电线电缆特性阻抗介绍

1、么是电缆的阻抗，么时候用到它？么是电缆的阻抗，么时候用到它？ 首先要知道的是某个导体在射频频下的工作特性和低频下大相径庭。当 导体的长接近承载信号的 1/10 波长的时候，good o1 风格的电分析 法则就能在使用。这时该轮到电缆阻抗和传输线论粉墨登场。 传输线论中的一个重要的原则是源阻抗必须和负载阻抗相同，以使功 转移达到最大化，并使目的设备端的信号反射最小化。在现实中这通常意 味源阻抗和电缆阻抗相同，而且在电缆终端的接收设备的阻抗也相同。 电缆阻抗是如何定义的？电缆阻抗是如何定义的？ 电缆的特性阻抗是电缆中传送波的电场强和磁场强之比。（伏特/米） /（安培/米）=欧姆 欧姆定表明，如果在一对端子上施加电压（E），此电中测到电 （I），则可以用下等式确定阻抗的大小，这个公式总是成： Z = E / I 无论是直或者是交的情况下，这个关系都保持成。 特性阻抗一般写作 Z0（Z ）。如果电缆承载的是射频信号，并非正弦 波，Z0 还是等于电缆上的电压和导线中的电比。所以特性阻抗由下面的 公式定义： Z0 = E / I 电压和电是有电缆中的感抗和容抗共同决定的。所以特性阻抗公式可以 被写

2、成后面这个形式： 其中 R=该导体材质（在直情况下）一个单位长的电阻，欧姆 G=单位长的旁电导系数（绝缘层的导电系数），欧姆 j=只是个符号，指明本项有一个+90的相位角（虚数） =3.1416 L=单位长电缆的电感 c=单位长电缆的电容 注：线圈的感抗等于 XL=2fL，电容的容抗等于 XC=1/2fL。从公式看出，特性阻抗正比于电缆的感抗和容抗的平方 根。 对于电缆一般所使用的绝缘材来说，和 2fc 相比，G 微足道可以忽 。在低频情况，和 R 相比 2fL 微足道可以忽，所以在低频时，可 以使用下面的等式： 注：原文这是 Zo = sqrt ( R / (j * 2 * pi * f * L) 应该是有个笔误。阻抗应该是反比于感抗.实际上低频时应该是电阻和容 抗占主导地位。 如果电容跟随频变化，则 Z0 和频的平方根成反比关系，在接近直 的状态下有一个-45的相位角，当频增加相位角逐渐减少到 0。 当频 上升时，聚氯乙烯和橡胶材会稍微低电容，但聚乙烯，聚丙烯，特 氟纶（聚四氟乙烯）的变化大。 当频提高到一定程（f 足够大），公式中包含 f 的两项变的很大，这时 候 R 和 G 可

3、能可以被忽。等式成为 简化成 高频下的电缆性质高频下的电缆性质 在高频下您能把电缆视作一条简单的电缆。在此时它是波导。特性阻抗 是为电磁波而设的电阻系数。故此阻抗负责描述高频下电缆的状态。高 频通常用 100kHz 以上的频传输（当然能否高频传输取决于电缆）。 如果您在电缆一端输入合适频的正弦交信号，信号以电波的形式传播 过电缆。 如果电缆的长和该交信号频的波长相比是个很大的数字的话（注:即 电缆长是波长的很多倍），在传送过程中可以测 AC 的电压和电 比，这个比值叫做这条电缆的特性阻抗。 实际上电缆的特性阻抗由电缆的几何形状和绝缘部分决定的。电缆的长 影响电缆的特性阻抗。 注：就是说使用多数绝缘材电容会起变化。而电感 L 的定义公式为 L = (N2/I)S = 介质磁导 N = 线圈匝数 I = 线圈长 S = 线圈横截面积 可以看出，电感只和材质及几何形状有关，和频无关。所以在 f 足够高的情况下，特 性阻抗和频没有关系。频再高，特性阻抗都等于电感除以电容的平方根。（实 际上特性阻抗等于感抗容抗乘积的平方根，由于在乘积中约除有关频部分，所以有些 资中说特性阻抗和频无关，实际上应该

4、是在足够高频的情况下，特性阻抗和频无 关） 同轴电缆的模型是怎么样的？同轴电缆的模型是怎么样的？ 同轴电缆可以表示为分布的联电感和分布的并联电容，一种对称的过 滤装置排起来，特定的电缆有唯一的值。如果给定某个频，而且这个 频合适，这套过滤装置可以最大化地传递信号；如果频再提高的话， 这套装置会削弱信号。 注：这段信息很有意思，考虑一下，特性阻抗没有变化，而信号却减弱！为么会这 样？唯一的合解释，就是在电缆的接收端电压和电都减弱，而且是按照相同的比 减弱的。下面画出一张传输线分布参数的草图，这个论是无线电工业的工程工具之一， 在这个论中线长可以变动，可以使用复数源，和复数的终端阻抗。实际上阻抗这个词代 表有实部和虚部 如何用同轴电缆本身的性质计算特性阻抗？如何用同轴电缆本身的性质计算特性阻抗？ 电缆的长和它的特性阻抗无关。特性阻抗是由导体的大小和间隔，还有 就是导体之间的绝缘体的种类决定的。通常的同轴电缆在常规的频下使 用，特性阻抗由内导体和外（屏蔽）导体的尺寸决定的，当然内导体和外 导体之间的绝缘体也起着决定作用。 下方程可以用来计算同轴电缆的特性阻抗：（摘自 Reference Da

5、ta for Radio Engineers book published by Howard W. Sams & Co. 1975, page 24-21） 其中： lg = 以 10 为底的对数 d = 中心导体的直径 D = 电缆屏蔽层的内径 e = 介电常数 (空气为 1 ) 简单地说，同轴电缆的特性阻抗就是一个商的平方根（这个商是单位长 的电感除以单位长的电容）同轴电缆的特性阻抗典型值在 20-150 欧姆 之间。电缆的长无论如何都无法影响特性阻抗。 如果同轴电缆使用的传输频过高，则波会以我们期望的方式传播， （就是说会产生非预期的电场和磁场图）电缆这时能正常工作是由多方 面原因造成的。 如何计算平衡传输线（对称传输线）的特性阻 抗？如何计算平衡传输线（对称传输线）的特性阻 抗？ 特性阻抗是由导体的大小和导体间的间隔，以及导体之间使用的绝缘体决 定的。平衡传输线或双绞线的阻抗 Z0，由线距和线径比决定，前面提到的 绝缘体种类一样起决定作用。现实中的 Z0 在高频下相当接近纯电阻，但 并完全相等。 下公式可以用来计算接近地面的平衡传输线的特性阻抗（摘自 Reference Da

6、ta for Radio Engineers book published by Howard W. Sams & Co. 1975, page 24-22） 其中 lg = 以 10 为底的对数 d = 传输线线径 D = 线对之间的距离 e = 介电常数（空气为 1） h = 线对和地面之间的距离 这个公式只是适用于非屏蔽平衡传输线，当 D 比 d 大,而 h 比 d 大的 时候（带屏蔽的平传输线也适用）。如果双绞线离地面非常远（h 接近 无穷大）则地面的影响可以忽计，线缆的阻抗可以由一个简化的公式 近似：（原文作者本人推演上面的公式得出的） 注：将对数中真数部分少做改动对结果影响大，因为结果是真数的指数，可以这个简化 接受。但原来的公式有个开方，这个相当于结果 1/2！ 对双绞线来说，典型的特性阻抗在 75 欧姆到 1000 欧姆之间，可以满足 各种应用的需要。典型旧式电话线对，架在电线杆间的空中，其特性阻抗 大约是 600 欧姆左右。现在使用的电话和电讯电缆典型的特性阻抗为 100 或 120 欧姆。 我可以使用哪种电模型来描述长线的同轴电缆？ 如果您知道一定长的电缆的电感和电

7、容的话，可以使用下面的电 模型描述长线同轴电缆： 这个模型对解描述阻抗，电容，电感之间关系的阻抗等式非常有帮助： 我能否使用万用表来测电缆的阻抗？我能否使用万用表来测电缆的阻抗？ 电缆的特性阻抗只描述电缆在高频信号下的的工作性质。万用表是用直 电来测电阻值的，所以能用万用表或其他简单的测设备来测 电缆的阻抗。通常最好的方法是检查电缆的类型（一般印刷在电缆外面） 查阅相关的信息手册，而要试图实际测. 我如何测电缆的阻抗呢？我如何测电缆的阻抗呢？ 使用一个关系式来确定 Z0 比使用设备测要简单很多。在给定的频， 可以这样来推算电缆的阻抗：测一段电缆在远端开情况下的阻抗 Zoc，再测该段电缆在远端短的情况下的阻抗 Zsc，用下面的等式来 确定 ZO: 其中 Zoc = 某一电缆在远端开的情况下测出的阻抗 Zsc = 该电缆在远端短的情况下测出的阻抗 注意：对 Zoc 和 Zsc 的测包含幅值和相位，所以 Z0 也会有幅值和相 位。 阻抗高频测法是先确定电缆的传播速和电容，或者使用反射计。 么情况下电缆的阻抗会影响到信号？么情况下电缆的阻抗会影响到信号？ 为使电缆的特性阻抗能够对传输的信号产生

8、同的影响，电缆的长必 须至少是实际载频波 长的数分之一。（注：表达的意思应该是电缆长和波长必须是可比的， 使信号可以在传输线上传送出波形的一部分，如 1/4 或多） 大多数的属丝可以用光速 6070%来传递交电，换个说法就是每秒传 递 19.5 万公。一个频为 20000Hz 的音频信号的波长为 9750 米 (195/0.02MHz=9750m)，所以电缆起码要有 45 公长才开始影响音 频信号。所以音频连接电缆的特性阻抗和其他困扰我们的问题相比，算 上么。 标准的视频信号很少有超过 10MHz 的，其大概波长大概是 20 米。这样高 的频足以使特性阻抗开始对信号产生影响。高分辨的电脑显示信号和 高速的数据信号经常超过 100MHz，所以即是很短的电缆传输，也要考 虑到正确的阻抗匹配问题。 如何进阻抗匹配？如何进阻抗匹配？ 首先驱动电缆电源的输出阻抗，必须和电缆的特性阻抗相等，这样才能使 所有输出的功进入传输电缆，避免从电缆的输入端反射回入源。其次， 应该使电缆输出端负荷设备的输入阻抗和电缆的特性阻抗相同，这样所有 功进入负载设备，而会被负载反射回电缆。 这个正常的驱动方法有很多的外

9、，但一般是用来做其他用途的。可以选 一个特性阻抗匹配使低频带宽的传输功最大化，或者使阻抗失配改善 宽广频宽下的响应。这是工程师的抉择，视其需求而决定。 为么需要阻抗匹配？为么需要阻抗匹配？ 如果您的源输出阻抗，电缆特性阻抗，和负载输入阻抗之间存在失配的 话，将存在反射，并完全由电缆长决定（反射的状态）。此外如果电缆 被非正常使用，如挤压，打结，或者连接器的安装正确，会产生反射， 造成功损失。有甚者，如果是大功向电缆输出（比如无线广播 台），反射功可能会损坏功源设备。所以您必须小心防范阻抗失配问 题。 并非所有的教科书中都说明这个寻常的情况：当天线把功送回（没 有正确终止），功可以从同轴电缆的内芯直接穿透到电缆的外芯屏蔽 网，这时天线的功是最低下的。这意味着射频可以传送到同轴电缆的外 部，关于同轴电缆最难解的概是当电缆被终结时，（对源来说，）感 抗和容抗则存在。 注：这话的意思太明白。是否在说加一个合适的终端电阻之后，由于 源的平稳的输出电压和电，电缆上电压电会产生变化，一个正确终 止的电缆在源看来是无限长的。 出电缆阻抗的最大由是其可靠的电学特征，或者说只是要表明其阻 抗。同轴电缆一般承载一些离散的低振幅高频信号。离散信号的信号衰 减是非常严重的-即是最想的阻抗匹配也会有半数的信号损失，少许的 失配会造成大的损失，在天线发送信号的过程中尤为严重。需要仔细 匹配传输部分，如同轴电缆，以使信号保真并减少噪音。 所谓的电容在电缆性能或传输能上有么影响 吗？所谓的电容在电缆性能或传输能上有么影响 吗？ 如果同轴电缆被终止则电缆上的电容没有么影响。对源来说，电缆上 完全没有电容和电感。 这种传输线的特性被应用在

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