|
雙絞線以太網(wǎng)布線被認(rèn)為是一種成熟和可靠的技術(shù)，多年來一直是進(jìn)行 10Base-T 和 100Base-T 數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)目煽窟x擇。然而，隨著高速以太網(wǎng)流量達(dá)到每秒 1 千兆位 (Gb/s) 和更高的速度，設(shè)計(jì)者不得不面對(duì)這樣的現(xiàn)實(shí)：信號(hào)對(duì)電纜不一致的寬容度降低，變得更容易受到干擾、串?dāng)_、阻抗損失、反射信號(hào)引起的回波損耗和衰減的影響。 隨著電纜長度的增加，例如在工業(yè)自動(dòng)化設(shè)施中，這些問題會(huì)變得更加嚴(yán)重。在設(shè)計(jì)布局以及用在像機(jī)器人和其他機(jī)械這樣的應(yīng)用中時(shí)，這些問題會(huì)增加以太網(wǎng)電纜扭曲和彎曲的復(fù)雜性。這種反復(fù)彎曲會(huì)使雙絞線分離，影響電纜的電氣性能。由此產(chǎn)生的信號(hào)衰減會(huì)帶來間歇性的數(shù)據(jù)損失，并隨著時(shí)間推移而惡化。這些類型的錯(cuò)誤是出了名的難以識(shí)別和排除的，導(dǎo)致漫長而昂貴的系統(tǒng)停機(jī)時(shí)間。 本文討論了在雙絞線上發(fā)送高速數(shù)字以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)。它解釋了如何使用粘連線對(duì)以太網(wǎng)電纜為長距離的高速以太網(wǎng)數(shù)據(jù)提供一致的性能，包括減少信號(hào)損失和承受物理濫用。然后會(huì)介紹兩個(gè)來自 Belden 的粘連線對(duì)以太網(wǎng)電纜實(shí)例，并展示如何用它們來確保工業(yè)環(huán)境中以太網(wǎng)信號(hào)的完整性。 可靠地發(fā)送千兆位以太網(wǎng)數(shù)據(jù) 標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)電纜通過雙絞線銅線發(fā)送數(shù)據(jù)。在過去，價(jià)格較低的電纜可能只使用兩根雙絞線，但現(xiàn)代的傳統(tǒng)以太網(wǎng)電纜有四根雙絞線，用于高速數(shù)據(jù)傳輸和以太網(wǎng)供電 (PoE)。由于電纜結(jié)構(gòu)、電纜長度、干擾和數(shù)據(jù)速率，所有以太網(wǎng)電纜都在一定程度上遭受信號(hào)衰減。如果高速數(shù)據(jù)是通過 10 米 (m) 或更長的電纜發(fā)送的，則要由電纜結(jié)構(gòu)負(fù)責(zé)防止過度的信號(hào)衰減。 大多數(shù)商業(yè)和低速工業(yè)以太網(wǎng)電纜使用絞合銅線雙絞線。非常柔軟，易于操作，從而使電纜可以在拐角處彎曲，在地板和安裝點(diǎn)上貼上膠帶后可以保持原位。然而，與實(shí)心銅線相比，絞合銅線對(duì)電流流動(dòng)的阻力更大，尤其是在長距離傳輸時(shí)。這使得實(shí)心銅線更適合于高速數(shù)據(jù)，高速數(shù)據(jù)通常使用較低的信號(hào)電壓，使得高速數(shù)據(jù)更容易受到信號(hào)衰減和電線電阻造成的數(shù)據(jù)損失的影響。對(duì)于 PoE 來說，與絞合銅相比，實(shí)心銅還可以承載更多的電流，產(chǎn)生的熱量也更少，因此是更合適的選擇。 實(shí)心銅線的缺點(diǎn)是，它不能很好地彎曲，比絞合銅線更抗彎曲，因此在鋪設(shè)電纜時(shí)可能需要一些額外的努力。 雙絞線以太網(wǎng)電纜在 RJ45 插頭處對(duì)接收器和發(fā)射器呈現(xiàn)出一種特性阻抗。通常情況下，這個(gè)阻抗是 100 歐姆 (Ω)，并且需要沿著電纜的長度保持一致。阻抗受雙絞線中兩根導(dǎo)體的中心間距的影響。重物撞擊或電纜拉伸或擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力會(huì)使雙絞線分離，從而改變某些部分的中心間距。這導(dǎo)致了電纜阻抗的變化，使信號(hào)下降。在 10 兆位/秒 (Mb/s) (10Base-T) 或 100 兆位/秒 (100Base-T) 的速度下，這可能并不明顯，但在千兆位速度下 (1000Base-T) 就可能會(huì)造成數(shù)據(jù)丟失。 串?dāng)_是造成信號(hào)衰減的另一個(gè)原因。兩條高速線并聯(lián)運(yùn)行將導(dǎo)致每個(gè)導(dǎo)體在另一條線上感應(yīng)出電流，這是串?dāng)_的最壞情況。為了盡量減少串?dāng)_和信號(hào)損失的風(fēng)險(xiǎn)，導(dǎo)線采用自屏蔽雙絞線。然而，與阻抗損失一樣，如果雙絞線中的兩根線被電纜上的外力推擠或移位，會(huì)增加線對(duì)之間的串?dāng)_，降低信號(hào)的可靠性。 阻抗損失與串?dāng)_的結(jié)合，加上電纜的距離電阻，會(huì)因?yàn)樾盘?hào)反射回其源頭而造成回波損耗。雖然回波損耗是預(yù)期的，并且在終端使用回波消除進(jìn)行補(bǔ)償，但過多的回波損耗可能是一個(gè)嚴(yán)重的問題，導(dǎo)致間歇性的數(shù)據(jù)丟失。這個(gè)問題可能是出了名的難以診斷，并可能導(dǎo)致過多的停機(jī)時(shí)間。在高振動(dòng)的工業(yè)環(huán)境中，這個(gè)問題會(huì)更加嚴(yán)重，因?yàn)橐蕴W(wǎng)電纜的位置在移動(dòng)，導(dǎo)致電氣特征發(fā)生變化，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號(hào)問題，當(dāng)振動(dòng)或移動(dòng)停止時(shí)，這些問題就會(huì)神秘地消失。 粘連線對(duì)以太網(wǎng)電纜 如上所述，阻抗損耗、串?dāng)_和回波損耗都受到電纜長度上雙絞線中心間距不一致的嚴(yán)重影響。對(duì)于在惡劣環(huán)境中進(jìn)行高速以太網(wǎng)連接布線的設(shè)計(jì)者來說，Belden 已經(jīng)通過其用于千兆位以太網(wǎng)的 10GX CAT6 和 CAT5E 粘連線對(duì)模塊化以太網(wǎng)電纜解決了這個(gè)問題。 粘連線對(duì)通過將雙絞線物理粘接在一起，在雙絞線導(dǎo)體之間保持固定的導(dǎo)體中心間距，甚至可防止臨時(shí)分離（圖 1）。這大大減少了阻抗損失和串?dāng)_的風(fēng)險(xiǎn)。 
圖 1：左邊的非粘連雙絞線由于扭曲或彎曲，造成了雙絞線間隙而失去了導(dǎo)體與導(dǎo)體的中心性。盡管有外力作用，右邊的粘連雙絞線仍能保持其中心性。（圖片來源：Belden） Belden 粘連線對(duì)以太網(wǎng)電纜還使用實(shí)心銅導(dǎo)體作為雙絞線，以減少電阻。此外，與 PoE 應(yīng)用中的絞合銅線相比，實(shí)心銅線可傳輸更大的功率且損失更少。這也通過減少電纜電阻引起的熱量而提高了安全性。 綜合來看，降低電纜的電阻，減少阻抗損失，最大限度地減少串?dāng)_，使千兆位以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)完整性得到明顯改善，即使是在惡劣的環(huán)境中也是如此。 對(duì)于千兆位以太網(wǎng)接插線，Belden 提供了 C601106010 10 英尺粘連線對(duì)以太網(wǎng)電纜組件（圖 2）。這是一根 CAT6+ 電纜組件，有四個(gè)由 24 AWG 實(shí)心銅線組成的粘連雙絞線對(duì)。兩端用 RJ45 插頭端接，其彈性護(hù)套模壓在聚氯乙烯 (PVC) 外護(hù)套上，形成一個(gè)強(qiáng)大的應(yīng)力消除裝置，防止分離。它還可以防止 RJ45 端接處的雙絞線扭曲或分離，并提供防水和防塵保護(hù)。
圖 2：Belden C601106010 以太網(wǎng)線采用兩個(gè) RJ45 插頭進(jìn)行端接，在 PVC 護(hù)套上模壓了一個(gè)彈性護(hù)套應(yīng)力消除裝置，以保護(hù)電纜端接免受灰塵和濕氣的影響。（圖片來源：Belden） 藍(lán)色以太網(wǎng)電纜的直徑為 5.715 毫米 (mm)，是典型的以太網(wǎng)電纜直徑。C601106010 采用粘連線對(duì)和實(shí)心線結(jié)構(gòu)，不會(huì)給電纜組件增加任何額外的體積，因此適用于任何需要鋪設(shè)商業(yè)電纜的應(yīng)用。 該電纜組件每個(gè)觸點(diǎn)的額定電流為 1.500 安培 (A)。結(jié)合千兆位的速度等級(jí)，因此 C601106010 適用于工業(yè) PoE 應(yīng)用，如機(jī)器人和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 端點(diǎn)。最大接觸電阻為 0.020 Ω，在 1.500 A 條件下僅產(chǎn)生 0.300 瓦的熱量，對(duì)于工業(yè)應(yīng)用來說是可以接受的。 這種 CAT6+ 電纜組件的額定值適合 1000Base-T 應(yīng)用，工作溫度為 -10°C 至 +60°C，因此適用于溫度極端性較高的高速工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用。 為實(shí)現(xiàn)更長的距離，Belden 制造了 CA21106025 25 英尺粘連線對(duì)以太網(wǎng)電纜組件。這是一個(gè) CAT6a 電纜組件，其基本電氣規(guī)格與 Belden C601106010 相同，并且與圖 2 中的端接方式相同。然而，由于 CA21106025 電纜較長，它更容易受到外部干擾：25 英尺電纜上的千兆速度就像一個(gè)天線，可能會(huì)接收周圍電子產(chǎn)品的電磁輻射。為了確保信號(hào)的完整性，CA21106025 有一個(gè)鋁箔外屏蔽層。這導(dǎo)致直徑達(dá) 6.731 毫米，比商業(yè)電纜略粗，但完全在電纜導(dǎo)向器和普通布線方法的公差范圍內(nèi)。 有了這種屏蔽，Belden CA21106025 電纜組件的額定速率為 10GBase-T (10 Gb/s)，使其適用于非常高端的工業(yè)自動(dòng)化應(yīng)用，以及在整個(gè)設(shè)施中傳輸高清視頻。 結(jié)語 千兆位以太網(wǎng)正在為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)施帶來更高的數(shù)據(jù)速率。隨著這些數(shù)據(jù)速率的增加，干擾、串?dāng)_和回波損耗的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增加，這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)連接的中斷。這在工業(yè)應(yīng)用中尤其如此，因?yàn)殡娎|可能會(huì)被反復(fù)彎曲，造成電纜電氣性能的損失。 使用確保中心間距固定的粘合雙絞線以太網(wǎng)電纜，設(shè)計(jì)者可以在更遠(yuǎn)的距離上舒適地使用更高的速度，同時(shí)滿足網(wǎng)絡(luò)升級(jí)和新部署的 PoE 要求。 來源：Digi-Key 作者：Bill Giovino |
