專注福祿克測試儀銷售與技術(shù)

【什么是電纜的阻抗？】 -數(shù)據(jù)電纜測試入門和常見測試問題解答

【什么是電纜的阻抗？】 ?讀者大都熟知?dú)W姆定律：U=RI，或者 R=U/I，其中的 R 是電阻或者電阻負(fù)載，電阻與材料的電阻率 ?(又稱導(dǎo)電系數(shù))有關(guān)。但在高頻信號的傳輸過程中，我們需要了解傳輸高頻信號的物理介質(zhì)(比如雙絞線、同軸線)的傳輸特性。這種傳輸特性與傳輸介質(zhì)的導(dǎo)電材料(例如銅或銀)、幾何形狀、分布電感(L0)、分布電容(C0)、導(dǎo)電系數(shù)(電阻率)、絕緣材料(介電常數(shù))等都有關(guān)系，低頻信號傳輸時(shí)則往往不考慮這些分布參數(shù)的影響。

這里需要先說說什么是分布參數(shù)。所有的電子線路圖中都用L 代表電感器(通常是線圈)，C 代表電容器(通常是方形、原片形或圓柱形)。微觀上看，雙絞線其實(shí)就是兩根彼此靠近的圓柱形銅導(dǎo)體。一段雙絞線(例如一米)，就是彼此靠近的一對圓柱形銅導(dǎo)體。問：這對圓柱形銅導(dǎo)體是不是自身就存在電感和電容呢？答案是：存在。一米雙絞線的每根圓柱形銅導(dǎo)體雖然外形上不是電感器，但本身也存在微量電感；兩根相互靠近的一米銅導(dǎo)體雖然外形上不是電容器，但兩者之間確實(shí)存在著微量電容(即電荷感應(yīng)系數(shù))。我們把這些“外形特征”看不見，但“身體”中包含著的微量電感、電容就叫做分布參數(shù)(分布電感 L0、分布電容 C0)。

用來衡量這些分布參數(shù)相關(guān)性的是一個(gè)比較復(fù)雜的等效參數(shù)，不過，由于這個(gè)參數(shù)等效計(jì)算的結(jié)果正好是以歐姆(Ω)為單位，所以中文把這個(gè)參數(shù)叫譯做“特性阻抗”，有時(shí)簡稱阻抗。請讀者注意，這個(gè)特性阻抗參數(shù)和歐姆定律中常舉例的純電阻完全是兩個(gè)概念，雖然計(jì)量單位都是歐姆，但此“歐姆”非彼“歐姆”。特性阻抗是分布感應(yīng)參數(shù)的等效值，它被用來衡量介質(zhì)的傳輸特性，且不隨“均勻”傳輸線的長度改變而發(fā)生變化(雖然計(jì)算時(shí)會假設(shè)長度無限)，而電阻是與傳輸線的長度密切相關(guān)的一個(gè)參數(shù)，傳輸線越長，電阻值通常也越大。特性阻抗表達(dá)式雖然復(fù)雜，但隨著工作頻率的提高(一般大于 2MHz 以后)，其值會趨于穩(wěn)定。近似地，此穩(wěn)定值只與(L0/C0)比值的均方根和絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)有關(guān)。所以，材料不變的情況下，只要傳輸線保持結(jié)構(gòu)均勻，其分布參數(shù) L0、C0 就會保持不變，那么鏈路每“一點(diǎn)”的特性阻抗也會保持不便(即保持阻抗連續(xù)性)。

雙絞線常見的特性阻抗規(guī)格是 100Ω 和 120Ω。前者通常用于計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，后者較多用于現(xiàn)場總線和工控網(wǎng)。

雙絞線是一種傳輸線。理論上，“均勻傳輸線”上沿長度方向上每一點(diǎn)的分布參數(shù)的感應(yīng)等效值(特性阻抗)是連續(xù)不變的，這就叫阻抗的“連續(xù)性”。例如，一段 100 米的“均勻雙絞線”，其 35 米處的特性阻抗值和 53 米處的特性阻抗值理論上是一樣的(都是 100Ω，即分布電感和分布電容、微電阻等是保持一致的)。而真實(shí)條件下的雙絞線都不是真正的均勻雙絞線，傳輸線上每點(diǎn)的特性阻抗值會因?yàn)橹圃?、安裝等原因可能都是不一樣的，存在著一定的波動(例如存在 10%的波動)。這種現(xiàn)象就叫做阻抗不連續(xù)。這是由于傳輸線的加工過程無法做到完全保持持續(xù)的均勻一致而造成的。如果生產(chǎn)過程中銅線的直徑和銅線外絕緣層的厚度隨機(jī)地發(fā)生微小的變化，那么電磁感應(yīng)的分布參數(shù)值 L0 和 C0 就會發(fā)生微小變化，等效出來的特性阻抗值就會發(fā)生變化。例如，53 米處特性阻抗為 103Ω，53 米處為 98Ω。同軸線也存在同樣的情況，同軸線中的內(nèi)導(dǎo)線直徑會沿著長度方向發(fā)生微小變化，外導(dǎo)體的直徑和內(nèi)外導(dǎo)體之間的絕緣層的厚度也會發(fā)生微小變化，這樣等效出來的阻抗值跟著也發(fā)生微小變化，所以感應(yīng)分布沿長度方向是不連續(xù)的，也就是說阻抗是不連續(xù)的。

需要提請讀者注意的是，分布參數(shù)的微小變化在低頻信號傳輸時(shí)對信號傳輸?shù)挠绊懯呛芪⑷醯模挥性趥鬏敻哳l信號時(shí)才產(chǎn)生明顯影響(長線理論)。如果只是用同軸線傳輸幾千赫茲頻率的語音信號(電話)，那么即便是阻抗發(fā)生大幅度突變的同軸線對這種信號的傳輸基本上沒有影響(相當(dāng)于短線)，但如果傳輸 100MHz 的電視信號，則有可能出現(xiàn)圖像重影。

上沒有影響(相當(dāng)于短線)，但如果傳輸 100MHz 的電視信號，則有可能出現(xiàn)圖像重影。?? 阻抗突變是阻抗不連續(xù)的一種明顯表現(xiàn)，一般發(fā)生在傳輸路徑上發(fā)生幾何尺寸明顯變化的地方，當(dāng)然，也發(fā)生在材料突變和絕緣介質(zhì)突變的地方。例如，雙絞線和水晶頭之間的連接點(diǎn)就是一個(gè)阻抗突變點(diǎn)，因?yàn)殡p絞線的結(jié)構(gòu)和幾何尺寸與水晶頭內(nèi)金屬針腳的幾何結(jié)構(gòu)、尺寸均不同，兩者的等效阻抗也不一樣。再比如，雙絞線與配架模塊的內(nèi)部金屬結(jié)構(gòu)、幾何尺寸都不相同，等效阻抗也不一樣，兩者相連接時(shí)就會在接觸點(diǎn)出現(xiàn)阻抗突變的現(xiàn)象。同樣地，水晶頭插入模塊后與模塊的連接點(diǎn)也是一個(gè)典型的阻抗不連續(xù)點(diǎn)。

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)使用的同軸電纜(50 歐姆)和有線電視使用的同軸電纜(75 歐姆)特性阻抗不同，兩者前后誤接到一起混用時(shí)也會發(fā)生阻抗突變，突變點(diǎn)就在連接點(diǎn)處。

沿線對向前傳輸?shù)男盘栐谧杩雇蛔凕c(diǎn)會發(fā)生發(fā)射，突變越大反射的能量就越強(qiáng)

阻抗突變越大反射的能量越強(qiáng)。如果傳輸線對端開路，此時(shí)可以認(rèn)為阻抗值變成無窮大，相對突變量也是無窮大，則信號傳輸?shù)綄Χ撕髸缀跞糠瓷浠貋?。如果傳輸線的對端短路，此時(shí)可以認(rèn)為短路點(diǎn)阻抗值變成“零”，阻抗突變值很大，則信號傳輸?shù)綄Χ撕笠矔缀跞糠瓷浠貋?。由此可知，開路和短路是阻抗突變的兩個(gè)極端情形，所以反射回來的信號能量在此時(shí)都是最大的。我們可利用這點(diǎn)來測量電纜的長度和定位開路/短路位置。反射回來的信號會回到信號的發(fā)送端，與正常傳輸?shù)男盘柉B加在一起被接收，致使信號讀取出錯。那么，開路和短路點(diǎn)誰反射能量更大呢？由于都是阻抗極限值，反射能量幾乎都接近 100%。

對于特性阻抗為 75 歐姆的同軸線(家用電視機(jī)用的就是這種線)，如果在傳輸線的對端接上一個(gè) 75 歐姆的純電阻，則信號傳輸?shù)綄Χ藭r(shí)會被這個(gè)純電阻全部吸收，沒有信號能量會被反射回來。對于 100 歐姆 UTP 電纜(非屏蔽雙絞線)在對端的每對線對上各接上一個(gè) 100歐姆純電阻后，信號能量在對端也會被全部吸收，不會有信號能量反射回來。這種在傳輸線出口接上純電阻的方法是消除信號反射的一個(gè)重要技術(shù)，我們習(xí)慣上也把它稱作“終端阻抗匹配”或簡稱“終端匹配”。匹配電阻的阻值必須與傳輸線的特性阻抗值相等，這樣才能將信號能量全部吸收不反射回去。類似地，在 120Ω總線的兩端一般也要各接上一個(gè) 120 歐姆的純電阻，防止信號在總線內(nèi)來回反射，減小其干擾正常數(shù)據(jù)幀的傳輸。

其實(shí)，阻抗匹配的概念并不止于此，如果將兩段均勻的同軸電纜連接起來，在連接點(diǎn)處“加工”得很平順，沒有出現(xiàn)微觀意義上的阻抗突變現(xiàn)象，則我們也把這兩段同軸線的連接稱作匹配。推而廣之，凡是阻抗連續(xù)的點(diǎn)我們都說它們是匹配的。按照這個(gè)思路，我們就知道通常在雙絞線和模塊的連接點(diǎn)處，阻抗是有“失配”現(xiàn)象存在的，一條布線鏈路的接插件和連接件所在的位置經(jīng)常也是阻抗不連續(xù)的位置，或者說是阻抗失配的位置。失配的原因主要是傳輸線的幾何結(jié)構(gòu)(尺寸和形狀)發(fā)生了突變。凡是阻抗不連續(xù)點(diǎn)也“一定是”一個(gè)信號能量的反射點(diǎn)。