雙絞線以太網(wǎng)布線被認為是一種成熟和可靠的技術(shù)，多年來一直是進行 10Base-T 和 100Base-T 數(shù)據(jù)速率傳輸?shù)目煽窟x擇。然而，隨著高速以太網(wǎng)流量達到每秒 1 千兆位 (Gb/s) 和更高的速度，設(shè)計者不得不面對這樣的現(xiàn)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?dāng)_、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(yè)自動化設(shè)施中，這些問題會變得更加嚴重。在設(shè)計布局以及用在像機器人和其他機械這樣的應(yīng)用中時，這些問題會增加以太網(wǎng)電纜扭曲和彎曲的復(fù)雜性。這種反復(fù)彎曲會使雙絞線分離，影響電纜的電氣性能。由此產(chǎn)生的信號衰減會帶來間歇性的數(shù)據(jù)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(dǎo)致漫長而昂貴的系統(tǒng)停機時間。

本文討論了在雙絞線上發(fā)送高速數(shù)字以太網(wǎng)數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)。它解釋了如何使用粘連線對以太網(wǎng)電纜為長距離的高速以太網(wǎng)數(shù)據(jù)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(wǎng)電纜實例，并展示如何用它們來確保工業(yè)環(huán)境中以太網(wǎng)信號的完整性。

可靠地發(fā)送千兆位以太網(wǎng)數(shù)據(jù)

標準以太網(wǎng)電纜通過雙絞線銅線發(fā)送數(shù)據(jù)。在過去，價格較低的電纜可能只使用兩根雙絞線，但現(xiàn)代的傳統(tǒng)以太網(wǎng)電纜有四根雙絞線，用于高速數(shù)據(jù)傳輸和以太網(wǎng)供電 (PoE)。由于電纜結(jié)構(gòu)、電纜長度、干擾和數(shù)據(jù)速率，所有以太網(wǎng)電纜都在一定程度上遭受信號衰減。如果高速數(shù)據(jù)是通過 10 米 (m) 或更長的電纜發(fā)送的，則要由電纜結(jié)構(gòu)負責(zé)防止過度的信號衰減。

大多數(shù)商業(yè)和低速工業(yè)以太網(wǎng)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(shù)據(jù)，高速數(shù)據(jù)通常使用較低的信號電壓，使得高速數(shù)據(jù)更容易受到信號衰減和電線電阻造成的數(shù)據(jù)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(chǎn)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(shè)電纜時可能需要一些額外的努力。

雙絞線以太網(wǎng)電纜在 RJ45 插頭處對接收器和發(fā)射器呈現(xiàn)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(dǎo)體的中心間距的影響。重物撞擊或電纜拉伸或擠壓產(chǎn)生的應(yīng)力會使雙絞線分離，從而改變某些部分的中心間距。這導(dǎo)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(shù)據(jù)丟失。

串?dāng)_是造成信號衰減的另一個原因。兩條高速線并聯(lián)運行將導(dǎo)致每個導(dǎo)體在另一條線上感應(yīng)出電流，這是串?dāng)_的最壞情況。為了盡量減少串?dāng)_和信號損失的風(fēng)險，導(dǎo)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?dāng)_，降低信號的可靠性。

阻抗損失與串?dāng)_的結(jié)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(yù)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(dǎo)致間歇性的數(shù)據(jù)丟失。這個問題可能是出了名的難以診斷，并可能導(dǎo)致過多的停機時間。在高振動的工業(yè)環(huán)境中，這個問題會更加嚴重，因為以太網(wǎng)電纜的位置在移動，導(dǎo)致電氣特征發(fā)生變化，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)信號問題，當(dāng)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(wǎng)電纜

如上所述，阻抗損耗、串?dāng)_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(huán)境中進行高速以太網(wǎng)連接布線的設(shè)計者來說，Belden 已經(jīng)通過其用于千兆位以太網(wǎng)的 10GX CAT6 和 CAT5E 粘連線對模塊化以太網(wǎng)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(dǎo)體之間保持固定的導(dǎo)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?dāng)_的風(fēng)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(dǎo)體與導(dǎo)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(wǎng)電纜還使用實心銅導(dǎo)體作為雙絞線，以減少電阻。此外，與 PoE 應(yīng)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?dāng)_，使千兆位以太網(wǎng)的數(shù)據(jù)完整性得到明顯改善，即使是在惡劣的環(huán)境中也是如此。

對于千兆位以太網(wǎng)接插線，Belden 提供了 C601106010 10 英尺粘連線對以太網(wǎng)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(yīng)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(wǎng)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(yīng)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(wǎng)電纜的直徑為 5.715 毫米 (mm)，是典型的以太網(wǎng)電纜直徑。C601106010 采用粘連線對和實心線結(jié)構(gòu)，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(shè)商業(yè)電纜的應(yīng)用。

該電纜組件每個觸點的額定電流為 1.500 安培 (A)。結(jié)合千兆位的速度等級，因此 C601106010 適用于工業(yè) PoE 應(yīng)用，如機器人和工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 端點。最大接觸電阻為 0.020 Ω，在 1.500 A 條件下僅產(chǎn)生 0.300 瓦的熱量，對于工業(yè)應(yīng)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(yīng)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(yè)自動化應(yīng)用。

為實現(xiàn)更長的距離，Belden 制造了 CA21106025 25 英尺粘連線對以太網(wǎng)電纜組件。這是一個 CAT6a 電纜組件，其基本電氣規(guī)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(chǎn)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(dǎo)致直徑達 6.731 毫米，比商業(yè)電纜略粗，但完全在電纜導(dǎo)向器和普通布線方法的公差范圍內(nèi)。

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(yè)自動化應(yīng)用，以及在整個設(shè)施中傳輸高清視頻。

結(jié)語

千兆位以太網(wǎng)正在為工業(yè)自動化設(shè)施帶來更高的數(shù)據(jù)速率。隨著這些數(shù)據(jù)速率的增加，干擾、串?dāng)_和回波損耗的風(fēng)險也隨之增加，這可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)連接的中斷。這在工業(yè)應(yīng)用中尤其如此，因為電纜可能會被反復(fù)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(wǎng)電纜，設(shè)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(wǎng)絡(luò)升級和新部署的 PoE 要求。

審核編輯：符乾江