原创 USB4的同轴结构性能计算说明

当电子电路的操作频率愈来愈高，电子组件的电气特性就愈难掌握。当组件尺寸或整体电路尺寸与操作频率所对应的波长相比大于一比十时，线路的电感电容值，或是组件的寄生效应甚至材料特性等，随操作频率增加而被突显出来。因此一条走线不再是一个单纯的连接线，组件也不再由一个单纯的理想值所决定；而得由许许多多的等效电路来表示。此时便无法用电表量得一个单纯的值， 而须以较高频的电磁特性或传输线理论(transmissionline theory)来加以分析，目前USB4规格里面，由于对绞版本结构的性能无法满足协会的测试要求，同轴结构再次受到关注和应用，而且这个同轴结构的线材传输信号并不是传统的以一根同轴线的内外导体进行信号传输，而是两根同轴线进行差分信号传输？这样的话跟传统的STP的优势在哪？从规范对同轴线的定义可知，单根同轴线的阻抗为45 Ohms,这样实际两根同轴线的差分阻抗也在90 Ohms左右。对于成品线，其测试要求无论对同轴线结构还是STP结构都是一样的，所以同轴结构的意义在哪呢？众所周知，同轴线结构的线材相对来讲成本要高很多，产能相比差分对要低很多，加工难度更是不言而喻，为何大家还乐此不疲的去应用同轴结构呢，同轴结构性能高频参数有那些优势呢？

同轴结构主要的计算公式

同轴计算公式解析

Capacitance=水中电容，当我们生产发泡系列产品适合，需要计算水中电容值进行匹配，水中电容一般会有设备的水中电容仪在线查看，需要保持稳定，电容稳定最终可以满足阻抗稳定。

影响水中电容的因素﹕

A. ε，介电系数(高频参数基础篇08-绝缘介电系数），每种材料都有标准的介电系数，水中电容里面最主要的变量，好的绝缘材料可以让水中电容更稳定。D，绝缘OD，d,导体OD。同轴电缆的一个回路是同轴对它是对地不对称的；在金属圆管称为外导体内配置另一圆形导体称为内导体，用绝缘介质使两者相互绝缘并保持轴心重合，这样所构成的线对称同轴对,同轴电缆的一次传输参数主要随电流的频率及电缆结构尺寸 D/d 变化而变化,有效电阻随频率的增大而增大;而与内外导体直径比没直接的关系. 

B.inductance,导体上流过单位安培电流时，导体周围磁力线圈的韦伯值，电感常用L表示，单位为H，m H，μ H，电感的近似计算公式为：

U=L*di/dt。L是电感量，di/dt代表电流对时间的导数，可以理解为电流变化的快慢。di/dt代表电流对时间的导数。电感L是基本单位。

dI/dt是微分，表示的是单位时间内通过线圈的电流

实际上，影响电感的唯一因素就是导体的分布和在铁磁金属情况是导体的导磁率；三个基本电感定律：

定律一：电流周围将形成闭合磁力线圈（右手定则）。

定律二：电感式导体上流过单位安培电流时，导体周围磁 力线圈的韦伯值。

定律三：当导体周围的磁力线圈匝数变化时，导体两端将产生感应电压。 

电感随频率的增大而减小,随内外导体直径比增大而增大,而电容与频率无关随直径比的增大而减小；电导与频率基本上成正比随直径的增大而减小。

C.Inpendance ，公式中可以看到，其和电感电容，介质有关，阻抗不匹配会造成，理论上，这里的阻抗可以理解为频域中的衰减，但衰减却与频率没有内在联系，然而事实上，在现实世界中，对于非常好的传输，由於趋肤效应的影响，单位长度串联电阻随著频率的平方根增加；由於介质损耗因数的影响，单位长度并联电导随著频率而增加，这意味著衰减也会随著频率的升高而增加，高频率正弦波的衰减要大於低频率的衰减.单位元长度损耗由两部分组成，一部分是由导线损耗引起的衰减：αcond=4.34(RL/Z0),另一部分衰减与介质材料损耗有关：αdiel=4.34(GL*Z0)，总衰减為：αdB=αcond＋αdiel随著频率的升高，介质引起衰减的增加速度要比导线引起衰减的增加速度快，那麼会存在某一频率，使得在这一频率之上时介质引起的衰减处於主导地位.

当一束光从空气射向水中时会发生反射，这是因为光和水的光导特性不同。同样，当信号传输中如果传输线上发生特性阻抗突变也会发生反射。波长与频率成反比，低频信号的波长远远大于传输线的长度，因此一般不用考虑反射问题。高频领域，当信号的波长与传输线长出于相同量级时反射的信号易与原信号混叠，影响信号质量。通过阻抗匹配可有效减少、消除高频信号反射，所以我们需要测试特性阻抗，抓取平衡稳定的数值来改善由于反射造成的不良测试现象，所以阻抗稳定就显得非常重要，控制信号线的特性阻抗对高频信号的完整性是非常重要的，因为特性阻抗的值会影响差分信号的眼图、信号带宽、信号抖动和信号线上的干扰电压等。

D.Velocity,绝缘介电系数决定，开车在高速公路上跑，跑多快因素很多，主要有车道设计是否合理，一个设计跑300码的玛莎拉蒂跑车，你去我们乡下的马路跑也没毛线用，本身车子的质量也很关键，线材的绝缘介电系数直接影响。

E.Delay，延时，主要和选材有关，常见的Delay可分为二种：

一.差分对内延迟差(Inter-pair Skew)，是指输入差分讯号下，同一对线内两导体线之Single-end Delay的差值(相减)；是在TDR上设定Differential讯号，一次直接可以量得.

二.差分对间延迟差(Inter-pair Skew)，是指不同对线间之Differential Delay的差值(相减)，（差分）对间延迟差(Inter-pair Skew)，是指不同对线间之Differential Delay相减；是分2次以上量测再计算得到的.

位(时)差-- SKEW      单位：ps/ns

F.VSWR,驻波比；电压驻波比为英文Voltage Standing Wave Ratio的简写；是指反射波比入射波叠加结果在线缆上形成驻波，造成射线各点的电压和电流的振幅不同，以Z/2的週期变化，我们定义相邻的波峰点与波谷点的电压振幅之比，称之为电压驻波比“VSWR”，一般我们用NA来量测.

应用在线缆上面非书本上的定义来说，VSWR是衡量传输线上驻波情况的一个定义。它定义为在无损耗的传输线上，电压最大值点的电压和最小值点电压的比值。虽然在传输线上电流也满足同样的关系，但测量电压总比测量电流要来得简单。如果天线的阻抗匹配和发射机以及馈线的阻抗是匹配的，那么测量到的VSWR应该是1:1也即1，而当阻抗不能完全匹配的时候，VSWR可能为2:1甚至5:1以上。

同轴优势汇总说明

同轴线物理性能的优点：

线材直径可以做小，相比对绞线结构。

线材的柔软性更好，相比对绞线结构。

线材的弯折性能佳，相比对绞线结构。

同轴高频性能的优点

从同轴线的解剖结构图中可看到，从内到外分别为：中心导线、绝缘层、外层导电层（金属网）、线材外皮。同轴电缆是一种由两个导体组成的合成物，同轴电缆的中心导线用于传输信号，金属屏蔽网起了两个作用：一是作为信号的公共地线为信号提供电流回路，二是作为信号的屏蔽网，抑制电磁噪音对信号的干扰。中心导线与屏蔽网介于半发泡的聚丙烯绝缘层之间，绝缘层决定了电缆的传输特性，而且有效保护了中间的导线。如今USB4和雷电4或者HDMI2.1采用两根同轴线进行差分信号传输

顾名思义，以上就总结为同轴线是由一层层的绝缘层包裹着中央铜导体，金属网状层包裹在绝缘层外面构成的，由于外层金属网和中心轴线在同一个轴心上，故称为同轴线。

金属网可屏蔽外层的电磁干扰，

数据线的干扰一部分来自外部磁场，另一部分来自传输变化的信号时自身产生的磁场。

同轴电缆由于金属屏蔽网的存在，外部磁场不能穿过屏蔽层，内部磁场也不能穿过屏蔽层。当信号在同轴电缆内传输时其受到的衰减与传输距离和信号本身的频率有关。

对于高频信号，传输距离越远，信号衰减越大，为了达到高频信号远距离传输的目的，通常会使用同轴放大器对信号进行放大和补偿