礦用通信電纜衰減特性的實驗驗證

韓 蕾

（山西汾西礦業集團礦山設備管理中心， 山西 介休 032000）

1 礦用通信電纜衰減測試系統

實驗器材包括：信號發送設備為YB1605H數字合成函數信號發生器（輸出阻抗50 Ω，帶寬1 mHz～5 MHz）；測量采集設備為HS801五合一綜合測試儀（輸入阻抗50 Ω，最大采樣速率100 MHz/s）；阻抗匹配器件為雙絞傳輸器（輸入/輸出阻抗 50 Ω/100 Ω，頻率響應 DC-5 MHz）、100 Ω 純電阻；測試電纜為安徽省碭山興華電纜有限公司生產的MHYV7/0.37非屏蔽礦用通信電纜（電纜直徑7.5mm，絕緣厚度0.58mm，導體直0.98mm）。本實驗系統如圖1所示[1-3]。

圖1 礦用通信電纜衰減測試系統

為了保證測試的正確性和有效性，需要考慮測試設備對實驗的影響，需使其與待測礦用電纜配才能實現正確的測量，尤其是信號發生器內阻較小，該部分影響不可忽略[4]。

信號發生器說明手冊給出接口輸出阻抗是50Ω，為了驗證其準確性，對其輸出阻抗進行測試，如圖2所示。Zc為信號發生器內阻，在輸出端直接連接100 Ω負載，信號發生器輸出直流2 V電壓，測量到V0=1.32 V，根據：

圖2 信號發生器輸出阻抗測試

可得Zc=51.5 Ω，因此驗證了信號發生器輸出阻抗為50 Ω。

2 測試步驟

1）依照圖搭建礦用通信電纜衰減測試環境，用函數發生器發送一定電壓幅度的正弦波，用綜合測試儀測得A、B兩點間電壓V1（排除雙絞傳輸器引入的衰減）[5]；

2）在1 kHz～5 MHz范圍內，改變信號發生器發送正弦波的頻率（幅度保持不變），分別測得C、D兩點間對應電壓V2；

3 測試數據

3.1 正弦波測試數據

依照 2 節測試步驟 1）、2）、3），本文測試了 10 m、20 m、30 m、40 m和50 mMHYV7/0.37礦用通信電纜的衰減，下頁表1給出了測試信號為正弦波的測試數據，可得MHYV7/0.37礦用通信電纜理論上的傳輸衰減，二者的比較結果如下頁圖3—圖7所示。

3.2 方波測試數據

下頁表2給出了測試信號為方波的測試數據，測試數據與理論傳輸衰減的比較結果如下頁圖8—圖12所示。

表1 不同長度MHYV7/0.37礦用通信電纜在不同頻率的衰減值（正弦波） dB

圖3 10 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測試數據的比較

圖4 20 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測試數據的比較

圖5 30 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測試數據的比較

圖6 40 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測試數據的比較

圖7 50 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測試數據的比較

表2 不同長度MHYV7/0.37礦用通信電纜在不同頻率的衰減值（方波） dB

4 測試結果分析

MHYV7/0.37礦用通信電纜的衰減模型HdB（f）與測試信號為正弦波的衰減數據的比較如圖4—7所示，二者的一致性較好；與測試信號為方波的衰減數據的比較如下頁圖8—圖12所示，可以看出，測試數據的衰減比衰減模型HdB（f）要大，二者的一致性較之于正弦波測試數據要差一些。根據傅里葉級數公式，方波信號可以被分解為正弦和余弦函數的n次諧波。對于MHYV7/0.37礦用通信電纜上的傳輸的方波信號分析時，可以對其進行分解，變換為多次諧波。由于礦用通信電纜的頻率特性是一個低通信道，方波信號通過低通信道時，等幅衰減通過諧波數量下降，因此方波測試信號的衰減相對于正弦波測試信號的衰減要大，這就解釋了在相同條件下方波測試信號與衰減模型的一致性較之于正弦波測試信號要差的原因。

通過比較衰減的測試值和HdB（f）的仿真結果，可以看出，衰減與線纜的長度、頻率都有關系。頻率較低時，衰減很小，幾乎為0，實驗數據與模型曲線吻合良好。隨著頻率的升高，衰減也隨之增大，衰減在特殊頻點出現波動，隨著長度的增加，信號衰減隨之增加，衰減出現抖動。建立的仿真模型能夠真實地反應礦用通信電纜的衰減特性，當傳輸電纜在結構上改變時，通過改變仿真模型的參數能夠模擬結構改變導致衰減特性的變化。在建立的衰減模型中，礦用通信電纜的特性阻抗與設定的100 Ω負載阻抗Zl，100 Ω信號源輸出阻抗Zc近似匹配；在實際的測試系統中，礦用通信電纜的特性阻抗與100 Ω負載阻抗，100 Ω雙絞傳輸器輸出阻抗近似匹配。因此，信號在二者系統中以行駐波狀態傳輸，傳輸過程中會出現諧振點，諧振位置與電纜的長度、傳輸信號的波長密切相關。如線長 /波長 =（2n+1）/4，n=0，1，2，…時，出現電壓波節點，即電壓振幅絕對值最小點，這時衰減出現一個波谷點；線長/波長=（2n+1）/4，n=0，1，2…時，出現電壓波腹點，即電壓振幅絕對值最大點，這時衰減出現一個波峰點。

圖8 10 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測試數據的比較

圖9 20 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測試數據的比較

圖10 30 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測試數據的比較

圖11 40 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測試數據的比較

以50 m MHYV7/0.37礦用通信電纜的衰減為例，理論上，在無損耗均勻傳輸線上，在1.5 MHz處出現電壓波節點，3 MHz處出現電壓波腹點，4.5 MHz處出現電壓波節點，6 MHz處出現電壓波腹點。由于50 mMHYV7/0.37礦用通信電纜是近似的無損耗均勻傳輸線，因此，電壓波節點、電壓波腹點在時間上會滯后出現，在頻率上表現為提前出現。

圖12 50 m MHYV7/0.37礦用通信電纜衰減模型和測試數據的比較

5 結論

對MHYV7/0.37礦用通信電纜的衰減進行了一系列的測試，通過實驗測量驗證礦用通信電纜的參數模型和衰減特性。礦用通信電纜的傳輸性能指標主要包括：衰減、插入損耗、信道容量等，這些指標與通信的信號完整性密切相關。

從圖4—圖7、圖8—圖12中可以看出，波谷點與波峰點所對應的頻率與理論分析一致。而實測數據與模型曲線在諧振位置上的偏差是由于試驗中測量誤差造成的，測量誤差的主要原因是，測試中使用的信號源是正弦信號，傳輸過程中由于線路的不均勻等因素造成線路阻抗的不匹配，從而引起信號的反射和疊加。