高频线缆设计

高频线设计1目录

一.设计依据二.常用设计公式1，高频对称电缆设计公式2，同轴电缆设计公式三.电气参数四.设计思路1，发泡绝缘介绍2，HDMI线的设计3，网络线的设计4，USB线的设计5，同轴线的设计==========================2设计依据客户提供的各种产品技术规范﹐条件及规格书﹐或是电线各种实样。客户提出的技术要求电线需要符合的标准要求电线使用温度﹐电压等级要求使用温度是65℃﹐80℃﹐105℃﹐125℃﹐150℃中哪个温度等级﹔使用电压要求是低压还是高压。电线敷设及使用环境要求首先要告知所需电线的使用场合及用途情况。有否耐热﹐耐寒﹐耐油﹐耐化学溶剂﹐耐辐射﹐防水等特殊性能要求﹐如用在室外敷设﹐还要耐日光及耐紫外线的性能要求等。电线在敷设和使用中有否经常受较大机械力作用(如拉伸和挤压)。电线在使用中要经受频繁移动和弯曲的要求﹐则电线要求柔软﹐弯曲性能要好。3设计依据充分考虑工厂设备特点及生产能力充分考虑材料成本及产能对测试图像分析完善设计电线装配加工时的要求电线在装配时﹐经常会有一些特殊要求﹕附着力要求﹔对电线成品线径公差要求﹔加工时电线要浸锡或焊锡用﹐则需要采用镀锡导体的电线﹔如有注塑工艺要求﹐电线外护套要求结实圆整一些(不可用挤管式)。电线性能方面要求要求电线承受的载流量(A)。对于通信电缆在传输性能上要求(如特性阻抗﹐衰减﹐串音﹐回波损耗等指标)。4高频对称电缆设计公式

-发泡绝缘的等效介电常数的计算公式

发泡绝缘是一种组合绝缘,主要是为了降低绝缘介质的等效介电常数,提高线材的电气性能.发泡绝缘介质的等效介电常数介于空气绝缘与塑料绝缘的介电常数之间,在设计的过程中可采用下面两种方法对发泡绝缘介质的等效介电常数进行计算.方法(1):ε-介质的材料的等效介电常数 P-发泡度%,它表示泡沫介质内,所有小气泡的体积与绝缘总体积之比.5高频对称电缆设计公式

-发泡绝缘的等效介电常数的计算公式方法(2):D泡沫-----泡沫介质的比重D材料-----介质材料本身的比重εe-----实心绝缘的介电常数 ε------发泡绝缘的介电常数 6高频对称电缆设计公式

-发泡绝缘的等效介电常数的计算公式发泡度的计算方法l：选择线材的长度D：发泡绝缘的直径d：导体的直径G：l长线材抽掉导体，绝缘的重量7高频对称电缆设计公式

-对称电缆的电容

无屏蔽对称电缆(UTP)的电容可按下式计算﹕F/M适用于两导体相互平行，并且周围无其它线对的理想情况. a-两导体的中心距(mm)d-中心导体的直径(mm) εe-绝缘材料的等效介电常数

8高频对称电缆设计公式

-对称电缆的电容对于多对结构的对称电缆，应考虑线对绞合的影响以及邻近线对等因素，其电容计算公式为﹕F/Mλ----绞合系数 φ----校正系数,考虑邻近线对或线对屏蔽层对于电容的影响. 校正系数φ与各结构参数之间的关系. 屏蔽对绞组9高频对称电缆设计公式

-对称电缆的电容无屏蔽对绞组a-------对称电缆导体的中心距

DS----屏蔽层内径(mm) d2-----对绞后的外径(mm) d1-----绝缘芯线的外径(mm)由对称电缆的电容计算公式可以看出：1，发泡度越大，等效介电常数εe越小，工作电容越小，2，两导体的距离a越大，工作电容越小3，中心导体的直径d越大，工作电容越大

10高频对称电缆设计公式

-水中电容的设计公式C=24.12*εe/lg(a/K1*d)=55.56*εe/ln(a/K1*d)a-两导体的中心距(mm)d-中心导体的直径(mm) εe-绝缘材料的等效介电常数K1-修正系数（见表1）11高频对称电缆设计公式

-特性阻抗

无屏蔽对称电缆(UTP)﹕（单位：欧姆）或屏蔽对称电缆(STP)﹕（单位：欧姆）或12高频对称电缆设计公式

-特性阻抗当对称电缆的中心导体是绞线结构，屏蔽为编织时,公式为﹕K3为编织影响的经验修正系数,取值0.98~0.99K1为导体修正系数：（见表1）由对称电缆的特性阻抗计算公式可以看出：1，发泡度越大，等效介电常数εe越小，特性阻抗越大，2，两导体的距离a为大，特性阻抗越大3，中心导体的直径d越大，特性阻抗越小13高频对称电缆设计公式

-衰减无屏蔽对称电缆（分贝/米）屏蔽对称电缆（分贝/米）14高频对称电缆设计公式

-衰减f-----频率 de---绞合导体的电气等效直径 d----绞合导体外径

Ds--屏蔽内径 a-----对称电缆导体的中心距 εe--绝缘的等效介电常数

tg(δ)---绝缘的等效介质损耗角正切 Kp1-----导体的射频电阻系数（铜:1,银:0.98,铝:1.28,锡:2.58）Kp2-----屏蔽的射频电阻系数（铜:1,银:0.98,铝:1.28,锡:2.58）Ks-------绞线导体的电阻系数1.25 KB------编织屏蔽的电阻系数2.0 K3------编织对阻抗影响的系数0.98~0.99从衰减计算公式可以看出：1，降低εe及tg(δ)值可以降低衰减，2，提高两导体的距离可以降低衰减3，提高导体的外径可以降低衰减4，提高导体的导电率可以降低衰减15高频对称电缆设计公式

-对内延时差计算Intra-pairSkew对内延时差=L1*(ε1)^0.5/C-L2*(ε2)^0.5/CL1：芯线1长度(M)L2：芯线2长度(M)ε1：芯线1介电常数ε2：芯线2介电常数C：光速3*10^8M/S从对内延时差公式可以看出：保持两芯线长度一致可以降低对内延时差，保持发泡度一致可以降低对内延时差16同轴电缆设计公式

-电容由于同轴电缆无外部电场,所以同轴对的工作电容就等于同轴对内外导体间的部分电容,电容计算可按圆柱形电容器的电容公式来计算:或Dw-外导体结构的修正系数(理想外导体Dw=0,非理想外导体Dw=编织外导体中的单线直径) K1-内导体结构的修正系数, D1-同轴线外导体内径(mm)

17同轴电缆设计公式

-特性阻抗1，对于斜包,铝箔纵包可近似看作是理想外导体,计算如下:或2，编织外导体,绞线内导体计算如下:

或

D---外导体外径

d----内导体外径

Dw---编织导体直径

K1----导体结构修正系数

18同轴电缆设计公式

-衰减同轴电缆衰减的计算公式:当内外导体都为圆柱形导体时:当内导体是绞线,外导体是编织时:19同轴电缆设计公式

-衰减编织系数KB还可用如下计算方法求出:

m----为编织的锭数

n-----为每锭编织线中的导线根数 β-----为编织角(编织导线的方向与电缆轴线方向之间的夹角)tgσe----等效介质损耗角正切εe-------等效介电常数20同轴电缆设计公式

-衰减D，d----外导体内径.内导体外径K1-----导体结构修正系数ε-----绝缘介电常数KS-----绞线引起射频电缆电阻增大的系数,KS=1.25 KB-----编织引起射频电缆电阻增大的系数 Dw----编织外导体中的单线直径 KP1,KP2-分别表示内,外导体与标准软铜不同时引起射频电阻增大或减小的系数. （铜:1,银:0.98,铝:1.28,锡:2.58）21电气参数1:Attenuation（衰减）

信号在传输过程中的损失参数.由两部份组成﹐一为介质内偶极子受交变电场作用做取向运动引起的介质损耗﹐一为导体上热磁涡流及导体发热引起的能量损失。单位为“dB/m”。

发送设备及接收设备的灵敏度确定后﹐线路的允许衰减就确定。线路衰减越低﹐通信距离就越长。载波通讯可通过设立增音站来延长通讯距离。但通讯距离受信号传输时间限制﹐以免影响通讯质量。当电信号在介质中传输时,一定会有能量损耗,即接收到的信号将比传送的信号小,其值是接收信号与传输信号之比的对数值越小越好!此参数与频率，线材长度成正比。22电气参数

2:Impedance(特性阻抗，波阻抗)无反射理想回路的任一点的电压与电流的比值。均匀线路有固有的阻抗。是由线路的一次参数和所发送的信号频率决定﹐与线路长度﹐传输的电压电流大小及所连接负载/设备无关。电缆的特性阻抗对于系统内的阻抗匹配非常重要。单位为“Ω”电流在导体上流动的遇到的阻抗总和23电气参数3:NEXT近端串扰(NearEndCrosstalk),当信号在线缆及连结器上传输时,周围就会产生电磁场,这个电磁场辐射到相邻的对线上,从而产生不良信号,干扰相邻线缆的信号传输,特别是同在”近端”的传送线对与接收线对上,这种干扰优为严重.其值为传输信号与串扰信号比的对数,越大越好.4:FEXT远程串扰(FarEndCrosstalk),传送对上的信号对相邻线对远程的干扰.其的测量是在近段进行.24电气参数

5:ELFEXT等电平远程串扰(EqualLevelFarEndCrosstalk),其是FEXT与衰减的比.6:PSNEXT

PS(PowerSum),综合串扰.四对线中其它三对另一对线的同时串扰25电气参数

7:RL(ReturnLoss)反射衰减(回波损耗)由于材料﹐结构尺寸与制造工艺(绝缘押出量不均﹐牵引轮偏心﹐收放线转动不均匀)等缺陷和分散性的影响﹐造成阻抗沿长度的分布是不均匀的。电磁波在线路上传输遇到不均匀点产生多次反射﹐奇次反射波回到发射端﹐会引起输入阻抗的变化﹐并引起主波信号功率变化﹐产生衰减频率特性波动﹐引起信号失真。偶次反射波形成伴流﹐滞后并迭加在主波上﹐造成干扰﹐尤其脉冲信号传输时﹐会引起波形畸变﹐造成信号失真。尤其存在周期性不均匀时﹐影响最为严重。26电气参数两对线之间讯号传输的延迟差(会造成数据误判)8:Inter-pairSkewT0T1T-T+9:Intra-pairSkew同一对线之间两芯讯号传输的延迟差27设计思路

发泡绝缘的介绍采用发泡绝缘的目的减小电缆尺寸。(小型化)降低电缆成本。(经济性)获得低衰减。(高带宽、布线延长)高传输速度。(时间性)发泡线用途同轴电缆CATV闭路电视网干线/支线/馈线网络射频电缆(RF)RG/MIL系列电缆﹐军事用途对称通讯电缆办公自动化设备连接线(主要指计算机及外围设备连接线)

多媒体连接线(主要指家用电子消费性产品连接线)

工业/军事设备﹐其它用途28设计思路

发泡绝缘的介绍发泡芯线的设计发泡芯线结构型式单纯发泡结构(foam)内皮层+发泡层结构(skin-foam)（工厂老物理发泡机可以生产）发泡层+外皮层结构(foam-skin)（工厂化学发泡机可以生产）内皮层+发泡层结构+外皮层结构(skin-foam-skin)（新物理发泡机可以生产）发泡芯线中皮层作用内皮层﹐可改善导体与绝缘附着力﹔提高绝缘电阻及耐电强度。外皮层﹐增加防水性﹐防潮性﹔提高芯线抗变形能力﹔提高绝缘电阻及耐电强度。高质量发泡电缆的特性要求高传输速度。恒定的阻抗值。低衰减。低回波损耗。低干扰性。恒定的电容。29设计思路

发泡绝缘的介绍发泡制作工艺形式化学发泡绝缘材料中混入发泡剂，通过押出机传热，材料受热分解出气体。最高发泡度50%左右。化学发泡的缺点发泡材料(发泡)对温度很敏感。螺杆与材料剪切，及押出机磨擦生热对发泡影响很大。色母材料对发泡有影响。原材料批次间性能不同，引起加工工艺不同，及发泡程度不同。发泡材料超过储存期，发泡性能劣化。物理发泡

绝缘材料中混入成核剂，气体注入押出机与材料混合，形成发泡绝缘。最高发泡度80%。30HDMI的设计

-HDMI的发展历程31HDMI的设计

-HDMI线材常用结构图

线对屏蔽地线在铝箔外，铝面向外。线对屏蔽地线在铝箔内，铝面向内。32HDMI的设计

-工厂HDMI线材常用结构33HDMI的设计

-HDMI的电气性能参数34HDMI的设计

-工厂HDMI的生产能力35HDMI的设计

-HDMI芯线的设计发泡绝缘材料的选择：选择低介电常数（2.2~2.34之间）及低介电损耗角正切值的绝缘料.例如:发泡PE料日本DGDJ3485(工厂料号C10087G),皮层如陶氏化工的DKDG3364高密度PE料(工厂料号C10093G)发泡绝缘的设计计算:1，由εe=(276/Z0)^2*[Lg(1.2*D/d)]^2求出等效介电常数（充分考虑到芯线被压缩的因素，保证εe取值在设备生产能力范围内及满足机械性能的要求,发泡度为40%左右）2，由C=24.13*εe

/log(D/(K1*d))(PF/m)求出水中电容值3，根据衰减常数计算公式计算出衰减常数，对相关参数进行修正电子线绝缘材料的选择:一般使用HDPE及PP,工厂常使用HDPE,对于绝缘皮层更薄的可以考虑使用PP+HDPE36HDMI的设计

-屏蔽的设计线对屏蔽之铝箔常选用导电率较高的厚度为25μ单面铝箔拖包，PET膜厚度为25μ拖包，重叠率需要达到30%~40%，线对屏蔽地常使用镀锡铜线总屏蔽常使用单面铝箔+编织的形式，铝箔重叠率为25%~35%。也可以不用编织，如香港美时的产品37HDMI的设计

-节距设计及外被对绞节距为15MM~20MM,成缆节距为90~120MM之间外被材料的选择:PVCCLASS43符合UL758AWM20276,额定温度:60℃或80℃,额定电压:30V,〈标准:UL758,UL1581与CSAC22.2No.210.2),成品线材需要通过ULVW-1&CSAFT1垂直燃烧实验外被厚度:线径最小平均厚度任一点最小厚度8.9MM以下0.51MM

0.44MM9.0MM以上0.76MM0.61MM38HDMI的设计39网络线的设计EIA/TIA对LanCable分类电线等级使用频率参照标准测试项目Cat1/基础通讯线未规定性能Cat21MHzUL444&EIA/TIA568-A-5&IEC/ISO11801阻抗﹐衰减Cat316MHzUL444&EIA/TIA568-A-5&IEC/ISO11801阻抗﹐衰减﹐近端串音﹐回波损耗﹐延时﹐延时差﹐波速比Cat420MHzUL444&EIA/TIA568-A-5&IEC/ISO11801阻抗﹐衰减﹐近端串音﹐回波损耗﹐延时﹐延时差﹐波速比Cat5100MHzUL444&EIA/TIA568-A-5&IEC/ISO11801阻抗﹐衰减﹐近端串音﹐近端串音功率和﹐回波损耗﹐延时﹐延时差﹐波速比40网络线的设计EIA/TIA对LanCable分类Cat5e100MHzUL444&EIA/TIA568-A-5&IEC/ISO11801阻抗﹐衰减﹐回波损耗﹐近端串音﹐近端串音功率和﹐等电平远程串音﹐等电平远程串音功率和﹐衰减串音比﹐衰减串音比功率和﹐延时

Cat6250MHzUL444&EIA/TIA568-B.2-1&NEMAWC66阻抗﹐衰减﹐回波损耗﹐近端串音﹐近端串音功率和﹐等电平远程串音﹐等电平远程串音功率和﹐衰减串音比﹐衰减串音比功率和﹐延时

Cat7600MHzEIA/TIA568-B.2-1&NEMAWC66阻抗﹐衰减﹐回波损耗﹐近端串音﹐近端串音功率和﹐等电平远程串音﹐等电平远程串音功率和﹐衰减串音比﹐衰减串音比功率和﹐延时41网络线的设计

-EIA/TIA对LanCable分类Category1带宽1MhzCategory2带宽4Mhz,速度4MbpsCategory3带宽为达16Mhz,运行时速度可达10Mbps.Category5带宽100Mhz,运行时速度可达155Mbps(甚至1Gbps).Category5e为Category5的增强型(Enhanced),带宽100Mhz,运行时速度可达1Gbps.Category6带宽在250Mhz.目前市面上使用的多为5类线（Cat5）,超5类线（Cat5E）及六类线42网络线的设计-以结构分类常规结构(以屏蔽性能划分)UTP﹕线对及电缆缆芯都无屏蔽FTP﹕铝箔总屏蔽。STP﹕铝(铜)箔+铜线编织总屏蔽。S-STP﹕线对单独屏蔽，总屏蔽。常规线对数

2、3、4、25、50、100对。另有2X4P﹐4X4P﹐6X4P等多单位组合结构。5类，超5类LANCABLE基本的组成为4P双绞线。有/无屏蔽及不同屏蔽之分43网络线的设计-以结构分类UTP(UnshieldedTwistedPaired)，无屏蔽44网络线的设计-以结构分类FTP(STP)，单屏蔽（铝箔）45网络线的设计-以结构分类SSTP(SFTP)，铝箔及编织网双屏蔽46网络线的设计-六类线

由于cable在布线过程中，内部线材会因移动，相互纠缠影响抗干拢及传输速率，为防止对线位置发生偏移，6类线材设计中加入了隔离---十字骨架或者一字隔离带.47网络线的设计-六类线十字骨架注:有些网络线加一字隔离带隔离也有6类线没有中心隔离,如万泰的6类线.

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网络线的设计-

七类线材料：

绝缘：发泡PE

导体:24#,裸铜，单根铜丝或多根铜丝

屏蔽：镀锡铜丝，遮蔽率65%

被覆：PVC,半充实状于每条线上加铝箔及于最层加编织

49网络线的设计

材料的选择导体符合GB/T3953TR软圆铜线的要求成品电缆导体伸长率应≥15%工厂现常用的导体规格有7/0.19BC,7/0.20BC,0.40BC,0.49BC,0.50BC,0.51BC,0.57BC,0.581BC绝缘材料：可以选择以下绝缘材料1，聚烯烃（符合YD/T760要求）2，低烟无卤阻燃聚烯烃（YD/T886-1997的附录B）3,聚全氟乙丙烯(HG/T2904)工厂现常用的绝缘材料为HDPE50

网络线的设计

材料的选择-外被特性要求(耐燃等级)CMP---敷设于天花板夹层等处的强制通风场合，对电缆的耐燃要求最严格。UL试验方法﹕UL910。CMR---敷设于垂直竖井或电梯、升降机间。UL试验方法﹕UL1666。CM(CMG)---plenum及riser之外的所有场合，主要是指垂直成束敷设。UL试验方法﹕UL1581之1160。CMX---垂直敷设，相当于VW-1。UL试验方法﹕UL1581之1080。CMH---水平敷设。51网络线的设计绝缘线径确定:由特性阻抗(导体线径,特性阻抗已知,介电常数取值2.32)公式反推出绝缘线径(UTP计算经验公式=导体线径*1.8)，如0.57*1.8=1.026MM,0.5*1.8=0.9MM节距的设计:按照平衡节原理，倒数差等差或者等比的原则。调整线对节距，减小或交错改变节距都可减少线对间的藕合，降低串音。节距间隔值为2~5MM,节距范围:10~30MM。现在我们六类线的节距为蓝/蓝白橙/橙白绿/绿白棕/棕白11MM15.5MM13MM17.5MM对绞时退扭率的确定：我们常取25%左右，或者按节距1.66*节距,工厂设备退扭率不超过35%，过分退扭会扭伤芯线。成缆节距:90~130MM外被材质:根据客户要求选择,外被厚度:最小平均厚度为0.50MM,最薄点厚度为0.40MM（参照YD/T10192001）52USB线的设计一﹑USB定义﹕通用串行总线﹐或通用串行总线。二﹑起源﹕最初由Intel公司发起。三﹑主要定名成员﹕Intel,Compaq,微软﹐NES,Philips,Lucent.四﹑版本历史﹕53USB线的设计公司目前常用结构图﹕54USB线的设计

电气性能55USB线的设计

电气性能56USB线的设计

线材结构通常规格(五种)28AWG*1P28AWG*2C28AWG*1P26AWG*2C28AWG*1P24AWG*2C28AWG*1P22AWG*2C28AWG*1P20AWG*2C导体材质﹕镀锡软铜线芯线绝缘材质白绿HDPE（线径通常0.85MM)红黑SR-PVC(半硬PVC,28AWG0.85MM,26AWG1.0MM24AWG1.1MM)芯线对绞绞距工厂常为45-50/S

57USB线的设计 成缆

a.绞距75-80/Sb.铝箔重迭率﹕25%以上c.地线7/0.127镀锡软铜线d.Low-speed不作要求编织（1）遮蔽率﹕65%以上（2）镀锡软铜线外被a:Nom.厚度﹕0.64mmb.印字.Full/highE205663AWMSTYLE272528AWG/1P+28AWG/2C80℃30VVW-1USB2.0D&S

c.Low-speed不作要求58USB线的设计USB应用环境a.计算机周边环境b.游戏系统Keyboard 键盘monitor显示器Printer打印机Scanner扫描仪Modem调制解调器USB最大使用长度59同轴电缆的设计同轴线是指在电气结构上，内外导体具有同一个轴心，故而得名。其常伴随有特性阻抗及其它传输特性要求；常规特性阻抗为﹕50Ω、75Ω。UL标准作为电气设备的信号传输线，产品如AWM电子线Style系列的UL1354、UL1365等。注﹕作为例外，此类线一般无特性阻抗要求。JIS-3501-93<<高周波同轴电线>>通常作CATV共享电视系统的连接线，如3C-2V、1.5D-2V等。MIL-C-17G<<美国军用标准>>(RG系列)GB/T14864-93<<实心聚乙烯绝缘射频电缆>>(如SYVSYWVSYKVSFYV同轴射频电缆)S-------射频电缆 Y-------实心PE绝缘 YF-----发泡PE绝缘F-------氟塑料绝缘 V-------PVC护套 W------物理发泡结构K-------纵孔(如SEYVP对称射频电缆)SE-------对称射频电缆 P-------屏蔽60同轴电缆的设计结构

同轴电缆由内导体、绝缘、外导体和护层四个部分组成。

1）内导体

内导体要求有较好的电气性能，一定的机械强度和柔软性，常用的内导体是实心铜线，也可用铜包钢线或铜包铝线。

2）绝缘

绝缘材料和结构的选取应使电缆有尽可能低的传输损耗，足以保证内、外导体始终处于同轴位置，物理发泡PE绝缘是一种半空气绝缘结构，是目前绝缘形式的最佳选择。

3）外导体

外导体要求有良好的机械、物理及密封性能、常用结构有