚至减小。
减小导体间工作电容也可以通过采用介电常数较小的绝缘材料来实现。
发泡绝缘工艺就是尽量采用空气绝缘的思路来降低绝缘体的介电常数的。
在实际检测中,还是要参照权威的技术标准来设定各规格电缆的衰减标准值。
国内数据电缆行业普遍推行的《YG—T1019—2001数字通信用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆》通信行业标准、《ISO/IEC11801信息技术—通用电缆用户要求概要》、《PN-3727TIA/EIA-568-B.2-1标准草本——4对100Ω6类数据电缆传输性能规范》等标准对衰减、阻抗、回波损耗、时延差的检测标准线的确定是有切实的指导意义。
下面是这些标准的相关资料。
金属屏蔽对对称电缆衰减的影响是明显的。
这将在生产工艺中继续详细介绍.下面分别对对称电缆在射频下的衰减常数按高频下的条件给出计算公式:
无屏蔽对称电缆:
α=
式(2—1-5)
屏蔽对称电缆:
式(2-1—6)中,f是频率(HZ);
dr是绞线导体的电气等效直径(mm);
d是绞线导体的直径(mm);
Ds是屏蔽内径(mm);
a是对称电缆导体的中心距(mm);
εr是绝缘的等效介电常数;
tgδr是绝缘的等效介质损耗角正切;
Kρ1是导体的射频电阻系数;
Kρ2是屏蔽的射频电阻系数;
Kα是绞合导体的电阻系数,取1.25;
Kβ是编织屏蔽的电阻系数,取2.0;
K3是编织对阻抗影响的系数,取0。
98~0。
99.
100Ω电缆的衰减(20℃)标准标定公式表2-1-1
(选自《YG-T1019-2001数字通信用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆》通信行业标准)
永久连接数据电缆网络的最大衰减值表表2-1-2
选自《ISO/IEC11801信息技术—通用电缆用户要求概要》
数据电缆网络信道的最大衰减值表表2—1—3
ClassA、ClassB、ClassC、ClassD分别表示永久连接网络信道在0-100kHZ、0-1MHZ、0-16MHZ、0—100MHZ的频段等级范围。
《PN—3727TIA/EIA-568-B.2-1标准草本—-4对100Ω6类数据电缆传输性能规范》对cat6数据电缆的衰减指标没有给出明确强制性要求。
串音是造成信号噪音的主要原因,不论在数据电缆中产生杂乱电磁信号的电磁场来源于电缆的其他线对还是周围电磁场。
就像前面举的例子,周围有很多设备都在产生声音,我们想听的手机声音就无法听清楚了.同样数据电缆中的杂乱信号太多,中央处理器对需要处理的信号电流就无法识别了。
为了保证处理器能够及时有效的识别有效的脉冲信号,我们一般从以下几个方面入手:
A、保证数据电缆作为信道的长度,一般在100米以内。
信号在电缆中传输的距离越短,受到外在和内在电磁影响就越小;
B、保证电缆有稳定一致的阻抗性能。
实现稳定一致的阻抗指标,就要保证生产材料的稳定性、绝缘单线的均匀性、对绞线对称性和节距一致性,尽可能降低线对间电容不平衡;
C、在高性能数据对称电缆中采用骨架、绕包、填充等方法尽量加大线对间的距离,同时保证线对两线芯紧密接触、中心距稳定;
D、在选择对绞节距时最大对绞节距不能大于最高频率信号电流波长的八分之一,并且不同线对采用不同的对绞节距并适当拉大绞线节距的差异,以提高串音防卫度;
E、还可以采用线对屏蔽技术.屏蔽层会产生感应涡流,需要适当增加绝缘外径以弱化感应电场的强度;
F、另外,个别学术文件中发现有强调保证相邻线对维持TEM横向电磁场穿透式电磁波传输的平衡性也可有效地减少串音的论断。
这也是高频对称电缆设计中可用的另一种理念。
我们知道,传统对绞线结构的电缆中,在对绞线的中心有很强的电场,并有很大一部分泄漏于绝缘层外.如果将对绞线用与绝缘具有相同等效相对介电常数且损耗角正切值低的材料挤一层内护套(采用挤压式以保证圆整与缆芯接触密实)则大部分电磁场分布在绝缘和护套内,几乎没有电力线从绝缘体散发出去,因而从源头上减小了对相邻线对的串音。
另一方面,电磁波在绝缘体周围的空气中传播速度比在绝缘体内的传播速度快就造成电缆内部电磁场的不均匀.电磁场产生沿传播方向的电磁矢量以及垂直于传播方向的电磁矢量,电磁场的不均匀性换言之阻抗的不均匀性会使垂直于传播方向的电磁能量增加从而引起串音增加.围绕线对的护套愈厚,串音改善就愈明显。
然而,由于介质损耗的原因,用这种方式来控制串音会导致衰减增加,因为任何护套材料、绝缘材料中都含有电磁偶极子、带电基团和粒子。
因为挤制内护套的工艺繁琐很少被厂家采用。
但这种理念却可以应用在外被上,并会起到很好地改善串音的作用。
为保证电缆的特性阻抗值需要增加绝缘外径或增加绝缘的发泡度,最终电缆的衰减并不会增加多少,有时反而略低。
当串音得到有效控制时,即使信号衰减增加了但是能够进入电缆线对产生噪音的电磁波也减弱了,最终传输信号时的信噪比SNR增加了.为了尽可能降低衰减,采用此思路设计电缆时通常采用增大导体和绝缘厚度的方法。
串音主要是由系统性耦合和机遇性耦合造成的.当原材料性能稳定一致结构均匀的情况下,机遇性耦合造成串音的影响就比较小.有时由于设备磨损、员工操作失误、绝缘厚度不均匀、导体直径不一致、绝缘偏心、对绞成缆节距不稳定等都会造成机遇性耦合。
但在工程设计中着重考虑系统性耦合。
解决好系统性耦合的问题主要是考虑如何确定导体直径、绝缘厚度、对绞节距、成缆节距,既确定成熟的生产工艺。
计算多组电缆四线组的节距时,一般采用公式
≠正整数(或正整数的倒数)式(2—2-1)
h1、h2是第一组、第二组的扭绞节距;
V、W是任选的正整数.在高频屏蔽电缆不适宜用这个公式。
串音计算涉及到多个指标,其中近端串音值得计算公式是:
《PN—3727TIA/EIA-568—B。
2-1标准草本——4对100Ω6类数据电缆传输性能规范》中对CAT6类数据电缆的线对间近端串音损耗功率检测标准给出如下公式:
式(2—2-2)频率f区间为(0.772MHZ,250MHZ)
标准同时给出CAT6类数据电缆线对间最差近端回波损耗指标如下:
表2-2-1
数据电缆在完成布线之后近端串音损耗值会发生变化,它的指标计算公式为:
网络信道近端串音损耗值
式(2-2-3)
NEXTCONN是连接器组件近端串音损耗值:
式(2—2-4)频率f区间为(1MHZ,250MHZ)
下面是近端串音功率和标准值的计算公式,我们可以与NEXTcable、NEXTchannel、NEXTperm—link的标准计算公式进行比较:
式(2-2—5)
式(2—2—6)
式(2—2-7)
《PN-3727TIA/EIA-568—B.2—1标准草本--4对100Ω6类数据电缆传输性能规范》给出永久性网络连接线近端串音损耗值的标准计算公式:
式(2-2—8)
我们可以看出网络的串音损耗值与网络信道(网络线)的串音损耗值是不同的。
这是《YG—T1019-2001数字通信用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆》通信行业标准给出的100Ω电缆的近端串音功率和PSNEXT的指标曲线公式图表:
表2-2—2
100Ω电缆的近端串音损耗值NEXT的指标曲线公式图表表2—2—3
《ISO/IEC11801信息技术—通用电缆用户要求概要》标准给出的串音损耗标准是主要频率点上的串音损耗值。
本文主要论述数据电缆设计和性能,因此在本文不做赘述。
2.3阻抗和回波损耗
阻抗、回波损耗与电缆的原材料和结构是息息相关的,均匀稳定的原材料和产品结构才能保证生产出具有稳定一致的阻抗和回波损耗值的数据电缆(参见第一部分的论述)。
在本部分我们一起熟悉阻抗和回波损耗两个重要性能。
回波损耗是布线系统阻抗不匹配产生的反射能量,对双向传输的影响是很大的。
回波损耗以反射信号电平的对应分贝(dB)来表示。
在实际布线网络测试中,应当按照ASTMD4566标准及其附件G的要求对网络的回波损耗进行测量.连接硬件所有线对的回波损耗按照附件E的要求进行测量。
模块化跳线所有线对的回波损耗按照TIA/EIA568.B2—1附件标准J的要求测量。
回波损耗RL的计算公式如下:
式(2-3—1)
其中p是反射系数.Z1是入射波阻抗,Z2是反射波阻抗.
《PN-3727TIA/EIA-568—B。
2—1标准草本——4对100Ω6类数据电缆传输性能规范》中给出明确的6类数据电缆回波损耗须达到的标准。
1-250MHZ数据电缆6类线水平电缆回波损耗符合下表:
表2—3-1
频率(MHZ)
回波损耗(dB/100m)
1≤f〈10
20+5log(f)
10≤f〈20
25
20≤f≤250
25—7log(f/20)
1-250MHZ数据电缆6类线标准电缆回波损耗符合下表:
表2—3-2
10≤f<
20
25-8.6log(f/20)
6类连接硬件回波损耗如下表:
表2—3-3
回波损耗(dB)
1≤f〈50
35
50≤f≤250
24-20log(f/100)
模块化跳线回波损耗如下表:
表2—3-4
1≤f<
25-10log(f/20)
6类布线信道回波损耗如下表:
表2—3—5
1≤f〈20
19
20≤f〈40
24-5log(f)
40≤f≤250
32—10log(f)
6类模块永久连接回波损耗如下表:
表2-3—6
21
26—5log(f)
34—10log(f)
《YG-T1019-2001数字通信用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆》通信行业标准
100Ω电缆的回波损耗dB表2-3—7
《YG-T1019—2001数字通信用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆》通信行业标准
100Ω电缆的结构回波损耗dB表2—3-8
在《ISO/IEC11801