線纜高頻參數之衰減介紹科普

​01衰減---Attenuation 單位 –dB

高頻電子訊號在傳動時由於基本材料電阻,產生訊號強度(電壓)降低以外,尚有因高頻引發的Impedance,導致電子訊號強度再被降低,基本電阻的衰減取決於導體材質可稱直流衰減,電容電感的衰減取決於頻率高低可稱交流衰減,且頻率越高此衰減越嚴重;如果ATT數值越趨近於0時,表示訊號損耗的情況越少。反之,ATT數值越負(越小)時,表示訊號損耗的情況越嚴重.

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常見的衰減參數的測試圖,Pass表示符合測試要求,NG表示測試數據異常

衰減/插入損失(α,Attenuation/Insertion Loss)

指輸出端功率(Pout)比入射端功率(Pint)降低了多少,以dB(分貝)來表示,也可以是指輸出電壓(Vout)與入射電壓(Vin)相比訊號損耗剩下多少,一般是用NA(網路分析儀)來量測,可由儀器直接量得,其公式如下:

單位長度傳輸線的總衰減是中心導體的損失(αc)和介電材質損失(αd)之和。

αc=11.39*f1/2/Z0*(d+D) dB/m(f:GHz d,D:cm)

或 αc=4.34*f1/2/Z0*(d+D)dB/100ft( f:MHz d,D:inch)

αD=90.96*f*Σr1/2*tan(δ) dB/m

或 αD=2.78*f*Σr1/2*tan(δ) dB/100ft δ為散逸係數

如果ATT數值越趨近於0時,表示訊號損耗的情況越少。反之,ATT數值越負(越小)時,表示訊號損耗的情況越嚴重。

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衰減常數(參照電線電纜手冊一的數據說明)

表示電磁波在均勻電纜上每公裡的衰減值,它由兩部分組成,

由於金屬導體中的損耗而產生的衰減;

由於介質中損耗產生的衰減。

αn={[RLGL-ω­2LLCL+(RL+ω2LL2)(GL2+ωL ­2C2)1/2]/2} 1/2

在低損耗近似中,上式可近似為:

αn=(RL/Z0+GL*Z0)/2

從兩個電壓比值奈培數到同一比值的dB數之間存在一個簡單的轉換關係,如果兩個電壓的比值奈培數為rn,同樣電壓比值的dB數為rdB,由於它們等於相同的電壓比,所以可以得到:

10rdB/20=ern

rdB=rn*20loge=8.68*rn

所以傳輸線單位長度的衰減dB/長度為:

αdB=8.68αn=4.34(RL/Z0+GL*Z0)

注:αn表示衰減,為奈培/長度

αdB表示衰減,為dB/長度

RL表示導線單位長度串聯電阻

CL表示單位長度電容

LL表示單位長度串聯迴路電感

GL表示由介質引起的單位長度並聯電導

理論上,這雖是頻域中的衰減,但衰減卻與頻率沒有內在聯繫,然而事實上,在現實世界中,對於非常好的傳輸,由於趨膚效應的影響,單位長度串聯電阻隨著頻率的平方根增加;由於介質損耗因數的影響,單位長度並聯電導隨著頻率而增加,這意味著衰減也會隨著頻率的升高而增加,高頻率正弦波的衰減要大於低頻率的衰減。

單位元長度損耗由兩部分組成,一部分是由導線損耗引起的衰減:αcond=4.34(RL/Z0),另一部分衰減與介質材料損耗有關:αdiel=4.34(GL*Z0),總衰減為:αdB=αcond+αdiel

隨著頻率的升高,介質引起衰減的增加速度要比導線引起衰減的增加速度快,那麼會存在某一頻率,使得在這一頻率之上時介質引起的衰減處於主導地位.

傳輸線上的信號損耗:

綜合以上信號損耗主要包括以下幾種:

阻性損耗介質損耗:信號以電磁波的形式在傳輸線中傳輸,在介質中產生極化。介質中的帶電粒子沿著電場方向規則排列,電荷的規則移動消耗了能量。

相鄰耦合損耗:串擾的影響,信號的能量一部分耦合到響鈴的線上去,從而衰減了自身的能量。

反射損耗和輻射損耗等:反射的信號在傳輸線上來回傳輸,最終對信號的總能量構成損耗;高頻信號以電磁波的形式輻射出PCB

在分析傳輸線損耗時,還應注意:趨膚效應; 鄰近效應 ;表面粗糙度;復介電常數 ;介質損耗 ;隨頻率變化的阻抗特性和時延特性等,特別自身的損耗是高頻損耗的主要部分:主要是由導線自身的電阻所引起的損耗,在交流信號下,導線的阻抗會隨著頻率的變化而變化;走線的表面都會有一定的粗糙度,當信號的波長與走線層表明的粗糙度相近時會加劇阻性損耗,而且由於趨膚效應的影響,高頻電流會集中在導體的表面,這會進一步加劇導體的阻抗損耗,下面我們將分析這些損耗如何體現在傳輸線上面.

線纜的低衰減可歸於下列因素:

a.很大的中心導體直徑(d)或絕緣介電材質的直徑。

介電材質能防止高頻能量經由電阻成份散逸而保存的能力.

介電材質散逸係數越低, 代表其傳遞高頻能量之能力越高。

b.中心導體直徑或覆被低阻值。

c.低介電係數。

d.低的集膚效應深度。

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舉一個生活中的例子,如圖為熱水傳輸管道

問題1:供熱水公司輸出熱水假設100°C,但實際接收單位肯定會有差異,在這個熱水傳輸過程中有發生明顯損耗.

問題2:一杯熱水100°C,放置一個小時以後,可能就變成常溫的水,在這個放置過程中,水溫發生明顯損耗.

影響到熱水傳輸損耗的原因分析:

1.傳輸管道的壁厚(會影響保溫的時間)

2.傳輸管道的內壁光潔度(會阻礙傳輸的速度)

3.傳輸管道的材質(會影響保溫的時間)

4.傳輸水的速度 (速度直接影響水溫損耗的速度)

5.傳輸的距離(距離直接影響水溫損耗的速度)

6.外部環境的影響(會影響保溫的時間)

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如圖對比管道圖,銅絲即為傳輸的核心水,絕緣皮即是保護的傳輸管道

影響到線纜傳輸損耗的原因分析:

  1. 傳輸管道的壁厚(對比為芯線的皮厚)
  2. 傳輸管道的內壁光潔度(對比為線材附著力不穩定及芯線外觀不良粗糙)
  3. 傳輸管道的材質( 芯線的絕緣材質)
  4. 傳輸水的速度(導體的大小)
  5. 傳輸的距離(測試線材的長短)
  6. 外部環境的影響(測試的環境及線材的屏蔽效果(遮蔽率))

線纜設計中關鍵點﹕

阻抗,絕緣外徑,導體外徑,屏蔽狀況

阻抗大;衰減小﹔

絕緣線徑大;阻抗大;衰減小﹔

導體直徑大;衰減小﹔

發泡度大;介電常數小;衰減小﹔

編織密度增加;衰減小﹔

編織+鋁箔結構;衰減小﹔

鋁箔厚度增加;衰減小﹔

線纜生產過程中控制關鍵點﹕

芯線的皮厚偏小;衰減增大

附著力不穩定及芯線外觀不良粗糙;衰減增大

芯線的絕緣材質;介電常數小,衰減小

導體偏小;衰減大

測試線材的長短;線長衰減大測試的環境及線材的屏蔽效果(遮蔽率);環境差;衰減大.

不同線種的應用設計理論重點也不同,以下做簡要數據羅列說明

電線主要分為兩種,一種為同軸系列,一種為對絞系列

同軸線主要影響衰減的因素﹕阻抗﹑絕緣線徑﹑導體直徑﹑編織錠子數﹑每錠根數。

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目前需要用到同軸線的主要成品系列羅列

1) 阻抗增大;衰減減小﹔

2) 絕緣線徑增大;阻抗增大;衰減減小﹔

3) 導體直徑增大;衰減減小﹔

4) 發泡度增加;介電常數減小;衰減減小﹔

5) 外導體變化(編織)的影響

a) 編織密度增加;衰減減小﹔

b) 編織+鋁箔結構;衰減減小﹔

c) 鋁箔厚度增加;衰減減小﹔

雙絞線主要影響衰減的因素﹕導體﹑絕緣介質﹑絕緣線徑﹑對絞節距﹑對屏蔽鬆緊﹑對屏蔽厚度﹑成纜節距﹑總屏蔽﹑總屏蔽厚度﹑對內延時差。

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目前雙絞線的種類非常多,網線最為普遍,其它如HDMI,USB,DP等都為此類別

1) 導體

導體線徑大;衰減小﹔

導體絞合節距增大;衰減減小

導體絞合質量差(起股﹑鬆散﹑不圓整等);高頻衰減跳動。

2) 絕緣介質﹕發泡度增大;介電常數減小;衰減減小﹔

3) 絕緣線徑﹕絕緣線徑增大;阻抗增大;衰減減小﹔

4) 對絞節距﹕對絞節距增大;衰減減小﹔

5) 對屏蔽鬆緊

鋁箔繞包過緊;衰減增大﹔

鋁箔繞包緊;高頻衰減無跳動﹔

鋁箔繞包過緊;高頻衰減跳動﹔

鋁箔繞包松;高頻衰減有跳動。

鋁箔繞包不平整;高頻衰減跳動.

衰減參數小結:以上所寫部分主要為理論知識,在實際製程中很少會根據這些公式來計算,在實際制中影響衰減的主要因素是阻抗,所以控制阻抗穩定是非常重要一個環節,這就要求在做導體時注意OD穩定、外觀美觀、無刮傷、凸起等會影響到阻抗的不良因素,對於芯線要求OD穩定、同心度高、表面光滑美觀,絞線時要求絞距穩定、收/放線張力平衡,對於外被要求押出時不能過緊過鬆。所以只有做好線的每一個工段,才能保證阻抗變化不大,才能保證衰減較好;在衰減計算參數的應用裡面一般有兩個係數比較重要,如下附表

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