(以下的圖文內容皆取材自 Belden 的技術文章)
纜線是由金屬與塑膠做成的. 因此 , 金屬與塑膠材料的選擇 ,
對線的特性表現影響很大. 這些影響表現在線的諸多特性上, 如電容、阻抗、電感與集膚效應等.
導體 (conductor)
金屬材料的比較, 可以用下表中的電阻特性當參考. 當最好的導體 - 銀 , 變的很貴時,
銅是應用的最普遍的金屬材料.
| Metals | Resistance | |
| Circular mil-ohms per foot at 20ºC | ||
| Silver | 9.9 | |
| Copper | 10.4 | |
| Gold | 14.7 | |
| Aluminum | 17 | |
| Nickel | 47 | |
| Steel | 74 | |
銅的一個好處是它被冶煉的能力 . 當銅從大大的銅棒變成細細導線時 , 往往變的易脆、受損. 只要把它放進華氏
700 度的鍊爐裡 , 就又是好漢一條能屈能伸了 .
金, 最常被見到運用在連接器上, 因為不會氧化. 鋁, 則常見在低成本的電線結構上, 如 CATV / broadband 的隔離網, 以及低價消費性音響製品的連接線上.
Wire Gage
衡量線的尺寸, 通常以「gage」來表示, 常見的 「AWG」- American Wire Gage,
就是通用的線尺寸單位. 下表呈現 AWG 大小的相關敘述 :
| 40 AWG | smaller than a hair | |
| 30 AWG | sewing thread | |
| 20 AWG | diameter of a pin | |
| 10 AWG | knitting needle | |
| 1 AWG | pencil | |
| 1/0 | "1-aught" finger | |
Resistance
金屬材料的選擇、線尺寸 (gage) 大小、以及長度能決定一條線的電阻.
這些可以從廠商目錄提供的資料中查詢.
所有的線都有電阻. 電阻讓本來傳遞的信號, 部份轉變成熱能, 而讓線的兩端產生壓降. 壓降可以由公式 - 歐姆定律來表示 E = I^2 R . E 是壓降 , I 是電流以 amps (安培), R 是電阻以 ohms (歐姆) 代表.
當電阻存在, 產生壓降是無可避免的時候, 選擇大一點的導體, 會有低一點的電阻, 可以降低電阻效應.
Insulation
基本的絕緣物質能防止導線短路, 與對地絕緣. 當絕緣物質影響到導線攜帶的信號時, 稱之為電介質
(dielectric). 每一種非導體, 絕緣能力不同. 塑膠與其他材料, 可以用一種數字 - 介電常數 (dielectric constant)
來呈現彼此間的品質差異.
下面是一些材料與它們的介電常數列表. 注意, 真空被當作比較的基準, 因此介電常數是 1 .
| Vacuum | = 1 |
| Air | = 1.0167 |
| TeflonTM | = 2.1 |
| Polyethylene | = 2.25 |
| Polypropylene | = 2.3 |
| PVC | = 3 to 5 |
空氣的常數很接近 "1", 因此大部分時候都把它以 1 看待. 如此優越的常數值, 讓空氣在製作線材結構時, 變成最有價值的材料. 剩下的問題很簡單 : 如何能將空氣放進線裡, 而且當線彎曲時, 要確保所有的東西都還在裡面 ?
Velocity of Propagation (VP)
傳播速度 vp 用以表示信號在導線中的速度與光速的比值. 光速在真空中的速度, 當作比較標準,
用來衡量其他的信號速度. 之所以有這個特性衡量, 是因為導線中的信號帶有電磁場, 電磁場又會在塑膠或其他介電物質中旅行.
VP 是介電常數的表兄弟, 之間的關係可以用下面的公式表示 :
VP 大概是線材目錄中最常見的參數了. 藉由 VP 比較, 可以看出哪一種線可以在高頻有比較好的性能表現. 較快的速度, 代表較少的高頻損失, 可以有較平坦的全區頻率響應.
下面是與介電常數 (DC) 一樣的列表, 可以看出它們的速度 :
| Vacuum = 100% (by definition) |
| Air = 99.18% (100%) |
| Teflon = 70% |
| Polyethylene = 66% |
| Polypropylene = 66% |
| PVC = 45 to 60% |
Capacitance
電容器是留住電流的裝置, 由兩片金屬板與之間的絕緣體構成. 好了, 這看起來是不是和 "電纜 (cable)"
一模一樣 ? 兩個金屬片 (導體) 和之間的絕緣體 (介電質) . 下圖顯示絞線對與 coax 中, 分別與電容相關的特定部份.
當電容的確存在纜線中, 可是卻很小時, 通常是因為這些線太小. 纜線的電容大多數時候幾乎都是以 picofarads-per-foot. (pF/ft.) 為計量單位.
1 picofarad 等於百萬兆分之一 ( trillionth ) 的 farad , 是電容 (值) 的單位. 所以啦 , 我們為什麼要對那麼小的影響感到興趣 ? 因為你不會只用一英呎 (foot) 的電纜. 大多時候 , 我們看到數十、數百、甚至數千呎的應用. 這些電容效應會相加, 一千呎電纜的電容將是一呎的一千倍, 然後你就會感受的到 "電容" 的嚴重性了!
真正的問題是, 電容隨著電纜裡信號的頻率而變動 . 頻率越高, 電容像充電器一樣儲存信號越多. 這種對頻率的 "反應" , 產生了 "電容抗" (capacitive reactance). 跟電阻一樣, 電容抗 (capacitive reactance) 以 ohms 為計量單位, 不同的是, 電阻不會隨頻率起舞. 因為隨頻率變動 , 電容理應為電纜的頻率響應曲線 (Frequency response curve) 負責.
Inductance
電氣信號進入導線時 , 同時也產生了電磁場, 這個效應叫做 "電感" (inductance) . 然而 ,
大多數情況下 , 纜線的電感 (值) 很小 , 以至於幾乎不曾在目錄中出現過 . 電感隨著頻率在線裡變動的效應 , 稱之為感抗 (inductive
reactance) , 或稱電感抗 .
因為電感很小, 大部分纜線中的感抗也很小 . 感抗和容抗的效應相反 , 因此會彼此抵銷 . 但是電容和容抗遠大於電感與感抗 , 所以通常每一條 cable 都只留下電容和容抗的存在 . 這就是為什麼從類比音頻電纜 (低頻區 ) 到高速 UTP (無隔離絞線對) (高頻區) , 電容始終是一項重要數據 , 而電感幾乎都被忽略掉的原因了.
Impedance
所有在纜線裡發生的效應 , 阻抗 (impedance) 是最難被理解的規格特性 . 這是因為當一個頻率 ,
或頻寬帶 (frequency band) 被應用在纜線裡時 , 阻抗是電阻、電容、電感的綜合效應 . 既然它代表著 , 由這三個因素綜合起來的 "反電流方向"
的力量" , 所以阻抗也是以 ohms 為計量單位 .
不只如此 , 阻抗也是用來衡量纜線尺寸大小關係的一項數據 . 事實上 , 只要你能提供任一纜線的三項數據 , 用一個簡單的數學公式 , 就可以告訴你這條纜線的阻抗是多少. 下圖告訴你那三個數據在哪裡 .
左邊絞線對的例子 , 只要告訴我 (1) 導體的尺寸 , 假設兩導體尺寸一樣 , (2) 兩導體之間的距離 ,
(3) 在其間絕緣材料的介電常數 .
右邊的同軸案例 , 同樣的 , 只要告訴我 (1) 中心導體的尺寸 , (2) 導體到隔離屏蔽的距離 , 以及
(3) 在其間絕緣材料的介電常數 .
聰明的你 , 是不是已經看出來電阻、電容、電感三要素 , 都被結合在一 起了 . 導體尺寸明顯代表電阻 (Gage size 決定電阻) . 導體尺寸同時也告訴你電感 . 兩導體間距離 (或者中心與隔離網的距離) 和介電常數就是電容了.
從最簡單的絞線對 , 到最複雜的同軸電纜 , 每一種纜線都有阻抗 . 只要它有兩個導體 ("cable" 的基本定義) , 就有阻抗存在. 就如容抗與感抗一樣 , 阻抗也會隨著頻率變化而變動 , 只有一點不同. 阻抗會一直變動, 直到一個特定頻率 , 會有一個 "特性阻抗" (characteristic impedance) 出現 . 這可能發生在例如 10M Hz 左右 , 從那一點起 , 這條線就好像有一個單一阻抗值了.
下圖 show 出三個以電容、電感為基礎計算阻抗的公式 .
左邊第一個公式 , 以電阻為最主要的參數 . 你可以注意到它從一開始很高的阻值 (10,000 ohms
at the 10 Hz), 隨著頻率上升一路下滑 . 右邊的公式裡 ,電阻已不發生作用了, 而由電容、電感取而代之 . 只要它們維持不變 , 後面所有的頻段
, 這條線的阻抗也都維持一定不變 . 中間第三個公式 , 是左右兩者之間的過渡公式 .
你可以看到 , 在低頻的時候 , 沒有所謂的 "特性阻抗" , 阻抗始終一直在變動 . 這就是為什麼例如要做出一條 "8 ohm" 的喇叭線 , 將是不可能的任務 . 因為在類比音頻 (20 ~ 20k Hz ) 的頻率曲線上 , 只有一個特定的頻率 , 阻抗是 8 ohm . 其他低於或高於這個特定頻率的所有頻率 , 阻抗都是不同的 .
為了避免你說這些都是科學的理論說法 , 下圖 show 出兩條 cable 的實測阻抗值 .
這兩條 cable 唯一差異只在於尺寸大小不同 . 既是電阻性差異 (gage 決定電阻) ,
兩線的軌跡並不一樣 . 可是當它們越趨近於特性阻抗時 , 兩條線越來越靠近 , 幾乎要碰在一起 . 如果它們有相同的電容、電感值 , 最終兩線會有一樣的阻抗值
.
OK , 什麼是阻抗 , 為什麼它這麼重要 ? 要想瞭解它的重要性 , 我們還必須瞭解另一個重要的規格特性 -
波長 .
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