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屏蔽原理浅析

  目前,业界客观存在“屏蔽与非屏蔽”的争论,但我们认为作为每一种的布线解决方案,都有其存在的基础,或者说是都有各自的优缺点。全面的否定某一类的布线方案是片面的和不负责任的。无论是屏蔽系统还是非屏蔽系统都有着广泛的使用基础,在美国,80%的布线系统采用非屏蔽系统(但随着美洲屏蔽布线市场分额的不断扩大,北美标准中已将屏蔽列为推荐产品之一了),而在欧洲新的布线系统均为屏蔽系统。


  但作为世界布线系统的领导者,耐克森的布线产品向全世界提供,并可以针对不同用户的不同需要(网络的工作频率不同,周围的电磁环境不同),提供各种端到端的解决方案,包括屏蔽,非屏蔽以及光纤布线解决方案。在美洲,耐克森在美国的工厂为客户提供非屏蔽方案,而我们在欧洲则是完全的屏蔽解决方案。在中国,耐克森会根据实际情况,建议客户使用合适的布线系统。比如,在某些恶劣的电磁环境中(如工厂,设备中心,电站),或对抗干扰和保密性要求高(如政府机关,军事设施),屏蔽系统将市非常适合的。以下是我们对屏蔽系统的一些认识,希望对您们有所帮助。



1.什么是电磁兼容(EMC)?


  采用屏蔽布线系统主要是基于电磁兼容方面的考虑。


  所谓电磁兼容是指电子设备或网络系统具有一定的抵抗电磁干扰的能力。同时不能产生过量的电磁辐射。也就是说,要求该设备或网络系统能够在比较恶劣的电磁环境中正常工作,同时又不能辐射过量的电磁波干扰周围其它设备及网络的正常工作。


2.为什么目前电磁兼容引起重视?


  所谓电磁兼容有两个方面的含义:一是要求系统具有抵抗电磁干扰的能力,即在一定的电磁干扰环境下能够正常工作;另一方面要求系统不能产生过量的电磁辐射,即不能干扰其它系统的正常工作。为什么布线系统的电磁兼容特性日益引起重视?这主要有以下三个方面的原因:


  一、数据通信速率迅速增长,因为通信已不只局限于语音,数据,还包括高质量的图象信号,以局域网技术来讲,网络速率已经从以前的10Mbps提高到100Mbps,乃至ATM155Mbps,622Mbps,及目前议论较多的Gigabit局域网技术。网络速率日益提高。网络速率的提高,意味着工作频率的提高。我们知道,工作频率越高,越容易受到电磁干扰的能力,越容易产生电磁辐射。这一点很容易理解,为什么话音、电视信号在广播之前都要调制到几十到几百兆赫兹(MHz)?为什么双绞线的近端串扰(NEXT)频率越高越严重?这些现实存在的实例很好地说明了频率越高,越容易产生电磁辐射、电磁耦合。

 

  二、外界电磁环境日益恶劣,新的电磁干扰源不断产生。各种无线电广播、强电开关的脉冲、日光灯、以及移动通信系统都会产生电磁干扰,尤其是其中的移动通信系统产生的电磁干扰越来越严重。随着通信系统向个人化和移动化方向发展,各种移动通信系统层出不穷,无线寻呼、TACS、GSM、CDMA移动电话系统以及PCS微蜂窝个人通信系统等,移动终端随处可见,无线基站也到处分布,这些都是电磁干扰源。


  三、网络安全性的需要。网络工作频率越高,产生的辐射越严重。这些辐射一方面有可能干扰其它系统,另一方面会给网络犯罪可承之机。


  网络速率的提高,意味着工作频率的提高,而高频信号更易于受到电磁干扰,这就是在布线系统中引入电磁兼容概念的原因。
 
  在欧洲,电磁兼容已经引起高度重视,并有一系列有关EMC的法规及标准,如89/336./EEC,EN55022及55024,按照欧洲规定,从1996年1月1日起,所有有源设备必须符合EMC规定,同时贴有CE标志。布线系统属于无源系统,但是,一旦它与有源网络设备相连构成系统,它也必须服从EMC的规定。


3.UTP(非屏蔽双绞线)电缆的EMC原理及局限性.


  UTP电缆属于平衡传输系统,它利用扭绞来抵消电磁干扰及电磁辐射。但是,利用这种平衡性来抵消电磁干扰及电磁辐射需要具备以下条件的:


  1)UTP必须是理想的平衡系统


  UTP只有具有理想的平衡特性才能有效地抵消电磁干扰及电磁辐射,但是,理想的平衡UTP是不存在的,因为:


 UTP的平衡特性受周围环境影响


  当UTP电缆附近存在金属物体或隐蔽接地时,由于不同导体与金属物体或地的距离不同,UTP的平衡特性会遭到破坏。


  实验表明,将UTP电缆穿入25.4MM钢管中,其衰减会增大2.5%,说明其特性阻抗减小了,从而表明UTP受周围环境影响。


弯曲也会破坏UTP的平衡特性


  在实际安装时,电缆不可避免要弯曲。当电缆弯曲时,相邻绞节将疏密不同,不能有效抵消电磁干扰及电磁辐射。


  2)UTP的节距与电磁干扰或信号波长相比必须充分小,才能有效地抵消电磁干扰和电磁辐射,即节距越小,EMC性能越好。

 

  但是,双绞线的绞结节距不可能无限减小。实验表明,当外界电磁干扰或网络工作频率超过30MHZ时,UTP的EMC性能下降,即网络的可靠性降低,误码率增大,电磁辐射也相应增大,UTP厂商的技术资料里也承认这一点。


  以前的网络一般工作在较低的频率范围,如10MBPS以太网工作频率为10MHZ以内,16MHZ令牌网的工作频率在16MHZ以内,UTP系统在这样低的工作频带内具有一定的EMC能力,而且计算机通信具有出错重发及纠错能力,所以网络能够在一定的电磁环境中正常工作。但是,随着快速以太网(100MBPS),ATM(155MBPS,622MBPS)及GBPS以太网技术逐渐实用化,网络的工作频率不断提高,同时外界电磁干扰频率也日益提高,UTP的平衡特性已不足以抵消网络本身的电磁辐射及外界的电磁干扰。所以,对于高速网络,非屏蔽系统要依赖压缩编码技术,将高速数据压缩到30MHZ以下,如ATM155MBPS及ATM622MBPS.采用CAP16或cap64编码技术将带宽压缩到25.8MHZ。采用复杂的编码方式固然可以提高频谱利用率,但是需要在布线系统的两端加编码及解码设备,网络成本增加,而抗干扰能力降低,可靠性下降,而且,APM论坛不支持CAP编码方式。


4.耐克森FTP(屏蔽双绞线)的EMC原理及其特点


耐克森综合布线系统开发出一套基于双层铝箔屏蔽电缆的高性能布线系统。


卓越的屏蔽性能


  耐克森LanmarkFTP电缆采用了当今全球独一无二的双层纵包铝箔屏蔽结构,即在UTP电缆的外面纵包两层25um厚的铝箔,这种双层纵包结构既可以避免电缆弯曲或受热时屏蔽层出现微小的缝隙,又减小了转移阻抗,提高了屏蔽效果,同时使接地 (包括屏蔽接地和保护接地)更加方便、可靠。这种高性能的屏蔽电缆安装起来也非常方便,其外径只有6.35毫米。对于10MHZ以上的电磁波,利用屏蔽层的反射,吸收及趋肤效应的机理来抵消电磁干扰及电磁辐射,频率越高,屏蔽层的效果越明显。对于低频(<5MHZ)电磁波,则利用双绞线的平衡特性抵消。。这种双层铝箔屏蔽电缆的最大特点有两个方面:既具有卓越的屏蔽性能,又最大限度地方便用户安装。


  更高带宽的应用需要更有效的措施将所传输的宽带信号与外界干扰隔离,以保证数据的可靠性。从电磁兼容(EMC)的观点出发,需要设计最佳的电缆路由,避免恶劣的电磁环境。但是,我们无法避免全部的电磁干扰,因为绝大部分电磁干扰在我们周围是无处不在的。所以对于这样的宽带应用,建议采用屏蔽布线系统。

 

  为了检验这种双层铝箔屏蔽电缆的屏蔽及安装性能,对其进行了测试。测试结果表明,双层铝箔屏蔽电缆是将双绞技术与铝箔屏蔽技术最完美的结合。这种高品质电缆为目前及未来的应用提供了最佳的解决方案。


转移阻抗


  转移阻抗是用来表示屏蔽层效率或者屏蔽层保护效果的参数。 在 IEC 96-1第18款中给出了转移阻抗的定义及其测试方法。转移阻抗用单位长度量表示,即毫欧姆/米(mOhm/m)。对于某一长度的屏蔽电缆而言 ,假如在其屏蔽层的某个表面有一电流存在,那么在此屏蔽层的另一表面会由于此电流而感生一电势差,上述电势差与电流之比即为“转 移阻抗”。屏蔽电缆的转移阻抗决定了其屏蔽层的的效率,它包含两个方面的含义:防止外界电磁干扰进入电缆内部的能力以及阻止电缆内部信号向外辐射的能力。


转移阻抗的数值越小,其屏蔽层的效果越好。下图是三种屏蔽电缆的转移阻抗曲线:
转移阻抗(典型值)


                               
                                                                                                        从以上曲线可以看出:单层铝箔与双层铝箔的屏蔽效率在低频端 (0~1MHz)相差很小,但是随着频率的提高,二者的差别越来越大。到100MHz,双层铝箔的转移阻抗值小于单层铝箔的1/10。也就是说,其屏蔽效果提高了10倍!

 

  至于安装方面,有个说法:在电缆敷设的过程中,屏蔽层容易被破坏,影响屏蔽效果。但是,如果采用耐克森Lanmark FTP双层铝箔屏蔽电缆就不会存在这样的问题。


  一般非屏蔽(UTP)电缆在敷设过程中经常遇到的问题之一是电缆的内部结构松散,绞合结构被破坏,从而影响电缆的平衡特性,性能下降。耐克森Lanmark双层铝箔屏蔽电缆由于具有多重保护,包括绝缘的束缚薄膜和双层的屏蔽铝箔,保证了电缆的内部结构在敷设、弯曲时也不会被破坏,保证电缆的平衡及传输特性。


  另外,由于屏蔽层的存在,相当于在UTP周围人为地制造了对称的金属层,与外界隔离开,保证了双绞线的平衡特性不受电缆外部环境的影响。所以,在安装时不必考虑电缆周围是否存在金属或隐蔽的地。前面提到,UTP被金属包围会使其特性阻抗减少,造成衰减增大。但是,FTP电缆在制造过程中已经考虑到这个因素,利用特殊的工艺加以补偿,保证FTP电缆的特性阻抗等于标称值(100,120,或150ohm)。


  实验证明,FTP电缆抵消电磁干扰及电磁辐射的能力比UTP电缆高40dB。

本文章由 正泰电器 于2010年06月30日发布在综合布线分类下,
转载请注明:屏蔽原理浅析-深圳市南方正泰电气技术有限公司

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