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          衰减参数科普篇

          信号衰减原因很多,自然衰减跟频率是没关系的,但绕射、遮挡、大气吸收等就和频率有关,频率越高越容易被遮挡,也容易被吸收,所以高频信号更加容易衰减。


          电磁波在穿透任何介质的时候都会有损耗,手机、无线遥控器、无线路由器、蓝牙、物联网等采用扩频和其他宽带调制技术的无线设备,会在载波频率之外很宽的频率范围内产生带外发射和杂散发射,这些发射会对其他无线电设备产生干扰。


          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.

          1.jpg

          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。

          2.png


          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-ω-2LLCL+(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。


          3.jpg

          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:

          • 传输管道的壁厚(会影响保温的时间)

          • 传输管道的内壁光洁度(会阻碍传输的速度)

          • 传输管道的材质(会影响保温的时间)

          • 传输水的速度 (速度直接影响水温损耗的速度)

          • 传输的距离(距离直接影响水温损耗的速度)

          • 外部环境的影响(会影响保温的时间)

          4.jpg

          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:

          • 传输管道的壁厚(对比为芯线的皮厚)  

          • 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)

          • 传输管道的材质( 芯线的绝缘材质)

          • 传输水的速度(导体的大小)

          • 传输的距离(测试线材的长短)

          • 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。

          5.jpg

          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。

          6.jpg

          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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          常见衰减相关问题解惑

          01,低频衰减的主要影响因素是导体,高频衰减的主要影响因素是绝缘材料,而材料的介电常数和介质损耗角正切是随着频率的升高而逐渐增加的.


          02,感觉高频信号更容易衰减?

          高频信号在电力线上的衰减随着频率的增加而增加,但在某些频率,由于负载产生的共振现象和传输线效应的影响,衰减会出现突然的迅速增加。同时,信号传输距离对信号衰减程度也起着决定性的影响;随着距离的增加,衰减会迅速地增加。从统计上来说,这种变化还是有一定的定性规律可寻的。实验表明信号的衰减是距离的函数,衰减和信噪比有很大关系,信噪比,是指信道中,信号功率与噪声功率的比值,这也意味着这个数值越大,用户的线路质量也越好.


          03,趋肤效应不属于高频电流的衰减?

          趋肤效应本身不属于高频电流的衰减,而是一种现象,这种现象是电流集中在电线的表面导致线路的电阻增大,从而导致衰减。


          另外造成高频电流衰减的因素是高频辐射。我们知道,电流产生磁场,交变电流产生交变磁场,而交变磁场产生交变电场,所以交变电流周围产生交变的电场和磁场(这就是电磁场)并往周围辐射,往外辐射的能量随频率的增加而增加。因此高频电流要向外辐射电磁能量从而使高频电流衰减。


          还有线路的分布电容和分布电感,我们知道线路的分布电容和分布电感都不大,在直流电路和低频电路中可以忽略,但在高频电路中影响很大。线路越长分布电感和分布电容越大,分布电感大线路感抗就大,衰减就大,另外分布电感大造成电磁辐射也增大;分布电容会分流高频电流导致高频电流衰减。


          04,为什么说电磁波的频率越低,衰减越快

          电磁波的波长与频率成反比,频率越高,波长越短,更容易受到小物体的阻zhi挡,所以衰减更快。


          低频信号加载到高频信号上是为了降低干扰,频率越高越不容易受到干扰,而且高频的电磁波相对容易激励并向空间发射。无论是电磁波在空间传输随空间程差的衰减,还是电磁波在介质中传播由损耗角正切引起的衰减,都是随频率的升高衰减越大


          05,辐射损失(radiation loss):在高频的时侯有较多的电磁波能量辐射出去,其实EMC的问题,在所有电器和电子设备工作时都会有间歇或连续性电压电流变化,有时变化速率还相当快,这样会导致在不同频率内或一个频带间产生电磁能量,而相应的电路则会将这种能量发射到周围的环境中。EMI有两条途径离开或进入一个电路:辐射和传导。信号辐射是藉由外壳的缝、槽、开孔或其它缺口泄漏出去;而信号传导则藉由耦合到电源、信号和控制在线离开外壳,在开放的空间中自由辐射,从而产生干扰。很多EMI抑制都采用外壳屏蔽和缝隙屏蔽结合的方式来实现,大多数时侯下面这些简单原则可以有助于实现EMI屏蔽:从源头处降低干扰;藉由屏蔽过滤或接地将干扰产生电路隔离以及增强敏感电路的抗干扰能力等。


          06,上升时间衰减(rise time degradation);脉冲信号上升时间的衰减主要是因为沿着传输环境中不连续性所造成,诸如系统加入连接器、电缆,以及pads等,所以在设计连接器时,假若上升时间衰减比规范定义来的大,此时必须减少上升时间的衰减。


          07,偏移(skew)偏移是为了确保一对差动信号经过连接器一对端子后,可以保持能接受的差动不平衡,因为在设计连接器时,同一对差动信号的端子其长度要设计成等长,以避免偏移(skew)的产生,确保差动的平衡。


          08,感觉高频信号更容易衰减?高频信号在电力线上的衰减随着频率的增加而增加,但在某些频率,由于负载产生的共振现象和传输线效应的影响,衰减会出现突然的迅速增加。同时,信号传输距离对信号衰减程度也起着决定性的影响;随着距离的增加,衰减会迅速地增加。从统计上来说,这种变化还是有一定的定性规律可寻的。实验表明信号的衰减是距离的函数,衰减和信噪比有很大关系,信噪比,是指信道中,信号功率与噪声功率的比值,这也意味着这个数值越大,用户的线路质量也越好.


          09,趋肤效应不属于高频电流的衰减?趋肤效应本身不属于高频电流的衰减,而是一种现象,这种现象是电流集中在电线的表面导致线路的电阻增大,从而导致衰减。另外造成高频电流衰减的因素是高频辐射。我们知道,电流产生磁场,交变电流产生交变磁场,而交变磁场产生交变电场,所以交变电流周围产生交变的电场和磁场(这就是电磁场)并往周围辐射,往外辐射的能量随频率的增加而增加。因此高频电流要向外辐射电磁能量从而使高频电流衰减。还有线路的分布电容和分布电感,我们知道线路的分布电容和分布电感都不大,在直流电路和低频电路中可以忽略,但在高频电路中影响很大。线路越长分布电感和分布电容越大,分布电感大线路感抗就大,衰减就大,另外分布电感大造成电磁辐射也增大;分布电容会分流高频电流导致高频电流衰减。


          10,为什么说电磁波的频率越低,衰减越快;电磁波的波长与频率成反比,频率越高,波长越短,更容易受到小物体的阻挡,所以衰减更快。低频信号加载到高频信号上是为了降低干扰,频率越高越不容易受到干扰,而且高频的电磁波相对容易激励并向空间发射。无论是电磁波在空间传输随空间程差的衰减,还是电磁波在介质中传播由损耗角正切引起的衰减,都是随频率的升高衰减越大.

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