电器特性和制程参数关系知识介绍

 

通常，大家一提到高频高速，就会感觉很高大上，会想到哪一张张高频测试图形和那来自大洋彼岸贵重的测试设备和一套套测试治具及专业的模拟软件，但是随着产品的升级换代，对于高频高速已经尽在眼前，USB4,SFP+,HDMI2.1等等线材现在都需要考虑信号完整性和电气性能，现在产品的竞争力就是体现在产品设计成本，性能，旧有的设备和方法可能已经无法跟上线缆发展的脚步！在当今高频高速的世界里面，一个产品从设计到量产成功还有很多的过程，今天我们就一起探讨这个高频高速的电气特性和制程生产控制的参数关系！这些都是小编过往的经验分享，您可以依据分享找出最优的解决问题的方案并加以验证...
 

 

传输线基础知识（带着以下两个问题开始我们的学习交流之旅）
 

什么样的一条线才可以视为传输线？

什么样的情况下，线材的传输被视为高频传输?

 

电线电缆特性参数介绍

■参数名称：衰减，☞点击了解【你必须懂的参数之一【衰减（Attenuation）】;表示电磁波在均匀电缆上每公裡的衰减值，它由两部分组成，由於金属导体中的损耗而產生的衰减.

 

衰减-Attenuation 單位–dB

高频电子讯号在传动时由於基本材料电阻，產生讯号强度(电压)降低以外，尚有因高频引发的Impedance，导致电子讯号强度再被降低,基本电阻的衰减取决於导体材质可称直流衰减,电容电感的衰减取决於频率高低可称交流衰减，且频率越高此衰减越严重.   

定义：指输出端功率（Pout）比入射端功率（Pint）降低了多少，以dB（分贝）来表示。也可以是指输出电压（Vout）与入射电压（Vin）相比讯号损耗剩下多少，一般是用NA（网路分析仪）来量测，可由仪器直接量得，其公式如下：

 

 

衰减常数（电线电缆手册一）

表示电磁波在均匀电缆上每公裡的衰减值，它由两部分组成，

由於金属导体中的损耗而產生的衰减；

由於介质中损耗產生的衰减

αn={[RLGL-ω­2LLCL+(RL+ω2LL2)(GL2+ωL ­2C2)1/2]/2} 1/2

 在低损耗近似中，上式可近似為：

αn=(RL/Z0+GL*Z0)/2

从两个电压比值奈培数到同一比值的dB数之间存在一个简单的转换关係，如果两个电压的比值奈培数為rn，同样电压比值的dB数為rdB，由於它们等於相同的电压比，所以可以得到：

10rdB/20=ern;rdB=rn*20loge=8.68*rn

所以传输线单位长度的衰减dB/长度為：

αdB=8.68αn=4.34(RL/Z0+GL*Z0)

  注：αn表示衰减，為奈培/长度

            αdB表示衰减，為dB/长度

             RL表示导线单位长度串联电阻

             CL表示单位长度电容

             LL表示单位长度串联回路电感

             GL表示由介质引起的单位长度并联电导

 

Z0表示传输线特性阻抗，单位為Ω（传输线理论）

论上，这虽是频域中的衰减，但衰减却与频率没有内在联繫，然而事实上，在现实世界中，对於非常好的传输，由於趋肤效应的影响，单位长度串联电阻随著频率的平方根增加；由於介质损耗因数的影响，单位长度并联电导随著频率而增加，这意味著衰减也会随著频率的升高而增加，高频率正弦波的衰减要大於低频率的衰减.

单位元长度损耗由两部分组成，一部分是由导线损耗引起的衰减：αcond=4.34(RL/Z0),另一部分衰减与介质材料损耗有关：αdiel=4.34(GL*Z0)，总衰减為：αdB=αcond＋αdiel

随著频率的升高，介质引起衰减的增加速度要比导线引起衰减的增加速度快，那麼会存在某一频率，使得在这一频率之上时介质引起的衰减处於主导地位.

 

 

低衰减因素

低衰减可归於下列因素：

a.很大的中心导体直径

(d)或绝缘介电材质的直径。 

介电材质能防止高频能量经由电阻成份散逸而保存的能力.介电材质散逸

係数越低, 代表其传递高频能量之能力越高.

b.中心导体直径或覆被低阻值.

c.低介电係数.

d.低的集肤效应深度.

 

实际生产过程控制重点

 

 

 

 

◐◑ 材料衰减：有电压的情况下,分子会產生摆动,摆动会產生热量,即而把部分能量转化為热能.

◐◑ 导体衰减：导体会发热,消耗的為热能.反射衰减：遇到材料不均匀点

◐◑ 控制重点：设计关键点

☞阻抗，绝缘外径，导体外径，屏蔽状况

☞阻抗大—衰减小﹔

☞绝缘线径大—阻抗大—衰减小﹔

☞导体直径大—衰减小﹔

☞发泡度大—介电常数小—衰减小﹔

☞编织密度增加—衰减小﹔

☞编织+铝箔结构—衰减小﹔

☞铝箔厚度增加—衰减小﹔

 

◐◑ 控制重点：制造过程关键点

 

☞芯线的皮厚偏小----- 衰减增大

☞附著力不稳定及芯线外观不良粗糙-----衰减增大

☞芯线的绝缘材质-----介电常数小.衰减小.

☞导体的大小---导体偏小---衰减大

☞测试线材的长短---线长衰减大

☞测试的环境及线材的屏蔽效果(遮蔽率)----环境差---衰减大

 

不同线种的应用设计理论重点介绍【同轴线结构】

影响衰减的因素﹕阻抗﹑绝缘线径﹑导体直径﹑编织锭子数﹑每锭根数

 

■阻抗增大—衰减减小﹔
 

■绝缘线径增大—阻抗增大—衰减减小﹔

■导体直径增大—衰减减小﹔

■发泡度增加—介电常数减小—衰减减小﹔

■ 外导体变化的影响

■ 编织密度增加—衰减减小﹔

■ 编织+铝箔结构—衰减减小﹔

■铝箔厚度增加—衰减减小﹔

 

不同线种的应用设计理论重点介绍【对绞线结构】

 

影响衰减的因素﹕导体﹑绝缘介质﹑绝缘线径﹑对绞节距﹑对屏蔽松紧﹑对屏蔽厚度﹑成缆节距﹑总屏蔽﹑总屏蔽厚度﹑对内延时差.

 

■ 导体线径大—衰减小﹔导体绞合节距增大—衰减减小﹔
 

■  导体绞合质量差(起股﹑松散﹑不圆整等)—高频衰减跳动。

■ 绝缘介质﹕发泡度增大—介电常数减小—衰减减小﹔

■  绝缘线径﹕绝缘线径增大—阻抗增大—衰减减小﹔

■ 对绞节距﹕对绞节距增大—衰减减小﹔

■ 对屏蔽松紧

■ 铝箔绕包过紧—衰减增大﹔铝箔绕包紧—高频衰减无跳动﹔

■ 铝箔绕包过紧—高频衰减跳动﹔铝箔绕包松—高频衰减有跳动。

■ 铝箔绕包不平整—高频衰减跳动.

 

【衰减参数之系数的说明】

 

影响衰减的因素﹕在衰减参数的应用里面一般有两个系数比较重要，如附

 

以下为常规手动测量和软件测试的图形供参考交流！

 

小结建议

 

以上所写部分公式主要為理论知识，在实际制程中很少会根据这些公式来计算，在实际制中影响衰减的主要因素是阻抗，所以控制阻抗稳定是非常重要一个环节，这就要求在做导体时注意OD稳定、外观美观、无刮伤、凸起等会影响到阻抗的不良因素，对於芯线要求OD稳定、同心度高、表面光滑美观，绞线时要求绞距稳定、收/放线张力平衡，对於外被要求押出时不能过紧过松，所以只有做好线的每一个工段，才能保证阻抗变化不大，才能保证衰减较好 ，对于线缆研发工程师而言，不仅理论知识要掌握好，更重要的是理论结合实际来综合设计考量。