汽车数据线缆探讨之特性抗阻篇

来源：线束世界•作者：•2023-09-26 09:13

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）：

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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）：

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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）。

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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）。

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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）。

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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。

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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。

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