[转帖]局部区域数据电缆

batterykj · 发表于 2005-1-1 21:40:00

局部区域数据电缆简介

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一．世界已经进入数据化时代，信息高速公路的建设，使电子计算机联网，自动化管理，电话传真，电视电话，防火防盗等多种功能，集合在一个系统，避免重复布线。

信息高速公路系统，目前有以下几种形式：

FTTH 光纤（缆）直接到户，到桌面

FTTC 光纤（缆）到路边，到小区

HFT 混合光纤同轴系统

九十年代初发展的不对称数字用户缳路(ADSL)，他是一组对绞式数字系统，基于信息技术的发展（如信号压缩，数字编码，动态平衡等），使原来已经落伍的对绞线缆潜能得到发展和应用，使其成为局域网络线缆（传输媒质）的主要品种之一。

局域网是局部区域网络的简称，LAN 是英文(LOCAL AREA NETWORK)的缩写。

局域网用传输媒质有对绞（称）电缆，同轴电缆，光纤光缆。

局部区域电缆传输媒质性能，成本比较：

光纤(OF)性能好,但费用高,这主要是附件和安装费用高,塑料光纤(POF)安装费用仅高于UTP和同轴电缆,当前限制塑料光纤使用的制约因素是损耗较大,带宽不够.

二. 局部区域网络数据电缆的结构和性能:

局部区域网络数据电缆按照发展和最高使用频率可以分为:

6类电缆是拓宽传输宽带的高科技产品,在目前的数据电缆的使用中又提升了一个新的档次.

当前使用最广泛的是5类和超5类电缆,按照屏蔽分为:无屏蔽UTPUNSHIELDED TWISTED PAIR) 有屏蔽 STP(SHIELDED TWISTED PAIR) 有屏蔽形式内由于使用的材料不同可以分为:FTP S-UTP

按照对数分为:2 4 6 8 12 16 24 25 50 100 200

其中作为水平布线的四对无屏蔽电缆目前用量最大,占90% 25p无屏蔽是作为主要干线用(垂直或水平)其中用量相对有限,光纤的加入限制了大对数的发展,但是从经济角度和安装角度,光纤的成本相对较高所以大对数数据电缆在最近几年内还存在一定的优势.美国代表世界上许多地区,采用无屏蔽结构,欧洲偏向屏蔽数据电缆。用于绞合线心作为导体的电缆，仅使用在配线箱的跨接线或跳线部分，PATCH-UTP

为确保数据电缆的质量,对客户提供优质的数据电缆,在数据电缆的检验上有如下标准:

1. EIA/TIA-568-B 商用建筑电信布线标准

2. ISO/IEC 11801 信息—建筑物综合布线标准

3. EN50173 信息技术的布线标准

4. YD/T838.1-1996 铜芯聚烯轻绝缘铝塑综合护套市内通信电缆实验方法

5. YD/T1019-1999 数字通信用对绞/星绞对称电缆第一部分:总规范

局部区域网络电缆的传输性能:

对于大多数音频应用,过去只是要求连续性,现在对于高频率对绞电缆的性能评估变得日益复杂.如今数据电缆的测试,需要复杂的网络分析和现场测试装置,对于测试要求也不断的提高,目前我们所生产的局部区域网络数据电缆的传输性能主要包括:衰减 ,特性阻抗,近端串音衰减,结构回波损耗

1. 衰减

电缆的衰减是二次传输参数的实部,它表示电磁能量在单位长度回路上传输时信号幅度的衰减,通过比较接收机器收到的信号电平与输入信号电平而得出.为了接收端电平达到所要求的数值,当然可以采取增加发射信号频率的办法来增加信号接受信号的功率电平.但是在100MHZ的高频率下,一味的提高信号的发射功率,会使无屏蔽对绞线utp电缆产生电磁辐射,干扰周围环境中的电子,电器设备的正常使用.所以在一定长度上的无屏蔽电缆上正确无误的发送信号,有关标准对衰减性能作出了严格的规定,即在20℃时,

a(f)≤1.967x√f+0.023f+0.050/√f (dB/100m)

a=R/2X√C/L+G/2X√L/C

a=6.0x10-3√fxεD/㏑(2a-d)/dx(KD/d+d/2a2)+9.10x10-5xf√εDXtgδD (Db/km)

式中: 绝缘等效介电常数为εD为

工作频率为f

衰减的绞线系数为KD

绝缘材料等效介质损耗角正切为tgδD

导体外径为d

导体中心距离为a本 (mm)

从以上的式字中可以看出:

1. 导体损耗和介质损耗构成对绞电缆的主要损耗.导体和绝缘的类型已及几何尺寸是影响无屏蔽电缆衰减的主要因素护套的影响是微乎其微的.具体的说,无屏蔽电缆的衰减与频率,介电常数,介质损耗因素成正比关系,选用低介电常数,低介质损耗的绝缘材料和绝缘结构,同时改善几何尺寸,都可以降低衰减常数.我们可以通过绝缘材料发泡的方法来减少介电常数,如采用发泡FEP绝缘.

2. 导体的损耗随频率的平方根增加,介质的损耗与频率成正比.频率越高,介质对衰减的作用就越大,所以对无屏蔽的电缆来说,选用具有低损耗系数的材料至关重要.

3. 虽然增加绝缘厚度可以降低无屏蔽电缆的衰减,但同时电缆的阻抗会变大,回路会产生阻抗不匹配,影响传输质量.因此在改善集合尺寸时,必须兼顾衰减和特性阻抗两项性能,更重要的是保证集合尺寸的稳定和均匀性.

2. 特性阻抗:

特性阻抗也称波阻抗,是电缆的二次传输参数,它描述了电磁波沿均匀传输线路传波而没有反射时所遇到的阻抗,即线路终端匹配时,线路内任一点的电压波和电流的比值,就是线路的波的阻抗.特性阻抗可以用一个复数表示,当导电线芯的材料,直径,绝缘形式确定以后.特性阻抗只随频率的变化而变化,阻抗与频率的关系称为波的阻抗的频率特性.

Zc=4√(R2+ω2L2)/(G2+ω2C2)Xej(ψ1-ψ2)/2

当频率f由0--∞时，1zc1实部由√R/G减少到√L/C,虚部相位角Φ从零开始到频率?=800Hz时接近-45℃,然后逐渐接近零,所以在计算数据电缆特性阻抗时,当频率?1 2MHZ,结构均匀,稳定,可以认定它是一个与?无关的基本恒定量,计算公式如下:

ZC=120/√εDln(2a-d)/d Ω

其中:等效介电常数为εD

绝缘芯线外径为a

导体直径为d

从以上可以看出,电缆的特性阻抗与导体的直径,绝缘外径及绝缘的类型均有关系,在某种程度上也与线对的绞合性能有关(因为等效介电常数εD 与绞合有关)

TIA/EIA-568-B规定导体用24AWG实心铜或绞合铜导体,因此已经d确定.

TIA/EIA-568-B规定五类数据电缆的特性阻抗为100±15,因此绝缘厚度越大,特性阻抗越大;等效介电常数越大,特性阻抗越小.但无论绝缘外径,等效介电常数如何选定,都必须保证特性阻抗在100±15范围内,因为保证传输媒介具有稳定的特性阻抗是至关重要的,否则连接器件就会和电缆失配,从而引起信号反射,使回波损耗增加,导致传输频率下降,甚至网络无法工作.

3. 近端串音衰减和近端串音衰减功率和

电磁波从一个传输回路(主串回路)串入另一个传输回路(被串回路)的现象称为串音,串音分为近端串音和远端串音,能量从主串回路串入被串回路的衰减程度称为串音衰减.TIA／ＥIA-568-B标准规定对水平布线近端串音(NEXT)衰减测试采用最差对组合法,标准不考核五类线远端串音性能.我们定义近端串音衰减为:

NIXT=64-15×log／0.772 ( d B)

可以看出,近端串音衰减会随频率的增大而下降.

从结构上看,线对对绞节距、线对间距和各线对的节距比均影响近端串音衰减.

TIA／EIA-568-B标准规定骨干电缆采用近端串音功率求和法进行测试,测量时依次对线对施加信号电压,轮流作为主串线对,测量被串线对的近端串音衰减,然后进行一定的–叠加计算,即可求得近端串音衰减功率和.

4. 结构回波损耗

我们知道,任何一根五类线都不可能绝对无缺陷.所以传输线上会存在入射波的反射波,我们首先给出工式,区别一下结构回波损耗(SRL)与回波损耗(RL):

SRL=－20 lg|Zin-Z0 / Zin+ZL|( d B)

RL=－20 lg|Zin-Z0 / Zin+ZL|( d B)

式中Zin为输入阻抗（Ω），Z0为特性阻抗（Ω），ZL为负载阻抗（Ω）。

由上式可知，无论是SRL还是RL都可以根据扫频范围内的输入阻抗获得。两者通过比较每个输入阻抗与该频率下的特性阻抗或设计阻抗值（或者校正的负载）来测定线对的粗糙，当电缆结构不均匀时，会产生阻抗变化，输入阻抗围绕特性阻抗上下波动，就会引起结构回波损耗。

TLA/EIA-568-A标准规定五类UTP电缆的最差线对的SRL在1~100MHz时应小于

SRL≥23―lg(f/20)

我们通过电缆的输入阻抗实测值的特性阻抗拟合值，根据式（7）可计算出电缆的SRL。电缆中任一线对在整个频率范围内任一点的SRL计算值不得低于标准规定值，否则整根缆被判为不合格。

5．形式试验

在型式试验中有许多试验项目，在此我们着重讨论传输相速度这一参数。对传播相速度，LEC1156-2T和YD/T838.2I没有具体规定，ISO/IEC11801规定了标称传播速度；IEC61156-6对五类上电缆规定了最小传播速度为0.6c (c为电磁波在真空中的传播速度,30万km/s),TD/T101P(1999)规定了五类电缆的最小速度为0.65c。

根据我们的实测结果，认为对于五类线缆规定0.65c的最小值过于严格。有专家认为，将0.65c规定为标称值比较合适，但要给最大容许偏差，式将五类线的最小传播速度定义为0.6c比较适当，下式为推导传播速度的公式：

在电工原理中圆柱形电容器公式为：

C=2лε/lnD/d

式中：ε=·ε0为组合绝缘的等效介电常数；εD为组合绝缘的等效相对介电常数；ε0 为真空的介电常数，其值为1/36л×109（F/m）

将ε0 的值代入，并化为每公里的值：

C=εD×10－6/18lgD/d (F/km)

同时，在高频范围内，内电感远远小于外电感，因此电感公式可简化为

L=2lnD/d × 10－4(F/km)

由于相移常数β=ω√LC，将式（8）、（9）代入公式可得；

β=ω√LC=ω/C√εD（rad/km）

电磁波沿线传播时的速度为：

υ=ω/β=c/√εD(km/s)

由此可知，传播相速度υ和εD具有很大的关系，εD越大，则υ越慢；换言之，若要使传播相速度最小值达到0.65c,则要设法降低εD。减小εD的方法有以下几种；

（1）对绝缘材料进行发泡。

（2）选用介电常数小的绝缘材料。

（3）在制作绝缘芯线时，改进工艺方法，使铜丝的预热温度保持较低，使铜丝与绝缘料的附着力降低，这样在绝缘材料与铜丝之间存在一层很薄的空气膜，形成复合介质，这样可降低有εD的值。

（4）为了使强度不至于太低，可采用折衷的方法，改用中密度聚乙稀。

（5）采用两层挤塑，内层用供低密度聚乙稀，它的ε小，为了提高强度，外层用高密度聚乙稀，它的ε大，这样也可降低其综合介电常数。

以上几种方法只是从理论的角度出发，还需进行大量的试验加以验证，最近，传播延迟和传播延迟失真引起了人们很大的关注，传播延迟是指信号从发射机传播到接收机所经历的时间，当讨论像局域网之类短距离的应用时，延迟时间一般用ns作单位。只要延迟时间不超过允许的最大值，误码率不受影响，总之，传播速度愈快愈好。

三．局部区域网络数据电缆的生产工艺及要求：

对称电缆的结构形式之所以得到应用和发展，成为局部区域网络数据电缆的重要品种之一，除得益于技术发展以外，关键在于对称电缆的制造工艺的改进和提高，使的电缆的制造精度，稳定性，均匀性大大的改善，从而能生产出高速数据传输要求的电缆性能。

1．域数据电缆的生产工艺流程：

导体----绝缘---成品

对绞单绞和屏蔽一次性的完成，减少了轴的搬动次数，有利于结构尺寸（节距，张力）的均匀和稳定，从而获得良好的稳定要求。

2．生产工艺要求：

在生产局部区域数据电缆时，每一个生产工序所生产的几何尺寸的稳定变化都将影响导致电缆性能的变化，这也是研究和实践所证实的，为此严格精密的控制电缆的各个加工工序工艺是关键。

a. 拉丝:

不论拉丝与绝缘是分开还是合并,必须严格控制拉丝导体的直径和椭圆度,导体伸长率偏差.

对铜单芯导体直径的公差要求小于0.002mm,导体伸率偏差为正负2%,必须均匀.导体直径公差的偏大和椭圆度,将会影响特性阻抗和衰减的变化,严重时会造成特性阻抗和衰减结构回波损耗的的不合格,导体的椭圆度会影响串音值.

直径和椭圆度的变化原因是拉丝模具的磨损以及铜材材料的质量,从理论上说,无氧铜的铜含量达99.97%以上,含氧量在0.01%以下,杂质低于0.03%故其导电性能好,有利于降低和保证衰减.

b. 导体和绝缘

导体绝缘是最关键的加工过程,是成品电缆性能影响最大的工序,如果整个绝缘导线的外径和偏心率等在整个电缆长度上稳定,均匀一致,那末线对阻抗也将稳定,均匀一致不存在阻抗围绕标准或阻抗值的波动,特性阻抗和衰减和结构回波损耗都能达到理想值,所以良好的精密的控制导体绝缘加工是生产高性能电缆的基础.

绝缘前导体的预热和保持预热温度在正负2度的作用和目的是:干燥残留在导体表面上的水份,对发泡绝缘以保证合适的均匀膨胀发泡和绝缘对导体的附着力,控制导体的张离和伸率.

在绝缘过程中,监控绝缘的外径,椭圆度和偏心率,绝缘的凹凸不平,同轴电容以及绝缘的完整性,任何类型的变量和波动和缺陷,实际上都表现为同轴电容的波动,这是因为:

ΔС=(2πε/LgD/d){Δε/ε+1/LnD/d(Δd/d-ΔD/D)}

偏心对电容影响:

С=24.1ε/(LgD/d) –(E2/1-n2)

D为绝缘外径

D导体直径

ε绝缘介质的介电常数

偏心绿为E=2e/D

n=d/D

偏心会使电容增大,特性阻抗下降,衰减增大.

外径的短段变化,在纵向0.5mm长度上的变化，在电容测量时会被平均掉，然后由这种不规则的变化所引起的阻抗变化，都会反映出来。

事实上存在以下三种电缆绝缘线芯的结构偏差或结构的不均匀性：

1．突发性或局部偏差，如表面凹凸不平，刮痕或气泡。造成原因可有模具的磨损，偏芯，刮伤，表面污染等。

2．制造长度上随机器分布的偏差，这表现为绝缘外径和同心度，电容，围绕标准值的不规则波动，造成原因可能有外界电源不稳定影响绝缘押出速度，温度等变化。

3．制造长度上周期性分布的偏差。造成原因有收放线不均匀，造成转速的周期波动，温度和螺杆的周期波动等，这类周期性分布的波动，会造成电缆电缆沿着长度方向上的局部特性阻抗的周期性变化，其对电缆性能有严重影响，会使结构回波损耗变坏，衰减增大。

现在先进的在线控制装置，有助于减少生产公差和控制加工过程，双轴激光量规可极其精确的监控导体直径和椭圆度；导替预热器能自动控制导体张力和导体温度，在线测量和处理参数绝缘直径D，电容C，发泡度% 绝缘重量g/m 预热温度，火花试验电压kv 等参数，运用频谱分析仪器fft还可以监测可能引起不允许的结构或波损耗的周期性变化，并可进行反向计算方法，查出故障原因，其极限值可用来设定自动报警。

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