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高频数据线之高频衰减讯号分析

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01衰减---Attenuation 單位 –dB

高频电子讯号在传动时由于基本材料电阻,产生讯号强度(电压)降低以外,尚有因高频引发的Impedance,导致电子讯号强度再被降低,基本电阻的衰减取决于导体材质可称直流衰减,电容电感的衰减取决于频率高低可称交流衰减,且频率越高此衰减越严重;如果ATT数值越趋近于0时,表示讯号损耗的情况越少。反之,ATT数值越负(越小)时,表示讯号损耗的情况越严重.

常见的衰减参数的测试图,Pass表示符合测试要求,NG表示测试数据异常

衰减/插入损失(α,Attenuation/Insertion Loss)

指输出端功率(Pout)比入射端功率(Pint)降低了多少,以dB(分贝)来表示,也可以是指输出电压(Vout)与入射电压(Vin)相比讯号损耗剩下多少,一般是用NA(网路分析仪)来量测,可由仪器直接量得,其公式如下:

单位长度传输线的总衰减是中心导体的损失(αc)和介电材质损失(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为散逸系数

如果ATT数值越趋近于0时,表示讯号损耗的情况越少。反之,ATT数值越负(越小)时,表示讯号损耗的情况越严重。

衰减常数(参照电线电缆手册一的数据说明)

表示电磁波在均匀电缆上每公裡的衰减值,它由两部分组成,

由于金属导体中的损耗而产生的衰减;

由于介质中损耗产生的衰减。

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

在低损耗近似中,上式可近似为:

αn=(RL/Z0+GL*Z0)/2

从两个电压比值奈培数到同一比值的dB数之间存在一个简单的转换关係,如果两个电压的比值奈培数为rn,同样电压比值的dB数为rdB,由于它们等于相同的电压比,所以可以得到:

10rdB/20=ern

rdB=rn*20loge=8.68*rn

所以传输线单位长度的衰减dB/长度为:

αdB=8.68αn=4.34(RL/Z0+GL*Z0)

注:αn表示衰减,为奈培/长度

αdB表示衰减,为dB/长度

RL表示导线单位长度串联电阻

CL表示单位长度电容

LL表示单位长度串联回路电感

GL表示由介质引起的单位长度并联电导

理论上,这虽是频域中的衰减,但衰减却与频率没有内在联系,然而事实上,在现实世界中,对于非常好的传输,由于趋肤效应的影响,单位长度串联电阻随著频率的平方根增加;由于介质损耗因数的影响,单位长度并联电导随著频率而增加,这意味著衰减也会随著频率的升高而增加,高频率正弦波的衰减要大于低频率的衰减。

单位元长度损耗由两部分组成,一部分是由导线损耗引起的衰减:αcond=4.34(RL/Z0),另一部分衰减与介质材料损耗有关:αdiel=4.34(GL*Z0),总衰减为:αdB=αcond+αdiel

随著频率的升高,介质引起衰减的增加速度要比导线引起衰减的增加速度快,那么会存在某一频率,使得在这一频率之上时介质引起的衰减处于主导地位.

传输线上的信号损耗:

综合以上信号损耗主要包括以下几种:

阻性损耗介质损耗:信号以电磁波的形式在传输线中传输,在介质中产生极化。介质中的带电粒子沿着电场方向规则排列,电荷的规则移动消耗了能量。

相邻耦合损耗:串扰的影响,信号的能量一部分耦合到响铃的线上去,从而衰减了自身的能量。

反射损耗和辐射损耗等:反射的信号在传输线上来回传输,最终对信号的总能量构成损耗;高频信号以电磁波的形式辐射出PCB

在分析传输线损耗时,还应注意:趋肤效应; 邻近效应 ;表面粗糙度;复介电常数 ;介质损耗 ;随频率变化的阻抗特性和时延特性等,特别自身的损耗是高频损耗的主要部分:主要是由导线自身的电阻所引起的损耗,在交流信号下,导线的阻抗会随着频率的变化而变化;走线的表面都会有一定的粗糙度,当信号的波长与走线层表明的粗糙度相近时会加剧阻性损耗,而且由于趋肤效应的影响,高频电流会集中在导体的表面,这会进一步加剧导体的阻抗损耗,下面我们将分析这些损耗如何体现在传输线上面.

线缆的低衰减可归于下列因素:

a.很大的中心导体直径(d)或绝缘介电材质的直径。

介电材质能防止高频能量经由电阻成份散逸而保存的能力.

介电材质散逸系数越低, 代表其传递高频能量之能力越高。

b.中心导体直径或覆被低阻值。

c.低介电係数。

d.低的集肤效应深度。

举一个生活中的例子,如图为热水传输管道

问题1:供热水公司输出热水假设100°C,但实际接收单位肯定会有差异,在这个热水传输过程中有发生明显损耗.

问题2:一杯热水100°C,放置一个小时以后,可能就变成常温的水,在这个放置过程中,水温发生明显损耗.

影响到热水传输损耗的原因分析:

1.传输管道的壁厚(会影响保温的时间)

2.传输管道的内壁光洁度(会阻碍传输的速度)

3.传输管道的材质(会影响保温的时间)

4.传输水的速度 (速度直接影响水温损耗的速度)

5.传输的距离(距离直接影响水温损耗的速度)

6.外部环境的影响(会影响保温的时间)

如图对比管道图,铜丝即为传输的核心水,绝缘皮即是保护的传输管道

影响到线缆传输损耗的原因分析:

  1. 传输管道的壁厚(对比为芯线的皮厚)
  2. 传输管道的内壁光洁度(对比为线材附著力不稳定及芯线外观不良粗糙)
  3. 传输管道的材质( 芯线的绝缘材质)
  4. 传输水的速度(导体的大小)
  5. 传输的距离(测试线材的长短)
  6. 外部环境的影响(测试的环境及线材的屏蔽效果(遮蔽率))

线缆设计中关键点﹕

阻抗,绝缘外径,导体外径,屏蔽状况

阻抗大;衰减小﹔

绝缘线径大;阻抗大;衰减小﹔

导体直径大;衰减小﹔

发泡度大;介电常数小;衰减小﹔

编织密度增加;衰减小﹔

编织+铝箔结构;衰减小﹔

铝箔厚度增加;衰减小﹔

线缆生产过程中控制关键点﹕

芯线的皮厚偏小;衰减增大

附著力不稳定及芯线外观不良粗糙;衰减增大

芯线的绝缘材质;介电常数小,衰减小

导体偏小;衰减大

测试线材的长短;线长衰减大测试的环境及线材的屏蔽效果(遮蔽率);环境差;衰减大.

不同线种的应用设计理论重点也不同,以下做简要数据罗列说明

电线主要分为两种,一种为同轴系列,一种为对绞系列

同轴线主要影响衰减的因素﹕阻抗﹑绝缘线径﹑导体直径﹑编织锭子数﹑每锭根数。

目前需要用到同轴线的主要成品系列罗列

1) 阻抗增大;衰减减小﹔

2) 绝缘线径增大;阻抗增大;衰减减小﹔

3) 导体直径增大;衰减减小﹔

4) 发泡度增加;介电常数减小;衰减减小﹔

5) 外导体变化(编织)的影响

a) 编织密度增加;衰减减小﹔

b) 编织+铝箔结构;衰减减小﹔

c) 铝箔厚度增加;衰减减小﹔

双绞线主要影响衰减的因素﹕导体﹑绝缘介质﹑绝缘线径﹑对绞节距﹑对屏蔽松紧﹑对屏蔽厚度﹑成缆节距﹑总屏蔽﹑总屏蔽厚度﹑对内延时差。

目前双绞线的种类非常多,网线最为普遍,其它如HDMI,USB,DP等都为此类别

1) 导体

导体线径大;衰减小﹔

导体绞合节距增大;衰减减小

导体绞合质量差(起股﹑松散﹑不圆整等);高频衰减跳动。

2) 绝缘介质﹕发泡度增大;介电常数减小;衰减减小﹔

3) 绝缘线径﹕绝缘线径增大;阻抗增大;衰减减小﹔

4) 对绞节距﹕对绞节距增大;衰减减小﹔

5) 对屏蔽松紧

铝箔绕包过紧;衰减增大﹔

铝箔绕包紧;高频衰减无跳动﹔

铝箔绕包过紧;高频衰减跳动﹔

铝箔绕包松;高频衰减有跳动。

铝箔绕包不平整;高频衰减跳动.

衰减参数小结:以上所写部分主要为理论知识,在实际制程中很少会根据这些公式来计算,在实际制中影响衰减的主要因素是阻抗,所以控制阻抗稳定是非常重要一个环节,这就要求在做导体时注意OD稳定、外观美观、无刮伤、凸起等会影响到阻抗的不良因素,对于芯线要求OD稳定、同心度高、表面光滑美观,绞线时要求绞距稳定、收/放线张力平衡,对于外被要求押出时不能过紧过松。所以只有做好线的每一个工段,才能保证阻抗变化不大,才能保证衰减较好;在衰减计算参数的应用里面一般有两个系数比较重要,如下附表

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