關于改善數字電纜輸入阻抗的探討

1、關于改善數字電纜輸入阻抗的探討【摘 要】從傳輸理論角度，詳細論述了數據電纜特性阻抗與輸入阻抗物理意見，指出了兩者概念上的差別和實際使用中的不同之處。從實際制造的角度論證改進輸入阻抗波動范圍退扭理論，指出了改善輸入阻抗波動范圍的工藝措施。 1引言正如我們大家眾所周知的那樣：對稱數據電纜的電氣、傳輸參數中的絕大多數參數的值，是可以根據檢測結果進行定性乃至于定量的分析，進而通過改變電纜結構元件的尺寸數值或元件彼此間的位置，來得以有效的改進。但也有極小數的參數與此不同，例如輸入阻抗就是這些參數中典型的一個。由于輸入阻頻率特性曲線的波動范圍，與制造過程中的諸多隨機缺陷有著極為直接的關系，而制造過程中這諸

2、多的隨機缺陷之間又彼此間相互關聯，相互影響，錯綜復雜，因而使得我們對輸入阻抗這一參數的波動范圍很難準確地進行定性和定量分析，更無法通過改變元件的尺寸來縮小它的波動范圍這給我們電纜制造廠家的制造帶來了不少的困難。例如：筆者所在地的技術監(jiān)督部門，今年早些時候對市場上流通的數據電纜進行了一次抽查，被抽產品共計22家（其中4家國外產品），而達到產品包裝標定標準的只有6家，合格率僅為27。在16家不合格產品中幾乎100是由于輸入阻抗不合格或與此直接有關的SRL或RL不合格所至。從一定意義上講，輸入阻抗頻率特性曲線波動范圍的大小是一個數字電纜制造廠家產品質量水平，制造能力的綜合表征。本文旨在，從阻抗的物理

3、含義入手，通過計算分析，找出輸入阻抗頻率特性曲線產生波動的機理，進而探討縮小其波動范圍的措施。以保證產品的質量和高穩(wěn)定性。 2有關阻抗的概念21阻抗的物理含義在諸多的傳輸理論的書籍中，將對稱通信電纜的阻抗分為特性阻抗和輸入阻抗兩個概念來加以論述，其二者的物理含義如下：特性阻抗（Zc）：電磁波沿均勻電纜線路傳播而沒有反射時所遇到的阻抗。亦即線路終端匹配時，線路內任一點的電壓波（U）和電流波（I）的比值，就是線路的特性阻抗。按上述物理含義，經推導后特性阻抗Zc的值可由下式計算得出。式（1）中： R回路的有效電阻； L回路電感； 角頻率zf； G絕緣電導； C回路工作電容。按上式計算出的均勻無反射電

4、纜的特性阻抗的理論頻率特性曲線如圖1所示。 輸入阻抗（Zin）：電纜回路的輸入阻抗為始端電壓U0和電流I0之比，其值可由下式求得（均勻的電纜線路）式（2）中： 電纜的傳播常數； ZH負載阻抗； l電纜的長度； Zc特性阻抗。實際電纜的輸入阻抗的頻率特性曲線如圖2所示，在YDT10192001中將該阻抗稱復合阻抗。由于實際電路中幾乎100都有反射波的存在，因而特性阻抗的頻率特性曲線在實際中很難十分準確地測出，基于設計目的YDT10192001附錄B中提出了擬合阻抗的概念，其定義如下：擬合阻抗：“為了設計目的對阻抗數據取得函數漸近線?！痹趯嶋H使用中以此漸近線代替特性阻抗Zc的頻率特性曲線。擬合阻抗

5、的頻率特性曲線見圖2所示。 22關于阻抗概念實際使用中的幾點看法（1）如前所述，特性阻抗Zc和輸入阻抗Zin無論是在物理含義上，還是計算方法以及與各自有關的因素上都有著很大的不同，兩者只是在線路無任何反射波存在或者在長的電纜線路中值才是相等的，而在實際線路或者是短線路中情況就完全不同了，對此有的文章乃至相關的標準中將二者視為同一概念，這不但在用法上有待于商討，而在實際中容易造成概念的混淆，正因為如此，ASTMD4566標準的44條和45條中把圖2中的擬合前的曲線定義為輸入阻抗Zin以區(qū)別于特性阻抗Zc。筆者認為這一規(guī)定頗為確切，它不但體現了傳輸理論中的論述，而且在實際使用中給人們以確切清晰的概

6、念，有效地避免了可能發(fā)生的混淆。業(yè)內權威人士徐乃英先生：在其數字電纜的特性阻抗與結構回損一文中也明確地闡明了這一點。本文也是在將圖2中擬合前的曲線定義為輸入阻抗Zin這個名稱而加以討論的。（全文如此）（2）擬合阻抗實質上是為了從輸入阻抗Zin的頻率特性曲線中分離出電纜結構效應的影響，而用數學的最小二乘法對其進行函數擬合后而得到函數漸近線。這種擬合雖然存在著一定的擬合誤差，但在一定程度上，可以用此來代替特性阻抗Zc的頻率特性曲線，而用于結構調整和設計目的。（3）鑒于上述YDT10192001中的第51061條中表26的規(guī)定（即10015）應當是對輸入阻抗Zin波動范圍的規(guī)定，而不是對特性阻抗的限

7、制范圍；而該條中的表29中的規(guī)定（即下限為95；上限為1058）才應當是對特性阻抗Zc波動的限制范圍。 3輸入阻抗波動機理及因素的分析前面我們所說的電纜線路都是均勻無反射的線路，這種線路必須同時具備二個條件：其一，電纜的結構元件無論是在其縱向還是橫向上元件的各要素和特性都是均勻一致的；其二，負載阻抗是匹配的。這里我們把二個條件同時存在的電纜線路稱其為均勻的電纜線路。在實際使用中，由于上述二個條件幾乎都不存在，所以實際的線路都是不均勻的并且都有反射波的存在，如圖3所示。此時情況就大不相同了，Zin不再等于Zc，而是在整個頻帶上產生不對稱的不規(guī)則的波動。下面對引起輸入阻抗Zin頻率特性曲線波動的因

8、素逐項進行分析。 31負載不匹配時的輸入阻抗這里，我們先假定電纜結構要素是均勻的，只是負載阻抗不匹配，ZH處于短路、開路和任意情況時輸入阻抗Zin的計算。將式2整理后得出：式（3）中： 傳播常數； l電纜長。由式（2）和式（3）可以看出：輸入阻抗Zin與特性阻抗Zc、傳播常數、負載阻抗ZH、線路長度l、傳輸的頻率f等因素有關（這是它區(qū)別于Zc的主要所在）。因此，輸入阻抗Zin（包括負載開路時的輸入阻抗Zopen和負載短路時的輸入阻抗Zshort）的模和相角都將隨線路的長度l和頻率f的變化而波動這是輸入阻抗產生波動的原因之一。32電纜存在結構效應時的輸入阻抗這里所說的結構效應，是指電纜的結構元件

9、的結構要素，是不均勻的，并在不均勻點處引發(fā)電磁波反射的現象。在實際使用中，由于電纜的長度很短（l100m），電纜在制造過程中又不可能做的絕對均勻，因此實際的電纜線路100都是不均勻的。而每一個不均勻點都將必然不同程度地引發(fā)電磁波的反射，如圖3所示。這時在線路始端測得的電壓U0應為入射電壓波U入和反射電壓波U反之和，即：U0U入U反；同時測得的電流I0應為入射波電流I入和反射波電流I反之差，即：I0I入I反。此時的輸入阻抗Zin可用下式計算：從物理概念上來說，由于線路具有衰減常數和相移常數，電磁波在傳輸過程中，幅值和相角必然會發(fā)生變化。因此當反射波在始端與入射波相疊加時情況就變得非常復雜：在某些

10、頻點上可能同相位，在有些頻點上可能是反相位，于是有些U入U反為最大而I入I反為最小，在另外一些頻點上情況完全相反，或在兩者之間交互出現，而使Zin的頻率曲線發(fā)動不對稱無規(guī)則的波動這是導致輸入阻抗頻率特性曲線波動的主要原因。從式（4）中我們可以清楚地看出：輸入阻抗波動范圍的大小取決于反射波的大小，若U反、I反均為零（無反射時）此時Z入Zc；而U反、I反的幅值越大，越大輸入阻Zin的波動就越大。33特性阻抗Zc與反射波的關系數據電纜最基本的結構元件是絕緣單線和絞合線對，電纜基本的結構元件示意圖如圖4、圖5所示。前面我們已經敘述過，輸入阻抗Zin波動的大小主要取決于反射波輻值的大小及衰減常數和相移常

11、數，其中起主導作用的還是反射波輻值的大小，我們用反射系數P來表示反射波的大小。反射系數P有兩種情況： 由于負載不匹配引起的反射系數：因負載不匹配引起的反射前面已經說過了，這里主要分析各段電纜的特性阻抗Zc不相等與反射波大小的關系。在電纜的制造過程中，要保證結構元件各要素如：導體直徑d、絕緣外徑D、兩線間的距離a、導體與絕緣層的同心度等各要素都100的均勻是不可能，例如圖5所示的絕緣單線在某一點（或區(qū)段）前后直徑不相等的情況，在實際制造中是相當普遍的。這一點前后直徑的變化將導到該點前后的特性阻抗不相同，即Zc1Zc2。由式（6）可以看出，Zc1與Zc2的差越大反射系數Pzc也就越大，因而反射波也

12、就越大，此時的輸入阻抗波動就越大。34結構要素與輸入阻抗的關系從式（1）中我們看出，特性阻抗Zc的大小是由電纜的四個一次參數L、C、R、G來決定的。由傳輸理論知，當頻率超過一定值時（例f30 kHz時），特性阻抗Zc可由下式算出。由式（7）可知，在高頻時，特性阻抗Zc的值主要取決回路電感L、回路工作電容C。 回路電感：式（8）、（9）中： 線對總絞合系數； a兩絕緣導線間的距離（mm）； d單線的導體直徑（mm）；D相對介電常數； 絞合方式的修正系數； 的特定函數（隨頻率的增加而減?。模?）、（9）兩式中可以看出，結構要素a（兩導線間的距離）、d（導體直徑）的任何變化，都將導致一次參數L、C

13、的變化必然引發(fā)了特性阻抗Zc的變化，如果絕緣單線在制造過程中，多次出現如圖5中所示的點，那么結果就會變得十分復雜，在每一個點處都會引發(fā)一個反射波，這些反射波匯集在測試始端，會嚴重惡化輸入阻抗Zin的波動范圍。結構要素a、d在制造過程中的缺陷（即不均勻程度）越嚴重，電纜線路的反射波就越大，輸入阻抗就越惡化。因此，結構要素a、d的不均勻是引發(fā)線路中反射波最根本的原因所在。問題還不僅僅如此，實驗和計算都證明，絕緣單線的導體和絕緣層的同心度的偏差，特別是這種偏差周期性出現時所引起的兩導線間距離a值的變化所引發(fā)的反射波遠比單線自身的不均勻引發(fā)的反射波嚴重的多。這一點在制造過程中應給予充分地注意。35其他

14、因素對輸入阻抗的影響除了前面我們所講的對輸入阻抗有較大影響的幾項主要因素之外，下面這些制造過程中的工藝因素也是不可忽略的。 （1）絞對和成纜絞向對輸入阻抗的影響。目前國內的數據電纜產品中，絞對線和成纜的絞向有同向的，但也有為數不少的廠家的產品兩者是反向的。筆者認為兩者的作法均有一些道理：同向者因絞合應力使電纜護套后在內應力的作用下有“打扣”現象，反向絞合的這種現象就很??；同向絞合的兩導線間的距離（a）相對保持穩(wěn)定能力要比反向絞合的大的多。試驗證明在同等單線的條件下，兩者同向絞合的產品的輸入阻抗優(yōu)于反向絞合的產品，如圖6、圖7所示。（2）絕緣材料及色母粒的性能和質量對輸入阻的波動也起著相當的作用

15、，特別是色母粒，因其內部有礦物質的成分、因而相對絕緣料在很大程度上有雜質的含義，所以不同電纜段上的用量或質量的不均勻，必然造成介電常數r的值的變化，而引發(fā)不同程度的反射波。（3）護套松緊的均勻性對輸入阻抗的波動也是有影響的。因為參與工作電容計算的是相對介電常數D，D的值除了與電纜元件的尺寸有關外還與護套層所包圍的截面內的空氣與塑料所占的面積比有直接關系，護套松緊將導致不同段電纜內空氣與絕緣料所占面積的差別，而使D出現不同值，引發(fā)了各段的特性阻抗Zc的差別。 4縮小輸入阻抗頻率特性曲線波動范圍措施的探討從前面的敘述中我們可以看出，導致輸入阻抗的惡化有三個較大的方面： 其一：元件結構要素制造過程中

16、的不均勻 其二：工藝要素的不均勻 其三：原材料性能及色母粒的分布不均勻 上述三個方面的因素的共同作用，將導致不同電纜段上:(1)的不同；（2）四個一次參數G、R、L、C不同。問題最嚴重的是這些因素的周期性變化。不管這些周期是否有規(guī)律的，每一個周期都將有一個反射波的產生，這些反射波在始端的疊加將嚴重地惡化輸入阻抗Zin的頻率特性曲線。正如前面所說的，有些參數可以定性定量地進行分析，如特性阻抗就可以通過改變L、C的大小來有效地調整它的標稱位置，而輸入阻抗就不是這么回事了，沒有辦法通過改變哪一個元件的尺寸來改進它的頻率特曲線的波動范圍，而只能在定性分析的基礎上通過試驗的辦法來加以解決。試驗證明下列幾

17、項措施是縮小輸入阻抗頻率特性曲線波動范圍必須作到或者說是比較有效的辦法。41保證元件的制造誤差和工藝參數正如眾所周知的那樣，各結構元件的要素和工藝參數應控制在一定的范圍之內，例如：導體直徑d：應控制在0001（mm），且?guī)缀我貞_；絕緣外徑D：應控制在0002（mm），且?guī)缀我貞_； 導體與絕緣層的同心度：應控制在90； 導體的軟化：應控制在2； 絞對成纜放線漲力：應控制2 N；護套松緊應均勻一致。42嚴格保證原材料的性能應選用介電常數小而介質損耗角正切tg的頻率特性變化小的原材料，特別是色母料，因其自身含有礦物質，對絕緣料而言屬于雜質，這種雜質分布的不均，可能導致相對介電常D不穩(wěn)度，

18、引發(fā)工作電容的波動，將破壞特性阻抗Zc曲線的平滑和延續(xù)性。當然，銅材的選擇也是不可忽略的因素，銅材內部雜質除了影響生產效率外，還將導致有效電阻的不均勻，這種不均勻對一次參數電感L及二次參衰減都將造成影響。43單線退扭單線的退扭是本文對減少輸入阻頻率特性曲線波動范圍措施的重點，單線退扭是制造高水平數字纜的有效措施之一。41、42條中所敘述的措施，如果能得到有效地保證，此時的輸入阻抗的波動范圍可以控制在一定的范圍之內，但是因為這些要素的隨機性特別大，其受制于的因素又特別復雜，幾乎在全部程度上都取決于設備的先進性、專業(yè)性以及自動控制的精確性和穩(wěn)定性上。嚴重的是這些要素不能在進入下一工序之前，利用現有

19、的檢測手段確切地確定它的整體誤差水平，換句話說只能用“死后驗尸”的辦法來衡量這些要素的實際水平，而問題一經發(fā)現即為不可逆轉之事這就是數字電纜合格品率相對較低的原因之所在。關鍵問題是，目前國內數字電纜制造廠家所用的單線設備90以上都不是近期的專業(yè)設備，而是利用90年代初期的市話電纜設備代用，使用這些設備要想把元件的結構要素控制在“41”條中的范圍之內，在實際中的可能性不是很大的，對于5類及其以下的電纜是可用的，而對5e類及以上的電纜其穩(wěn)定性相對較差。對于如何利用現有設備來制造5e類及以上的高水平的電纜，筆者做了大量的試驗，認為單線退扭是一個有效的措施。目前對退扭作法的本身國內外尚有兩種意見，其一

20、：反對退扭，認為退扭必然能破壞單線的質量；其二：主張退扭，認為部分地犧牲單線的質量來大幅地提高電纜的水平是得而嘗失的。筆者對兩種看法也無力從理論上加以證明誰對誰非，只是對兩種說法都做了大量的試驗，認為兩種說都有各自的道理，都有其各自的實踐根據。到目前為止，國內外尚無文章精確地量化退扭理論及其作用。筆者憑借部分國外有關的片斷資料，在生產實踐中做過一定量試驗，如圖8、圖9所示，試驗結果可有效地證明下列兩點： （1）隨著退扭率的增加，單線的質量受到破壞從圖8中可以看出，隨著退扭率的增加，單線在導體與絕緣層的結合強度、銅線的內應力、絕緣表面等都受到破壞，且這種破壞程度幾乎隨著退扭率的增加成線性關系地增

21、加。 （2）Zin的波動幅度從圖9中可以看出，在退扭率從0開始至某一數值的范圍內Zin的波動幅度隨著退扭率的增加幾乎成線性關系減小，但當退扭率達到一定數值而繼續(xù)增加時，Zin的波動幅值又幾乎隨著退扭率的增加而成線性關系增加，但增加的幅度要比減小時緩慢的多。根據上述分析和試驗結果，我們用同一軸單線，用相同的工藝參數作了兩箱5e類的數字電纜，其二者的Zin的頻率特性曲線分別如圖10、圖11所示。值得提出的是采用退扭工藝后，大批量生產中Zin波動范圍均可控制在56之內，合格品率幾乎為100。實施證明：用盡量小的單線質量的破壞來換取質量明顯提高的優(yōu)等品這一作法是可行的，是有效的。問題的關鍵是退扭率的確

22、定，因各家產品的結構設計不同，單線尺寸、絞對成纜節(jié)距不同，籠統(tǒng)地確定一個退扭率是不可能的。另一方面退扭率的確立又是一個模糊邏輯的問題，它與Zin的計劃控制幅值有關，另外又無法進行準確的定量分析，所以退扭率的確定只能是根據各家的具體情況具體要求在實踐中試驗取得。它的大致范圍應為2040之間。5結論綜上所述我們可以得出下列幾個結論：51關于阻抗的概念（1）特性阻抗Zc與輸入阻抗Zin，在概念上計算方法等方面都是不同的，它們二者只是在電纜線路是均勻且無反射波存在時在數值上是相等的。把二者視為同等概念的提法有待商討。（2）由于測量原因將輸入阻抗Zin的實測結果，用數學方法進行函數擬合而得到的擬合函數漸近線，在一定精度范圍內，可以用來代替特性阻抗Zc的頻率特性曲線，而用于設