探究導(dǎo)體結(jié)構(gòu)對(duì)于電信號(hào)的影響

胡明濤

摘 要：隨著近些年來材料學(xué)和計(jì)算機(jī)學(xué)科的快速發(fā)展，對(duì)高精度設(shè)備中存在的信號(hào)傳輸失真問題的重視程度也隨之越來越高。對(duì)于在設(shè)備內(nèi)部負(fù)責(zé)信號(hào)傳輸?shù)膶?dǎo)體電纜來說，選擇一個(gè)既能滿足現(xiàn)代信息科技高要求，且又能在材料成本不提升的情況下提升電氣性能的空間結(jié)構(gòu)尤為關(guān)鍵。本課題也將對(duì)上述問題進(jìn)行探究，使用控制變量法，控制導(dǎo)體其他變量相同，對(duì)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)對(duì)所產(chǎn)生的信號(hào)影響進(jìn)行探究。本課題將對(duì)平行、絞合與利茲三種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體進(jìn)行測(cè)試，隨后包含數(shù)據(jù)收集與處理過程，以探究不同導(dǎo)體結(jié)構(gòu)對(duì)于電信號(hào)的影響。

關(guān)鍵詞：電磁學(xué);電信號(hào);導(dǎo)體結(jié)構(gòu);總諧波失真

中圖分類號(hào)：TN219 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2019）02-0238-02

0 引言

電在當(dāng)今人類生活中占有頗為重要的地位，可以說，假如沒有電，那么也不會(huì)有我們現(xiàn)在所生活的文明社會(huì)。從古代開始，人類就對(duì)電有所記載，我國(guó)考古工作者在古代漢字中發(fā)現(xiàn)了“雷”字和“電”字，但是古人對(duì)于電并沒有一個(gè)完整的概念，更多的是對(duì)于自然界現(xiàn)象的記錄，直到近代人類對(duì)于電的認(rèn)識(shí)才開始有質(zhì)的發(fā)展。

丹麥物理學(xué)家漢斯·克里斯蒂安·奧斯特在1820年4月發(fā)現(xiàn)電流和磁場(chǎng)相互作用現(xiàn)象，并發(fā)表在《關(guān)于磁針上碰撞效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)》上，這篇實(shí)驗(yàn)報(bào)告轟動(dòng)了歐洲和整個(gè)物理學(xué)界。既然奧斯特證明了電流能產(chǎn)生磁場(chǎng)，那么物理學(xué)家們很自然地想到：磁場(chǎng)能否產(chǎn)生電流，為此科學(xué)家開始了長(zhǎng)期的研究。在邁克爾·法拉第堅(jiān)持不懈地實(shí)驗(yàn)下，終于發(fā)現(xiàn)了只有變化的磁場(chǎng)才能產(chǎn)生電流，提出了著名的電磁感應(yīng)定律。之后麥克斯韋繼承和發(fā)展電磁理論，于1873年完成了《電磁學(xué)通論》，把安培定律、電磁感應(yīng)定律等電磁學(xué)定律，用數(shù)學(xué)公式表示為麥克斯韋方程組，把電磁學(xué)之間的聯(lián)系統(tǒng)一起來，并且首次預(yù)言了電磁波的存在。1888年，赫茲經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)后證明了電磁波的存在。人類從此對(duì)于電磁學(xué)的研究與認(rèn)識(shí)達(dá)到了新的高度。

近代以來發(fā)現(xiàn)，無論是數(shù)字信號(hào)抑或是模擬信號(hào)，由于交流電的本身性質(zhì)，在傳輸過程中勢(shì)必會(huì)在導(dǎo)體兩端產(chǎn)生電勢(shì)差。此時(shí)導(dǎo)體內(nèi)部變化的電場(chǎng)將引起導(dǎo)線周圍空間的磁場(chǎng)變化，這種變化將對(duì)周邊的導(dǎo)體產(chǎn)生影響，不同的導(dǎo)體材料和導(dǎo)體結(jié)構(gòu)將會(huì)產(chǎn)生不同的影響。本課題將探究不同導(dǎo)體結(jié)構(gòu)所引起的不同電流磁場(chǎng)，通過實(shí)物測(cè)試和理論模擬計(jì)算，探究導(dǎo)體結(jié)構(gòu)對(duì)模擬信號(hào)的影響。

1 本課題涉及公式說明

1.1 畢奧-薩伐爾定律

畢奧-薩伐爾定律可以定量描述電流散發(fā)磁場(chǎng)的規(guī)律，電流元散發(fā)的磁場(chǎng)的大小與電流元成正比，與電流元和矢徑夾角的正弦成正比，與矢徑的平方成反比，磁場(chǎng)的方向沿電流元與矢徑叉積的方向[1]。其中載流導(dǎo)線中的電流為I，在電流上取長(zhǎng)為d的定向線元，規(guī)定d的方向與電流的方向相同，Id為電流元。

1.2 電磁感應(yīng)定律

法拉第電磁感應(yīng)定律是關(guān)于電磁相互作用和相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律，當(dāng)穿過閉合回路所圍面積的磁通量發(fā)生變化時(shí)，不論這種變化是什么原因引起的，回路中都會(huì)建立起感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)[2]。電路中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)大小，跟電路的磁通量變化率成正比，E表示感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，ΔΦ/Δt表示磁通量的變化率。

1.3 麥克斯韋方程組

麥克斯韋方程組的產(chǎn)生和對(duì)電磁波的預(yù)言推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，完善了電磁學(xué)理論，確立了電荷、電流與電場(chǎng)、磁場(chǎng)之間的普遍聯(lián)系，揭示了電磁現(xiàn)象的基本屬性[3]。麥克斯韋方程組描述了電場(chǎng)和磁場(chǎng)的性質(zhì)，描述了變化的磁場(chǎng)激發(fā)電場(chǎng)的規(guī)律和傳導(dǎo)電流和變化的電場(chǎng)激發(fā)磁場(chǎng)的規(guī)律。麥克斯韋方程組的產(chǎn)生和對(duì)電磁波的預(yù)言推動(dòng)了物理學(xué)的發(fā)展，完善了電磁學(xué)理論，確立了電荷、電流與電場(chǎng)、磁場(chǎng)之間的普遍聯(lián)系，揭示了電磁現(xiàn)象的基本屬性[4]。

2 不同導(dǎo)體結(jié)構(gòu)影響的實(shí)測(cè)

針對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)，首先要決定導(dǎo)體類型，考慮到各種因素，最終采取了采用單支0.08SQ PFA絕緣的無氧銅鍍銀線芯。最后通過對(duì)信息科技領(lǐng)域設(shè)備內(nèi)部的導(dǎo)線結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)查，制作了3種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體，分別為螺旋結(jié)構(gòu)、平行結(jié)構(gòu)和利茲結(jié)構(gòu)，如圖1所示，對(duì)不同導(dǎo)體進(jìn)行實(shí)測(cè)和結(jié)果比對(duì)，探究?jī)?yōu)化導(dǎo)體結(jié)構(gòu)的途徑。

經(jīng)過具體調(diào)查發(fā)現(xiàn)市面上主流設(shè)備的內(nèi)部導(dǎo)體結(jié)構(gòu)為螺旋結(jié)構(gòu)，一些儀器或是專業(yè)設(shè)備內(nèi)部則使用帶狀的平行導(dǎo)體連接，少數(shù)信號(hào)線纜會(huì)采用利茲結(jié)構(gòu)。本實(shí)驗(yàn)將對(duì)以上三種常見的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究、實(shí)驗(yàn)、分析，探究導(dǎo)體結(jié)構(gòu)對(duì)于電信號(hào)的影響。

其中螺旋結(jié)構(gòu)為+相與-相各2根導(dǎo)體，先將同相2根導(dǎo)體依次絞合，再將2根絞合線再次絞合為1根。利茲結(jié)構(gòu)導(dǎo)體為+相與-相各2根導(dǎo)體，采用litz編制方式，得到有一定空間結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體。平行結(jié)構(gòu)為+相與-相各2根導(dǎo)體，將異相4根導(dǎo)體平行排布，采用帶狀物固定，防止結(jié)構(gòu)發(fā)生螺旋。

針對(duì)以上三種不同結(jié)構(gòu)的導(dǎo)體，對(duì)其對(duì)電信號(hào)的影響進(jìn)行探究，分別以噪聲級(jí)，總諧波失真，環(huán)繞聲串?dāng)_，頻率響應(yīng)等幾個(gè)方面進(jìn)行量化比較。其中噪音級(jí)用來描述噪音大小的等級(jí)分類?？傊C波失真（THD）是指用信號(hào)源輸入時(shí)，將輸出信號(hào)與輸入信號(hào)作對(duì)比，計(jì)算額外產(chǎn)生的諧波成分，其中，諧波失真是由系統(tǒng)不是完全線性造成的，由于這種特性就造成了諧波失真的普遍存在，它通常用百分?jǐn)?shù)來表示，在本實(shí)驗(yàn)中，我們將所有附加諧波電平之和稱為總諧波失真。環(huán)繞聲串?dāng)_是指兩條信號(hào)線之間的耦合、信號(hào)線之間的互感和互容引起線上的噪聲。頻率響應(yīng)是指把一個(gè)以恒電壓輸出的音頻信號(hào)與系統(tǒng)相連接時(shí)，音箱產(chǎn)生的聲壓隨頻率的變化而發(fā)生增大或衰減、相位隨頻率而發(fā)生變化的現(xiàn)象，聲壓相位與頻率的相關(guān)的變化關(guān)系稱為頻率響應(yīng)。

在本次實(shí)驗(yàn)中，選擇RightMark Audio Analyzer作為音頻系統(tǒng)測(cè)試工具，該軟件可以檢測(cè)聲卡和其他實(shí)時(shí)聲音設(shè)備的電聲表現(xiàn)，通過播放檢測(cè)信號(hào)并記錄其通過測(cè)試設(shè)備后的信號(hào)特征來實(shí)現(xiàn)測(cè)試。

使用該計(jì)算機(jī)軟件來改變導(dǎo)體不同的空間結(jié)構(gòu)，對(duì)于通過導(dǎo)體傳輸?shù)哪M信號(hào)進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，測(cè)試不同結(jié)構(gòu)引入的噪聲、頻響、串?dāng)_以及總諧波失真程度。通過測(cè)試得到以下具體數(shù)據(jù)，如表1所示。

3 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)以上結(jié)果，發(fā)現(xiàn)螺旋結(jié)構(gòu)具有失真低、串?dāng)_少的特點(diǎn)，不失為一種優(yōu)良的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)，在市面上也得到了廣泛利用，但是它同樣有著頻響范圍不足的問題。平行結(jié)構(gòu)頻響性能優(yōu)秀，其對(duì)于信號(hào)傳輸?shù)耐暾允沟盟谔厥忸I(lǐng)域有著更優(yōu)秀的表現(xiàn)。利茲結(jié)構(gòu)相對(duì)來說，制造成本高、電氣性能一般，但是它在實(shí)際使用過程中卻更加牢固，不易發(fā)生斷裂等老化損耗問題，且更加美觀，對(duì)于部分使用場(chǎng)景有一定前景。這三種結(jié)構(gòu)各有各的優(yōu)勢(shì)，也各有各的缺陷，在使用過程中應(yīng)該根據(jù)具體情況選擇合適的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)語

空間平面內(nèi)導(dǎo)體數(shù)量和排列方式的不同可以等效為不同的電容或是電感的電氣性能，因此不同的導(dǎo)體數(shù)量和結(jié)構(gòu)就自然會(huì)對(duì)電信號(hào)產(chǎn)生影響。并且，通過以上研究成果表明不同的導(dǎo)體結(jié)構(gòu)在不同的領(lǐng)域能發(fā)揮不同的功效。

由于數(shù)字信號(hào)導(dǎo)體兩端電勢(shì)差大小相對(duì)固定，因此認(rèn)為在設(shè)備內(nèi)部傳輸數(shù)字信號(hào)時(shí)使用平行結(jié)構(gòu)能夠使得信號(hào)更為完整，同時(shí)減少信號(hào)抖動(dòng)的引入，利于數(shù)字傳輸。在傳輸模擬信號(hào)時(shí)則看重總諧波失真，減少信號(hào)在導(dǎo)體傳輸過程中發(fā)生的衰減更為重要，因此市面上廣泛被采用的螺旋結(jié)構(gòu)的確是更優(yōu)秀的選擇。一些特種線纜由于使用環(huán)境的特殊性，對(duì)于導(dǎo)體本身的牢固程度有所要求。利茲結(jié)構(gòu)抗彎折、抗纏繞能力強(qiáng)，導(dǎo)體結(jié)構(gòu)不易在使用中被改變，在某些場(chǎng)合也能發(fā)揮其作用。

參考文獻(xiàn)

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