1.2.5 射頻電纜

除了一些特殊應用外，比如高頻天線(xiàn)饋線(xiàn)可能使用平衡線(xiàn)，射頻信號傳輸用電纜幾乎總是同軸電纜。同軸電纜的突出屬性是信號沿著(zhù)電纜傳播產(chǎn)生的磁場(chǎng)被限制在電纜內部(圖1.21)，與外部環(huán)境的交互因此保持在最小程度。

圖中文字從左至右：護套，屏蔽或外層導體，電介質(zhì)，內部導體，磁場(chǎng)被限制在外層導體之內。

圖1.21 同軸電纜

另外一個(gè)有用的屬性是同軸電纜的特征阻抗很容易定義和保持。對射頻應用來(lái)說(shuō)這點(diǎn)很重要，因為在這些應用中電纜長(cháng)度一般都會(huì )超過(guò)傳輸信號波長(cháng)。1.3小節將討論傳輸線(xiàn)的一般屬性——其中同軸是一種特殊類(lèi)型。通常在同軸參數規格中見(jiàn)到的參數有：

● 特征阻抗(Zo)：通用標準是50Ω，這個(gè)值可以在機械屬性和電路易用性方面取得很好的平衡。75Ω和93Ω標準常見(jiàn)于視頻和數據系統。任何其它阻抗必須被認為是特殊類(lèi)型阻抗。

● 電介質(zhì)材料。電介質(zhì)材料會(huì )影響到電纜的各種屬性，包括Zo、衰減、電壓處理、物理屬性和溫度范圍。固體聚乙烯或聚乙烯是標準材料。蜂窩狀聚乙烯的部分電介 質(zhì)絕緣性能由空氣間隙提供，因此可以提供較輕的重量和較小的衰減損耗，但比固體材料更容易產(chǎn)生物理變形。這兩種材料的額定工作溫度是85℃。聚四氟乙烯 (PTFE)材料適用于更高溫度(200℃)和更低損耗的應用，但價(jià)格要貴得多。

● 導體材料。普遍用的是銅。有時(shí)也用電鍍銀，它能通過(guò)趨膚效應增強高頻傳導性，或將銅電鍍到鋼絞線(xiàn)上以增強強度。內部導體可以是單股或多股線(xiàn)。當電纜有柔韌 性要求時(shí)，最好使用多股線(xiàn)。外部導體一般是銅編帶，同樣也是為了柔韌性。編帶覆蓋程度影響高頻衰減和屏蔽效果。對于不要求柔韌性的特殊應用來(lái)說(shuō)，可以使用 堅硬的外部導體。

● 額定電壓。較厚的電纜通常具有較高的額定電壓和較小的衰減。你不能輕易地將額定電壓與功率處理能力聯(lián)系在一起，除非電纜與其特征阻抗相匹配。如果電纜不匹配，會(huì )產(chǎn)生電壓駐波，進(jìn)而在電纜沿線(xiàn)的一些特殊位置產(chǎn)生峰值電壓，這個(gè)值比從功率/阻抗關(guān)系推導出的值要高。

● 衰減。電介質(zhì)和導體的損耗特性導致衰減隨頻率和距離增加而增加，因此衰減數據一般提供離散頻率點(diǎn)每10米的值，你可以從中找到你的工作頻率點(diǎn)的衰減值。電纜損耗很容易讓你抓狂，尤其是當你使用長(cháng)電纜傳輸寬帶寬信號、又忘了在末端放出額外幾個(gè)dB的損耗余量時(shí)。

目前市場(chǎng)上的同軸電纜分成兩種標準：針對RG/U(無(wú)線(xiàn)電政府，通用型)的美國MIL-C-17標準和針對UR-M(Uniradio)系列的英國B(niǎo)S 2316標準。國際標準是IEC 60096。表1.8給出了一些普通50Ω電纜的比較數據。

一句話(huà)警告：永遠不要混淆帶屏蔽層的音頻電纜和射頻同軸電纜。它們的編帶和電介質(zhì)材料有很大的區別，音頻電纜的Zo是不確定的，高頻時(shí)的衰減非常大。如果你試圖用它來(lái)饋送射頻信號，那么你在電纜末端是接收不到多少信號的！另一方面，射頻同軸電纜可以用來(lái)承載音頻信號。

1.2.6 雙絞線(xiàn)

應該對雙絞線(xiàn)給予特殊關(guān)照，因為它在減小磁性和電容干擾耦合方面特別有效方便。將兩根線(xiàn)絞合在一起可以確保電容的均勻分布。到地的電容和到外部源的電容是平衡的。這意味著(zhù)共模電容耦合也是平衡的，因此可以實(shí)現很高的共模抑制。

圖1.22對雙絞線(xiàn)和非雙絞線(xiàn)(直線(xiàn)對)進(jìn)行了比較，但需要注意的是，如果你的問(wèn)題已經(jīng)是共模電容耦合，那么將線(xiàn)絞起來(lái)是沒(méi)有什么幫助的。要解決這個(gè)問(wèn)題，你需要采用屏蔽技術(shù)。

圖1.22：雙絞線(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。

圖中文字從上至下：連續的半絞合可以抵消磁場(chǎng)感應,平衡的到地電容,雙絞線(xiàn),磁場(chǎng)感應不能被抵消,不平衡的到地電容,直線(xiàn)絞給方法在減少低頻電磁耦合方面最有用，因為它能將磁環(huán)面積減小到幾乎為零。每個(gè)半絞合都會(huì )反轉感應方向，因此假設外部磁場(chǎng)是均勻的，那么兩個(gè)連續的半絞合會(huì )抵消線(xiàn)纜與磁場(chǎng)的交互作用。

有效的環(huán)路耦合現在被減小到線(xiàn)纜對兩端的小塊面積上，加上由于磁場(chǎng)的不均勻性和線(xiàn)纜絞合的不規則性引起的少量殘余交互。假設終端面積包含在磁場(chǎng)中，那么單位 長(cháng)度內的絞合數量就不重要了：通常每英尺約8－16圈(每米26至50圈)。圖1.23對22-AWG雙絞線(xiàn)與間隔為0.032英寸的22-AWG并行線(xiàn) 的磁場(chǎng)衰減與頻率關(guān)系進(jìn)行了比較。

圖1.23 雙絞線(xiàn)的磁場(chǎng)衰減。(數據來(lái)源：R.B.Cowdell在1979年IEEE EMC專(zhuān)題論文集第183頁(yè)發(fā)表的文章“探索雙絞線(xiàn)的秘密”）

將一對線(xiàn)絞合在一起的另外一個(gè)優(yōu)勢是支持完全可再現的特征阻抗。當與整體屏蔽結合在一起時(shí)可以減少共模電容耦合，這樣的電纜非常適合高速數據通信，因為它既能減少輻射噪聲，也能最大限度地減小感應干擾。

1.2.7 串擾

當同一條電纜束內有1個(gè)以上的信號要傳輸任何距離時(shí)，導線(xiàn)之間的互相耦合將使得一個(gè)信 號的一部分饋送至另一個(gè)信號，反之亦然。這種現象被稱(chēng)為串擾。嚴格地講，串擾不僅是一種電纜現象，而且是指名義上非耦合信道之間的任何有害的交互作用。這 種耦合可能是電容主導，也可能是電感主導，或者是由于傳輸線(xiàn)現象造成的。

當電纜可以被看作是集總元件時(shí)(與之相反，高頻時(shí)必須被看作是傳輸線(xiàn))，其低頻至中頻電容耦合的等效電路如圖1.24所示。

圖1.24: 串擾等效電路。

圖中文字從上至下：電纜長(cháng)度D,電纜電容Cc,針對電路1耦合進(jìn)電路2的情況,串擾電壓

在電容耦合阻抗遠低于電路阻抗這種最壞情況下，串擾電壓僅取決于電路阻抗的比值。

數字串擾

串 擾在電信和音頻領(lǐng)域是眾所周知的，例如本來(lái)分開(kāi)的語(yǔ)音通道在一起傳送、一個(gè)通道串進(jìn)另一個(gè)通道時(shí)，或者高頻時(shí)分開(kāi)的立體聲通道又被組合在一起時(shí)。雖然數字 化數據初看起來(lái)是不受串擾影響的，但事實(shí)上它對數據完整性也是一種嚴重的威脅。電容耦合對快速邊沿幾乎是透明的，結果是與時(shí)鐘同步的數據特別容易受到破 壞，如圖1.25所示。如果邏輯噪聲抗擾性能較差，可能導致嚴重的錯誤時(shí)鐘。一些實(shí)際例子(見(jiàn)圖1.25)展示了問(wèn)題的實(shí)質(zhì)。

圖1.25:數字串擾效應。

圖中文字從上至下：信號A,串擾耦合,時(shí)鐘B,受破壞的時(shí)鐘B

(a) 源和負載阻抗都為10kΩ的兩個(gè)音頻電路使用2米長(cháng)的多芯電纜傳輸信號，導體間的電容為150pF/m。此時(shí)在10kHz時(shí)的串擾比是多少呢？

耦合電容CC等于2m x 150pF/m=300pF。10kHz時(shí)的阻抗為53kΩ。

每種情況下串擾電路中的源和負載阻抗為10K//10K=5kΩ。

因此串擾等于：

5 K/(5 K + 5 K + 53 K) = 22 dB：這在任何情況下都是不可接受的！如果輸出驅動(dòng)阻抗從10kΩ減小到50Ω，那么串擾變?yōu)?9/(49 + 49 + 53 K) = 60 dB：，這對許多應用來(lái)說(shuō)都是可以接受的，雖然對Hi-Fi來(lái)說(shuō)還是不可接受。

(b)兩條 EIA-232(RS-232)串行數據線(xiàn)采用了16米長(cháng)的數據電纜(不是單獨的雙絞線(xiàn))，其芯/芯電容為108pF/m。發(fā)送器和接收器符合EIA- 232規范，即具有300Ω輸出阻抗、5kΩ輸入阻抗、±10V擺幅和30 V/μs上升時(shí)間。那么由于某個(gè)電路引起而在另外一個(gè)電路上產(chǎn)生的干擾尖峰幅度有多大呢？

這里的耦合電容是16 × 108 pF = 1728 pF。

來(lái) 自具有恒定dV/dt的斜坡電壓、經(jīng)t秒后在RC電路中流動(dòng)的電流I = C × dV/dt (1 - exp[-t/RC])。在我們這個(gè)例子中，dV/dt=30 V/μs持續0.66 μs，電路電阻為567Ω，此時(shí)的電流為25mA。轉換成阻值為(300//5 K//5 K)的負載電阻上的峰值電壓為：25 × 10–3 × 267 = 6.8 V。這正是EIA-232不適合長(cháng)距離和高數據速率的一個(gè)原因！

串擾可以有許多解決策略，從上述例子中可知一二。這些策略是：

● 減小電路的源和/或負載阻抗。理想情況下，侵害電路的源阻抗應該高，受害電路的源阻抗應該低。在耦合大小一定的情況下，低阻抗要求更高的電容。

● 減小交互耦合電容。使用更短的電纜，或選擇單位長(cháng)度具有更低芯到芯電容的電纜。需要注意的是，對于快速或高頻信號來(lái)說(shuō)，這樣解決不了任何問(wèn)題，因為耦合電 容的阻抗小于電路阻抗。如果你使用帶狀電纜，犧牲一些空間，將每根信號線(xiàn)之間的導線(xiàn)連到地；另外一種方法是采用具有完整地層的帶狀電纜。最好的方法是每個(gè) 電路使用單獨的屏蔽層。屏蔽層必須接地，否則這種方法不會(huì )給你帶來(lái)任何好處。

● 將信號電路帶寬減小到系統的數據速率或頻率響應要求的最小值。從上面的(b)可以看出，耦合效應直接取決于侵害信號的上升時(shí)間。較慢的上升時(shí)間意味著(zhù)較小 的串擾。如果增加一個(gè)與輸入負載電阻(圖1.24中的RL2)并聯(lián)的電容，與芯到芯電容形成分壓器，同樣可以減小高頻噪聲的輸入阻抗。

● 使用差分傳輸。串擾的可怕是高數據速率時(shí)差分數據標準(如EIA-422(RS-422))和其它更新標準流行的主要原因。使用對線(xiàn)時(shí)沒(méi)有必要減小耦合電 容，但此時(shí)的串擾是以共模方式注入的，因此可以受益于輸入緩沖器的共模抑制功能。抑制程度的限制因素是每半對線(xiàn)耦合電容的不平衡。這正是建議差分數據傳輸 使用雙絞線(xiàn)電纜的原因。