資料-同軸電纜傳輸

同軸電纜傳輸一、概述在當今的信息社會，通過同軸電纜傳輸信號得到了廣泛的應(yīng)用。因此，它有待于人們對它進行更加深入和全面的了解。自從美國貝爾實驗室1929年發(fā)明同軸電纜以來，已經(jīng)過了數(shù)十年歷史。在這期間，同軸電纜通過了多次改進。第一代電纜采用實芯材料作為填充介質(zhì)，由于它對高頻衰減大，現(xiàn)在通常主要把它用于傳輸視頻信號。后來人們把聚乙烯采用化學方法發(fā)泡作為填充介質(zhì)。其發(fā)泡度可達30%，高頻傳輸特性有所提高。我們把這稱為第二代電纜。80年代，第三代縱孔藕芯電纜出現(xiàn)，它的高頻衰減達到目前新型電纜的水平。但化學發(fā)泡電纜和縱孔藕芯電纜的防潮特性都不好。90年代初，市場推出了物理發(fā)泡電纜和竹節(jié)電纜。我們稱為第四代電纜。竹節(jié)電纜雖然能防潮和高頻損耗低，但介質(zhì)具有不均勻性，在高頻有反射點。后來無人使用。物理發(fā)泡電纜的發(fā)泡度可達80%。介質(zhì)主要成分是氮氣，氣泡之間是相互隔離的。因此，它具有防潮和低損耗的特點，是目前綜合特性最好的同軸電纜。制軸電纜的納構(gòu)圳場分布冃怙屯燉”:由蚌牛占\1制軸電纜的納構(gòu)圳場分布冃怙屯燉”:由蚌牛占\1關(guān)眄片§\圖二、電纜結(jié)構(gòu)與信號傳輸特性同軸電纜的結(jié)構(gòu)如上圖，在中心內(nèi)導(dǎo)體外包圍一定厚度的絕緣介質(zhì)，在介質(zhì)外是管狀外導(dǎo)體，外導(dǎo)體表面再用絕緣塑料保護。它是一種非對稱傳輸線，電流的去向和回向?qū)w軸是相互重合的。在信號通過電纜時，所建立的電磁場是封閉的，在導(dǎo)體的橫切面周圍沒有電磁場。因此，內(nèi)部信號對外界基本沒有影響。電纜內(nèi)部電場建立在中心導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間，方向呈放射狀。而磁場則是以中心導(dǎo)體為圓心，呈多個同心圓。這些場的方向和強弱隨信號的方向和大小變化。1、同軸電纜對傳輸信號的損耗同軸電纜在傳輸信號過程中，會對信號不斷地損耗，從而造成信號到達終點后幅度減小，有時可能達不到正常工作要求。影響信號損耗的因素主要有電纜的電阻損耗、介質(zhì)損耗、失配損耗。同時泄漏損耗在低質(zhì)電纜工作于高頻時，也是一個不可忽略的問題。我們下面分別對這些損耗進行分析。l電阻損耗電阻損耗是電纜所具有的直流電阻和導(dǎo)體高頻感應(yīng)所產(chǎn)生的渦流對信號能量的消耗。電阻值的大小與電纜使用的材料和生產(chǎn)工藝有關(guān)。同時它會隨傳輸頻率的改變而改變，原因是導(dǎo)體在傳輸交流信號中，具有趨膚效應(yīng)。隨著頻率的增加，有效電阻會不斷加大。見圖2圖二從圖中可看到，當交流電流流通過導(dǎo)體時，會在導(dǎo)體周圍產(chǎn)生交變磁場。該磁場又會使導(dǎo)體內(nèi)部生成新的感應(yīng)電流（渦流），該電流的方向如圖所示。它與導(dǎo)體中心的信號電流方向相反。與導(dǎo)體表面的信號電流方向相同。這樣，導(dǎo)體內(nèi)部的信號電流被反向渦流抵消，電流減??；導(dǎo)體表面的信號電流與同向渦流相加同，電流增大。這就是交流通過導(dǎo)體的趨膚現(xiàn)象。隨著信號頻率的增高，感應(yīng)電流增大，這種現(xiàn)象就越加明顯。它使電流只集中在表面很小的截面流動，造成導(dǎo)體的有效電阻明顯增加。信號的趨膚深度與頻率和材料有關(guān)，頻率越低，趨膚深度越深；頻率越高趨膚深度越淺。鐵比銅的趨膚深度小許多。下面給出銅對各種頻率的趨膚深度表，供大家參考換平仙閒1M1KLOK1MEUIl&lLOOKItid&I3.3QZ.Q59.CB0.S6PT.&F2.01^導(dǎo)體內(nèi)部的渦流能量來自于信號源本身，渦流在導(dǎo)體中流動，最終變成熱被耗散掉。頻率越高渦流越大，趨膚越嚴重，導(dǎo)體的有效電阻越大，而傳輸信號損耗也就越大，這就是同軸電纜傳輸信號的頻率越高損耗越大的主要原因。通過下面同軸電纜在200C,1000米時的導(dǎo)體電阻衰減對照表，可以進一步明確上述概念。介電常數(shù)為1.4的75-5物理發(fā)泡電纜電阻衰減對照表瞬1r-JHi)1S552112/0300330550；505.9413.2?44.0486.23P7.571031937118139162表二電阻損耗在傳輸?shù)皖l時，由導(dǎo)體材料的直流電阻起主要作用；在傳輸高頻時，由趨膚效應(yīng)引起變化的電阻起主要作用。介電常數(shù)為2.3的75-5實芯電纜電阻衰減對照表貽(MUs)]555m270300330^00S5075069]1^4斗5122：L311912513$IM189表三?介質(zhì)損耗。介質(zhì)損耗是同軸電纜中心導(dǎo)體與外導(dǎo)體間的電介質(zhì)（絕緣體）對信號的損耗。量度電介質(zhì)的一個重要參數(shù)是介電常數(shù)。它是指在同一電容器中用某一物質(zhì)作為電介質(zhì)時的電容與其中為真空時電容的比值稱為該物質(zhì)的“介電常數(shù)”。介電常數(shù)通常隨溫度和介質(zhì)中傳播的電磁波的頻率而變化。同軸電纜的內(nèi)外導(dǎo)體相當于電容的兩極。由于實用中的電纜電介質(zhì)有電阻存在，介電常數(shù)通常大于1。因此，傳輸中對信號的損耗是必然的。介電常數(shù)的大小與材料和加工工藝（如發(fā)泡）有關(guān)。介電常數(shù)越大，對信號的損耗也越大。溫度越高，頻率越高，介電損耗越大。下面是兩種不同介電常數(shù)電纜在200C，1000米時的頻率損耗表。殊電常數(shù)対1.4的^5-5物理發(fā)泡電纜允電衰竝對照表 裊41555Hl270300J30□IE5507501.050.272恥11.3612161517.77兀53^P.dl舟電常數(shù)盅2.M的乃乃實芯電纜介電衰減對照表 晨S15552LI27DSCO3304M550■750Q.IT70.3S3EJ4.5filS.d32C.7227127.fi37.PS5175表五從表中可以看出，介電損耗對于低頻（如0-6MHz的視頻）影響不大。而在高頻傳輸時，它的影響就十分明顯。崔惜尋淖，也純和空聯(lián)卩且竝相同時，低甘忑到最去賀羊慣理75Et#M一佶號軽也菰徂抗不約旬孤與信吟遞及曲札不匹配嚴.信吟倩輸欣刮掘失圖三?失配損耗失配損耗主要與同軸電纜的物理結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。如果同軸電纜在設(shè)計和生產(chǎn)中造成電纜脫離標稱阻抗或者電纜阻抗不均勻，均會造成信號的失配損耗。在施工中造成電纜的過度彎曲、變形、損傷和接頭進水，也會造成失配損耗。見圖3同軸電纜的特性阻抗（不是直流電阻）與電纜長度無關(guān)，它是由電纜中的等效電容和電感決定的。而這些等效電容和電感又是由內(nèi)外導(dǎo)體直徑和介質(zhì)的介電常數(shù)決定的。電纜阻抗不均勻或與信號源及負載不匹配均會造成電纜在傳輸信號時，部分信號能量向傳輸方向相反的方向返回，即反射。它將使原有信號受到影響。造成傳輸效率下降。嚴重時直接影響系統(tǒng)的正常工作。信號在傳輸中反射的程度通?？捎民v波比或反射損耗（回波損耗）來表示。以反射損耗與傳輸效率的對照表，可以了解不同的反射損耗對信號傳輸?shù)挠绊?。反射勲與功車傳輸效車對網(wǎng)表 怎￡隹輸藏率1兀）1009!)57.5如31.&763719.9氐眥箜ran3Q12107.4e32L表六電纜的反射損耗可直接用網(wǎng)絡(luò)分析儀測得。好的同軸電纜在工作頻段內(nèi)，反射損耗一般可作到20db以上，也就是說，在不考慮它其它因素時，它的傳輸效率可達99%以上。?泄漏損耗泄漏損耗是信號通過電纜屏蔽的編織間隙輻射出去的信號。它同樣造成信號在傳輸過程中的能量損失。這是高頻傳輸中不可忽略的問題。為此，電纜的編織覆蓋率不能過低。綜上所述，同軸電纜對信號的傳輸損耗具有多種因素。它的最終損耗是上述各種損耗的總和，這種綜合損耗可用網(wǎng)絡(luò)分析儀測試。電纜的直流電阻只有在低頻時才對信號衰減起主要作用；在高頻時，信號的衰減主要由趨膚效應(yīng)和介質(zhì)損耗決定。同軸電纜隨著傳輸信號頻率的增加，信號衰減成倍增長。因此，電纜的傳輸損耗重要是考慮高頻損耗。電纜除了在設(shè)計、生產(chǎn)加工外，使用中施工不當，同樣會對電纜正常使用產(chǎn)生重大影響。2、同軸電纜的屏蔽特性同軸電纜的屏蔽特性是反映電纜特性的一個重要指標。但長期以來，許多廠商和用戶未受到重視。具調(diào)查，國內(nèi)電纜生產(chǎn)廠家只有極少數(shù)測試過相關(guān)的屏蔽指標。用戶對此更是無從了解。他們對該方面性能的唯一了解只有電纜外導(dǎo)體的編織絲數(shù)量。?屏蔽與趨膚效應(yīng)我們從圖二(b)可以看出，當外界干擾信號侵入導(dǎo)體時，在導(dǎo)體的厚度方向上迅速衰減，這種衰減是呈指數(shù)下降的。當幅度下降到表面電壓的1/e的深度時，該深度定義為趨膚深度。在圖二(b)中，左邊和右邊分別表示高頻和低頻信號進入導(dǎo)體內(nèi)部的衰減情況。顯然，高頻進入后衰減較快，趨膚深度淺；低頻進入后衰減較慢，趨膚深度深，見表1。干擾信號的強度集中于外導(dǎo)體的外表面，電纜傳輸信號的強度集中于外導(dǎo)體的內(nèi)表面。同頻率的干擾信號與有用信號的趨膚深度完全相同。如果頻率很高，干擾信號和有