探究导体结构对于电信号的影响

摘 要：随着近些年来材料学和计算机学科的快速发展，对高精度设备中存在的信号传输失真问题的重视程度也随之越来越高。对于在设备内部负责信号传输的导体电缆来说，选择一个既能满足现代信息科技高要求，且又能在材料成本不提升的情况下提升电气性能的空间结构尤为关键。本课题也将对上述问题进行探究，使用控制变量法，控制导体其他变量相同，对导体结构对所产生的信号影响进行探究。本课题将对平行、绞合与利兹三种不同结构的导体进行测试，随后包含数据收集与处理过程，以探究不同导体结构对于电信号的影响。

关键词：电磁学;电信号;导体结构;总谐波失真

中图分类号：TN219 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2019）02-0238-02

0 引言

电在当今人类生活中占有颇为重要的地位，可以说，假如没有电，那么也不会有我们现在所生活的文明社会。从古代开始，人类就对电有所记载，我国考古工作者在古代汉字中发现了“雷”字和“电”字，但是古人对于电并没有一个完整的概念，更多的是对于自然界现象的记录，直到近代人类对于电的认识才开始有质的发展。

丹麦物理学家汉斯·克里斯蒂安·奥斯特在1820年4月发现电流和磁场相互作用现象，并发表在《关于磁针上碰撞效应的实验》上，这篇实验报告轰动了欧洲和整个物理学界。既然奥斯特证明了电流能产生磁场，那么物理学家们很自然地想到：磁场能否产生电流，为此科学家开始了长期的研究。在迈克尔·法拉第坚持不懈地实验下，终于发现了只有变化的磁场才能产生电流，提出了著名的电磁感应定律。之后麦克斯韦继承和发展电磁理论，于1873年完成了《电磁学通论》，把安培定律、电磁感应定律等电磁学定律，用数学公式表示为麦克斯韦方程组，把电磁学之间的联系统一起来，并且首次预言了电磁波的存在。1888年，赫兹经过一系列实验后证明了电磁波的存在。人类从此对于电磁学的研究与认识达到了新的高度。

近代以来发现，无论是数字信号抑或是模拟信号，由于交流电的本身性质，在传输过程中势必会在导体两端产生电势差。此时导体内部变化的电场将引起导线周围空间的磁场变化，这种变化将对周边的导体产生影响，不同的导体材料和导体结构将会产生不同的影响。本课题将探究不同导体结构所引起的不同电流磁场，通过实物测试和理论模拟计算，探究导体结构对模拟信号的影响。

1 本课题涉及公式说明

1.1 毕奥-萨伐尔定律

毕奥-萨伐尔定律可以定量描述电流散发磁场的规律，电流元散发的磁场的大小与电流元成正比，与电流元和矢径夹角的正弦成正比，与矢径的平方成反比，磁场的方向沿电流元与矢径叉积的方向[1]。其中载流导线中的电流为I，在电流上取长为d的定向线元，规定d的方向与电流的方向相同，Id为电流元。

1.2 电磁感应定律

法拉第电磁感应定律是关于电磁相互作用和相互转换的规律，当穿过闭合回路所围面积的磁通量发生变化时，不论这种变化是什么原因引起的，回路中都会建立起感应电动势[2]。电路中感应电动势大小，跟电路的磁通量变化率成正比，E表示感应电动势，ΔΦ/Δt表示磁通量的变化率。

1.3 麦克斯韦方程组

麦克斯韦方程组的产生和对电磁波的预言推动了物理学的发展，完善了电磁学理论，确立了电荷、电流与电场、磁场之间的普遍联系，揭示了电磁现象的基本属性[3]。麦克斯韦方程组描述了电场和磁场的性质，描述了变化的磁场激发电场的规律和传导电流和变化的电场激发磁场的规律。麦克斯韦方程组的产生和对电磁波的预言推动了物理学的发展，完善了电磁学理论，确立了电荷、电流与电场、磁场之间的普遍联系，揭示了电磁现象的基本属性[4]。

2 不同导体结构影响的实测

针对于本次实验，首先要决定导体类型，考虑到各种因素，最终采取了采用单支0.08SQ PFA绝缘的无氧铜镀银线芯。最后通过对信息科技领域设备内部的导线结构进行调查，制作了3种不同结构的导体，分别为螺旋结构、平行结构和利兹结构，如图1所示，对不同导体进行实测和结果比对，探究优化导体结构的途径。

经过具体调查发现市面上主流设备的内部导体结构为螺旋结构，一些仪器或是专业设备内部则使用带状的平行导体连接，少数信号线缆会采用利兹结构。本实验将对以上三种常见的导体结构进行研究、实验、分析，探究导体结构对于电信号的影响。

其中螺旋结构为+相与-相各2根导体，先将同相2根导体依次绞合，再将2根绞合线再次绞合为1根。利兹结构导体为+相与-相各2根导体，采用litz编制方式，得到有一定空间结构的导体。平行结构为+相与-相各2根导体，将异相4根导体平行排布，采用带状物固定，防止结构发生螺旋。

针对以上三种不同结构的导体，对其对电信号的影响进行探究，分别以噪声级，总谐波失真，环绕声串扰，频率响应等几个方面进行量化比较。其中噪音级用来描述噪音大小的等级分类。总谐波失真（THD）是指用信号源输入时，将输出信号与输入信号作对比，计算额外产生的谐波成分，其中，谐波失真是由系统不是完全线性造成的，由于这种特性就造成了谐波失真的普遍存在，它通常用百分数来表示，在本实验中，我们将所有附加谐波电平之和称为总谐波失真。环绕声串扰是指两条信号线之间的耦合、信号线之间的互感和互容引起线上的噪声。频率响应是指把一个以恒电压输出的音频信号与系统相连接时，音箱产生的声压随频率的变化而发生增大或衰减、相位随频率而发生变化的现象，声压相位与频率的相关的变化关系称为频率响应。

在本次实验中，选择RightMark Audio Analyzer作为音频系统测试工具，该软件可以检测声卡和其他实时声音设备的电声表现，通过播放检测信号并记录其通过测试设备后的信号特征来实现测试。

使用该计算机软件来改变导体不同的空间结构，对于通过导体传输的模拟信号进行模数转换，测试不同结构引入的噪声、频响、串扰以及总谐波失真程度。通过测试得到以下具体数据，如表1所示。

3 数据分析

根据以上结果，发现螺旋结构具有失真低、串扰少的特点，不失为一种优良的导体结构，在市面上也得到了广泛利用，但是它同样有着频响范围不足的问题。平行结构频响性能优秀，其对于信号传输的完整性使得它在特殊领域有着更优秀的表现。利兹结构相对来说，制造成本高、电气性能一般，但是它在实际使用过程中却更加牢固，不易发生断裂等老化损耗问题，且更加美观，对于部分使用场景有一定前景。这三种结构各有各的优势，也各有各的缺陷，在使用过程中应该根据具体情况选择合适的导体结构。

4 结语

空间平面内导体数量和排列方式的不同可以等效为不同的电容或是电感的电气性能，因此不同的导体数量和结构就自然会对电信号产生影响。并且，通过以上研究成果表明不同的導体结构在不同的领域能发挥不同的功效。

由于数字信号导体两端电势差大小相对固定，因此认为在设备内部传输数字信号时使用平行结构能够使得信号更为完整，同时减少信号抖动的引入，利于数字传输。在传输模拟信号时则看重总谐波失真，减少信号在导体传输过程中发生的衰减更为重要，因此市面上广泛被采用的螺旋结构的确是更优秀的选择。一些特种线缆由于使用环境的特殊性，对于导体本身的牢固程度有所要求。利兹结构抗弯折、抗缠绕能力强，导体结构不易在使用中被改变，在某些场合也能发挥其作用。

参考文献

[1] 张丹海，洪小达.简明大学物理[M].科学出版社，2015.

[2] 王玉娥.毕奥——萨伐尔定律及其运用分析[J].科技信息：学术研究，2007（16）：62-63.

[3] 汪红，吴次南.电磁感应定律的确立验证及其理论地位[J].贵州工业大学学报：自然科学版，2008，37（1）：16-19.

[4] 姚丽萍，朱琳婕.简析麦克斯韦方程组在物理学中的地位[J].洛阳师范学院学报，2010，29（2）：46-48.