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特性阻抗(impedance) – FLUKE福祿克參數

【什么是電纜的阻抗？】 ?我們在福祿克測試儀的時候，經常會遇到DSX-5000，DTX-1800或者DTX-1500的參數問題，今天連訊達工程師為大家詳細講解福祿克測試儀中的重要參數之特性阻抗。讀者大都熟知歐姆定律：U=RI，或者 R=U/I，其中的 R 是電阻或者電阻負載，電阻與材料的電阻率 ?(又稱導電系數)有關。但在高頻信號的傳輸過程中，我們需要了解傳輸高頻信號的物理介質(比如雙絞線、同軸線)的傳輸特性。這種傳輸特性與傳輸介質的導電材料(例如銅或銀)、幾何形狀、分布電感(L0)、分布電容(C0)、導電系數(電阻率)、絕緣材料(介電常數)等都有關系，低頻信號傳輸時則往往不考慮這些分布參數的影響。?? 這里需要先說說什么是分布參數。所有的電子線路圖中都用L 代表電感器(通常是線圈)，C 代表電容器(通常是方形、原片形或圓柱形)。微觀上看，雙絞線其實就是兩根彼此靠近的圓柱形銅導體。一段雙絞線(例如一米)，就是彼此靠近的一對圓柱形銅導體。問：這對圓柱形銅導體是不是自身就存在電感和電容呢？答案是：存在。一米雙絞線的每根圓柱形銅導體雖然外形上不是電感器，但本身也存在微量電感；兩根相互靠近的一米銅導體雖然外形上不是電容器，但兩者之間確實存在著微量電容(即電荷感應系數)。我們把這些“外形特征”看不見，但“身體”中包含著的微量電感、電容就叫做分布參數(分布電感 L0、分布電容 C0)。

用來衡量這些分布參數相關性的是一個比較復雜的等效參數，不過，由于這個參數等效計算的結果正好是以歐姆(Ω)為單位，所以中文把這個參數叫譯做“特性阻抗”，有時簡稱阻抗。請讀者注意，這個特性阻抗參數和歐姆定律中常舉例的純電阻完全是兩個概念，雖然計量單位都是歐姆，但此“歐姆”非彼“歐姆”。特性阻抗是分布感應參數的等效值，它被用來衡量介質的傳輸特性，且不隨“均勻”傳輸線的長度改變而發生變化(雖然計算時會假設長度無限)，而電阻是與傳輸線的長度密切相關的一個參數，傳輸線越長，電阻值通常也越大。特性阻抗表達式雖然復雜，但隨著工作頻率的提高(一般大于 2MHz 以后)，其值會趨于穩定。近似地，此穩定值只與(L0/C0)比值的均方根和絕緣介質的介電常數有關。所以，材料不變的情況下，只要傳輸線保持結構均勻，其分布參數 L0、C0 就會保持不變，那么鏈路每“一點”的特性阻抗也會保持不便(即保持阻抗連續性)。?? 雙絞線常見的特性阻抗規格是 100Ω 和 120Ω。前者通常用于計算機數據網絡，后者較多用于現場總線和工控網。

雙絞線是一種傳輸線。理論上，“均勻傳輸線”上沿長度方向上每一點的分布參數的感應等效值(特性阻抗)是連續不變的，這就叫阻抗的“連續性”。例如，一段 100 米的“均勻雙絞線”，其 35 米處的特性阻抗值和 53 米處的特性阻抗值理論上是一樣的(都是 100Ω，即分布電感和分布電容、微電阻等是保持一致的)。而真實條件下的雙絞線都不是真正的均勻雙絞線，傳輸線上每點的特性阻抗值會因為制造、安裝等原因可能都是不一樣的，存在著一定的波動(例如存在 10%的波動)。這種現象就叫做阻抗不連續。這是由于傳輸線的加工過程無法做到完全保持持續的均勻一致而造成的。如果生產過程中銅線的直徑和銅線外絕緣層的厚度隨機地發生微小的變化，那么電磁感應的分布參數值 L0 和 C0 就會發生微小變化，等效出來的特性阻抗值就會發生變化。例如，53 米處特性阻抗為 103Ω，53 米處為 98Ω。同軸線也存在同樣的情況，同軸線中的內導線直徑會沿著長度方向發生微小變化，外導體的直徑和內外導體之間的絕緣層的厚度也會發生微小變化，這樣等效出來的阻抗值跟著也發生微小變化，所以感應分布沿長度方向是不連續的，也就是說阻抗是不連續的。

尺寸均不同，兩者的等效阻抗也不一樣。再比如，雙絞線與配架模塊的內部金屬結構、幾何尺寸都不相同，等效阻抗也不一樣，兩者相連接時就會在接觸點出現阻抗突變的現象。同樣地，水晶頭插入模塊后與模塊的連接點也是一個典型的阻抗不連續點。?? 計算機網絡使用的同軸電纜(50 歐姆)和有線電視使用的同軸電纜(75 歐姆)特性阻抗不同，兩者前后誤接到一起混用時也會發生阻抗突變，突變點就在連接點處。

沿線對向前傳輸的信號在阻抗突變點會發生發射，突變越大反射的能量就越強?? 阻抗突變越大反射的能量越強。如果傳輸線對端開路，此時可以認為阻抗值變成無窮大，相對突變量也是無窮大，則信號傳輸到對端后會幾乎全部反射回來。如果傳輸線的對端短路，此時可以認為短路點阻抗值變成“零”，阻抗突變值很大，則信號傳輸到對端后也會幾乎全部反射回來。由此可知，開路和短路是阻抗突變的兩個極端情形，所以反射回來的信號能量在此時都是最大的。我們可利用這點來測量電纜的長度和定位開路/短路位置。反射回來的信號會回到信號的發送端，與正常傳輸的信號疊加在一起被接收，致使信號讀取出錯。那么，開路和短路點誰反射能量更大呢？由于都是阻抗極限值，反射能量幾乎都接近 100%。?? 對于特性阻抗為 75 歐姆的同軸線(家用電視機用的就是這種線)，如果在傳輸線的對端接上一個 75 歐姆的純電阻，則信號傳輸到對端時會被這個純電阻全部吸收，沒有信號能量會被反射回來。對于 100 歐姆 UTP 電纜(非屏蔽雙絞線)在對端的每對線對上各接上一個 100歐姆純電阻后，信號能量在對端也會被全部吸收，不會有信號能量反射回來。這種在傳輸線出口接上純電阻的方法是消除信號反射的一個重要技術，我們習慣上也把它稱作“終端阻抗匹配”或簡稱“終端匹配”。匹配電阻的阻值必須與傳輸線的特性阻抗值相等，這樣才能將信號能量全部吸收不反射回去。類似地，在 120Ω總線的兩端一般也要各接上一個 120 歐姆的純電阻，防止信號在總線內來回反射，減小其干擾正常數據幀的傳輸。

其實，阻抗匹配的概念并不止于此，如果將兩段均勻的同軸電纜連接起來，在連接點處“加工”得很平順，沒有出現微觀意義上的阻抗突變現象，則我們也把這兩段同軸線的連接稱作匹配。推而廣之，凡是阻抗連續的點我們都說它們是匹配的。按照這個思路，我們就知道通常在雙絞線和模塊的連接點處，阻抗是有“失配”現象存在的，一條布線鏈路的接插件和連接件所在的位置經常也是阻抗不連續的位置，或者說是阻抗失配的位置。失配的原因主要是傳輸線的幾何結構(尺寸和形狀)發生了突變。凡是阻抗不連續點也“一定是”一個信號能量的反射點。?? 下面說說阻抗不連續會帶來什么不良影響。