汽车数据线缆的衰减问题及测试方案

随着汽车ADAS的发展，对车载数据传输速率要求越来越高，相应而生的以太网传输速率更是达到了10Gbps以上，高速传输的时代，信号的完整性至关重要，与生命安全密切相联，今天我们就来探讨一下汽车数据直接关系信号完整的衰减参数。

1.什么是衰减

电缆衰减是指信号在传输过程中的信号强度逐渐降低的现象。

信号在整个链路中的传输，就像是一场接力赛，在电缆中传输，则是接力赛中的一棒。

信号刚进入电缆时，就如同刚刚开始跑步，活力十足。可随着里程的增加，体力大幅度下降，信号的强度自然也会同等道理的减弱。这个减弱的过程，可以统称为衰减。

若是体力消耗过大，没办法将手中的棒传递给下一个伙伴，接力赛自然是失败告终。同样的道理，若是信号衰减过大，所携带信息中道崩殂，没办法抵达输出端，那么整个链路便也没有了信息的传送。

当然，绝大多数情况不会出现中道崩殂的情况，大多数时候，信号都是因为衰减过大，导致交接过程“掉棒“等情况发生，如此，也几乎等于这场接力比赛输掉了，将难有成绩。

2.衰减的种类

衰减种类一般有以下几种：

/// 01）导体损耗

信号的本质是电磁波，而电磁波的产生来自于变化的电压或电流，在这场接力赛中，电流相当于人，电磁波则是那根“接力棒“。

在电缆中，无论是多高频的信号，终归是电流流过导体，从一端带到了另一端的。那么对于电压或电流信号来说，导体就相当于必须有的跑道。

良好导体和粗糙导体的差距如同跑道的好坏，信号的衰减成绩有着极大的影响

/// 02介质损耗

信号传输过程中，电流流淌在导体上，电磁波于介质材料中穿过，介质材料的性能直接影响了电磁波的衰减。

以跑步比赛类比，介质材料对电磁波的阻碍可以类比成跑步过程中的风阻

介质材料中，影响风阻的关键参数：介电常数。介电常数是描述材料对电场响应的重要参数，材料在外加电场作用下，会产生感应电荷而削弱电场。

电磁波穿过介质层时，介电常数越大，风阻越大，即对电磁波中电场的阻碍越大，而电场又会反作用于电压或者电流信号，进而会让信号的衰减增大。

/// 03反射损耗

反射损耗，这是一种综合性的损耗，造成这种损耗的直接原因是阻抗的均一性，信号传输的过程中，遇到了不均一的阻抗，会如同光遇到了镜子，产生类似的反射现象，原本的一束光，反射回去部分，能量自然会降低不少。

而这种损耗的根本原因在于电缆结构尺寸的一致性。

如同跑步比赛中，场地，观众，赛道，天气等等，这些综合因素对个人状态的一个影响结果

/// 04辐射损耗

理想状态中，信号全部都在电缆中向前传输自然是最好的，因为最受控。

然而实际上，信号传输过过程中，由于电磁波本身的波粒特性，必然会有部分电磁场的能量逸出电缆。

所谓辐射损耗，是指信号能量在电缆中传输时，辐射到电缆外的损耗，这种损耗一般发生在屏蔽电缆中，因为电磁波穿透屏蔽层所致，所以有时候也会被叫做泄露损耗。

如同跑步比赛中，步伐频率，呼吸节奏这些细节无时无刻都在影响你，如图5所示。所以，辐射损耗要在电缆结构设计之初就要考虑好。

 

/// 05相邻耦合损耗

相邻耦合损耗，一般是指一组信号对另一组信号的干扰，从而衰减自身能量的现象，这种情况，一般发生在拥有多组信号线的同一根电缆中。当然，屏蔽层中感应电流产生的电场干扰也算是相邻耦合损耗，不过一般来说，这种损耗影响不会太大。

如同跑步比赛中，有人摔倒了，会影响其他人继续向前

影响衰减的因素

/// 01传输信号的频率

电缆的衰减值会随着传输信号频率的升高而增大，如图7所示。这种现象主要是由两方面原因导致的：

① 导体

高频信号传输，电流流过导体时会产生趋肤效应，即电流会在导体表面走，而不走中心位置，这就导致单位长度电阻会随着频率的平方根增加，对电流的传到阻碍加大。

② 介质

高频信号传输，电磁波在介质层中传输，介质层材料的介电常数会随着频率的增加而增大，对电磁波的电场产生明显阻碍作用。

并且随着频率的升高，介质引起的衰减的速度要比导体引起的衰减的增加速度更快。这就如同跑步比赛中，你速度越快，体力消耗越大，风阻也越大，这是相同道理。

▲图7  信号幅度随频率的变化

/// 02电缆的材料  

电缆的材料是影响衰减值的一个重要因素。一般来说，铜线的传输效果比铝线好，这是因为铜具有更高的导电性能，同时，电缆的绝缘材料也会影响衰减值，如图8所示。

一般来说，绝缘材料的均一性越好，介电常数越小，电信号的衰减值就越小。

类比在跑步比赛中，这些就是好装备的作用，好的运动鞋，好的比赛场地等，地利对成绩的影响是非常关键的。

/// 03电缆的结构

电缆的结构也是影响衰减值的一个因素，同样是传输信号的电缆可以设计成不同的结构，如图9所示。

结构影响性能，这是通用性的道理。不同结构的电缆对衰减的影响是不同的。

如同跑步比赛中，节奏的重要的性，适合的，稳定的节奏是好成绩的必备因素。

图9   不同结构的电缆

/// 04电缆的长度  

电缆的长度也会影响衰减值的大小。通常情况下，电缆的长度越长，衰减值就越大。因为电信号需要在电缆中传播，传播距离越长，衰减就越明显，如图10所示。

▲图10  电缆衰减与长度的关系

衰减的测试方法

目前来说，行业内公认较为准确的测试方法是用网络分析仪进行测试，当然，在一些精度不高的工业领域，也可以用手持式设备来进行测试。

从测试角度来说，衰减以接收信号电平的对应分贝（dB）来表示。分贝是输出电压（链路末端收到的信号的电压）与输入电压（发射器送入线缆的电压）之比的对数表示。

IL=-10log(Po/Pi)

式中：

Pi—→输入到输入端口的光功率, 单位为mw；

Po—→从输出端口接收到的光功率,单位为mw。

本文以某一厂商设备为例，简单讲解一下衰减测试方法：

/// 01测试装置示意图

▲图11  测试装置示意图

/// 02在测试设备上设置起止频率，测试S参数设置为S21；

/// 03连接夹具和仪器端口；

/// 04校准S21参数；

/// 05连接被测电缆测试衰减值；

莱尼（LEONI）目前是汽车电缆行业的领军者，目前大部分的汽车线缆标准都是参考其定义的规格协议，并且是OPEN 、IEEE、 SAE等国际联盟组织成员。莱尼在2001年注册了汽车数据线缆的商标Dacar，其全称为 “Data cable for cars”，为全球各大汽车品牌首选，现广泛运用于自动驾驶，控制系统，影像雷达及音频娱乐等领域。

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审核编辑：黄飞