射頻電纜、雙絞線與串擾

　　[第一部分開始討論接地問題：何時考慮接地，機箱材料如何影響接地，以及接地環(huán)路問題。第二部分討論電源回路和I/O信號接地。第三部分談到了板間接口信號、星形接地和屏蔽。第四部分談到了安全地以及電線/電纜。]

　　1.2.5 射頻電纜

　　除了一些特殊應(yīng)用外，比如高頻天線饋線可能使用平衡線，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電纜傳播產(chǎn)生的磁場被限制在電纜內(nèi)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(dǎo)體，電介質(zhì)，內(nèi)部導(dǎo)體，磁場被限制在外層導(dǎo)體之內(nèi)。

　　圖1.21 同軸電纜

　　另外一個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(yīng)用來說這點很重要，因為在這些應(yīng)用中電纜長度一般都會超過傳輸信號波長。1.3小節(jié)將討論傳輸線的一般屬性——其中同軸是一種特殊類型。通常在同軸參數(shù)規(guī)格中見到的參數(shù)有：

　　● 特征阻抗(Zo)：通用標準是50Ω，這個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標準常見于視頻和數(shù)據(jù)系統(tǒng)。任何其它阻抗必須被認為是特殊類型阻抗。

　　● 電介質(zhì)材料。電介質(zhì)材料會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(yīng)用，但價格要貴得多。

　　● 導(dǎo)體材料。普遍用的是銅。有時也用電鍍銀，它能通過趨膚效應(yīng)增強高頻傳導(dǎo)性，或?qū)~電鍍到鋼絞線上以增強強度。內(nèi)部導(dǎo)體可以是單股或多股線。當電纜有柔韌 性要求時，最好使用多股線。外部導(dǎo)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(yīng)用來說，可以使用 堅硬的外部導(dǎo)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，會產(chǎn)生電壓駐波，進而在電纜沿線的一些特殊位置產(chǎn)生峰值電壓，這個值比從功率/阻抗關(guān)系推導(dǎo)出的值要高。

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

　　目前市場上的同軸電纜分成兩種標準：針對RG/U(無線電政府，通用型)的美國MIL-C-17標準和針對UR-M(Uniradio)系列的英國BS 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(shù)據(jù)。

　　一句話警告：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(qū)別，音頻電纜的Zo是不確定的，高頻時的衰減非常大。如果你試圖用它來饋送射頻信號，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承載音頻信號。

　　1.2.6 雙絞線

　　應(yīng)該對雙絞線給予特殊關(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。這意味著共模電容耦合也是平衡的，因此可以實現(xiàn)很高的共模抑制。

　　圖1.22對雙絞線和非雙絞線(直線對)進行了比較，但需要注意的是，如果你的問題已經(jīng)是共模電容耦合，那么將線絞起來是沒有什么幫助的。要解決這個問題，你需要采用屏蔽技術(shù)。

　　圖1.22：雙絞線的優(yōu)點。

　　圖中文字從上至下：連續(xù)的半絞合可以抵消磁場感應(yīng),平衡的到地電容,雙絞線,磁場感應(yīng)不能被抵消,不平衡的到地電容,直線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。每個半絞合都會反轉(zhuǎn)感應(yīng)方向，因此假設(shè)外部磁場是均勻的，那么兩個連續(xù)的半絞合會抵消線纜與磁場的交互作用。

　　有效的環(huán)路耦合現(xiàn)在被減小到線纜對兩端的小塊面積上，加上由于磁場的不均勻性和線纜絞合的不規(guī)則性引起的少量殘余交互。假設(shè)終端面積包含在磁場中，那么單位 長度內(nèi)的絞合數(shù)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雙絞線與間隔為0.032英寸的22-AWG并行線 的磁場衰減與頻率關(guān)系進行了比較。

　　圖1.23 雙絞線的磁場衰減。(數(shù)據(jù)來源：R.B.Cowdell在1979年IEEE EMC專題論文集第183頁發(fā)表的文章“探索雙絞線的秘密”)

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

　　1.2.7 串擾

　　當同一條電纜束內(nèi)有1個以上的信號要傳輸任何距離時，導(dǎo)線之間的互相耦合將使得一個信 號的一部分饋送至另一個信號，反之亦然。這種現(xiàn)象被稱為串擾。嚴格地講，串擾不僅是一種電纜現(xiàn)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(dǎo)，也可能是電感主導(dǎo)，或者是由于傳輸線現(xiàn)象造成的。

　　當電纜可以被看作是集總元件時(與之相反，高頻時必須被看作是傳輸線)，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：電纜長度D,電纜電容Cc,針對電路1耦合進電路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(shù)字串擾

　　串 擾在電信和音頻領(lǐng)域是眾所周知的，例如本來分開的語音通道在一起傳送、一個通道串進另一個通道時，或者高頻時分開的立體聲通道又被組合在一起時。雖然數(shù)字 化數(shù)據(jù)初看起來是不受串擾影響的，但事實上它對數(shù)據(jù)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(jié)果是與時鐘同步的數(shù)據(jù)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(dǎo)致嚴重的錯誤時鐘。一些實際例子(見圖1.25)展示了問題的實質(zhì)。

　　圖1.25:數(shù)字串擾效應(yīng)。

　　圖中文字從上至下：信號A,串擾耦合,時鐘B,受破壞的時鐘B

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

　　耦合電容CC等于2m x 150pF/m=300pF。10kHz時的阻抗為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(qū)動阻抗從10kΩ減小到50Ω，那么串擾變?yōu)?9/(49 + 49 + 53 K) = 60 dB：，這對許多應(yīng)用來說都是可以接受的，雖然對Hi-Fi來說還是不可接受。

　　(b)兩條 EIA-232(RS-232)串行數(shù)據(jù)線采用了16米長的數(shù)據(jù)電纜(不是單獨的雙絞線)，其芯/芯電容為108pF/m。發(fā)送器和接收器符合EIA- 232規(guī)范，即具有300Ω輸出阻抗、5kΩ輸入阻抗、±10V擺幅和30 V/μs上升時間。那么由于某個電路引起而在另外一個電路上產(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 自具有恒定dV/dt的斜坡電壓、經(jīng)t秒后在RC電路中流動的電流I = C × dV/dt (1 - exp[-t/RC])。在我們這個例子中，dV/dt=30 V/μs持續(xù)0.66 μs，電路電阻為567Ω，此時的電流為25mA。轉(zhuǎn)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不適合長距離和高數(shù)據(jù)速率的一個原因!

　　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(yīng)該高，受害電路的源阻抗應(yīng)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說，這樣解決不了任何問題，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，將每根信號線之間的導(dǎo)線連到地;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 電路使用單獨的屏蔽層。屏蔽層必須接地，否則這種方法不會給你帶來任何好處。

　　● 將信號電路帶寬減小到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)速率或頻率響應(yīng)要求的最小值。從上面的(b)可以看出，耦合效應(yīng)直接取決于侵害信號的上升時間。較慢的上升時間意味著較小 的串擾。如果增加一個與輸入負載電阻(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(shù)據(jù)速率時差分數(shù)據(jù)標準(如EIA-422(RS-422))和其它更新標準流行的主要原因。使用對線時