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雙絞線以太網布線被認為是一種成熟和可靠的技術，多年來一直是進行 10Base-T 和 100Base-T 數據速率傳輸的可靠選擇。然而，隨著高速以太網流量達到每秒 1 千兆位 (Gb/s) 和更高的速度，設計者不得不面對這樣的現實：信號對電纜不一致的寬容度降低，變得更容易受到干擾、串擾、阻抗損失、反射信號引起的回波損耗和衰減的影響。 隨著電纜長度的增加，例如在工業自動化設施中，這些問題會變得更加嚴重。在設計布局以及用在像機器人和其他機械這樣的應用中時，這些問題會增加以太網電纜扭曲和彎曲的復雜性。這種反復彎曲會使雙絞線分離，影響電纜的電氣性能。由此產生的信號衰減會帶來間歇性的數據損失，并隨著時間推移而惡化。這些類型的錯誤是出了名的難以識別和排除的，導致漫長而昂貴的系統停機時間。 本文討論了在雙絞線上發送高速數字以太網數據的挑戰。它解釋了如何使用粘連線對以太網電纜為長距離的高速以太網數據提供一致的性能，包括減少信號損失和承受物理濫用。然后會介紹兩個來自 Belden 的粘連線對以太網電纜實例，并展示如何用它們來確保工業環境中以太網信號的完整性。 可靠地發送千兆位以太網數據 標準以太網電纜通過雙絞線銅線發送數據。在過去，價格較低的電纜可能只使用兩根雙絞線，但現代的傳統以太網電纜有四根雙絞線，用于高速數據傳輸和以太網供電 (PoE)。由于電纜結構、電纜長度、干擾和數據速率，所有以太網電纜都在一定程度上遭受信號衰減。如果高速數據是通過 10 米 (m) 或更長的電纜發送的，則要由電纜結構負責防止過度的信號衰減。 大多數商業和低速工業以太網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，在地板和安裝點上貼上膠帶后可以保持原位。然而，與實心銅線相比，絞合銅線對電流流動的阻力更大，尤其是在長距離傳輸時。這使得實心銅線更適合于高速數據，高速數據通常使用較低的信號電壓，使得高速數據更容易受到信號衰減和電線電阻造成的數據損失的影響。對于 PoE 來說，與絞合銅相比，實心銅還可以承載更多的電流，產生的熱量也更少，因此是更合適的選擇。 實心銅線的缺點是，它不能很好地彎曲，比絞合銅線更抗彎曲，因此在鋪設電纜時可能需要一些額外的努力。 雙絞線以太網電纜在 RJ45 插頭處對接收器和發射器呈現出一種特性阻抗。通常情況下，這個阻抗是 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體的中心間距的影響。重物撞擊或電纜拉伸或擠壓產生的應力會使雙絞線分離，從而改變某些部分的中心間距。這導致了電纜阻抗的變化，使信號下降。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) 就可能會造成數據丟失。 串擾是造成信號衰減的另一個原因。兩條高速線并聯運行將導致每個導體在另一條線上感應出電流，這是串擾的最壞情況。為了盡量減少串擾和信號損失的風險，導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，會增加線對之間的串擾，降低信號的可靠性。 阻抗損失與串擾的結合，加上電纜的距離電阻，會因為信號反射回其源頭而造成回波損耗。雖然回波損耗是預期的，并且在終端使用回波消除進行補償，但過多的回波損耗可能是一個嚴重的問題，導致間歇性的數據丟失。這個問題可能是出了名的難以診斷，并可能導致過多的停機時間。在高振動的工業環境中，這個問題會更加嚴重，因為以太網電纜的位置在移動，導致電氣特征發生變化，從而導致數據信號問題，當振動或移動停止時，這些問題就會神秘地消失。 粘連線對以太網電纜 如上所述，阻抗損耗、串擾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重影響。對于在惡劣環境中進行高速以太網連接布線的設計者來說，Belden 已經通過其用于千兆位以太網的 10GX CAT6 和 CAT5E 粘連線對模塊化以太網電纜解決了這個問題。 粘連線對通過將雙絞線物理粘接在一起，在雙絞線導體之間保持固定的導體中心間距，甚至可防止臨時分離（圖 1）。這大大減少了阻抗損失和串擾的風險。 
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體與導體的中心性。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 粘連線對以太網電纜還使用實心銅導體作為雙絞線，以減少電阻。此外，與 PoE 應用中的絞合銅線相比，實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，最大限度地減少串擾，使千兆位以太網的數據完整性得到明顯改善，即使是在惡劣的環境中也是如此。 對于千兆位以太網接插線，Belden 提供了 C601106010 10 英尺粘連線對以太網電纜組件（圖 2）。這是一根 CAT6+ 電纜組件，有四個由 24 AWG 實心銅線組成的粘連雙絞線對。兩端用 RJ45 插頭端接，其彈性護套模壓在聚氯乙烯 (PVC) 外護套上，形成一個強大的應力消除裝置，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。
圖 2：Belden C601106010 以太網線采用兩個 RJ45 插頭進行端接，在 PVC 護套上模壓了一個彈性護套應力消除裝置，以保護電纜端接免受灰塵和濕氣的影響。（圖片來源：Belden） 藍色以太網電纜的直徑為 5.715 毫米 (mm)，是典型的以太網電纜直徑。C601106010 采用粘連線對和實心線結構，不會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商業電纜的應用。 該電纜組件每個觸點的額定電流為 1.500 安培 (A)。結合千兆位的速度等級，因此 C601106010 適用于工業 PoE 應用，如機器人和工業物聯網 (IIoT) 端點。最大接觸電阻為 0.020 Ω，在 1.500 A 條件下僅產生 0.300 瓦的熱量，對于工業應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自動化應用。 為實現更長的距離，Belden 制造了 CA21106025 25 英尺粘連線對以太網電纜組件。這是一個 CAT6a 電纜組件，其基本電氣規格與 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天線，可能會接收周圍電子產品的電磁輻射。為了確保信號的完整性，CA21106025 有一個鋁箔外屏蔽層。這導致直徑達 6.731 毫米，比商業電纜略粗，但完全在電纜導向器和普通布線方法的公差范圍內。 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自動化應用，以及在整個設施中傳輸高清視頻。 結語 千兆位以太網正在為工業自動化設施帶來更高的數據速率。隨著這些數據速率的增加，干擾、串擾和回波損耗的風險也隨之增加，這可能導致數據連接的中斷。這在工業應用中尤其如此，因為電纜可能會被反復彎曲，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電纜，設計者可以在更遠的距離上舒適地使用更高的速度，同時滿足網絡升級和新部署的 PoE 要求。 來源：Digi-Key 作者：Bill Giovino |
