CN107368654A - 一种双绞线等效电路及其模拟方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双绞线等效电路及其模拟方法，对1GE和10GE双绞线建立等效电路模型，设计PCB板级模拟器电路，在以太网口测试环境中使用。模拟器电路采用八路并行无源支路代替线缆4对双绞线。通过调整单根主干支路上的电路元件改变电路的插入损耗值；通过调整两个主干支路之间的电阻和电容改变线对的回波损耗值；每个线对之间的串扰用电阻和电容串联来进行模拟。对于不同长度、不同线缆类型的双绞线，采用相同的等效电路模型结构，通过调整元件参数拟合关键的特征参数。本发明的等效电路模型在插入损耗、回波损耗、近端串扰以及特征阻抗等性能指标上与线缆测试结果保持一致，能够正常输出数据。

Description

一种双绞线等效电路及其模拟方法

技术领域

本发明属于通信技术领域，尤其涉及一种双绞线等效电路及其模拟方法。

背景技术

随着1Gbase-T和10Gbase-T规模的逐步应用，高速以太网信号的传输可靠性显得尤为重要。传统的以太网传输方式，采用cat5e和cat6a线缆进行，线缆能够很好的传输数据，数据丢包率小，但线缆占据的空间过大，对于以太网口设备进行测试环境搭建时尤为不便。不仅需要对每台设备的以太网口提供等长的百米或更长的网线测试，还需花大量的测试成本，以太口百米网线测试环境结构示意图如图1所示。

在现有的单对双绞线等效电路中，其等效电路图及其结构如图2所示，考虑单根导线与地线之间的相互作用，该电路两端各加入两个50欧姆匹配电路。该等效电路不能充分模拟各类网线性能，特别是回波损耗指标严重不满足网线标准。电路结构只能替代100m的cat5e类线缆的功能。该电路模拟出来的插入损耗过大，数据丢包率大。

本专利拟对符合TIA-568-C标准的1GE和10GE双绞线建立等效电路模型，设计PCB板级模拟器电路，模拟cat5e和cat6a两种线缆的性能，在以太网口测试环境中使用。如图1所示，使用小型化模拟器替代100m网线，占用空间小，无需投入大量的人力资源，节省测试成本。

发明内容

发明目的：本发明提供一种双绞线等效电路及其模拟方法，能够替代传统双绞线的数据传输功能，在甚短距离的以太网口设备之间传输数据，减小占用的空间。

技术方案：本发明所述的一种双绞线等效电路及其模拟方法，利用多导体传输线理论，分别建立单位长度和总长度线缆的电路模型，模拟和各种线缆类型(cat5e/cat6a)的性能，保证不同长度和不同线缆PCB板具有统一的模型。所述的等效电路采用八路并行无源支路代替线缆4对双绞线。

本发明所述的等效电路及其模拟方法包括建立双绞线等效电路模型和设计PCB板级模拟器电路，所述的模拟器电路采用八路并行无源支路代替线缆4对双绞线，每条主干支路代表单根导线，两条主干支路构成单个线对的等效电路模型，且每个线对之间的串扰用电阻和电容串联来进行模拟双绞线电路上的插入损耗和回波损耗。

进一步的，所述的等效电路模型通过直流电阻和交流电阻串联模拟单位长度线缆模型的直流损耗和交流损耗。所述的等效电路模型通过串联电感模拟单位长度线缆模型的单根导线自电感和两根导线之间的互电感。所述的等效电路模型通过线对间增加电阻和电容模拟单位长度线缆模型的单对双绞线两根导线之间的相互作用。

所述的双绞线等效电路使用的元件或者器件均为参数可调元器件，不同长度、不同类型的双绞线集总参数电路模型采用相同的等效电路模型结构，通过调整元件参数去拟合关键的特征参数。

有益效果：本发明具有以下几点优势，第一、本发明相比现有技术回波损耗更低，解决了插入损耗指标不满足网线标准问题；第二、本发明所述的模拟器PCB结构，不仅可以模拟不同长度的cat5e线缆，还可以模拟cat6a线缆性能，保证不同长度和不同线缆PCB板具有统一的模型；第三、本发明在插入损耗、回波损耗、近端串扰以及特征阻抗等性能指标上满足ITA-568-C双绞线标准并贴近真实网线测试值；第四、本发明提供的PCB板及外壳，采用小封装器件、差分线原则进行PCB布局，外壳设计便于生产测试环境组装及批量复制，其生产环境测试时占据空间极小，测试成本低，组网环境简单；第五、本发明支撑以太设备电口不同速率(GE/2.5G/5G/10GE)等产品测试，应用范围更广。

附图说明

图1是以太网口百米网线测试环境示意图；

图2是现有技术中单对双绞线等效电路结构；

图3是现有以太网口设备测试框图；

图4是本发明单位长度线缆等效电路模型；

图5是本发明线缆整体等效电路模型；

具体实施方式

为了进一步的说明本发明所公开的技术方案，下面结合说明书附图做详细的阐述。本具体实施例仅作为优选，不作为本发明所提供技术方案的限制。

本发明具体实施例所述的等效电路替代100m网线所产生的损耗，对于以太网口设备的测试环境，根据设备的功能特性，测试环境有所不同，以太网口支持的规格也有所不同，有GE/10GE，70m/100m以太网接口等，本发明针对不同速率及长度设计结构统一的PCB模拟器，在实际测试环境中替代对应线缆类型及长度的网线。

实施例一

(一)一种双绞线等效电路模拟器中PCB板级等效电路，单位长度线缆等效电路如图4所示：其单位长度线缆等效电路有两路并行无源支路代替网络线缆中1对双绞线，每条主干支路代表单根导线，两条主干支路构成单个线对的等效电路模型，在上方的主干路上设有电阻R₁和R₃、电感L₁和L₃、下方的干路设有R₂和R₄值,电感L₂和L₄、上方干路和下方干路中间设有电阻和电容C₁。其中，单位长度线缆模型由直流电阻和交流电阻串联构成，分别用R₁和R₂表示。

①R₁和R₂来源于线缆直流损耗和交流损耗。

所述线缆存在严格对称性，R₃和R₄值与R₁和R₂相同。频率增加，趋肤深度δ如式(1)所示：

其中f信号工作频率，μ表示导体磁导率，σ表达导体电导率。

当趋肤深度δ值和导体半径r_w值之间满足不同的关系，损耗电阻的表达式完全不同。通过如式(2)、(3)所示进行计算损耗电阻:

当r_w＜2δ时

当r_w＞2δ时

显然随着信号工作频率增加，趋肤效应越发明显，趋肤深度增加，损耗电阻值增加，对应线缆衰减增大。

②L₁和L₂代表单根导线自电感和两根导线之间的互电感。

每根线缆都由八对双绞线构成，但是各对双绞线之间存在绝缘层隔离，双绞线之间采用螺旋缠绕方式最大化减小线对之间的互电感，故而只考虑线对内两根导线之间的互电感。单根导线采用螺旋缠绕方式，单根导线存在自电感。考虑到自电感和互电感对信号的作用，每根导线需要串联一个电感。由于线缆具有严格意义上的信号对称性，故两边皆有电感串联。自感计算值如式(4)、(5)所示：

当r_w＜2δ时

当r_w＞2δ时

互感l与线对两根导线之间的距离有关，导线距离越小，则互感现象越发明显，互感表达式如式(6)所示:

其中s表示单个线对两根导线之间的距离，R_w表示单根导线半径。

③利用电容C₁和电阻R₅等效单对双绞线两根导线之间的相互作用。利用多导体传输线理论，得到电阻和电容的表达式，如式(7)～(9)所示:

其中ε表示导线相对介电常数。

(二)总长度的线缆模型可以由单位长度双绞线模型叠加得到

首先测试网线性能指标，然后利用ADS软件对PCB板级电路优化，得到如图5的线缆PCB板等效电路图。

该电路由八条主干支路构成，每条主干支路代表单根导线。对于不同长度、不同线缆类型的双绞线，采用相同的等效电路模型结构，通过调整元件参数去拟合关键的特征参数。通过调整单根主干支路上的电路元件可以改变电路的插入损耗值；两条主干支路构成单个线对的等效电路模型，通过调整两个主干支路之间的电阻和电容可以改变线对的回波损耗值；每个线对之间的串扰用电阻和电容串联来进行模拟。考虑到阻抗匹配，回波损耗等潜在因素，PCB板电路左右两端各增加了八根等长50欧姆阻抗匹配差分线。

Claims (5)

1.一种双绞线等效电路及其模拟方法，其特征在于：所述的等效电路模拟包括建立双绞线等效电路模型和设计PCB板级模拟器电路，所述的等效电路采用八路并行无源支路代替线缆4对双绞线，每条主干支路代表单根导线，两条主干支路构成单个线对的等效电路模型，且每个线对之间的串扰用电阻和电容串联来进行模拟双绞线电路上的插入损耗和回波损耗。

2.根据权利要求1所述的一种双绞线等效电路及其模拟方法，其特征在于：所述的等效电路模型通过直流电阻和交流电阻串联模拟单位长度线缆模型的直流损耗和交流损耗。

3.根据权利要求1所述的一种双绞线等效电路及其模拟方法，其特征在于：所述的等效电路通过串联电感模拟单位长度线缆模型的单根导线自电感和两根导线之间的互电感。

4.根据权利要求1所述的一种双绞线等效电路及其模拟方法，其特征在于：所述的等效电路模型通过线对间连接电阻和电容模拟单位长度线缆模型的单对双绞线两根导线之间的相互作用。

5.根据权利要求1所述的一种双绞线等效电路及其模拟方法，其特征在于：所述的双绞线等效电路使用的元件或者器件均为参数可调元器件。