汽車數(shù)據(jù)線纜的衰減問題及測試方案

隨著汽車ADAS的發(fā)展，對車載數(shù)據(jù)傳輸速率要求越來越高，相應而生的以太網(wǎng)傳輸速率更是達到了10Gbps以上，高速傳輸?shù)臅r代，信號的完整性至關(guān)重要，與生命安全密切相聯(lián)，今天我們就來探討一下汽車數(shù)據(jù)直接關(guān)系信號完整的衰減參數(shù)。

1.什么是衰減

電纜衰減是指信號在傳輸過程中的信號強度逐漸降低的現(xiàn)象。

信號在整個鏈路中的傳輸，就像是一場接力賽，在電纜中傳輸，則是接力賽中的一棒。

信號剛進入電纜時，就如同剛剛開始跑步，活力十足。可隨著里程的增加，體力大幅度下降，信號的強度自然也會同等道理的減弱。這個減弱的過程，可以統(tǒng)稱為衰減。

若是體力消耗過大，沒辦法將手中的棒傳遞給下一個伙伴，接力賽自然是失敗告終。同樣的道理，若是信號衰減過大，所攜帶信息中道崩殂，沒辦法抵達輸出端，那么整個鏈路便也沒有了信息的傳送。

當然，絕大多數(shù)情況不會出現(xiàn)中道崩殂的情況，大多數(shù)時候，信號都是因為衰減過大，導致交接過程“掉棒“等情況發(fā)生，如此，也幾乎等于這場接力比賽輸?shù)袅耍瑢㈦y有成績。

2.衰減的種類

衰減種類一般有以下幾種：

/// 01）導體損耗

信號的本質(zhì)是電磁波，而電磁波的產(chǎn)生來自于變化的電壓或電流，在這場接力賽中，電流相當于人，電磁波則是那根“接力棒“。

在電纜中，無論是多高頻的信號，終歸是電流流過導體，從一端帶到了另一端的。那么對于電壓或電流信號來說，導體就相當于必須有的跑道。

良好導體和粗糙導體的差距如同跑道的好壞，信號的衰減成績有著極大的影響

/// 02介質(zhì)損耗

信號傳輸過程中，電流流淌在導體上，電磁波于介質(zhì)材料中穿過，介質(zhì)材料的性能直接影響了電磁波的衰減。

以跑步比賽類比，介質(zhì)材料對電磁波的阻礙可以類比成跑步過程中的風阻

介質(zhì)材料中，影響風阻的關(guān)鍵參數(shù)：介電常數(shù)。介電常數(shù)是描述材料對電場響應的重要參數(shù)，材料在外加電場作用下，會產(chǎn)生感應電荷而削弱電場。

電磁波穿過介質(zhì)層時，介電常數(shù)越大，風阻越大，即對電磁波中電場的阻礙越大，而電場又會反作用于電壓或者電流信號，進而會讓信號的衰減增大。

/// 03反射損耗

反射損耗，這是一種綜合性的損耗，造成這種損耗的直接原因是阻抗的均一性，信號傳輸?shù)倪^程中，遇到了不均一的阻抗，會如同光遇到了鏡子，產(chǎn)生類似的反射現(xiàn)象，原本的一束光，反射回去部分，能量自然會降低不少。

而這種損耗的根本原因在于電纜結(jié)構(gòu)尺寸的一致性。

如同跑步比賽中，場地，觀眾，賽道，天氣等等，這些綜合因素對個人狀態(tài)的一個影響結(jié)果

/// 04輻射損耗

理想狀態(tài)中，信號全部都在電纜中向前傳輸自然是最好的，因為最受控。

然而實際上，信號傳輸過過程中，由于電磁波本身的波粒特性，必然會有部分電磁場的能量逸出電纜。

所謂輻射損耗，是指信號能量在電纜中傳輸時，輻射到電纜外的損耗，這種損耗一般發(fā)生在屏蔽電纜中，因為電磁波穿透屏蔽層所致，所以有時候也會被叫做泄露損耗。

如同跑步比賽中，步伐頻率，呼吸節(jié)奏這些細節(jié)無時無刻都在影響你，如圖5所示。所以，輻射損耗要在電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計之初就要考慮好。

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/// 05相鄰耦合損耗

相鄰耦合損耗，一般是指一組信號對另一組信號的干擾，從而衰減自身能量的現(xiàn)象，這種情況，一般發(fā)生在擁有多組信號線的同一根電纜中。當然，屏蔽層中感應電流產(chǎn)生的電場干擾也算是相鄰耦合損耗，不過一般來說，這種損耗影響不會太大。

如同跑步比賽中，有人摔倒了，會影響其他人繼續(xù)向前

影響衰減的因素

/// 01傳輸信號的頻率

電纜的衰減值會隨著傳輸信號頻率的升高而增大，如圖7所示。這種現(xiàn)象主要是由兩方面原因?qū)е碌模?/p>

① 導體

高頻信號傳輸，電流流過導體時會產(chǎn)生趨膚效應，即電流會在導體表面走，而不走中心位置，這就導致單位長度電阻會隨著頻率的平方根增加，對電流的傳到阻礙加大。

② 介質(zhì)

高頻信號傳輸，電磁波在介質(zhì)層中傳輸，介質(zhì)層材料的介電常數(shù)會隨著頻率的增加而增大，對電磁波的電場產(chǎn)生明顯阻礙作用。

并且隨著頻率的升高，介質(zhì)引起的衰減的速度要比導體引起的衰減的增加速度更快。這就如同跑步比賽中，你速度越快，體力消耗越大，風阻也越大，這是相同道理。

▲圖7? 信號幅度隨頻率的變化

/// 02電纜的材料??

電纜的材料是影響衰減值的一個重要因素。一般來說，銅線的傳輸效果比鋁線好，這是因為銅具有更高的導電性能，同時，電纜的絕緣材料也會影響衰減值，如圖8所示。

一般來說，絕緣材料的均一性越好，介電常數(shù)越小，電信號的衰減值就越小。

類比在跑步比賽中，這些就是好裝備的作用，好的運動鞋，好的比賽場地等，地利對成績的影響是非常關(guān)鍵的。

/// 03電纜的結(jié)構(gòu)

電纜的結(jié)構(gòu)也是影響衰減值的一個因素，同樣是傳輸信號的電纜可以設(shè)計成不同的結(jié)構(gòu)，如圖9所示。

結(jié)構(gòu)影響性能，這是通用性的道理。不同結(jié)構(gòu)的電纜對衰減的影響是不同的。

如同跑步比賽中，節(jié)奏的重要的性，適合的，穩(wěn)定的節(jié)奏是好成績的必備因素。

圖9? ?不同結(jié)構(gòu)的電纜

/// 04電纜的長度??

電纜的長度也會影響衰減值的大小。通常情況下，電纜的長度越長，衰減值就越大。因為電信號需要在電纜中傳播，傳播距離越長，衰減就越明顯，如圖10所示。

▲圖10? 電纜衰減與長度的關(guān)系

衰減的測試方法

目前來說，行業(yè)內(nèi)公認較為準確的測試方法是用網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試，當然，在一些精度不高的工業(yè)領(lǐng)域，也可以用手持式設(shè)備來進行測試。

從測試角度來說，衰減以接收信號電平的對應分貝（dB）來表示。分貝是輸出電壓（鏈路末端收到的信號的電壓）與輸入電壓（發(fā)射器送入線纜的電壓）之比的對數(shù)表示。

IL=-10log(Po/Pi)

式中：

Pi—→輸入到輸入端口的光功率, 單位為mw；

Po—→從輸出端口接收到的光功率,單位為mw。

本文以某一廠商設(shè)備為例，簡單講解一下衰減測試方法：

/// 01測試裝置示意圖

▲圖11? 測試裝置示意圖

/// 02在測試設(shè)備上設(shè)置起止頻率，測試S參數(shù)設(shè)置為S21；

/// 03連接夾具和儀器端口；

/// 04校準S21參數(shù)；

/// 05連接被測電纜測試衰減值；

萊尼（LEONI）目前是汽車電纜行業(yè)的領(lǐng)軍者，目前大部分的汽車線纜標準都是參考其定義的規(guī)格協(xié)議，并且是OPEN 、IEEE、 SAE等國際聯(lián)盟組織成員。萊尼在2001年注冊了汽車數(shù)據(jù)線纜的商標Dacar，其全稱為 “Data cable for cars”，為全球各大汽車品牌首選，現(xiàn)廣泛運用于自動駕駛，控制系統(tǒng)，影像雷達及音頻娛樂等領(lǐng)域。

萊尼中國作為技術(shù)研發(fā)驅(qū)動型企業(yè)，以客戶和主機廠需求為導向，不斷研發(fā)創(chuàng)新，持續(xù)為國內(nèi)客戶和主機廠提供有性價比的產(chǎn)品和技術(shù)解決方案，為國內(nèi)新能源汽車彎道超車貢獻自己的一份力量。

審核編輯：黃飛

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