（材料物理与化学专业论文）adsl变压器设计及传输特性测试分析.pdf

电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着网络的大面积拓扑，多样化的网络接入技术在日新月异地发生着变化。 x d s l 技术被看作近年来最具发展前途和可行性的主流技术之一，因为x d s l 是 以现有的入户铜绞线为介质基础，通过不同的调制方式提供不同的带宽，从而 实现不同速度的网络用户接入技术。在x d s l 技术中a d s l 最适合目前我国的 网络接入，因其成本低，且能够提供合适的带宽及网速。网络的发展为网络变 压器发展提供了强有力的推动力。顺应器件发展趋势，网络变压器正在朝着小 型化、高保真、高效率的方向发展。 本文工作旨在设计出损耗和谐波失真小的小型a d s l 变压器，并对该变压 器传输特性参数进行测试分析。通过对变压器传输特性进行分析，找出相应的 影响因素，试图从变压器磁芯、匝数、线径、绕制方式等方面进行优化设计， 从而提高变压器的传输特性。通过对变压器磁芯特性的分析研究可知：具有高“、 低r 。的磁芯材料是变压器进行高速率、高保真信号传输的前提；选择磁芯失真 因子和形状失真因子小的磁芯是降低变压器谐波失真的重要方法。选择优化后 的e p x ( e p o ) 型磁芯制作的变压器比同等封装尺寸下e p 型变压器的谐波失真 要低几个d b ，或在变压器谐波失真未有太大改变的情况下缩小了变压器的封装 尺寸；另外，通过开气隙可以使磁芯中b 和h 关系更趋于线性化，降低变压器 的总谐波失真，延长信号传输距离，提高变压器的工作稳定性。 在不同工作频段内，影响变压器传输特性的参数是不同的。通过优化绕组 线径来降低绕组电阻是减小变压器中频损耗特性的重要方法；漏感和分布电容 是影响变压器高频特性的关键参数，但漏感和分布电容是一个矛盾的统一体， 需要对二者进行折衷处理。通过改变绕制方式( 采用三明治结构) 可以获得合 适的漏感和分布电容。实验中选用优良的绝缘材料，可使变压器的电气绝缘性 能得到提高。 采用优化方法设计出了符合要求的a d s l 变压器。中频带插入损耗低于 o 5 d b ，高频段插入损耗低于1 5 d b ，总谐波失真小于8 2 d b 。 关键词- a d s l ，变压器，设计，分析 电子科技大学硕士学位论文 c a p a c i t a n c ea r et h ek e yp a r a m e t e r sw h i c h i n f l u e n c et h ec h a r a c t e r so ft h et r a n s f o r m e r i nt h eh i g h f r e q u e n c yb a n d b u tt h el e a k a g ei n d u c t a n c ea n dd i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c e a r et h ee n t i t yo fc o n t r a d i c t i o n s s ow en e e dt od e a lw i t ht h e me c l e c t i c a l l y w ec a n g a i nm o d e r a t el e a k a g ei n d u c t a n c ea n dd i s t r i b u t e dc a p a c i t a n c ew h e n t h ew i n d i n g si s s a n d w i c hs t r u c t u r e f u r t h e r m o r e ，t h es t r u c t u r eo fs a n d w i c h h e l p s t os o l v et h eb a l a n c e o ft h et r a n s f o r m e r , s ot h eb i te r r o rr a t ec a l lb er e d u c e di nt h ec h a n g eo fd i f f e r e n t i a l m o d ea n dc o m m o nm o d e t h ee l e c t r i ci n s u l a t i n ga b i l i t yo ft h et r a n s f o r m e rc a nb e i m p r o v e db yu s i n g t h eg o o d i n s u l a t i n g m a t e r i a l id e s i g n e dt h eq u a l i f i e da d s lt r a n s f o r m e rb yo p t i m i z i n g t h ei n s e r t i o nl o s so f t h et r a n s f o r m e ri su n d e r0 5 d bi nm i d f r e q u e n c yb a n da n di su n d e r1 5 d bi nt h eh i g h - f r e q u e n c yb a n d t h et o t a lh a r m o n i c d i s t o r t i o ni su n d e r - 8 2 d b k e y w o r d ：a d s l ，t r a n s f o r m e r , d e s i g n ，a n a l y s i s 1 i i 电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r k s ，a l lk i n d so fa c c e s st e c h n o l o g i e so fi n t e r n e t a r ec h a n g i n gq u i c k l y x d s lh a v eb e e nc o n s i d e r e dt h eo n eo ft h et e c h n o l o g i e sw h i c h h a v et h eg o o df o r t u n ea n d f e a s i b i l i t yi nr e c e n ty e a r s x d s ls y s t e m sa r eb u i l tu p o nt h e e x i s t i n gt w i s t e d - p a i rt e l e p h o n es u b s c r i b e rl o o pp l m l t a n dc a r l p r o v i d e d i f f e r e n t b a n d w i d t hb yd i f f e r e n tm o d u l a t i o nt e c h n o l o g i e s ，s od i f f e r e n tt r a n s m i s s i o nr a t e sa r e f u l f i l l e d a d s li so n eo ft h ex d s la n di sf i tf o rt h es i t u a t i o no fo u rc o u n t r y , b e c a u s e t h ec o s to fa d s li s l o w , a n da d s lc a l l p r o v i d e m o d e r a t eb a n d w i d t ha n d t r a n s m i s s i o nr a t ef u r t h e r m o r e t h ed e v e l o p m e n to fn e t w o r k sh a sb e e nt h em o t i v e f o r c eo f d e v e l o p i n g t h en e t w o r kt r a n s f o r m e r , n l e t e n d e n c y o ft h en e t w o r k t r a n s f o r m e r d e v e l o p m e n t i sm i n i a t u r i z a t i o n ，h i g hf i d e l i t y , h i g he f f i c i e n c y i nt h i st h e s i s t h ea i mi st od e s i g nt h ea d s lt r a n s f o r m e r 、讲t l ll o wl o s sa n d h a r m o n i cd i s t o r t i o n ，a n da n a l y z et h ec h a r a c t e r i s t i co f t r a n s m i s s i o n b yt h ea n a l y s i s ， w ec a r lf m do u tt h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h et r a n s m i s s i o nc h a r a c t e r i s t i ca n d t r yt o o p t i m i z ed e s i g nt h et r a n s f o r m e rf r o mt h ef o l l o w i n gf a c t o r s ：c o r e ，c o i lt u r n s ，d i a m e t e r o ft h ew i r e ，t h ew a yo f w i n d i n g ，e t c s ot h ec h a r a c t e r i s t i cc a l lb ei m p r o v e d f r o mt h e a b o v ea n a l y s i s ，w ec o i ll e a r na b o u tt h a to nt h eo n eh a n dt h em a g n e t i cc o r ew i t hh i g h a n dl o wnbi st h ep r e m i s eo f t h et r a n s f o r m e rw h i c ht r a n s m i tt h es i g n a l sw i t h h i g h b i tr a t ea n dh i g h - f i d e l i t y ，o nt h eo t h e rh a n ds e l e c t i n gt h el o wc o r ed i s t o r t i o nf a c t o r a n ds h a p ed i s t o r t i o nf a c t o ri sa ni m p o r t a n tw a yt or e d u c et h ed i s t o r t i o no ft h e t r a n s f o r m e r t h eo p t i m i z e dt r a n s f o r m e ro fe p x ( e p 0 1h a sl e s ss e v e r a ld bi nt h d t h a nt h et r a n s f o r m e ro fe pw h e nt h e yh a v et h esa a l e p a c k a g es i z e ，i na d d i t i o n ， i n t r o d u c i n ga i rg a pi nt h em a g n e t i s mc o r e sc a nm a k e t h eba n dh r e l a t i o n s h i pt e n d t o w a r d st h el i n e a r i z a t i o n ，r e d u c et h et o t a lh a r m o n i cd i s t o r t i o n ，e x t e n dt h ed i s t a n c eo f i n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n ，a n de n h a n c et h es t a b i l i t yo f t h et r a n s f o r m e r i nd i f f e r e n tw o r k i n g 行e q u e n c yb a n d s ，t h ef a c t o r sw h i c hi n f l u e n c et h ei n s e r t i o n l o s so ft h et r a n s f o r m e ra r ed i f f e r e n t r e d u c i n gt h er e s i s t a n c eo ft h ew i n d i n g sb y o p t i m i z i n gt h e d i a m e t e ro ft h ew i n d i n gw i r ei sa n i m p o r t a n tw a yt o r e d u c et h e i n s e r t i o nl o s si nt h em i d - f r e q u e n c yb a n d t h el e a k a g ei n d u c t a n c ea n dt h ed i s t r i b u t e d i i 电子科技大学硕士学位论文 主要符号表 缩略语英文全称中文全称 a d s l a s y m m e t r i c a ld i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p 非对称数字用户环线 a n s ia m e r i c an a t i o ns t a n d a r di n s t i t u t e美国国家标准化组织 a t u ca d s l1 l a n s c e i v e ru n i tc e n t r a la d s l 局端接收单元 a t u ra d s lt r a n s c e i v e ru n i tr e m o t ea d s l 远端接收单元 b e rb i te 1 t o rr a t e比特错误率 b r ib a s i cr a t ei n t e r f a c e基本速率接口 c a t v c o m m u n i t y a n t e n n at e l e v i s i o n 有线电视 c p ec e n t r a lp r o c e s s i n ge l e m e n t中央处理单元 d s l d i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p 数字用户环路 d s l a m d i g i t a ls u b s c r i b e rl o 叩a c c e s sm u l t i p l e x e r 数字用户线接入复用器 h d s l h i g hd i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p 高速率数字用户环路 i i 。i n s e r t i o nl o s s插入损耗 i s d n i n t e g r a t e ds e r v i c e sd i g i t a ln e t w o r k 综合服务数字网 i s pi n t e r n e ts e r v ep r o v i d e r网络提供商 i t ui n t e m a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o n su n i o n国际电信同盟 p o t sp l a i no l d t e k ：p h o n es e r v i c e 普通老式电话业务 p r i p r i m a r y r a t ei n t e r f a c e基群速率接口 r a d s l r a t e a d a p t i v ed i g i t a ls u b s c r i b e rl o o p 速率自适应数字用户环路 r lr e t u r nl o s s反射损耗 s d s l s i n g l el i n e o f h d s l单线队用户环路 s m ts u r f a c em o u n t i n gt e c h n o l o g y表面组装技术 t h dt o m lh a r m o n i cd i s t o r t i o n总谐波失真 t h t t h r o u g h h o l e t e c h n o l o g y 直插式技术 v d s l v e r yh i g hd a t ar a t eo f d s l甚高速数字用户环路 i v 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 籀日美。避日期：妒譬年午月，f 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用 学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论 文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子 科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇 编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：殖b 耋。皿导师签 日期： 电子科技大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章概述 目前，在宽带技术中，发展最快的是通过铜质双绞线( 传统电话线) 实现 高速率通信的d s l 技术。它是在普通的双绞电话线上实现高速数据传输的技术。 数据传输距离通常在3 0 0 m 到6 k m 之间，数据传输速率在i 5 m p s 5 2 m p s 。传 输距离越短，传输速率越高【l 】。d s l 技术包括i s d n 、h d s l 、s d s l 、a d s l 、 v d s l 与r a d s l 等多种不同类型的接入技术，一般统称为“x d s l ”技术。这 些接入技术的基础系统架构与原理基本上是相似的，所不同的只是这几种技术 在信号传输速率与距离、具体实现方式及上、下行速率的对称性等方面有所区 别而已。其中四种d s l 的标准很相似，分别为i s d n 、h d s l 、a d s l 、v d s l 2 1 。 网络系统在迅速发展，网络传输速率及带宽都在不断刷新，在d s l 家族中，从 最早出现的高比特率d s l ( h d s l ) 到最新出现的甚高速d s l ( v d s l ) 网络系 统，目前在我国最受欢迎的是a d s l 系统。因为a d s l 可以为大多数消费者在 数据上行和下行的两个方向上提供合适的带宽、提供永久在线业务，是拨号 m o d e m 技术简单而又合适的替代技术1 3 j 。就目前而言，v d s l 是d s l 家族的最 新成员，且被认为是a d s l 的终极目标1 4 j ，但v d s l 信号传输距离短，造价高， 且还没有被标准化，不适合当前我国国情。而a d s l 系统是基于现有电话双绞 线的网络系统，不需要铺设专有线路，这样有助于最大限度地有效利用现存的 铜线网络f 5 l ，所以在过去的几年里a d s l 得到了迅猛的发展。 随着i n t e m e t 的迅速发展，网络服务已不是单一的数据传输，生动的视频、 图形等服务越来越多的进入网民的视野，因此带动了i n t e r n e t 上的商业应用和多 媒体等服务迅猛发展。如果要快乐地享受t n t e m e t 上的各项服务，用户就必须以 某种方式接入优质网络。原有的m o d e m 网络技术信号传输速率低、带宽窄，传 输大流量信息时会出现传输不连续的情况，为了解决这种情况，网络供应商一 直都在致力于提高网络质量。实现用户接入网的数字化、宽带化，提高用户的 上网速度是网络发展的目标，v d s l 和c a b l em o d e m 技术正是顺应了这种发展 趋势，将成为今后网络发展的必然方向。v d s l 、c a b l em o d e m 是基于光纤网络 的接入技术，但由于光纤用户网的成本过高，我国今后很多年内用户网仍将继 电子科技大学硕士学位论文 续以使用现有铜线环路为基础，于是近年来人们提出了多项过渡性的宽带接入 网技术【6 】，包括i s d n 、c a b l em o d e m 、a d s l 等，其中a d s l 是目前最具前景 和竞争力的一种。 a d s l 被设计成向下行( 下行，即从中心局到用户侧) 带宽比上行( 上行， 即从用户侧到中心局) 带宽宽的传输系统，因此最适合于i n t e m e t 接入。其下行 速率从1 5 m b p s 到8 m b p s ，而上行速率则从1 6 k b p s 到6 4 0 k b p s 。实际线路速率 要受到a d s l 编码规则、物理线缆的长度、尺寸和外界干扰等因素的影响【7 。在 一对铜双绞线上的信号传送距离可达5 k m 左右( 理论值) 。 随着网络通讯技术日益成熟，人们对网速和传输品质的要求也在不断提高， 优质传输品质与优质网络设备是分不开的，这就要求有高品质的网络器件与之 相适应。电子变压器是a d s l 网络系统中的磁性模块之一，它在电路系统中所 起的作用是：( 1 ) 隔离、( 2 ) 阻抗匹配、( 3 ) 波形修复和调节雄1 等。为了适应电 子元器件不断向高速化( 如g i g a b i t ) 、集成化、小型化方向发展，a d s l 变压 器也在不断的更新换代，如：变压器磁芯由原来的体积较大的e p l 3 型逐渐过渡 到现在体积较小的e p x 7 型；封装形式由原来的直插( t h t ) 式过渡到表面组装 ( s m t ) 式。采用最新e p x 型磁芯的网络变压器可以保证变压器具有相同谐波 失真的情况下缩小器件体积，提高安装密度，或者在器件体积相同条件下降低 谐波失真，从而降低信号在模数转换时的比特错误率( b e r ) ，使信号的传输距 离有可能得以增大。另外，采用表面组装技术使线路中的寄生电感和分布电容 大大减小，因而可以获得更好的频率响应特性和更强的抗干扰能力。这些都有 助于降低电子产品的总成本，从而可以取得良好的综合经济效益【9 】。变压器材料 的选取对提高器件的整体性能尤为重要。a d s l 变压器磁芯材质一般都要求频率 响应宽、导磁率高、低磁滞系数的m n z n 铁氧体软磁材料，以满足网络系统的 传输带宽、插入损耗、反射损耗和总谐波失真等方面的要求，其中插入损耗和 谐波失真是变压器设计的关键问题i l 。总之，优质变压器应具有高效率、低损 耗、低失真、响应速度快，传输品质高等特性。 1 2 国内外研究动态 1 2 1 网络通讯发展动态 1 9 6 9 年美国国防部高级研究项目部把分别位于斯坦福研究所、加州大学洛 电子科技大学硕士学位论文 杉矶分校、u c s a n t a b a r b a r a 以及犹他州大学四个地方的计算机连接在了一起， 开创了互联网时代【l ”。如今，网络的蓬勃发展为信息全球化、资源共享、商业 服务等提供了便捷的平台。 早期的i n t e m e t 利用模拟m o d e m 应用技术，主要是基于文本方式，但是随 着i n t e m e t 应用的快速增长以及图形的广泛应用，模拟m o d e m 已经不能满足需 要。1 9 8 4 年，1 1 u 提出综合业务数字网i s d n 【l ”，i s d n 的出现在一定程度上消 除了模拟m o d e m 的速度限制，它可以提供最大可达1 5 m b i t s 的基群速率接口 ( p r i ) 。大多数电话公司通常提供的是基本速率接口( b r i ) ，b r i 可以提供的 最大速率是1 2 8 k b i t s ，这个速率比传统的模拟速率要快得多。尽管i s d n 技术 在欧洲和日本已经获得了较高的使用率，但由于i s d n 的接入需要昂贵的费用， 回收投资的时间太长，从而导致这项技术没能广泛应用 3 】。 随着i n t e m e t 的发展壮大，a d s l 作为高速铜线接入技术而受到i s p 和电信 公司的青睐。早在2 0 世纪8 0 年代中期b e l l c o r e 提出了a d s l l l ”，并于1 9 9 0 年 开始在s t a n f o r d 大学j o h nm c i o m 课题组和a t & tb e l ll a b 同时展开研究。人 们认为a d s l 是向用户提供宽带服务的工具 1 ，当时研制的目的是为了响应电 缆行业支持视频点播的要求。最早提供的服务开始出现在1 9 9 6 年后期，可用性 有限的a d s l 部署始于1 9 9 8 年，但由于视频点播业务没能广泛开展，且传统的 a d s l 的速率很低，不能满足实时视频的带宽要求，所以最终导致了这项技术一 时的流产。a d s l 虽然没能在视频业务市场取得发展，却意外地成为i n t e r n e t 及 公司网络市场的新宠。在电话网络因数据业务而变得超载之后，被遗忘了将近 l o 年的a d s l 技术又重新引起电话公司的兴趣。但这次的主要应用是数据业务， 而不是视频业务。大规模a d s l 部署始于1 9 9 9 年。a d s l 成为各运营公司和i s p 解决接入瓶颈问题的首选方案。如今a d s l 已经被越来越多的客户选择。a d s l 接入方式如图1 1 所示州。 a d s l 技术在1 9 9 7 1 9 9 8 年间得到了迅速发展。从1 9 9 7 年下半年a d s l 业 务首先出现在企业用户市场，这是因为企业用户的数据业务量较大，对高速接 入的需求更为迫切。1 9 9 8 年1 月，在c o m n e t 9 8 年会上，来自计算机、电信和 组网行业的一些大公司宣布成立一个新的集团，称为能用a d s l 工作组，目的 是推动x d s l 技术走向大规模应用。1 9 9 9 年，美国有9 0 0 万人居家办公，1 4 0 万家分公司和1 1 4 万家企业使用i n t e m e t ，对远程接入的需求很大。因此，a d s l 为i n t e r n e t 和企业网提供快速接入具有十分广阔的市场前景。许多业务提供者在 电子科技大学硕士学位论文 积极向企业用户提供a d s l 业务的同时，也将注意力放在大众用户市场。因为 在1 9 9 9 年时，超过2 0 的美国家庭与i n t e m e t 连接，使用的频率与上网的时间 都增加了，将近6 0 的家庭用户每天至少与i n t e m e t 连接一次。随着i n t e m e t 以 及相关多媒体应用的飞速增长，这个市场的潜力正在变得十分惊人1 6 1 。 图1 1a d s l 技术接入方式示意图 据p o i n t t o p i c 调查，到2 0 0 0 年底，全球a d s l 用户总数达6 4 5 8 万，2 0 0 1 年第二季度，亚太地区的用户数首次超过北美，成为世界上最大的市场。韩国 运营商在d s l 市场营销方面取得了最大的d s l 市场，用户数超过5 0 0 万，且 d s l 普及率居全球之首。日本在2 0 0 1 年才开始提供大众化的d s l 业务，但一 年其间d s l 市场就增长了1 0 0 倍，用户超过1 5 0 万。在北美用户数达到了5 5 0 万户，西欧达到了4 2 4 万户。中国台湾及香港的d s l 用户普及率已经达到世界 前列，中国大陆d s l 用户普及率相对较低。到2 0 0 1 年底全球用户数达到1 8 8 4 6 万。 2 0 0 3 年我国的d s l 市场取得了突飞猛进的发展，成为继日本、美国之后的 第三大d s l 市场。到2 0 0 3 年底，中国的d s l 用户数超过8 0 0 万，与2 0 0 2 年底 相比，增长率高达2 7 0 ，其增长速度之快在全世界范围内无人能及。截止到2 0 0 4 年5 月底，我国有宽带接入用户1 6 5 0 万，其中d s l 用户突破1 3 0 0 万，已经超 过日本、美国、韩国等国家，世界排名第。到2 0 0 4 年底，中国的d s l 用户数 已突破2 0 0 0 万，其中a d s l 用户占9 8 以上，a d s l 在宽带接入市场中所占比 例将接近8 0 。但每1 0 0 个电话用户安装d s l 的比例还排不到世界前1 0 名，这 预示着我国a d s l 将有很大的发展空间。就我国各地域的d s l 发展情况来看， 电子科技大学硕士学位论文 由于我国幅员辽阔、地区之间、城乡之间的经济发展水平、i n t e r n e t 普及率、人 们的生活习惯、消费观念、消费能力等各方面都存在较大的差异，导致不同地 区的a d s l 业务发展很不均衡。如图1 2 所示【1 7 】。 图1 22 0 0 3 年中国各个地区的a d s l 市场份额图 由图1 2 可以看出，我国东南部a d s l 网络占全国a d s l 网络的5 3 ，而 中西部的占有率较低，尤其是西部。总的说来，从我国2 亿多的电话用户和不 足1 的宽带普及率来看，在未来相当长的时间内，中国的宽带用户尤其是d s l 用户规模仍然会高速增长，而且发展空间很大。对于国内外市场调查的结果显 示：a d s l 在未来十几年内甚至几十年内将会长期存在【7 】。 对于某些中小企业用户和s o h o 应用来说，a d s l 的频宽和流量已经不能 满足他们的需要，这就需要更高速率的网络业务与之相适应。v d s l 被认为是 a d s l 的终极目标，它是一项新型的技术，主要计划在面向用户的下行方向上以 高达5 2 m b i t s 的速率进行数据传输，但这是以传输距离变短为代价的。v d s l 的网络接入方式如图1 3 所示。 图1 - 3v d s l 技术接入方式示意图 电子科技大学硕士学位论文 v d s l 的概念是1 9 9 4 年提出的，当时叫v a d s l 。后来a n s i 的t 1 e 1 4 工 作组将其更名为v d s l i lj 。与a d s l 相比，v d s l 具有自身的优势：它不仅可以 提供非对称业务，而且可以提供对称业务，这就为那些需要网络上下行数率都 很高的用户来说是一个不错的选择，但v d s l 是d s l 家族中最为复杂的技术。 v d s l 的传输距离与传输速率基本上成反比，随着传输距离的增加，传输速 率在不断下降。由于v d s l 的传输速率极高，而传输距离相对较近，因此v d s l 通常应用于光纤传输的最后l k m 距离以内。从成本、性能、竞争力和未来适应 性等方面来看，v d s l 不仅优于其它d s l 技术，而且v d s l 能够成为光纤到家 庭的具有高性价比的解决方案【l8 1 。v d s l 的应用不是对a d s l 等其他宽带接入 技术的替代而是补充。 v d s l 技术现在已经成为国内外各大电信厂商关注的焦点。国际上各v d s l 制造厂商及电信运营商已组成了v d s l 技术联盟，致力于v d s l 标准的统一。 v d s l 在我国大陆正处于试验阶段，不少地方电信运营商如广东、北京、上海、 湖南、浙江、四川和重庆等地电信公司都已经进行了v d s l 的测试工作，有些 地方已开通了v d s l 试验系统，它将更好地满足人们各种各样通信业务的要求， 有效地缓解最后l k m 的瓶颈问题。 v d s l 的主要竞争对手c a b l em o d e m 是一种可以通过有线电视网络实现高 速数据接入设备。在1 9 9 5 年底以前，大部分公司的c a b l em o d e m 产品处于实验 室阶段( 还不能称之为产品) ，还不成熟。大规模的产品实验是在1 9 9 6 、1 9 9 7 年 开始的。目前，c a b l em o d e m 已经形成成熟的技术和产品。c a b l em o d e m 按入 技术在全球尤其是北美的发展势头很猛，每年用户数以超过1 0 0 的速度增长。 而在中国，已有广东、深圳、南京、上海等省市开通了c a b l em o d e m 接入。而 如今c a b l em o d e m 的费用较高，且还没有统一标准出台，所以未来几年内我国 的技术策略仍将是以a d s l 为主，以其它接入方式为辅的网络接入方式。 i n t e r n e t 的发展与相关设备的发展息息相关。网络变压器是各种计算机网络 设备、通信产品必备关键零组件，主要运用于个人计算机、调制解调器、数据 采集卡等产品。目前，网络通讯变压器的技术日趋成熟，近几年，随着通讯网 络的发展以及人们对通讯品质的要求在不断提高，这就需要有更高品质的网络 变压器与之匹配。网络、通讯行业成为高导铁氧体材料的宽带变压器新的应用 领域。 电子科技大学硕士学位论文 1 2 2a d s l 变压器及其材料发展动态 变压器的发明至今已有一百余年的历史了，并随着电子技术的飞速发展而 发展，同时也伴随着一系列的产品更新换代。6 0 年代，c 型、环型卷绕式铁芯 变压器诞生，并很快在各种电子整机上得到广泛应用。但c 型变压器噪声大， 铁芯加工工艺较复杂，质量一致性差。9 0 年代，r 型圆形截面铁芯的研制成功 从极大地解决了当时变压器技术面临的问题。r 型变压器具有漏磁极小、损耗小、 温升低、噪声极小、结构简单、安全可靠等优点，因此在各个领域有多种用途， 逐步取代传统的e 型、c 型和环形变压器，被称为9 0 年代变压器的新革命【1 9 】。 近几年出现的e p 型、r m 型、e p x e p o 型磁芯都很适合于制作网络宽带变压器。 网络通讯用变压器属于脉冲变压器，随着通讯技术的飞速发展，变压器的 类型也日益增多，目前变压器在通讯领域主要有4 大类： 1 双绞线领域：x d s l 、i s d n 等系统中调制解调器的隔离变压器： 2 同轴电缆线领域：同轴电缆调制解调器、c a t v 机顶盒等类型的变压器； 3 无线领域：便携式电话，如c d m a 、g s m 等蓝牙技术、超宽频技术等类 型的变压器； 4 光纤领域：传统的通信主干网络、光纤到户、高频电流的电源网络等类 型的变压器。 随着消费类电子产品的需求日趋平稳，传统电子变压器的生产发展速度放 慢，但由于音频和视频、办公自动化和通信等高频电子产品使用的普及和需求 增长，高频电子变压器的需求量不断增长。网络、通讯行业发展欣欣向荣，引 发了对宽带线性变压器的大量需求。目前我国通讯产业迅速成长，新架设电话 线所需的电子变压器，保守估计每年需求值达数百万美元以上。另外，在局用 电子交换机的架设方面，电子变压器的需求将更为可观。目前，全球电子变压 器在通讯产业方面的商机，估计达数千万美元以上。 国外a d s l 变压器开发生产的基本上是高端产品。美国p u l s e 公司、德国 e p c o s 公司、荷兰p h i l i p s 公司、日本t d k 公司生产的网络变压器都代表了 世界网络变压器的先进水平。而我国大陆a d s l 变压器基本上停留在中低端产 品，但在a d s l 终端设备方面的技术水平则较高，中兴、华为、大唐等知名公 司推出的a d s l 终端设备，基本上占据了a d s l 市场。在我国台湾a d s l 技术 电子科技大学硕士学位论文 发展水平也相对较高，2 0 0 4 年联华电子与诚致科技联合推出了亚洲第一的a d s l 纯桥终端解决方案，与传统的a d s lc p e 设备相比，节约了四分之三的空间， 成本下降了大约2 美元左右。售价约1 0 0 2 0 0 元左右，这个解决方案无疑对a d s l c p e 制造商极具吸引力的。近年来由于d s l 技术的进步，带动了我国宽带变压 器生产向高端方向发展。a d s l 宽带变压器在网络系统中的电路图如图l - 4 所示。 p g t n 唯雏罾圄 t 碱 堰健蛩昏 n 出 埒m b 衅 斟巨j i 啪l 旧 。 c 如拄a lo 匝 d o d 曲1 图1 4a d s l 模拟接口 在x d s l 和i s d n 等现代的电信应用中，网络变压器扮演着重要的角色。这 些变压嚣在网络与电话或者计算机之阈提供阻抗匹配和电气安全隔离的作用。 由于受模块小型化需求的推动，变压器制造商在满足芯片供应商的要求，或者 诸如国际电信联盟相关标准i t u t 以及国家标准等前提下设计出更小尺寸的变 压器。 在x d s l 变压器设计中通常选用e p 型磁芯，这是因为e p 型磁芯底部平整， 易于安装：具有封闭结构，能起到良好的磁屏蔽作用；磁芯形状因子小，是低 谐波失真的保证。目前，在a d s l 中以e p l 3 最为常用，不过，e p l 3 仍然具有 磁芯截面积偏小、磁芯体积偏大的缺点。e p x 型磁芯在更小磁芯体积下，达到 了同样低t h d 特性并且增加了磁芯中柱的横截面积。新开发的e p x 磁芯、s m d 型骨架以及夹具，满足了宽带脉冲变压器小型化的需求。为了达到高密度组装 的目的，a d s l 传输设备d s l a m 要求在一个接口板上具有多个通道，此时采用 e p x 7 和e p x 9 替代e p l 3 是非常不错的选择。它们的高度同e p l 3 一样，而底座 面积同e p 7 相同，因此每一块单板可以增加3 0 的线路通道，从而大大降低了 成本。比e p x 7 稍长点的e p x 9 有更大的绕线空间，安规上也完全能够达到同 e p l 3 一样的要求，同时，磁芯的宽度仍然同e p x 7 相当。e p x l 0 的外部尺寸同 e p l 0 相同，但是由于中柱的截面积更大，因此，大大改善了器件的t h d 性能1 2 。 人们通过改进变压器磁芯形状实现了在规定的失真度下使变压器更加小型化， 电子科技大学硕士学位论文 最新的e p x e p o 型铁氧体磁芯正是科技工作者努力的结果。变压器封装形式可 分为t h t 式和s m t 式。s m t 式封装形式适应了表面组装技术的发展方向。相 比于t h t 式，s m t 式器件封装高度有所降低。在表面安装化的同时，脉冲变压 器也在向高性能化方向发展。 变压器是网络设备的重要元器件，系统对电子变压器质量有很高的指标要 求。高频、低损耗、频率响应好、电气性能好、噪音抑制和抗干扰能力强、小 型轻量、高效安全、表面安装、高可靠和低价位的电子变压器很受客户的青睐。 电信设备和网络应用将为脉冲变压器带来新的需求，a d s l 和h d s l 脉冲变压器 将成为脉冲变压器的主要发展方向之一。 a d s l 网络通讯用变压器属于低功率线性变压器。主要用在低功率、小信号 的电路中，对其要求是转换效率高、失真度低、体积小。为了达到这些要求， 变压器磁芯通常采用高磁导率m n z n 铁氧体软磁材料，要求材料磁导率高 ( 7 0 0 0 1 5 0 0 0 ) ，并具有较高的o 值。2 0 世纪6 0 年代德国人便己研制出1 0 0 0 0 以上磁导率的软磁铁氧体材料。1 9 9 4 年日本t d k 公司开发了h 5 c 3 材料，初始 磁导率i = 1 5 0 0 0 ，1 9 9 6 年又报道试制出p i = 2 3 0 0 0 的超高磁导率材料。与此同 时，国外其他著名的铁氧体生产厂商也相应地开发或生产了i = 1 2 0 0 0 1 8 0 0 0 的特高磁导率软磁铁氧体材料，如荷兰飞利浦公司的3 e 7 ，德国西门子公司t 4 6 ， 日本东北金属公司( t o k i n ) 的1 8 0 0 0 h 等。不同材料适用于不同的d s l 变压器， 如e p c o s 公司的t 5 7 材料具有更低的磁滞损耗一温度特性，t 5 7 材料适合于 s h d s l 变压器，而t 6 6 材料更适合于制作a d s l 变压器。对于宽带变压器和抑 制噪声的共模型电源滤波器来说，要求使用高磁导率且有良好高频特性的材料， 即要求磁导率在高频时下降缓慢。国外此类材料有日本t d k 公司的h s f 2 和德 国西门子公司的t 3 7 材料等，国内相似材料有j h 7 a 等。 近两年人们在改进材料i 频率特性( 肛i f ) 和阻抗特性( z f ) 以及降低比损耗系 数( t 9 6 g j ) 方面做了大量工作，在新的产品目录中，给出了更优良的特性曲线。 如e p c o s 公司新款t 6 6 材料与之前的t 3 8 材料相比材料传输特性有了明显提 高。其性能比较如图1 5 所示【2 “。 该公司的t 5 6 ( a i = 2 0 0 0 0 ) 材料和2 0 0 2 年2 月p h i l i p s 公司公布的3 e 9 ( t = 2 0 0 0 0 ) 材料给入以耳目一新的感觉。我国横店集团东磁有限公司生产的部分磁芯 ( 如d m r 4 k d c ) 材料已经接近国际先进水平。目前高肛、超高肛材料己不再是 过去追求的尽量提高憎，而是全面要求其宽频、宽温、低失真、高风、高稳定 电子科技大学硕士学位论文 性能【2 2 。 图1 - 52 5 ，e p l 3 型磁芯传输速率对比 为满足器件更小体积、更低功耗和更低成本的需求，在制造磁