电信传输原理金属传输线理论

1、1第2章 金属传输线理论2第2章 金属传输线理论内容提要：通信传输电缆的分类及特点同轴电缆的技术特性及应用传输线常用分析方法及电参数传输线的根本特性参数均匀无损传输线的工作状态其他常用传输线及应用3本章学习重点金属通信传输电缆的分类及特点传输线的长线和短线，集总与分布参数一次参数概念以及物理意义均匀传输线的方程推导思路，其稳态解的分析均匀传输线的二次参数、 、和Zc的物理意义,在不同频率下的特性相速度和群速度概念及区别传输线对称电缆线的特性阻抗ZC匹配、失配状态96内容提要通信传输电缆的分类及特点同轴电缆的技术特性及应用传输线常用分析方法及电参数传输线的根本特性参数均匀无损传输线的工作状态其他

2、常用传输线及应用2.1 通信传输电缆的分类及特点5 2.1.1 通信传输电缆种类 通信电缆可按敷设和运行条件、传输的频谱、电缆芯线结构、绝缘结构以及护层类型等几个方面来分类。 按敷设方式和运行方式分为架空电缆、直埋电缆、管道电缆和水底电缆；按传输频谱可分为低频电缆、高频电缆；按电缆芯线结构可分为对称电缆和不对称电缆；按电缆的绝缘材料和绝缘结构可分为实心聚乙烯电缆、泡沫聚乙烯电缆、泡沫实心皮聚乙烯绝缘电缆、聚乙烯垫片绝缘电缆；按电缆护层的种类可分为塑套电缆、钢丝钢带铠装电缆、组合护套电缆。2.1.2 全色谱全塑电缆的型号及规格6一市话全塑电缆的型号及规格1、全塑电缆型号 为了区别不同电缆的结构和

3、用途，通常按电缆用途，芯线结构，导线材料，绝缘材料，护套材料以及外护层材料等的不同，分别以不同的汉语拼音字母及数字表示，称为电缆的型号。一般常用的全塑电缆型号中的排列的位置如图2-1所示。图2-1 电缆型号组成格式7电缆型号实例例2-1 广泛用于架空、管道、墙壁的典型型号为HYA 、HYFA 、HYPA 三大类。如型号的电缆的读法是400对线径为0.5mm 的铜芯线，泡沫聚烯怪绝缘涂塑铝带粘结屏蔽聚乙烯护套市话电缆。例2-2 目前在本地网中大多使用石油膏填充的全塑电缆，主要用于无需进行充气维护或对防水性能要求较高的场合。主要型号为HYAT 、HYFAT 、HYPAT 、HYAGT 以及与以上相

4、匹配的铠装电缆。如HYAGT-600*2*0.4 电缆的读法是600对线径为0.4mm 的铜芯线，实心聚烯怪绝缘涂塑铝带粘结屏蔽聚乙烯护套石油填充高频隔离市话电缆。2.1.2 全色谱全塑电缆的型号及规格8全塑市话电缆的实物图如下所示：2.1.2 全色谱全塑电缆的型号及规格图2-2全塑市话电缆的实物图9二全色谱全塑双绞通信电缆的结构 但凡电缆的芯线绝缘层、缆心包带层和护套，均采用高分子聚合物塑料制成的，就称为全塑电缆。全塑市话电缆属于宽频对称电缆，广泛用于传送语音、电报和数据等业务电信号。1. 全色谱双绞通信电缆的芯线由纯电解铜制成，一般为软铜线。其部颁标称线径有:、0.8mm 五种。此外，曾出

5、现过0.63mm 、0.65mm 、0.7mm 、0.9mm 的线径，现已逐步减少。2. 芯线的绝缘材料有高密度聚乙烯、聚丙烯、乙烯丙烯共聚物等高分子聚合物塑料(聚烯怪塑料)。芯线的绝缘形式分为:实心绝缘、泡沫绝缘、泡沫/实心皮绝缘。2.1.2 全色谱全塑电缆的型号及规格2.1.2 全色谱全塑电缆的型号及规格103. 绝缘后的芯线采用对绞形式进行扭绞，即由a 、b 两线构成一对。线组内绝缘芯线的色谱分为普通色谱和全色谱两种。普通色谱:标志线对为蓝/白，其他线对为红/白，这种电缆现在己使用不多。全色谱:由十种颜色两两组合成25 个组合(即一个根本单元U)。a 线颜色为白、红、黑、黄、紫b 线颜色

6、为蓝、橙、绿、棕、灰。在一个根本单元U 中，全色谱线对编号见表2-2所示。表2-2 全色谱线对编号与色谱2.1.3 双屏蔽数字同轴电缆一双屏蔽数字同轴电缆型号例如双屏蔽数字同轴电缆SZYV-75-X-2的型号示意图如图2-3所示。图2-3 双屏蔽数字同轴电缆型号组成图13二技术要求电缆的安装敷设温度为-5 +50 ，储存和工作温度为-30+70 。电缆安装与运行的最小弯曲半径为电缆最大外径的7.5 倍。在同轴电缆的中心部位有一铜导体，塑料层提供中心导体和网状金属屏蔽之间的绝缘。金属屏蔽帮助阻挡来自荧光灯、电机和其他计算机的任何外部干扰。尽管同轴电缆安装比较困难，但它具有很高的抗信号干扰能力，它

7、所支持的网络设备之间的电缆长度比双绞线电缆要长。2.1.3 双屏蔽数字同轴电缆14一五类4对100非屏蔽双绞电缆常用的双绞电缆分1000 和1500 两类。1000 电缆分为三类、四类、五类及六类/E级几种。1500 双绞电缆目前只有五类一种。这种电缆是美国线缆规格为24直径为 的实心裸铜导体，以氟化乙烯做绝缘材料，传输频率达100MHz。线对色谱及序号如表2-4所示。电气特性如表2-5所示。表2-4 五类4对双绞电缆线对编号及色谱2.1.4 五类双绞电缆的分类与特点2.1.4 五类双绞电缆的分类与特点17表2-5 五类4对非屏蔽双绞电缆电气特性2.1.4 五类双绞电缆的分类与特点19三五类4

8、对屏蔽双绞电缆软线它是由4 对双绞线和一根0.404mmTPG 漏电线构成，传输频率为100MHz。线对色谱及序号与五类4 对1000 非屏蔽双绞电缆相同；电气特性如表2-6 所示。表2-6 五类4对屏蔽双绞电缆软线电气特性表2.1.4 五类双绞电缆的分类与特点19五超五类双绞电缆超五类双绞电缆与普通的五类双绞电缆相比，它的近端串音、衰减和结构回波损耗等主要指标都有很大的提高。它的优点是:能够满足大多数应用的要求，并且满足低综合近端串扰的要求；有足够的性能余量，给安装和测试带来方便。在100MHz 的频率下运行时，为应用系统提供8dB近端串扰的余量，应用系统设备受到的干扰只有普通五类双绞电缆的

9、1/4 ，使应用系统具有更强的独立性和可靠性。双绞线的实物图如下所示：图2-4 双绞线实物图96内容提要通信传输电缆的分类及特点同轴电缆的技术特性及应用传输线常用分析方法及电参数传输线的根本特性参数均匀无损传输线的工作状态其他常用传输线及应用2.2 同轴电缆的技术特性及应用22同轴电缆具有良好的电磁屏蔽性能，信号传输损耗小，易匹配，波阻抗值稳定。在播送电视技术中，利用同轴电缆传输高频率的电信号，被广泛应用。同轴电缆从用途上分可分为50基带同轴电缆和75宽带同轴电缆(即网络同轴电缆和视频同轴电缆)两类。基带电缆又分细同轴电缆和粗同轴电缆。基带电缆仅仅用于数字传输，数据率可达10Mbps。2.2.

10、1 同轴电缆的结构23同轴电缆主要由两个相互隔离的同心导体芯线和屏蔽层导线构成。之所以称其为同轴电缆，就是因为电缆中的两根导体线的轴心保持重合。一中间导体内导体。用来传送信号，通常采用单芯或多芯铜线，也有采用铜包钢或铜包铝材料，以减轻自身重量或增加电缆的拉伸强度，同时也降低了本钱。二绝缘层。同轴电缆中的绝缘层有两个作用：一是对内、外导体起支撑作用；二是阻止沿径向的漏电流。因此，绝缘介质的介电常数越小，电缆的衰减量和温度系数就越小，性能就越好。24三外导体。同轴电缆中的外导体也有两个作用：一是传送射频信号和电源馈电的地线，与内导体一起构成完整的传输回路；二是防止自身的射频信号泄漏和外界的干扰射频

11、信号入侵，即起屏蔽作用。一般较细的电缆外导体是用金属丝编织的网构成，较粗的电缆外导体那么是铝管构成。另外，外导体的屏蔽能力与导体的密度和厚度成正比。四护套。同轴电缆的护套起保护作用，一般用塑料做成，用以增强电缆的抗磨损、抗机械损伤、抗化学腐蚀等能力。2.2.1 同轴电缆的结构2.2.1 同轴电缆的结构 同轴电缆实物图如图2-5所示图2-5 同轴电缆实物图2.2.1 同轴电缆的结构26 同轴电缆的物理结构如图2-6所示，d 为芯线直径，D 为屏蔽层的物理直径。同轴电缆具有足够的可柔性， 能支持254mm的弯曲半径。图2-6 同轴电缆的物理结构示意图2.2.2 同轴电缆的技术特性27一同轴电缆的特

12、性阻抗 同轴电缆的特性阻抗是其重要的技术参数。同轴电缆根据其工作频带的差异， 可分为两种根本类型，基带同轴电缆和宽带同轴电缆。目前基带同轴电缆，其屏蔽线常是用铜质网状结构，特性阻抗为50 如RG-8、RG-58 等；宽带同轴电缆常用的电缆屏蔽层通常是用铝冲压而成的，特征阻抗为75如RG-59 等。特性阻抗是指在无线电技术中，某特定信号经过双口网络时，网络两侧的阻抗特性。为了使电缆所传输的信号在整个频带内都能与负载阻抗相匹配，那么希望同轴电缆的特性阻抗为一纯阻，以满足信号的不失真传输条件。在高频情况下，通过计算，忽略同轴电缆内分布电感和分布电容的影响，其特性阻抗可近似为一纯阻，满足上面的条件，这

13、时的特性阻抗仅与其内导体的直径d和同轴电缆的直径D以及绝缘介质的相对介电常数 等参数有关，而与传输信号的频率无关。参照同轴电缆的结构图2-3，其特性阻抗理论计算公式为28二同轴电缆的屏蔽效应 同轴电缆是一种常用的屏蔽电缆，能够抑制所传输电信号的电磁泄露、屏蔽异常环境下的电磁干扰。其屏蔽效能的上下主要取决于其外芯屏蔽层的效能，与屏蔽层的材料及其网编织密度有关；也与电缆屏蔽层的接地方式、信号源阻抗和负载的匹配等因素有关。我们常见或常用的金属丝编织层是一种使用方便、质量小、本钱低的一种屏蔽层，应用非常广泛，但其屏蔽效能尚无精确计算公式，只能实测或由生产厂家提供，其屏蔽效能随网编织密度的增加而上升，随

14、传输信号频率的升高而下降。2.2.2 同轴电缆的技术特性29三同轴电缆的衰减特性 同轴电缆本身具有衰减特性，高频电磁波在同轴电缆中传输时会产生一定量的衰减或损耗。高频下同轴电缆的衰减有两种：第一种为金属损耗造成的衰减；第二种为介质损耗造成的衰减，频率超过几MHz 时应不大于总衰减的1%。电缆中所传输电磁波的电压和电流的振幅值不是一个常量，而是按指数曲线 规律变化，随传输距离x的增大而衰减的，a为同轴电缆的衰减常数，公式表述比较复杂， 它与传输信号的频率和同轴电缆的结构参数等有关，信号频率越低，衰减常数越小、传输距离越近、衰减量越小。2.2.2 同轴电缆的技术特性 ， 四同轴电缆的传输适用频率同

15、轴电缆常用来传输高频率的电信号，不适用于低频率信号传输。当同轴电缆传输信号的频率足够高时，在屏蔽层两端接地的情况下，信号的返回电流几乎全部经过屏蔽层，流入地线的很少，芯线与屏蔽层中的电流大小近乎相等，方向相反，故往返电流在屏蔽层外的漏磁场相互抵消，以抑制外部的电磁干扰，同时防止内部的电磁泄露。2.2.2 同轴电缆的技术特性31同轴电缆的应用图2-7 CATV系统结构图38内容提要通信传输电缆的分类及特点同轴电缆的技术特性及应用传输线常用分析方法及电参数传输线的根本特性参数传输线的工作状态2.3 传输线常用分析方法及电参数39传输线常用分析方法传输线的分析理论根底是基于麦克斯韦电磁场理论。从该理

16、论可以得出，不仅双导体结构的传输线能够传输信号和能量，而且单导体的金属波导及介质波导也能够传输信号和能量。因此，对于全部类型的传输线的不同之处可看成仅是电磁场的边界条件不同，相同点都遵循麦克斯韦方程。传输线常用分析方法40一个工作在低频的传输线短线，由于工作频率低，传输线的分布参数效应很弱而被忽略。这时可认为传输线上所有的电场能都全部集中在了一个电容器C中；磁场能都全部集中在了一个电感器L中；把消耗的电磁能量集中在一个电阻元件R和一个电导元件G上；除了集总电容、电感和电阻外，其余的连接导线完全可认为是既无电阻又无电感的理想连接线。我们常把这些独立存在的电阻R、电容C、电感L、电导G称为集总参数

17、元件，由它们构成的电路就称为集总参数电路如图2-8所示。传输的特性就由这些集总参数元件决定。41 图2-8 集总参数等效电路图收L R LGCRL Rc Rc 发发RL 收L 2.3.1 均匀传输线的方程42工作在高频的传输线，相当于长线状态。当信号通过“长线传输线时，会产生分布参数效应。传输线上的电压、电流不仅随时间变化而且还随传输线的长度变化有关。沿传输线上的电压、电流表达式要用偏微分方程来表示。传输线间的电阻、电感、电容以及电导不仅互不可分，而且沿线随机分布。把传输线单位长度上的电阻 、电感 、电容 、电导 ，统称为传输线的分布参数。均匀传输线的分布参数也称为一次参数。根据目前金属传输线

18、所传输的信息容量，传输线几乎处于“长线状态，多采用分布参数电路理论。分布参数电路理论的要点是：将整个传输线看成由许多尺寸极短的集总参数电路连接而成的，其中每个“小电路为集总参数电路单元并遵循基尔霍夫定律，但在同一瞬间，各个“小电路都具有不同的电压值和电流值，以此去模拟实际传输线，使其更逼近真实。图2-9给出了实际传输线的等效形式。图2-9 实际传输线的等效图有了分布参数的概念以后，我们就可以在均匀传输线上分割任意一段dzdz，每个微分段可看成集总参数电路，其参数分别为 R1 dz 、L1 dz、C1 dz、如图2-10(a)所示。将整个传输线看成由许多尺寸极短的集总参数电路连接而成的分布参数等

19、效电路，如图2-10(b)所示。图2-10 传输线的等效电路96内容提要通信传输电缆的分类及特点同轴电缆的技术特性及应用传输线常用分析方法及电参数传输线的根本特性参数均匀无损传输线的工作状态其他常用传输线及应用2.4 传输线的根本特性参数59 本节主要介绍衡量传输线通信质量优劣的重要指标。包括：特性阻抗、传输常数、反射系数与驻波比、相速度。 特性阻抗ZC 特性阻抗的定义 传输线上入射电压 与入射电流 之比，即 ：2.4.1 特性阻抗ZC 特性阻抗的定义 由式给出特性阻抗的一般公式为： ZC通常为复数，用ZC表示特性阻抗的模；C表示它的幅角，那么ZC又可表示为：61 假设以频率f为横坐标，ZC、

20、C为纵坐标来作图，可得图2-15所示的特性曲线。图2-15 特性阻抗的幅频及相频特性62特性阻抗的幅频特性和相频特性分析a 随频率的升高而降低，最大值是直流；b当频率无限升高时， 趋近于 即 c f=0时， ； 时， ；d在低频范围内f0处， 有负的最大值；e 是负值零和无穷除外，传输线的特性阻抗一般呈容性。频率超过30KHz时，近似认为电阻性。 632.4.1 特性阻抗ZC 不同频率特性阻抗ZC的计算公式 1直流情况下： 将=0代入式特性阻抗ZC计算公式：可得：纯电阻性64 2低频f30 kHz情况下：电参数特点为： ， ，那么由式近似计算ZC的模和幅角的计算公式为：65对于工作在高频的低耗

21、传输线，总有： ZC计算式近似为：当频率高于30kHz时，用(2.23)式来计算ZC，已可保证一般工程所需要的精度。 ，C0 当800Hzf30KHz时，直接利用式计算特性阻抗。662.4.2 传输常数传输常数 的物理意义能量 传输常数 是描述单位长度上入射波和反射波的衰减与相位变化的参数。传输常数 的一般公式为： 说明，和 均与信号传输相伴， 中实部 及虚部 的物理意义。 1当终端负载ZL=ZC时，传输线处于匹配工作状态，由图2-14，有： U2 =I2ZL=I2ZC672.4.2 传输常数将式代入式可得：式中的反射波为零，能量全部被负载吸收，这样的线路称为匹配线路。传输线方程式改写为：68

22、2.4.2 传输常数回路始端z=0即z=L时，按式，回路始端电压U1和电流I1为：回路始端电压U1或电流I1和终端电压U2或电流I2之比：692.4.2 传输常数将上式两边取自然对数可得：702.4.2 传输常数同理，用电流表示那么为：用功率表示：传输网络衰减物理含义传输常数这一数值综合表征了信号的电磁波沿均匀匹配线路传输时,一个单位长度回路内在幅值和相位上所发生的变化程度。 ：电磁波沿均匀线路传输一个单位长度每千米的衰减值。衰减系数Np/km ：电磁波相位在均匀线路上每千米的变化值。rad/km传输常数 的计算公式 将上式两边平方，得： 2-2+j2 =(R1G1-2L1C1)+j(R1C1

23、+L1G1)722.4.2 传输常数传输常数 的计算公式 上式两边的实数局部和虚数局部应对应相等，那么有： 2-2=R1G1-2L1C1 2=(R1C1+L1G1) 上二式联立，解得和在各种频率下从零至无穷大的完全计算公式，即732.4.2 传输常数1无损耗情况： (rad/km) 可以看出无损耗传输线上所传输的电压波或电流波为等幅波，其相移与所传信号频率有关。 传输常数 的计算公式代入式得即2.4.2 传输常数传输常数 的计算公式(2)直流情况： 代入式得即(Np/km) (rad/km) 2.4.2 传输常数传输常数 的计算公式(3)低频情况：(f30kHz) 代入式得rad/km =Np

24、/km 2.4.2 传输常数传输常数 的计算公式表2-7 二次传输参数在不同频率下的计算公式参数符号频率/Hz0080080030 00030 000完全公式0ZC782.4.2 传输常数传输常数 的计算公式图2-16 双线传输线的-f和-f的关系79二次参数典型例题例2-1 f时，同轴电缆回路上的一次参数是分布电阻R1/km，分布电感L1=0.2654mH /km，分布电导G1，分布电容C1=48nF/km，试确定回路上的二次参数。解：当频率时，特性阻抗可按表2-7计算。注意单位换算80衰减常数和相移常数计算：812.4.3 反射系数与驻波比传输线上任意点的波通常是由入射波与反射波相叠加。波

25、的反射现象是传输线上最根本的物理现象，传输线的工作状态主要决定于反射的情况，为表示传输线的反射特性，引入反射系数。“反射系数是指传输线上任意点的反射电压或反射电流与入射电压或负入射电流之比。电压或电流的反射系数U或i为： 822.4.3 反射系数与驻波比观察，得到终端的入射波电压和反入射波电压及入射波电流和反入射波电流，即那么式可以简化写为： 832.4.3 反射系数与驻波比将式代入式，可以得到传输线任意点的电压反射系数为 其中， 2为终端负载反射系数。由式可见，反射信号越小，2值越小，说明匹配程度越好。上述反射系数是复数，且不便测试。 842.4.3 反射系数与驻波比反射损耗A反射损耗A值越

26、大，说明反射波越小，阻抗匹配程度越好。电压驻波比VSWR简称驻波比假设终端负载阻抗不等于传输线特性阻抗，那么传输线上各点电压和电流均由入射波和反射波叠加形成，入射波与反射波的相互干预，造成传输线上电压和电流分布的起落。因此，引入电压驻波比描述起落程度。电压驻波比定义为：传输线上电压振幅最大值与电压振幅最小值之比。 Umax出现在入射波和反射波同相位处， Umin出现在入射波和反射波反相位处。VSWR表征失配程度或反射大小，取值1VSWR，越接近1匹配程度越好。96内容提要通信传输电缆的分类及特点同轴电缆的技术特性及应用传输线常用分析方法及电参数传输线的根本特性参数均匀无损传输线的工作状态其他常

27、用传输线及应用972.5 均匀无损传输线的工作状态我们知道传输线是一种可以引导电磁波，将能量或信息定向地从一处传输到另一处的装置。当传输线的几何长度与线上传输电磁波的最小波长比值(电长度)大于或接近1时，我们可以忽略分布参数效应，使用集总参数分析方法来分析电路。但当情况相反的时候，传输线将不仅起到连接作用，它所形成的分布参数电路将影响整个电路的工作，分布参数效应无法忽略。传输线的工作状态是指沿线电压、电流和阻抗的分布规律。传输线的工作状态有三种：行波状态，驻波状态和行驻波。它主要决定于传输线终端所接负载阻抗的大小和性质。分析这些工作状态下的特性对于微波电路的设计和分析很有意义。由于在实际的信息

28、工程领域使用的大多数属于分布参数均匀的均匀无损传输线，所以本节将对此进行系统分析，并根据分析结果使用matlab 进行仿真。98均匀无损传输线 由公式可知，无损耗传输线上所传输的电压波或电流波均为等幅波，其相移与所传信号频率有关。为了便于分析，假设某段传输线的电压与电流关系如图2-13所示：图2-13 传输线电压与电流关系图假设x为传输线上一点到终端的距离。从距终端x 处向终端看进去的输入阻抗为： 其中Z2为终端负载的阻抗。在Matlab仿真软件中得到无损条件下的传输线的输入阻抗的实数和虚数局部特性参数图像如图2-14、2-15所示。100图2-14 输入阻抗的实数局部仿真图图2-15 输入阻

29、抗的虚部局部仿真图101均匀无损传输线的工作状态行波状态无反射波1.产生条件：当终端负载与传输线特性阻抗相等即。2.行波特点：如图2-11所示，该仿真结果显示了负载匹配时无损传输线上终端处及距终端距离为0.25 处的电压和电流波形。a.沿线电压和电流的振幅不变；b.电压和电流在沿线上各点均同相，电压或电流的相位随x 增加而连续滞后；c.传输线上电压和电流既是时间t 的函数，又是空间位置x 的函数，传输线上任一点的电压和电流随时间作正弦变化；d.终端匹配的传输线上任意一处的电压、电流均可用始端电压、电流表示；e.由于沿线电压电流振幅不变且均同相，因此沿线各点的阻抗均等于传输线的特性阻抗；f.无限

30、长线与终端匹配的传输线的工作状态相同。因为，当终端电阻趋向于无穷大时，电压电流均趋向于无穷大，但实际上传输线任何一处的电压、电流均应为有限值，故必有终端负载与传输线特性阻抗相等，即电压、电流无反射波存在；g.电源发出的能量全部被负载吸收，传输效率最高；1022-16 负载匹配时无损传输线上终端处及距终端距离为0.25 处的电压和电流波仿真波形图三行驻波状态局部反射1.产生条件：终端接任意负载，即终端接小电阻、大电阻、感性复阻抗及容性复阻抗。2.特点：1，终端产生局部反射，线上形成行驻波，沿线电压电流呈非正弦周期分布，无波节点，驻波最小值不等于零，驻波最大值不等于终端入射波振幅的两倍。传输线的失配导致线路上出现电磁波的反射现象，这对于正常通信是有害的，但反射现象提供了一个最好的测量线路障碍的方法。比方，利用它可以测量故障点至测试点输入端的距离。测量过程：在发生故障的线路上输入一个脉冲电压，当到达故障点后将反射脉冲返回发送端，由于电磁波的传输速度是一定的，所以可以测出电磁波的往返时间，进而计算出测试点到故障点的距离。107例2-2 在一用户对称电缆铜线上发出一个测试脉冲，测试故障点的位置，由实测测得经过秒脉冲返回发送端，波速V=288000Km/s，试求故障点与测试点的距离。解：设故障点x与测试点