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              衰減參數科普篇

              信號衰減原因很多,自然衰減跟頻率是沒關系的,但繞射、遮擋、大氣吸收等就和頻率有關,頻率越高越容易被遮擋,也容易被吸收,所以高頻信號更加容易衰減。


              電磁波在穿透任何介質的時候都會有損耗,手機、無線遙控器、無線路由器、藍牙、物聯網等采用擴頻和其他寬帶調制技術的無線設備,會在載波頻率之外很寬的頻率范圍內產生帶外發射和雜散發射,這些發射會對其他無線電設備產生干擾。


              衰減---Attenuation   單位 –dB

              高頻電子訊號在傳動時由于基本材料電阻,產生訊號強度(電壓)降低以外,尚有因高頻引發的Impedance,導致電子訊號強度再被降低,基本電阻的衰減取決于導體材質可稱直流衰減,電容電感的衰減取決于頻率高低可稱交流衰減,且頻率越高此衰減越嚴重;如果ATT數值越趨近于0時,表示訊號損耗的情況越少。反之,ATT數值越負(越小)時,表示訊號損耗的情況越嚴重.

              1.jpg

              常見的衰減參數的測試圖,Pass表示符合測試要求,NG表示測試數據異常


              衰減/插入損失(α,Attenuation/Insertion Loss)

              指輸出端功率(Pout)比入射端功率(Pint)降低了多少,以dB(分貝)來表示,也可以是指輸出電壓(Vout)與入射電壓(Vin)相比訊號損耗剩下多少,一般是用NA(網路分析儀)來量測,可由儀器直接量得,其公式如下:


              單位長度傳輸線的總衰減是中心導體的損失(αc)和介電材質損失(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為散逸系數


              如果ATT數值越趨近于0時,表示訊號損耗的情況越少。反之,ATT數值越負(越?。r,表示訊號損耗的情況越嚴重。

              2.png


              衰減常數(參照電線電纜手冊一的數據說明)

              表示電磁波在均勻電纜上每公裡的衰減值,它由兩部分組成,


              由于金屬導體中的損耗而產生的衰減;

              由于介質中損耗產生的衰減。


              αn={[RLGL-ω-2LLCL+(RL+ω2LL2)(GL2+ωL -2C2)1/2]/2} 1/2

               在低損耗近似中,上式可近似為:

              αn=(RL/Z0+GL*Z0)/2


              從兩個電壓比值奈培數到同一比值的dB數之間存在一個簡單的轉換關係,如果兩個電壓的比值奈培數為rn,同樣電壓比值的dB數為rdB,由于它們等于相同的電壓比,所以可以得到:


              10rdB/20=ern

              rdB=rn*20loge=8.68*rn


              所以傳輸線單位長度的衰減dB/長度為:


              αdB=8.68αn=4.34(RL/Z0+GL*Z0)

                注:αn表示衰減,為奈培/長度

                       αdB表示衰減,為dB/長度

                       RL表示導線單位長度串聯電阻

                       CL表示單位長度電容

                       LL表示單位長度串聯回路電感

                       GL表示由介質引起的單位長度并聯電導


              理論上,這雖是頻域中的衰減,但衰減卻與頻率沒有內在聯系,然而事實上,在現實世界中,對于非常好的傳輸,由于趨膚效應的影響,單位長度串聯電阻隨著頻率的平方根增加;由于介質損耗因數的影響,單位長度并聯電導隨著頻率而增加,這意味著衰減也會隨著頻率的升高而增加,高頻率正弦波的衰減要大于低頻率的衰減。


              單位元長度損耗由兩部分組成,一部分是由導線損耗引起的衰減:αcond=4.34(RL/Z0),另一部分衰減與介質材料損耗有關:αdiel=4.34(GL*Z0),總衰減為:αdB=αcond+αdiel


              隨著頻率的升高,介質引起衰減的增加速度要比導線引起衰減的增加速度快,那么會存在某一頻率,使得在這一頻率之上時介質引起的衰減處于主導地位.


              傳輸線上的信號損耗:

              綜合以上信號損耗主要包括以下幾種:


              阻性損耗、介質損耗:信號以電磁波的形式在傳輸線中傳輸,在介質中產生極化。介質中的帶電粒子沿著電場方向規則排列,電荷的規則移動消耗了能量。


              相鄰耦合損耗:串擾的影響,信號的能量一部分耦合到響鈴的線上去,從而衰減了自身的能量。


              反射損耗和輻射損耗等:反射的信號在傳輸線上來回傳輸,最終對信號的總能量構成損耗;高頻信號以電磁波的形式輻射出PCB


              在分析傳輸線損耗時,還應注意:趨膚效應; 鄰近效應 ;表面粗糙度;復介電常數 ;介質損耗 ;隨頻率變化的阻抗特性和時延特性等,特別自身的損耗是高頻損耗的主要部分:主要是由導線自身的電阻所引起的損耗,在交流信號下,導線的阻抗會隨著頻率的變化而變化;走線的表面都會有一定的粗糙度,當信號的波長與走線層表明的粗糙度相近時會加劇阻性損耗,而且由于趨膚效應的影響,高頻電流會集中在導體的表面,這會進一步加劇導體的阻抗損耗,下面我們將分析這些損耗如何體現在傳輸線上面.


              線纜的低衰減可歸于下列因素:

              a.很大的中心導體直徑(d)或絕緣介電材質的直徑。 


              介電材質能防止高頻能量經由電阻成份散逸而保存的能力.


              介電材質散逸系數越低, 代表其傳遞高頻能量之能力越高。


              b.中心導體直徑或覆被低阻值。


              c.低介電係數。


              d.低的集膚效應深度。


              3.jpg

              舉一個生活中的例子,如圖為熱水傳輸管道


              問題1:供熱水公司輸出熱水假設100°C,但實際接收單位肯定會有差異,在這個熱水傳輸過程中有發生明顯損耗.


              問題2:一杯熱水100°C,放置一個小時以后,可能就變成常溫的水,在這個放置過程中,水溫發生明顯損耗.


              影響到熱水傳輸損耗的原因分析:

              • 傳輸管道的壁厚(會影響保溫的時間)

              • 傳輸管道的內壁光潔度(會阻礙傳輸的速度)

              • 傳輸管道的材質(會影響保溫的時間)

              • 傳輸水的速度 (速度直接影響水溫損耗的速度)

              • 傳輸的距離(距離直接影響水溫損耗的速度)

              • 外部環境的影響(會影響保溫的時間)

              4.jpg

              如圖對比管道圖,銅絲即為傳輸的核心水,絕緣皮即是保護的傳輸管道


              影響到線纜傳輸損耗的原因分析:

              • 傳輸管道的壁厚(對比為芯線的皮厚)  

              • 傳輸管道的內壁光潔度(對比為線材附著力不穩定及芯線外觀不良粗糙)

              • 傳輸管道的材質( 芯線的絕緣材質)

              • 傳輸水的速度(導體的大?。?br/>

              • 傳輸的距離(測試線材的長短)

              • 外部環境的影響(測試的環境及線材的屏蔽效果(遮蔽率))


              線纜設計中關鍵點﹕

              • 阻抗,絕緣外徑,導體外徑,屏蔽狀況

              • 阻抗大;衰減小﹔

              • 絕緣線徑大;阻抗大;衰減小﹔

              • 導體直徑大;衰減小﹔

              • 發泡度大;介電常數??;衰減小﹔

              • 編織密度增加;衰減小﹔

              • 編織+鋁箔結構;衰減小﹔

              • 鋁箔厚度增加;衰減小﹔


              線纜生產過程中控制關鍵點﹕

              • 芯線的皮厚偏??;衰減增大

              • 附著力不穩定及芯線外觀不良粗糙;衰減增大

              • 芯線的絕緣材質;介電常數小,衰減小

              • 導體偏??;衰減大

              • 測試線材的長短;線長衰減大測試的環境及線材的屏蔽效果(遮蔽率);環境差;衰減大.


              不同線種的應用設計理論重點也不同,以下做簡要數據羅列說明

              電線主要分為兩種,一種為同軸系列,一種為對絞系列


              同軸線主要影響衰減的因素﹕阻抗﹑絕緣線徑﹑導體直徑﹑編織錠子數﹑每錠根數。

              5.jpg

              目前需要用到同軸線的主要成品系列羅列


              1) 阻抗增大;衰減減小﹔

              2) 絕緣線徑增大;阻抗增大;衰減減小﹔

              3) 導體直徑增大;衰減減小﹔

              4) 發泡度增加;介電常數減??;衰減減小﹔

              5) 外導體變化(編織)的影響


              a) 編織密度增加;衰減減小﹔

              b) 編織+鋁箔結構;衰減減小﹔

              c) 鋁箔厚度增加;衰減減小﹔


              雙絞線主要影響衰減的因素﹕導體﹑絕緣介質﹑絕緣線徑﹑對絞節距﹑對屏蔽松緊﹑對屏蔽厚度﹑成纜節距﹑總屏蔽﹑總屏蔽厚度﹑對內延時差。

              6.jpg

              目前雙絞線的種類非常多,網線最為普遍,其它如HDMI,USB,DP等都為此類別


              1) 導體

              • 導體線徑大;衰減小﹔

              • 導體絞合節距增大;衰減減小

              • 導體絞合質量差(起股﹑松散﹑不圓整等);高頻衰減跳動。

              2) 絕緣介質﹕發泡度增大;介電常數減??;衰減減小﹔

              3) 絕緣線徑﹕絕緣線徑增大;阻抗增大;衰減減小﹔

              4) 對絞節距﹕對絞節距增大;衰減減小﹔

              5) 對屏蔽松緊

              • 鋁箔繞包過緊;衰減增大﹔

              • 鋁箔繞包緊;高頻衰減無跳動﹔

              • 鋁箔繞包過緊;高頻衰減跳動﹔

              • 鋁箔繞包松;高頻衰減有跳動。

              • 鋁箔繞包不平整;高頻衰減跳動.


              衰減參數小結:以上所寫部分主要為理論知識,在實際制程中很少會根據這些公式來計算,在實際制中影響衰減的主要因素是阻抗,所以控制阻抗穩定是非常重要一個環節,這就要求在做導體時注意OD穩定、外觀美觀、無刮傷、凸起等會影響到阻抗的不良因素,對于芯線要求OD穩定、同心度高、表面光滑美觀,絞線時要求絞距穩定、收/放線張力平衡,對于外被要求押出時不能過緊過松。所以只有做好線的每一個工段,才能保證阻抗變化不大,才能保證衰減較好;在衰減計算參數的應用里面一般有兩個系數比較重要,如下附表

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              常見衰減相關問題解惑

              01,低頻衰減的主要影響因素是導體,高頻衰減的主要影響因素是絕緣材料,而材料的介電常數和介質損耗角正切是隨著頻率的升高而逐漸增加的.


              02,感覺高頻信號更容易衰減?

              高頻信號在電力線上的衰減隨著頻率的增加而增加,但在某些頻率,由于負載產生的共振現象和傳輸線效應的影響,衰減會出現突然的迅速增加。同時,信號傳輸距離對信號衰減程度也起著決定性的影響;隨著距離的增加,衰減會迅速地增加。從統計上來說,這種變化還是有一定的定性規律可尋的。實驗表明信號的衰減是距離的函數,衰減和信噪比有很大關系,信噪比,是指信道中,信號功率與噪聲功率的比值,這也意味著這個數值越大,用戶的線路質量也越好.


              03,趨膚效應不屬于高頻電流的衰減?

              趨膚效應本身不屬于高頻電流的衰減,而是一種現象,這種現象是電流集中在電線的表面導致線路的電阻增大,從而導致衰減。


              另外造成高頻電流衰減的因素是高頻輻射。我們知道,電流產生磁場,交變電流產生交變磁場,而交變磁場產生交變電場,所以交變電流周圍產生交變的電場和磁場(這就是電磁場)并往周圍輻射,往外輻射的能量隨頻率的增加而增加。因此高頻電流要向外輻射電磁能量從而使高頻電流衰減。


              還有線路的分布電容和分布電感,我們知道線路的分布電容和分布電感都不大,在直流電路和低頻電路中可以忽略,但在高頻電路中影響很大。線路越長分布電感和分布電容越大,分布電感大線路感抗就大,衰減就大,另外分布電感大造成電磁輻射也增大;分布電容會分流高頻電流導致高頻電流衰減。


              04,為什么說電磁波的頻率越低,衰減越快

              電磁波的波長與頻率成反比,頻率越高,波長越短,更容易受到小物體的阻zhi擋,所以衰減更快。


              低頻信號加載到高頻信號上是為了降低干擾,頻率越高越不容易受到干擾,而且高頻的電磁波相對容易激勵并向空間發射。無論是電磁波在空間傳輸隨空間程差的衰減,還是電磁波在介質中傳播由損耗角正切引起的衰減,都是隨頻率的升高衰減越大


              05,輻射損失(radiation loss):在高頻的時侯有較多的電磁波能量輻射出去,其實EMC的問題,在所有電器和電子設備工作時都會有間歇或連續性電壓電流變化,有時變化速率還相當快,這樣會導致在不同頻率內或一個頻帶間產生電磁能量,而相應的電路則會將這種能量發射到周圍的環境中。EMI有兩條途徑離開或進入一個電路:輻射和傳導。信號輻射是藉由外殼的縫、槽、開孔或其它缺口泄漏出去;而信號傳導則藉由耦合到電源、信號和控制在線離開外殼,在開放的空間中自由輻射,從而產生干擾。很多EMI抑制都采用外殼屏蔽和縫隙屏蔽結合的方式來實現,大多數時侯下面這些簡單原則可以有助于實現EMI屏蔽:從源頭處降低干擾;藉由屏蔽過濾或接地將干擾產生電路隔離以及增強敏感電路的抗干擾能力等。


              06,上升時間衰減(rise time degradation);脈沖信號上升時間的衰減主要是因為沿著傳輸環境中不連續性所造成,諸如系統加入連接器、電纜,以及pads等,所以在設計連接器時,假若上升時間衰減比規范定義來的大,此時必須減少上升時間的衰減。


              07,偏移(skew)偏移是為了確保一對差動信號經過連接器一對端子后,可以保持能接受的差動不平衡,因為在設計連接器時,同一對差動信號的端子其長度要設計成等長,以避免偏移(skew)的產生,確保差動的平衡。


              08,感覺高頻信號更容易衰減?高頻信號在電力線上的衰減隨著頻率的增加而增加,但在某些頻率,由于負載產生的共振現象和傳輸線效應的影響,衰減會出現突然的迅速增加。同時,信號傳輸距離對信號衰減程度也起著決定性的影響;隨著距離的增加,衰減會迅速地增加。從統計上來說,這種變化還是有一定的定性規律可尋的。實驗表明信號的衰減是距離的函數,衰減和信噪比有很大關系,信噪比,是指信道中,信號功率與噪聲功率的比值,這也意味著這個數值越大,用戶的線路質量也越好.


              09,趨膚效應不屬于高頻電流的衰減?趨膚效應本身不屬于高頻電流的衰減,而是一種現象,這種現象是電流集中在電線的表面導致線路的電阻增大,從而導致衰減。另外造成高頻電流衰減的因素是高頻輻射。我們知道,電流產生磁場,交變電流產生交變磁場,而交變磁場產生交變電場,所以交變電流周圍產生交變的電場和磁場(這就是電磁場)并往周圍輻射,往外輻射的能量隨頻率的增加而增加。因此高頻電流要向外輻射電磁能量從而使高頻電流衰減。還有線路的分布電容和分布電感,我們知道線路的分布電容和分布電感都不大,在直流電路和低頻電路中可以忽略,但在高頻電路中影響很大。線路越長分布電感和分布電容越大,分布電感大線路感抗就大,衰減就大,另外分布電感大造成電磁輻射也增大;分布電容會分流高頻電流導致高頻電流衰減。


              10,為什么說電磁波的頻率越低,衰減越快;電磁波的波長與頻率成反比,頻率越高,波長越短,更容易受到小物體的阻擋,所以衰減更快。低頻信號加載到高頻信號上是為了降低干擾,頻率越高越不容易受到干擾,而且高頻的電磁波相對容易激勵并向空間發射。無論是電磁波在空間傳輸隨空間程差的衰減,還是電磁波在介質中傳播由損耗角正切引起的衰減,都是隨頻率的升高衰減越大.

              学游泳被教练吃奶头H文
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