石墨烯導電油墨應用在同軸電纜降衰減_導電 (#60)*進行中

02-11

2015-8-7

項目需求﹕開發一款石墨烯 1.8／1.9 GHz 降衰減同軸電纜。

思考邏輯﹕

1. 導電性高的材料對抗電磁波屏蔽有效。最常見的同軸電纜由絕緣材料隔離的銅線導體組成，在裡層絕緣材料的外部是另一層環形導體及其絕緣體，然後整個電纜由聚氯乙烯或特氟綸材料的護套包住。屏蔽層的作用為防干擾、防電磁。

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2. 屏蔽特性是衡量同軸電纜抗干擾能力的一個重要參數，也是衡量同軸電纜防泄漏的一個重要參數。屏蔽不好，會影響信號的質量﹔

3. 頻率越高，衰減常數越大，頻率越低，衰減常數越小。所謂「屏蔽層」是指包裹某些電纜外層的編織或絞合的金屬（或其他材料）網。遮蔽層會吸收雜散的電子信號。若以導電塗料取代網狀導電體或許可以達到更好的效果。

同軸電纜（Coaxial cable）是一種電線及訊號傳輸線，一般是由四層物料造成：最內里是一條導電銅線，線的外面有一層塑料（作絕緣體、電介質之用）圍攏，絕緣體外面又有一層薄的網狀導電體（一般為銅或合金），然後導電體外面是最外層的絕緣物料作為外皮。根據尺寸來分同軸電纜則有不同標準規格，從 1／8英寸到 9英寸直徑不等。同軸電纜應用於無線通信 (Wireless)、監控 (CCTV)和有線電視 (CATV)等通信系統，作為信息和影像傳輸。包裹著芯線的是絕緣層，把芯線和金屬網格分離開來。編織線網可產生接地的作用，防止芯線受到電子雜訊和串音的干擾。

因為同軸電纜之斷面為同心圓，其構造在電磁訊號傳輸上具屏蔽作用，較不易受外界雜訊干擾，雖然其電磁阻抗會因同軸電纜之介質材料不同而相異，常用於傳送影音、網路等高頻率之訊號。長久以來，人們已使用同軸電纜傳輸高頻訊號。由於隨著電纜長度之加增，各頻段之衰減量亦相對變大；特別是「彩色」視訊，因此同軸電纜傳輸不宜超過 200公尺，雖然使用線徑加粗之「同軸電纜」( 較粗之同軸電纜較不利於布線、施工 )，或是另加「同軸訊號強波器」（補償衰減之訊號）後可以延長傳輸距離，但是傳輸信號若為高頻率之影像訊號，還需要加裝「高頻補償器」。因此，同軸電纜之特性，即是其訊號衰減距離和訊號的頻率有關。所以，較高級的「同軸訊號強波器」能對訊號中不同頻率之頻段，分別調整不同大小的訊號補償，以降低輸出訊號之失真率。

一般來講，訊號頻率越高，衰減越大。所以，當同軸電纜傳輸距離將近 200公尺左右時，接收端所得到的影像質量將會明顯不良，因為影像之彩色訊號為高頻信號，所以色調 (亮度、色彩) 會變得暗淡。然而，在同一線路中，「同軸訊號強波器」最多只能串接 3個，否則所傳輸訊號將會失真。若是在監視系統中使用同軸電纜時，為了保證有較好的影像質量，建議串接後之傳輸距離要限制在 500公尺以內。目前，海底電纜、地下電纜、或有線電視系統中，大多使用同軸電纜，其中以電話與電視系統上最為普遍。電話之同軸電纜是連到最近的電線杆，再透過雙絞線進入屋內連接電話機。同軸電纜比起雙絞線有更高帶寬，並有更多保護隔離雜訊干擾。

同軸電纜按其特徵阻抗的不同，分為 50Ω的基帶同軸電纜和 75Ω的寬頻同軸電纜兩類。(1)基帶同軸電纜：特徵阻抗為 50Ω，如 RG.8 (細纜)、RG.58 (粗纜)，利用這種同軸電纜來傳輸基帶信號，其距離可達 1 km，傳輸速率為 10Mbit/S。基帶同軸電纜用於早期的計算機網路 10 Base-2中。利用BNC接頭將電纜與網卡相連接。目前這兩種電纜已不再用於計算機網路，逐漸被雙絞電纜和光纖所替代。50Ω 同軸電纜是應用在大多數無線電射頻、微波傳輸、區域網(LAN)、以及計算機連接和許多儀錶／控制等的使用上。(2)寬頻同軸電纜：特徵阻抗為75Ω，如RG.59、RG.62，這種電纜主要用於視頻和有線電視 (CATV)的數據傳輸，傳輸的是頻分復用寬頻信號。寬頻同軸電纜用於傳輸模擬信號時，其信號頻率可高達 300～400 MHz，傳輸距離可達 100km。當用於連接計算機網路時，可構造10Base-5結構，傳輸數字信號時達 10 Mbit／s，傳輸距離達到 500m。

屏蔽特性是衡量同軸電纜抗干擾能力的一個重要參數，也是衡量同軸電纜防泄漏的一個重要參數。屏蔽不好，會影響信號的質量。同軸電纜的衰減特性通常用衰減常數來表示，即單位長度 (如 100m)電纜對信號衰減的分貝數。信號在同軸電纜里傳輸時的衰減與同軸電纜的尺寸、介電常數、工作頻率有關。衰減常數與信號的工作頻率的平方根成正比，即頻率越高，衰減常數越大，頻率越低，衰減常數越小。所謂「屏蔽層（shielding）」是指包裹某些電纜外層的編織或絞合的金屬（或其他材料）網。遮蔽層會吸收雜散的電子信號（即所謂的雜訊，noise）來保護傳輸的數據。它們不和電纜接觸，也不讓數據失真。雙重遮蔽是指只包含一層絕緣箔片和一層金屬遮蔽層的電纜。在有很多干擾的環境里，四重遮蔽式電纜非常有用。在四重遮蔽式纜線中的遮蔽層是由兩層絕緣箔片和兩層金屬遮蔽層組成。

通常電流越大衰減越厲害，衰減量與通過電力的關係如下﹕

減衰量dB﹕0／0.5／1.0／1.5／2.0／2.5／3.0／3.5／4.0

通過電力﹕100%／89.1%／79.4%／70.8%／63.1%／56.2%／50.1%／39.8%／35.5%

有測試顯示，頻率為 5 MHz的訊號在 75Ω、芯徑 5mm的同軸電纜內傳輸 100m時，將被衰減 5 dB左右，訊號頻率越高，產生的衰減越大。我們將同軸電纜剝開外皮、網狀導電體及塑料，僅留下銅導線後以導電油墨塗布並經烘乾處理。接著我們以 75歐姆網路分析儀在 55 MHz／211 MHz／250 MHz／270 MHz／850 MHz／900 MHz／1.8 GHz／1.9 GHz／2.4 GHz等九個頻段進行1／2／3／5米衰減值測試。發現在1.8 GHz／1.9 GHz頻段改善率最凸顯，衰減值改善率最低為 58.2%、最高為 92.6%，而且這還是人工塗布導電油墨取代原有金屬網格的成果。一般而言，55 MHz為市話系統，211 MHz／250 MHz／270 MHz為安防系統，850 MHz／900 MHz／1.8 GHz／1.9 GHz為行動電話，而 2.4 GHz為WIFI使用頻段。同軸電纜採用同心圓的設計方式, 能夠抵抗較強的雜訊干擾, 其傳輸距離與抗擾性皆優於雙絞線，目前還是居市場主流。導電塗料取代網狀導電體的結果是成本降低 2／3，降衰減量效果高五倍，證明石墨烯導電油墨現在有了第三種應用領域了。