数据缆结构设计

浅析如何确定数据电缆的绝缘外径
摘要：本文主要介绍根据特性阻抗的要求，来确定数据电缆的绝缘外径的方法，并进一步通过对工作电容，衰减等参数的计算，验证设计的可行性。

关键词：数据电缆绝缘外径特性阻抗工作电容衰减
一、概述
随着计算机技术的飞跃发展，快速通信的需求对网络速率的要求日益提高，作为网络的通信平台—综合布线系统的带宽也在不断的增加，综合布线系统由3类、4类发展到5类、增强型5类，（以下简称5e类）目前6类、7类也逐渐为用户所接受。

3类、4类数据电缆由于受到带宽的限制，在布线系统中已基本不在使用。

5类和5e类的成本比较接近，但5e类支持双工传输，因此倍受青睐。

6类的成本比5e类的成本高出40%，而7类的成本则要高出300%，因此综合性价比以及当前网络发展的实际需要来看，仍是5类和5e类占据了目前市场的主要份额。

二、结构设计
由于5e类数据电缆的应用最为广泛，因此就以UTP5e为例来浅析数据电缆的结构设计。

设计思路：通过选择合理的导体直径，合理的绝缘材料和绝缘外径，以及绞对节距，使UTP 5e电缆的各主要参数，如特性阻抗、衰减、串音（近端串音衰减和远端串音衰减）、结构回波损耗（或回波损耗）等能够满足标准规定的要求。

1. 绝缘外径的确定
对于5类和5e类电缆,导体直径通常都按照美国的24AWG，因此可以认为导体直径是个定值，绝缘我们采用PE实心绝缘形式，在导体直径一定的情况下就要根据电容、阻抗、衰减等要求确定导体的绝缘外径。

由于各种标准对电容的要求不一致，如IEC61156未对电容做出明确的规定，而YD/T1019则规定了电容最大值为5.6nF /100m，并没有标称值的规定，因此对设计没有指导意义。

因此为了使设计具有普遍适用性，我们不根据电容来确定绝缘外径。

下面再来看看特性阻抗,各标准对特性阻抗的要求都是相同的，即100Ω±15Ω。

因此我们可以根据特性阻抗的要求来确定绝缘外径。

然后通过计算电容值和衰减值看是否能够满足标准要求，从而验证设计的合理性。

1.1 特性阻抗（Z C）：
特性阻抗定义为线路内任一点的电压波（U）和电流（I）的比值：
C
j G L
j R Z c ωω++=
（Ω） （1）
R —单位长度回路有效电阻，Ω/km L —单位长度电缆回路的电感，H/km C —单位长度回路电容，F/km G —单位长度回路的绝缘电导，S/km
特性阻抗与一次传输参数（R 、L 、C 、G ）有关，即当导电线芯的材料，直径、
绝缘形式结构确定后，特性阻抗Z C 只随频率的变化而变化，与线路长度无关，也与传输的电压及电流的大小及负载阻抗无关。

因此我们可以根据阻抗的要求值来确定导体的绝缘外径：根据标准要求Z C =100Ω±15Ω，我们取标准值100Ω，则阻抗的幅值：
10042
22222=++=C
G L R Z C
ωω （2） 由于数字电缆传输的都是高频信号，在f>3KHZ 时，因频率高，回路的一次参数间存在下列关系：ωL>>R ，ωC>>G 则： C
L
Z C =
（3） 由此可见，对于传输高频信号的数字电缆特性阻抗是由电感和电容决定的，而电感和电容的大小又与导体直径和绝缘外径密切相关。

1.2 电感（L ）：
对称电缆的电感由两部分组成： 外内L L L += （4）
式中：4
10)(-⨯=x Q L 内 （H/km ） 4102ln
4-⨯-=d
d
a L 外 （H/km ） 由上可知对称回路的总电感为：
410)](2ln
4[-⨯+-=+=x Q d
d
a L L L λ外内 （H/km ） （5） 式中 λ— 总的绞入系数：数据电缆取1.02
a — 回路两导体的中心距（mm ） d — 导体直径（mm ） Q （x ）— 为2
Kd
x =
的特定函数 随着传输电流频率的增加，集肤效应增强，使得Q （x ）趋于零，而外电感与
频率无关，因此对于应用在高频的数据缆，其总电感为4102ln
4-⨯-=d
d
a L λ
（H/km ），但是对于应用的几十兆乃至几百兆的高频数据电缆，随着频率的增高，邻近导体对线对电感的影响开始体现出来，因此我们根据多次测试数据和传统计算公式相比较，发现邻近导体的影响大概有25%左右，因为我们引入一个高频电感修正系数K L ，则高频电感的计算公式按下式计算：
25.1102ln 4K 102ln
44L 4⨯⨯-=⨯⨯-=--d
d
a d d a L λλ（H/km ） （6） 1.3 工作电容（C ）：
对称电缆回路的电容是比较复杂的，因为电缆中包括很多线对，任何相邻线
对之间都会有电容存在，多芯电缆的工作电容可按下式计算：
)
2ln(36106
ψλεγd
a
C -⨯=
（F/km ） （7）
λ—总的绞入系数：数据电缆取1.02 εr —组合介质的等效相对介电常数 a —两导体中心间距离（mm ） d —导体直径（mm ）
Ψ—修正系数（由于邻近导线的影响所产生的） 下面我们就来介绍εr 和Ψ的计算方法
1.3.1 等效相对介电常数（εr ）：
由于UTP5e 是由空气和绝缘层PE 共同组成的绝缘结构形式，因此其等效
的相对介电常数应按组合介质计算，即 g
k g
g K K r S S S S ++=
εεε （8）
式中：S K —空气所占面积
S g —绝缘介质所占面积 εk —空气相对会电常数εk =1
εg —介质相对介电常数，实心PE εg =2.27 设绝缘外径为Ad ，线对绞合的压紧系数为0.94，则 空气所占面积为 S K =
()()4
2494.022
2
Ad Ad ππ-⨯ （mm 2
）
绝缘介质所占的面积 4
])[(222d Ad S g -=π （mm 2
）, 则
2
5344.354.40744.64
])[(24)(2)94.02(27
.24])[(214)(2)94.02(2
22222222
2--=-+
-⨯⨯-+⨯-⨯=
A A d Ad Ad Ad d Ad Ad Ad r ππππε 1.3.2 修正系数（Ψ）
（9）
其中D S 为非屏蔽数据电缆UTP 的等效屏蔽直径（考虑到邻近导体对线对电容
的影响）
d d d d d d D S -+⨯⨯=-+=1112294.0
d A d Ad d d )188.2(88.288.21-=-=-=
则1
76.52944.91
76.52944.7)188.2()188.2(2
222222222222
2+-+-=+---=+-=A A A A d A d A d A d A a D a D S S ψ 将εr 和Ψ值同时代入公式：（7）中，得
)1
76.52944.9176.52944.72ln(361025344.354.40744.62
26
2
2+-+-⨯⨯--⨯=-A A A A d Ad A A C λ （F/km ） （10） 把（6）式和（10）式中的值代入（3）式中，得
整理，得
10010054
.40744.62
5344.3)176.52944.9176.52944.72ln(36)12ln(52
222=⨯--⨯+-+-⨯⨯-A A A A A A A A （11） 但由于此方程是一个超越方程，按常规方法解起来相当困难我们可以通过计
算机Mathematica 软件来求解，这样就变得相当简单了，
解得A=1.81，因此电缆的绝缘外径为mm d 925.0511.081.181.1=⨯=⨯，
接下来我们来验证计算得出的绝缘外径能否够使电缆的工作电容（如有要求）、衰减
2
2
2
2
a D a D S S +-=ψ）1
76.52944.9176.52944.72ln(36102
5344.354.40744.625
.1102ln 42
26
2
24+-+-⨯⨯--⨯⨯⨯-==
--A A A A d Ad A A d
d Ad C
L Z C λλ
等参数满足标准要求。

2. 绞对节距的确定
数据电缆的线对节距以及节距间的相互搭配，对系统的串音影响相当明显，选择合理的节距有利于改善系统的串音性能。

参照有关资料，可知电缆系统串音主要与下式有关：
b
a h h P 111-=
（12）
式中： h a —主串线对节距
h b —被串线对节距
P 值越大，串音影响越小，可通过减小节距和和增大节距差来增大P 值，但在实际的生产中，由于受到生产设备的限制，再考虑到生产成本以及生产效率，线对的节距也不可能做的过小。

通常将4对UTP5e 的节距做在10mm ～20mm 之间，在此我们只能出节距的范围值，具体选用多大的节距这要根据各厂家的生产设备情况及其它因素来选定。

三、设计验证 1. 工作电容（C ）：
首先来计算εr 和Ψ：
604.12
81.15344.354
.481.10744.625344.354.40744.62222=-⨯-⨯=--=
A A γε 688.01
81.176.581.12944.91
81.176.581.12944.7176.52944.9176.52944.72
222=+⨯-⨯+⨯-⨯=+-+-=A A A A ψ 则电容C 为：
966
108.49)
688.081.12ln(3610604.102.1)2ln(
3610---⨯=⨯⨯⨯⨯=⨯=
ψλεγd
a C （F/km ） 在前面我们提过有些标准不要求电容值，有些要求最大值为5.6nF/100m ，可见4.98nF/100m ，足以满足标准要求，电容设计计算合理。

2. 特性阻抗（Z C ）：
由于绝缘外径是根据特性阻抗的标称值100Ω来确定的，因此特性阻抗一定可以满足标准要求，不必验证。

3. 衰减（α）：
衰减是数据电缆重要的传输常数，它直接影响到传输线路的长度以及传输质量。

随着使用频率的增高线路的衰减逐渐增大，因此我们选取两个频率点10MHz 和100MHz 来计算此时线路的衰减值。

根据传播常数))((C j G L j R j ωωβαγ++=
+=
R —单位长度回路有效电阻，Ω/km L —单位长度电缆回路的电感，H/km C —单位长度回路电容，F/km G —单位长度回路的绝缘电导，S/km 由实部相等得到衰减常数
)]())(([2
1
2222222LC RG C G L R ωωωα-+++=
在高频由于L ω＞＞R 及C ω＞＞G 则上式可简化为C
L G
L C R 22+=α, 当f=10MHz 时：
金R a
d x H a d x G x F R R +-++=])
)((1))(()(1[2
2
0 （Ω/km ） 式中：x=2
Kd
；F （x ）,G(x),H(x)为x 的特定函数，经查表得
F （x ）=5.335 , G(x)=2.917 , H(x)=0.580 则R 0=5.17102.1511.04
1000
01724.022
=⨯⨯⨯
⨯π
（Ω/km ）
57.56102108R 5
7
=⨯⨯=金
（Ω/km ）
5.132857.56])
925
.0511.0(58.01)925.0511.0(
917.2335.51[5.1712
2
=+⨯-⨯++⨯=R （Ω/km ） 绝缘电导G 包括两部分：直流绝缘电导G 0和交流绝缘电导G ～，在高频时直流绝缘电导G 0可以忽略不计，则G=G ～=δωctg
3971056.10005.0108.49102--⨯=⨯⨯⨯⨯=πG （S/km ）
441091.425.1102ln
4--⨯=⨯⨯-=d
d
a L λ （H/km ） 686.8)10
8.491091.421056.11091.4108.4925.1328(229
4
349⨯⨯⨯⨯⨯+⨯⨯⨯=+=-----C L G L C R α 7.58686.8)07745.068968.6(=⨯+= （dB/km ）
即5.87dB/100m
可见电缆的各项主要指标均符合IEC61156、YD/T1019、ISO11801、EIA/TIA568等标准要求：因此在10MHZ 电缆结构设计可行
当f=100MHz 时：
09.4153])
)((1))(()(1[R 2
2
0=+-+++=金R a
d x H a d
x G x F R （Ω/km ）
（S/km ）
441091.425.1102ln
4--⨯=⨯⨯-=d d
a L λ (H/km) 则3.1882
2=+=
C
L
G
L C R α （dB/km ） 即18.8 dB/100m
可见在f=100MHz 时，电缆的各项主要指标均（可以通过理论计算的）符合标准 要求，而串音（近端串音衰减和远端串音衰减）、结构回波损耗（回波损耗）其数值无法通过理论来具体量化计算，只通过选择合适的绞制节距，以及稳定的导体直径和绝缘外径等工艺参数来加以控制。

四、结束语
本文以UTP5e 为例来介绍如何根据特性阻抗要求来确定电缆的绝缘外径。

同理FTP 、STP 、SUTP 、SSTP 的6类，7类电缆同样可根据此方法来进行计算，只是各电气参数如L 、C 等的计算公式要发生相应的改变，中间参数εr 和Ψ等都要发生相应的变化，但计算的基本原理是一致的。

2
1054.1-⨯==δωctg G
参考文献：
1．郑玉东《通信电缆》
2．《中国电缆电缆》 2003.6
3．I EC61156-5《数字通信用对绞或星绞多芯对称电缆》
4．Y D/T1019-2001《数字通信用实心聚烯烃绝缘水平对绞电缆》。