矿用通信电缆衰减特性的实验验证

韩 蕾

（山西汾西矿业集团矿山设备管理中心， 山西 介休 032000）

1 矿用通信电缆衰减测试系统

实验器材包括：信号发送设备为YB1605H数字合成函数信号发生器（输出阻抗50 Ω，带宽1 mHz～5 MHz）；测量采集设备为HS801五合一综合测试仪（输入阻抗50 Ω，最大采样速率100 MHz/s）；阻抗匹配器件为双绞传输器（输入/输出阻抗 50 Ω/100 Ω，频率响应 DC-5 MHz）、100 Ω 纯电阻；测试电缆为安徽省砀山兴华电缆有限公司生产的MHYV7/0.37非屏蔽矿用通信电缆（电缆直径7.5mm，绝缘厚度0.58mm，导体直0.98mm）。本实验系统如图1所示[1-3]。

图1 矿用通信电缆衰减测试系统

为了保证测试的正确性和有效性，需要考虑测试设备对实验的影响，需使其与待测矿用电缆配才能实现正确的测量，尤其是信号发生器内阻较小，该部分影响不可忽略[4]。

信号发生器说明手册给出接口输出阻抗是50Ω，为了验证其准确性，对其输出阻抗进行测试，如图2所示。Zc为信号发生器内阻，在输出端直接连接100 Ω负载，信号发生器输出直流2 V电压，测量到V0=1.32 V，根据：

图2 信号发生器输出阻抗测试

可得Zc=51.5 Ω，因此验证了信号发生器输出阻抗为50 Ω。

2 测试步骤

1）依照图搭建矿用通信电缆衰减测试环境，用函数发生器发送一定电压幅度的正弦波，用综合测试仪测得A、B两点间电压V1（排除双绞传输器引入的衰减）[5]；

2）在1 kHz～5 MHz范围内，改变信号发生器发送正弦波的频率（幅度保持不变），分别测得C、D两点间对应电压V2；

3 测试数据

3.1 正弦波测试数据

依照 2 节测试步骤 1）、2）、3），本文测试了 10 m、20 m、30 m、40 m和50 mMHYV7/0.37矿用通信电缆的衰减，下页表1给出了测试信号为正弦波的测试数据，可得MHYV7/0.37矿用通信电缆理论上的传输衰减，二者的比较结果如下页图3—图7所示。

3.2 方波测试数据

下页表2给出了测试信号为方波的测试数据，测试数据与理论传输衰减的比较结果如下页图8—图12所示。

表1 不同长度MHYV7/0.37矿用通信电缆在不同频率的衰减值（正弦波） dB

图3 10 m MHYV7/0.37矿用通信电缆衰减模型和测试数据的比较

图4 20 m MHYV7/0.37矿用通信电缆衰减模型和测试数据的比较

图5 30 m MHYV7/0.37矿用通信电缆衰减模型和测试数据的比较

图6 40 m MHYV7/0.37矿用通信电缆衰减模型和测试数据的比较

图7 50 m MHYV7/0.37矿用通信电缆衰减模型和测试数据的比较

表2 不同长度MHYV7/0.37矿用通信电缆在不同频率的衰减值（方波） dB

4 测试结果分析

MHYV7/0.37矿用通信电缆的衰减模型HdB（f）与测试信号为正弦波的衰减数据的比较如图4—7所示，二者的一致性较好；与测试信号为方波的衰减数据的比较如下页图8—图12所示，可以看出，测试数据的衰减比衰减模型HdB（f）要大，二者的一致性较之于正弦波测试数据要差一些。根据傅里叶级数公式，方波信号可以被分解为正弦和余弦函数的n次谐波。对于MHYV7/0.37矿用通信电缆上的传输的方波信号分析时，可以对其进行分解，变换为多次谐波。由于矿用通信电缆的频率特性是一个低通信道，方波信号通过低通信道时，等幅衰减通过谐波数量下降，因此方波测试信号的衰减相对于正弦波测试信号的衰减要大，这就解释了在相同条件下方波测试信号与衰减模型的一致性较之于正弦波测试信号要差的原因。

通过比较衰减的测试值和HdB（f）的仿真结果，可以看出，衰减与线缆的长度、频率都有关系。频率较低时，衰减很小，几乎为0，实验数据与模型曲线吻合良好。随着频率的升高，衰减也随之增大，衰减在特殊频点出现波动，随着长度的增加，信号衰减随之增加，衰减出现抖动。建立的仿真模型能够真实地反应矿用通信电缆的衰减特性，当传输电缆在结构上改变时，通过改变仿真模型的参数能够模拟结构改变导致衰减特性的变化。在建立的衰减模型中，矿用通信电缆的特性阻抗与设定的100 Ω负载阻抗Zl，100 Ω信号源输出阻抗Zc近似匹配；在实际的测试系统中，矿用通信电缆的特性阻抗与100 Ω负载阻抗，100 Ω双绞传输器输出阻抗近似匹配。因此，信号在二者系统中以行驻波状态传输，传输过程中会出现谐振点，谐振位置与电缆的长度、传输信号的波长密切相关。如线长 /波长 =（2n+1）/4，n=0，1，2，…时，出现电压波节点，即电压振幅绝对值最小点，这时衰减出现一个波谷点；线长/波长=（2n+1）/4，n=0，1，2…时，出现电压波腹点，即电压振幅绝对值最大点，这时衰减出现一个波峰点。

图8 10 m MHYV7/0.37矿用通信电缆衰减模型和测试数据的比较

图9 20 m MHYV7/0.37矿用通信电缆衰减模型和测试数据的比较

图10 30 m MHYV7/0.37矿用通信电缆衰减模型和测试数据的比较

图11 40 m MHYV7/0.37矿用通信电缆衰减模型和测试数据的比较

以50 m MHYV7/0.37矿用通信电缆的衰减为例，理论上，在无损耗均匀传输线上，在1.5 MHz处出现电压波节点，3 MHz处出现电压波腹点，4.5 MHz处出现电压波节点，6 MHz处出现电压波腹点。由于50 mMHYV7/0.37矿用通信电缆是近似的无损耗均匀传输线，因此，电压波节点、电压波腹点在时间上会滞后出现，在频率上表现为提前出现。

图12 50 m MHYV7/0.37矿用通信电缆衰减模型和测试数据的比较

5 结论

对MHYV7/0.37矿用通信电缆的衰减进行了一系列的测试，通过实验测量验证矿用通信电缆的参数模型和衰减特性。矿用通信电缆的传输性能指标主要包括：衰减、插入损耗、信道容量等，这些指标与通信的信号完整性密切相关。

从图4—图7、图8—图12中可以看出，波谷点与波峰点所对应的频率与理论分析一致。而实测数据与模型曲线在谐振位置上的偏差是由于试验中测量误差造成的，测量误差的主要原因是，测试中使用的信号源是正弦信号，传输过程中由于线路的不均匀等因素造成线路阻抗的不匹配，从而引起信号的反射和叠加。