数据电缆的结构设计和性能控制概论

数据电缆的结构设计和性能控制概论第一章概述我们一舟生产的数据电缆主要有UTP5E、FTP5E、U/UTP5E、SFTP5E、UTP6、FTP6、UTP6A、CAT3多对数电缆等常见的高频对称电缆。这些电缆都是采用单线对绞、对绞线成缆的结构。在这里，我分别对这种电缆结构作详细地分析。我们公司采用高速串联机以1200-1400m/min的速度高效率的生产出绝缘芯线。然后根据不同线对的识别标志、绝缘厚度和导体直径将芯线有规则的绞合成一定节距的对绞线。数据电缆的线芯在工作状态下产生开放的电磁场。开放的电磁场将按照信号电流频率从低频到高频对外释放电磁能。也就是说，本来用于信号传输的电能以电磁场能的形式向网络线路周边的空间布点的释放出去。如果这些能量不经过必要的装置给予回笼那么用于传输信息的电流能量将迅速衰竭从而使信号强度无法与各种原因产生的噪音识别。同时因为电流能量衰竭也会使电子克服电阻壁垒的能力减弱，从而使信息传递减速。一旦信源到信宿的超过5120纳秒，那么信息处理器就会把脉冲信号识别为反射脉冲信号而不予处理。也就是说网络传递信息的功能失去了。因此，我们要采用必要的工艺设计来解决开放电磁场带来的这些影响。对绞结构普遍应用于数据电缆生产。在我们已经能够投产的CAT7UTP电缆中我们采用的也是对绞线外拖包铝箔的屏蔽结构。在处理开放电磁场问题上，我们目前采用的是对绞结构和金属层（带、网）结构。在电磁场理论中，针对开放电磁场能量控制问题，大部分采用的是屏蔽和电磁场能量集中和均化的理论。在电缆设计中我们都能用到。后面第三部分中我还要详细论述屏蔽结构。为什么采用对绞结构能够有效的控制开放电磁场的能量释放呢？数据电缆中采用的细铜导体是这个开放电磁场中的两个电极。这两个电极就是电场的两极。两极之间积蓄了电场的能量。但在实际环境中，任何携带载流子的电介质都可以成为一个电极，大到恒星、星系小到一个空气粒子甚至是游离的离子。因此我们生产的电缆带电工作时是处于一个多电极的不规则的复杂的电磁场中的。如果我们不能正确认识电磁场的复杂运动形式我们就不能设计出高性能的数据电缆。在对绞结构中，我们要保证两个绞合在一起的芯线a、b相互之间的距离最近而且距离一致，才能保证芯线a、b之间的电磁场能量大部分集中在两根芯线之间。然而在电缆内部还有其他三对芯线。因此电缆内部就有多个电极和磁极。因此尽量减小两根对绞线之间距离与线对之间的距离的比值对改善数据电缆近端串音、远端串音、衰减、等电平近端串音功率和等指标都是非常重要的。沿照这种思路，我们在线对之间加入骨架就增大了线对之间的距离而开发出了CAT6数据电缆。同时在线对之间加入介电常数与绝缘介电常数一致的骨架还会进一步均化电场减弱了电场能量集中也就降低了串扰的能量。对绞线利用邻近效应和交叉效应，保证了稳定的结构回波损耗参数和合理的衰减值。同时我们利用两根邻近导体传输同一种信号，对于其他线对来说，线对就是传输信号的理想载体。简言之，利用屏蔽结构采用一根导体就可以解决信号传输的问题。为了降低成本，我们采用两根导体对绞来解决了开放电场的问题。大家都知道不同线对尤其是邻近线对不能采用相近的对绞节距。在这里我把相关理论简单阐述一下。车间里众多设备制造的噪音让我们无法在车间清楚地听到手机的声音。这是因为声音是一种机械波。不同频率的机械波混杂在一起使手机声音的频率与其中的同一频率的噪声共振让我们无法识别是设备的声音还是手机的声音（手机的音乐频率是不断有规律变化的，因为车间噪音源多而使不同频段的声音都可以产生；声音的频段主要在20-20KHZ之间）。只有手机的声音比噪音还大时，我们才会清楚地听到手机的声音。这种现象在电磁波中也是存在的。为了降低这些共振感应效果，我们要让同一频段的电流不能同时出现在同一段电缆中。也就是说当同一频段的电流在电缆的同一段出现时它们会相互进入对方的导体尤其是能量较大的信号进入导体会让对方信源处理器误认为这是自己发出的信号。也就是说，这样增加了信号中的噪音。在电缆结构设计中，我们采用改变机械结构形式的方法来实现对电磁场运动形式的变化。采用不同的对绞节距，一是使信号在电缆内部运动的时间不同，二是使相同频段信号在同一电缆段中出现的概率减少，三是使电缆线对之间的阻抗有细微不同从而改变了信号传输速率、频率和振幅（也就是说即使相同的信号分别进入数据电缆的两个线对，线对中的信号速比、频率和振幅也会有细微差别）。为了配合这三种效果，我们还可以让不同线对采用不同直径的导体、不同厚度的绝缘等。M．法拉第在电磁感应理论中告诉我们，不断变化的电场产生不断变化的磁场，反之不断变化的磁场也能产生不断变化的电场。这里的不断变化是随着时间的推移电磁场有强变弱再由弱变强，这个变化过程如果是有规律的，那么这个电磁场的变化就有了规律的频率。我们按照这些理论可以知道数据电缆内部传输的1-1000MHZ数据信息电流，而且数据电缆内部至少有两组这样的高频数据电流。频率越高必然引起越高的感应电流和磁场，因此要提高数据信息的频段必须考虑高频感应的一系列问题。相关的结构微调在后面的主要性能指标部分给予介绍。对绞节距的大小是有技术要求的。根据电磁波传播理论，当阻抗沿传播方向上变化的周期小于等于八分之一波长时，电磁波将不易觉察到这种变化。因此，为了保证阻抗稳定在100±10Ω范围内，我们在选择对绞节距时最大对绞节距不能大于最高频率信号电流波长的八分之一。通过控制对绞节距保证了电缆的阻抗性能，同时也基本消除了绝缘偏心对SRL的影响。对绞过程中普遍采用了退扭工艺。退扭会造成单线细微的损伤并会造成特性阻抗不均匀。但是退扭（预扭）工艺使单线和对绞线产生了内在的预应力，当电缆在后续加工和布线过程中受到机械作用时预应力可以和作用力相持从而避免了不可预期的作用力对电缆结构一致性的破坏，保证了SRL、阻抗等指标的稳定性。事实表明，退扭工艺有利于改善电缆的输入阻抗等性能。同时我也发现由于对绞节距不同，线缆内四对线组内在的绞合应力是不同的。这就容易造成成缆线的单组翘起和松弛变形，因此在成缆时要调整放线张力，并保证该张力大于线组内的预应力。数据电缆成缆节距一般控制在最大传输脉冲电流波长的1/8以下。大节距成缆有利于提高信号传输速度、控制高频段电缆阻抗偏高的趋势，最重要的是降低生产成本。但是同时会造成结构回波损耗（SRL）增大、回波损耗指标不稳定等不利影响。CAT7属于屏蔽星绞组电缆。7类数据电缆是我公司开发的优势新型产品，在传输频段上达到了0.7—1000MHZ。由于7类缆采用了较好的铝箔分屏蔽结构代替了CAT6、CAT5E电缆的无屏蔽结构，因此7类电缆的高频电磁性能有了很大改观。7类电缆线对设计在一个相对封闭的电磁场中，比CAT6、CAT5E的对绞结构解决开放电场的方法更完善一些。同时由此也对阻抗、近端串音（NEXT）、远端串音(FEXT)、等电平近端串音（ELNEXT）、衰减（ATT）、回波损耗(RL)和结构回波损耗（SRL）、相时延(DOP)、时延差（SKEW）等指标也带来了一些变化从而要求我们增大导体的直径、增大绝缘厚度和降低绝缘介电常数等。同时这些结构设计增强了电缆的抗拉和抗压的机械性能，使电缆在生产过程和安装使用过程中保持稳定的成缆结构。由于增大了导体直径和绝缘厚度，电缆的电气性能也有了很大改善。线组屏蔽使导体与屏蔽间的距离发生变动的幅度减小，线对内芯线之间距离因扭曲发生变化而对电缆性能的恶化大大降低。不足的地方就是生产成本大幅提高，在市场开拓失去了价格优势让用户更愿意接受CAT6、CAT5E这些价格较低但能够满足使用要求的电缆。目前我公司在CAT7电缆上还处于开发阶段。在高频性能改善和成本优化上面还要做大量工作。目前公司开发的350MHZCAT5E数据电缆是国际领先产品。这表明合理的调整电缆结构，采用低成本的五类电缆设计理念还有很大的带宽提升空间。对于FTP、SFTP和CAT7电缆的结构在其他方面的内容在后面的各工序设备性能介绍和各指标实现的论述中还有详细说明。如果条件允许，我们也可以采用芯线a与芯线b粘连同时押出的方法生产线对。其优点是抗拉、抗压能力较强，电缆安装前后的结构稳定性和电气一致性好。绝缘相互粘连，单导体无法实现独立旋转，确保导体间距的一致性，而达到极其稳定的阻抗和线对间优异的平衡性能。线对的两导体中心距波动较小，因而具有较好的SRL值。另一方面，此充分利用了间距手段改善TEM传播的模式，故其线组间的串音也改善很多。但是目前我们的设备还不能实现这种芯线的高速生产。在高频下还是需要控制线对间距或者采用线对屏蔽技术的。但是因为采用了这种稳定的产品结构，可以使电缆的传输频段提高到1000MHZ以上。采用完善的发泡工艺还可以使用单根导体发泡绝缘线芯代替对绞线将频段提高到3GHZ。但这需要采用更加完善的单芯屏蔽结构。第二章数据电缆主要性能指标控制因为数据电缆传输信号必须采用高频交变电流，所以高频交变的电磁场是必然要产生的。但是对于信号传输来讲，这种高频交变的电磁场带来的能量交换引起的信号能量的衰减、串音和反射回波等复杂的电磁运动就成为设计中考虑的重要因素。2.1衰减在这种电磁场中引起衰减的因素很多，主要有三种类型：电介质衰减、屏蔽反射和感应涡流衰减、外电极感应形成复杂电磁场中的能量衰减。电介质衰减与介质的损耗角正切值、工作频率和工作电容有关，其值近似与频率成正比。一般电介质中的电磁偶极子、游离电荷、电离子或基团、材料电磁缺陷都会获得电缆中的电磁能量而将这种能量转变成自身的动能。一般这种能量转换是不可逆转的，也是电缆设计中必须重点考虑的控制因素。选用介电常数尽量小的绝缘材料、填充材料、屏蔽材料和护套材料等材料是频段尽量高的通讯电缆设计的首要课题。同时金属导体内部的电阻产生的衰减也是能量衰减的重要因素。因此我们在导体选料时选用导电率较高的99.99%纯度的铜丝作为CAT5E、CAT6、CAT7数据电缆的导体。在一些对信号精度要求较高的高性能数据电缆中还可利用高频电流的趋肤效应采用镀银、镀金材料做导体。减小信号衰减对于提高信噪比是非常有益的。在复杂的数据电缆电磁场中，屏蔽材料还会产生感应电流。这种感应电流是金属屏蔽层中的不断绕原子核旋转的电子切割磁力线产生涡流电流并在金属屏蔽层表面形成电荷的积累。这种电荷积累会使电磁场分布更加复杂。因为信号电流频率和强度是不断变化的，所以金属屏蔽层上的感应电压也是不断变化的。电压发生变化后就会形成电荷流动。在FTP数据电缆设计中我们设计了一根接地线就是为了把这些电荷及时引走，避免电荷积累引起电场集中。同时我必须说明，屏蔽材料产生的感应磁场能量损失也是不可逆的。但是金属屏蔽层给数据电缆提供的相对完善的闭合磁场对于改善电缆衰减性能、回波损耗等指标所作出的贡献是远远大于这点弊病的。在非屏蔽电缆中临近导体对线组内电磁场能的吸收转换和反射散射对线对能量衰减的影响也是很大的。因此频段越高的电缆采用的屏蔽结构就越完善。光在不同的介质中传输的速率是不同的，会在不同介质界面上产生折射、反射，并产生能量传递和转换。电磁波（场）在阻抗不均匀的数据电缆中传输时也会在阻抗发生变化的界面上发生折射、反射、能量传递和转换，从而使向前传输的信号能量矢量减弱，使信噪比变小。这是沿网络线路介质、结构等不同而引起的“衰减”，这也是造成衰减曲线在高频下出现“波纹”的主要原因。这种“波纹”可能导致个别频率点上衰减不合格。同时它还会造成回波损耗在不同频率点上的反射回波累计能量值的极大变化。在设计中降低数据对称电缆衰减的主要途径是：a.选用介电常数和tgδ都低的绝缘料；b.采用合理的绝缘型式，如采用泡沫实心皮或泡沫或皮-泡-皮的绝缘型式；c.足量的导体尺寸、减小电缆结构偏差和缺陷。在实际工程测量中还要了解衰减常数计算的知识，衰减常数表示电磁波在均匀电缆上每公里的能量衰减值。它的单位为奈培Np/km或分贝dB/km（1Np=8.686dB）。信号衰减通常是由金属导体中的能量损耗和介质中的能量损耗引起的信号能量减少而产生的衰减，在开放式数据对称电缆电磁场中，逃逸到电缆之外被外界电介质