汽车数据线缆探讨之特性抗阻篇

随着汽车ADAS的发展，对车载数据传输速率要求越来越高，想要高速信号传输，必须要更精准的特性阻抗。所以，汽车数据线缆公司对于特性阻抗的严格管控至关重要！今天我们就来探讨一下汽车数据线缆特性阻抗的话题。

什么是特性阻抗

汽车数据线缆第一指标要求就是特性阻抗，这个特性阻抗是什么意思呢？

在谈特性阻抗之前，我们首先要确定一个概念，信号在传输线中，是一步一步向前走的，电磁场的建立也是需要一个过程的，信号不是一下子从发射端传播到接收端。

信号每向前传播一步都会遇到特定的电容参数与电感参数，这里我们引入两个新的变量：“单位长度电容C”与“单位长度电感L”。

特性阻抗不是个基础概念，而是应用于传输线的概念。在高速应用场景，信号传输线已经不能看作理想导线，不能忽略传输线上的一些寄生参数，如寄生电阻、寄生电容、寄生电感。特性阻抗就是一个综合传输线场景下这些参数的合成参数。

单位长度的传输线可以等效为以下模型（如图1所示）：

图1  传输线等效模型

信号每走一步都会遇到C和L，此时的特性阻抗定义为（如图2a所示），理论上精确的特性阻抗是一个与频率相关的量。而在实际应用中，传输线的电阻部分，即耗散能量的部分往往可以忽略不计，即上式中的R和G为0，近似为无损传输线。对于无损传输线，阻抗表达式可以表示为（如图2b所示）：

图2  特性阻抗的定义式

特性阻抗对传输线的影响

特性阻抗是汽车数据线缆非常重要的参数之一，优异的性能离不开阻抗的精确控制。而我们通常所说的阻抗控制，就是为了让传输线尽量均匀，减小反射，控制的就是特性阻抗。

由上面介绍可以知道，特性阻抗的概念是基于两个及以上的导体，因此需要有良好且完整的参考平面作为回流路径，我们要避免参考平面被割裂出现跨分割，这可能会导致阻抗不连续，出现反射（如图3所示）。

图3  信号传输路径示意图

这就好比是你在路面上骑车，路面越平，骑的就越快；如果路面有点小坑，就会很颠簸，速度就会降下来；所以对于高速信号，良好的阻抗控制至关重要（如图4所示）。

图4 阻抗不均匀示意图

如何测试特性阻抗

汽车数据线缆在研发/设计验证、生产测试、品质管理等应用场景，都需要对产品的特性阻抗进行测试，因此，一套快速、准确、标准的测试方案无疑可以极大的提升测试效率。

关于特性阻抗的测试，有以下三种方式：

1）用TDR法测阻抗

早在60年代就产生了时域反射计（TDR）技术。该技术包括产生沿传输线传播的时间阶跃电压。用示波器检测来自阻抗的反射，测量输入电压与反射电压比，从而计算不连续的阻抗（如图示5所示）。

图5 TDR测试设备以及原理图

2）用网络分析仪测输入阻抗

网络分析仪测量测试端口上的输入阻抗（如图6所示）。通常这并非电缆的特性阻抗。如果电缆的电气长度很长，输入阻抗就是电缆的特性阻抗。

图6 网络分析仪测试设备

3）用LCR表测阻抗

可用所谓“开路短路”法测量低频特性阻抗（如图7所示）。在仍可看成是集总元件的最长电缆，通常为1/10波长的电缆上测量开路和短路阻抗。两次测量结果之积的平方根即为特性阻抗。这项技术的缺点是精度低。开路和短路测量可能超出网络分析仪的合理精度。更好的方法是用网络分析仪测量开路和短路阻抗，由于使用电流电压技术而能测量很宽的阻抗范围。

图7 LCR表测试设备

常见的特性阻抗

汽车数据线缆中经常看到各种阻抗的电缆，有50Ω、75Ω、90Ω、100Ω、120Ω等，各种应用场景如下：

1）视频信号线阻抗控制为：75Ω。

2）USB信号线差分阻抗为：90Ω。

3）以太网差分信号线差分阻抗为：100Ω。

4）RS422、RS485、CAN差分信号的差分阻抗为：120Ω

这些阻抗控制数值是如何确定的？我们选择一个同轴线的50Ω特征阻抗和双绞线100Ω的差分阻抗做一下简介。

① 同轴线50Ω阻抗

同轴线选择50Ω作为高频特征阻抗匹配是基于功率容量、抗击穿电压和衰减之间的综合考虑的结果，如下图，插入损耗最小，约为77Ω。另一方面，如果绘制最大功率传输与特征阻抗的关系曲线，则最大功率约为30Ω。

图8  50Ω阻抗示意图

当最大功率传输时，特征阻抗值为30Ω，而理论上最小衰减（损耗）的特征阻抗为77.5Ω。在传输功率和最小衰减两个值之间寻找矛盾平衡点，选择传输线的阻抗值为50Ω（如图8所示）。

另一方面，当在较长的同轴电缆（如电缆或卫星电视）中要求最小损耗时，对功率传输没有过高要求时，因此在这些系统中使用了阻抗为75Ω电缆和连接器。

② 差分线100Ω阻抗

单端做匹配时是50Ω阻抗，我们已经了解，那么差分线为什么是100Ω呢？如何来理解这个事情？

如下图9中的差分线，我们单独对每根传输线并联一个Z（这里假设50Ω）的特征阻抗到地。

图9 100Ω阻抗示意图

图中其实已经比较直观的表明了：

因为：I1 = -I2

所以：事实上没有电流通过地到这两个Z，也就是说可以把他们合并成为一个整体，如上图的右边红色部分，其大小为2Z，这就是差分阻抗是100Ω的原因。

实际上，如果这两个传输线之间的间隔太近，他们之间是存在耦合的，正因为这种耦合的存在，每根线上的的阻抗并不是Z 。具体的推理过程这里就不详述了，我们假设耦合系数是k，所以实际上的阻抗值应该是：Z = 2Z（1-k）。