讯号线特性阻抗相关知识

解析对绞线特性阻抗日期：2016-4-7目录1.对绞线作用；2.对绞线生产流程；3.对绞线主要生产工艺控制；4.特性阻抗介紹；5.影响特性阻抗的因素；6.行業UL10064對絞線生產瓶頸；1.对绞线简介双绞线(TP:TwistedPairwire)是综合布线工程中最常用的一种传输介质。双绞线由两根具有绝缘保护层的铜导线组成。把两根绝缘的铜导线按一定密度互相绞在一起,可降低信号干扰的程度,每一根导线在传输中辐射的电波会被另一根线上发出的电波抵消，因此对绞线相对单线而言具备传输速率快，信号更稳定之优点，目前广泛用于各种高频信号传输场所。根据屏蔽状况，对绞线分为：有屏蔽绞线（STP）及无屏蔽绞线（UTP），同时根据不同传输特性要求，对绞线使用之材料种类较多，如绝缘材料通常有PE，FEP，ETFE等等，导体通常有镀锡铜，银铜合金，铜包钢等等。2.对绞线生产流程东莞元太公司目前主要生产UL10064系列对绞线，其规格分100Ω、110Ω。公司生产设备高速对绞机20余台，退扭机10台，每月产能约600万米。现针对对绞线生产流程大致介绍如下：（参照QC工程图）3.主要生产工艺控制对绞线关键生产工艺单支铜丝OD绝缘单线OD绝缘单线同心度对绞绞距对绞张力退扭后絞距元太針對對絞線之管控A.单支铜OD：通过对阻抗公式的分析得知：导体的OD對絞線特性阻抗會產生影響。导体直径的OD会影响电感和电容的大小，进而成为影响特性阻抗ZC，这是不可忽视的因素。要想控制好导体直径，模具的精度至关重要，在设备运行状况良好的条件下，导体直径偏差不可超0.003mm,因此，在拉丝生产过程中应经常关注拉丝机的运行状况及拉丝模精度的控制。续上B.绝缘单线OD：绝缘线芯外径偏差和同心度是绝缘单线生产过程中最不易控制因素，而绝缘线芯外径的波动和偏心会导致两导线间距离的变化，这种变化的结果使特性阻抗ZC值发生变化，两导线间距离变化越大特性阻抗ZC值波动就越大，严重时会远远偏离标称值。考慮到押出工藝之可行性，绝缘外径偏差一般控制在±0．01mm以内，同心度不得小于80％（此標準為我司內部根據目前生產工藝及實際測試數據總結得來）。要想得到比较均匀的特性阻抗，就要保证生产出的绝缘线芯的绝缘厚度和同心度都很好。造成绝缘偏心的主要因素有：模芯与导体间的间隙过大造成导线在模芯内晃动、挤塑温度过高，在冷却前热的塑料因重力作用下坠而造成、模芯和外模同心度不够等等。续上C.对绞绞距：通常情况下，电缆的使用频率越高，信号的波长就越短，绞对节距越小时平衡效果才好。但过小的绞合节距又会带来生产效率低和绝缘芯线及导体扭伤变形的问题。绞距过大，则两根单线之间信号传输平衡性及稳定性越差，一般绞距选择需综合考虑如下因素：信号传输稳定性，产品摇摆特性，生产效率及对产品结构本身之影响等等。D.对绞张力：两根单线在对绞过程中，张力需适当，张力过小，易造成绞距不均（跳股）且两根单线绞合太松最终导致单线间导体间距不稳定，最终影响相关传输特性；张力过大，易造成导体拉小，绝缘OD变小，绝缘变形最终也会影响对绞线品质。因此生产过程中需选择合适张力并保持放线张力稳定性，建议两根单线之间张力差异值小于10g（內部標準）续上E.退扭后絞距：在对绞绞距较小情况下，在对绞过程中，绞线产品会产生扭转应力，因此需要在原有对绞基础上进行退扭，释放扭转应力，可适当减少因扭转应力过大造成绝缘变形、损伤以及客户端放线裁线过程中线材打扭等现象。退扭后絞距管控：退扭率大小直接影响退扭后线材结构及传输特性之稳定性，退扭率过小，无法释放对绞扭转应力，线材易变形、损伤且裁线后线材打扭；退扭率过大，造成对绞结构松散，阻抗不稳定。目前我司退扭率为40%（退扭后絞距較退扭前偏大約0.3-0.4mm）4.特性阻抗（Zc）的定义特性阻抗是指当电缆无限长时该电缆所具有的阻抗，是阻止电流通过导体的一种电阻名称，它不是常规意义上的直流电阻。特性阻抗包括：容抗（C)、感抗(L)、低直流阻抗(R），当低频时，Zc主要为低直流阻抗(R），但高频传输过程则主要是容抗（C)及感抗（L）。一条电缆的特性阻抗是由电缆的电导率、电容以及阻值组合后的综合特性。假设一根均匀电缆无限延伸，其发射端在某一频率下的阻抗称为特性阻抗(CharacteristicImpedance)。它由诸如导体的集合尺寸、导体间的中心距离、传输线本身的结构、电缆绝缘材料的介电常数等因素决定，与数据传输线的长短无关。数据传输线的瞬间阻抗或者是特征阻抗是影响信号品质及完整性的最重要的因素。如果信号传播过程中，相邻的信号传播间隔之间阻抗保持一致，那么信号就可以十分平稳地向前传播，因而情况变得十分简单。如果相邻的信号传播间隔之间存在差异，或者说阻抗发生了改变，信号中能量的一部分就会往回反射，信号传输的连续性也会被破坏，由此会带来诸如回波损耗偏大、信号传输辐射增大、信号传输完整性不足等问题。5.影响对称电缆特性阻抗（Zc）的因素影响Zc的因素影响因素与Zc的变化关系比例关系影响因素的变化Zc的随之变化等效介电常数↑↓反比↓↑导体直径↑↓反比↓↑导体中心距（绝缘线径OD)↑↑正比↓↓对绞绞距↑↑正比↓↓NBCABLE的特性阻抗（Zc）计算)2ln(*120dDZCe其中：εe:绝缘材料的等效介电常数D：外导体内径d：内导体絞合外径Ln:以无理数e=2.71728为底的对数的对数＊由上式可以看出，NB对绞电缆特性阻抗只与导体直径D和d以及导体间介质的介电常数εr有关，而与馈线长短、工作频率以及线缆终端所接负载阻抗无关；此公式為理論計算公式，供設計參考，實際阻抗值會有偏差。以UL10064FEP对绞线为例，设计阻抗100±7Ω典型NBCable用线特性阻抗选择计算表：导体中心距D0.31导体直径d0.2介电常数E2.1A=2D/d3.1ln(A)1.131402111E开平方根1.449137675特性阻抗Z93.68899571双绞线特性阻抗：100±7ΩUL10064FEP双绞线特性阻抗：100±7ohms线材规格外被ODOD公差绞距(mm)34#(7/0.06TC)*2C0.31mm±0.01mm3±1mm32#(7/0.08TC)*2C0.38mm±0.01mm4±1mm30#(7/0.10TC)*2C0.50mm±0.01mm5±1mm34#(19/0.04TC)*2C0.31mm±0.01mm3±1mm32#(19/0.05TC)*2C0.38mm±0.01mm4±1mm30#(19/0.06TC)*2C0.50mm±0.01mm5±1mm典型NBCable用线的特性阻抗控制实验参数：（参考值）6.目前UL10064對絞線生產之瓶頸對絞線生產特性阻抗管控難點隨著信號傳輸要求越來越高，終端客戶對特性阻抗普遍要求做到更小，以100±7Ω規格為例，若要將阻抗值加嚴至100±5，從原材料方面改善方向如下：1.單支銅線OD加大：由原0.040mm規格加大至0.043mm，絞合外徑由0.20mm，增加至0.22mm但因UL對最小絕緣厚度有做明確要求（min：0.051mm），因此生產成品最小絕緣厚度只有0.045mm，無法滿足UL要求。同時，因絕緣厚度太薄單根絕緣生產難度極大（押出速度慢，高壓不過，易破皮等等）。2.減小單根絕緣OD：由原規格0.31mm減小至0.30mm，同上述第1點類似，生產難度大，絕緣厚度無法滿足UL要求。3.減小絞距：絞線絞距相對單隻銅線OD及單根絕緣OD對特性阻抗影響相對較小，目前普遍設計規格為2.5mm-3.5mm，減小絞距，但阻抗值變化較小，且絞距太小會造成絕緣皮變形及銅線損傷等異常出現。4.放線張力：通過加大放線張力，保持兩根絕緣單線之間接觸更為緊密，減小導體間距，但改善效果比較有限，張力太大，會造成導體拉小及絕緣變形損傷等品質風險。5.改用介電常數較大絕緣材料，如鐵氟龍系列ETFE材料，其介電常數約2.6，通過理論計算，可較同規格FEP特性阻抗較小8-10Ω（實際數據有待試樣驗證），但該材料成本較高（約FEP單價3倍）。常用氟树脂材料的物性表：常用氟树脂材料的名称：Thanks!