航天器用LVDS數據總線電纜的設計及應用

李金明，鞠晨雁，劉鵬飛

(1.淮南新光神光纖線纜有限公司，安徽 淮南232008;2.中國航天科技集團五院513所，山東 煙臺264670)

0 引言

隨著我國航空航天電子戰和反電子戰以及衛星通信領域的迅速發展，對通信系統的技術要求越來越高，包括高速率、低損耗、低噪音、防干擾等，所以一些總線系統越來越多地應用于該領域。LVDS(Low Voltage Differential Signaling)即低壓差分信號傳輸，是一種滿足當今高性能數據傳輸應用的新型數據總線技術，在我國航空航天、衛星通信領域也已經逐漸開始使用，對于該技術的主要傳輸媒介航天器用總線電纜也提出了更高的要求。

1 航天器用LVDS數據總線電纜的設計

1.1 LVDS數據總線的定義

LVDS 是一種低壓差分信號傳輸技術，它能使信號在差分線對或平衡電纜上以幾百Mpbs的速率傳輸，其低壓幅和低電流驅動輸出實現了低噪聲和低功耗。由于其可使系統供電電壓低至2 V，因此它還能滿足未來應用的需要。此技術基于ANSI/TIA/EIA-644-A LVDS接口標準，LVDS技術擁有330 mV的低壓差分信號和快速過渡時間，這可以讓產品達到自100 Mbps至超過1 Gbps的高數據速率。連接驅動器和接收器之間信號傳輸的雙絞線對平衡電纜簡稱LVDS數據總線電纜。

1.2 主要技術指標及可靠性要求

(1)導電線芯常溫下直流電阻≤159Ω/km。

(2)常溫下導線的絕緣電阻≥1.3×103MΩ·km。

(3)試驗電壓1 000 V。

(4)成品電纜在100 MHz時差分阻抗為(100±6)Ω。

(5)導電線芯之間在1 kHz時，電容≤47 pF/m;導電線芯與屏蔽之間在1 kHz時，電容≤72 pF/m。

(6)成品電纜的衰減分別為:10 MHz≤0.09 dB/m;50 MHz≤0.20 dB/m;100 MHz≤0.29 dB/m。

(7)成品電纜應經受－80℃冷彎試驗。

(8)成品電纜應進行230℃高溫試驗。

(9)成品電纜的屏蔽編織密度應不小于90 %。

(10)鍍銀銅合金線芯的強度≥350 N/mm2。

(11)成品電纜的時延≤4.3 ns/m。

(12)真空氣逸出(TML)≤1%;真空可冷凝氣體逸出(CVCM)≤0.1%。

(13)成品電纜重量≤21 kg/km。

(14)成品電纜外徑≤3.7 mm。

1.3 重點攻關項目

該項目技術難度大，是有效載荷的衛星相機分系統、數據傳輸分系統、記錄分系統間的LVDS信號傳輸特有的專用電纜。根據產品特性，經過認真的研討比對后，得出結論是:該項目的設計技術難度大，所用材料特殊，加工工藝復雜，研制成功與否的關鍵為:

(1)總線電纜在100 MHz的條件下，阻抗穩定在(100±6)Ω，屏蔽衰減不大于0.36 dB/m;

(2)在滿足電纜電氣性能的基礎上，電纜應具有重量輕、外徑小、柔軟性好、衰減低、抗電場干擾能力強、使用溫度范圍寬、耐輻照等特點，因此，把研制工作的重點確定在結構設計、材料的選擇、生產工藝的改進上。

1.4 航天器用LVDS數據總線電纜典型結構(見圖1)

圖1 電纜結構示意圖

1.5 產品關鍵材料選型

(1)導體

影響電纜衰減的主要因素之一是電纜導體的電阻損耗，因此為了降低衰減，應選用導電性能好的材料。目前該類導線導體一般采用鍍銀銅線，本項目產品要求導體強度350 N/mm2，而鍍銀銅線的強度為220 N/mm2，不能滿足技術要求。根據市場調研情況，我們選用鍍銀銅合金線，該導線是近幾年發展起來的一類新型復合高溫導線材料，它是把一些金屬材料按一定比例通過特殊工藝添加在銅材中形成銅合金，使其不僅具有銅的導電性，還可以根據需要調整抗張強度指標，滿足產品設計使用要求。根據高頻集膚效應，按照總線電纜傳輸頻率要求，確定鍍銀銅合金線的銀層厚度為不小于2μm。

(2)絕緣

首先在產品設計時要考慮選用何種絕緣材料，不僅保證導線外徑小、密度低，阻抗、電容與系統的匹配設計，而且要考慮材料復合介電常數較低，以保證導線在高頻下衰減常數較小。如果采用耐高溫的氟材料推擠高溫燒結成型形式，缺點為絕緣介電常數較大，為2.1，為了達到電纜電性能要求，需要增大絕緣層外徑，不能滿足用戶對電纜外徑的要求，而且絕緣層較硬，導線整體柔軟性較差。為此我們選用聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜帶，它是以PTFE細粉通過擠出壓延和拉伸等一系列機械拉伸操作，使結晶分子從粉狀顆粒形成纖維，并交織成網狀結構形成含有無數孔徑為0.1～10μm的微孔且具有分離作用的膜材料。這種材料不但耐高溫性能較好，而且高頻下復合介電常數為1.4～1.6，比氟材料的介電常數2.1，降低了大約30%左右，可以得到較低的介質損耗，從而降低總線電纜的衰減，在絕緣層外徑較小的條件下滿足電性能要求。

(3)填充芯材料

如果采用聚全氟乙丙烯(FEP)、PTFE耐高溫材料為實芯的填充芯，這種材料經擠出成型后硬度較大，使電纜整體彎曲性能較差，另外介電常數偏大，影響電纜的電氣性能。為了滿足電纜的阻抗、電容及衰減等電氣性能的要求，我們采用推擠成型的發泡PTFE，從而使PTFE實芯的填充芯中產生均勻、細小的空氣間隙，降低填充芯的密度，提高填充芯空氣含量，有效降低介電常數，使其復合介電常數達到1.6～1.7，比PTFE實芯的填充芯介電常數2.1，降低了19%左右，以保證導線具備優越的傳輸性能。

(4)屏蔽材料

為了提高屏蔽效果，減少外界電場的干擾，考慮導線使用溫度較高，在屏蔽材料上選用鍍銀銅線，這樣既滿足導線在高溫下正常工作，又使高頻下導線的傳輸性能較好。根據高頻集膚效應，高頻條件下導電率越高、屏蔽材料越厚，其屏蔽效率越高，為提高高頻屏蔽效果，確定鍍銀層厚度為不小于2.5μm。

(5)排流線

一般而言，屏蔽線纜的屏蔽層必須通過接地以保證其信號的屏蔽效果，但通常線纜屏蔽層接地較為困難，因此該總線電纜在設計中增加了一根排流線來連接線纜屏蔽層和連接器的地線端，通過對比國外同類型電纜排流線的設計，我們選擇了與導體規格相同的鍍銀銅合金線做為排流線。

(6)護套材料

由于該總線電纜用于航空航天領域，根據使用環境和電纜正常運行狀態，重點考慮的是低溫柔軟性、耐高溫、耐輻照以及空間環境適應性。而護套選用氟聚物中密度較輕的乙烯－四氟乙烯共聚物(ETFE)材料，使其具有外徑小、重量輕、耐高低溫、耐輻照等優越性能，可有效降低電纜外徑和重量。

1.6 主要結構設計

(1)絕緣結構的設計

1)差分阻抗

差分阻抗是指電磁波沿均勻電纜線路傳播而沒有反射時所遇到的阻抗。即線路終端匹配時線路內任一點的電壓波(U)和電流波(I)的比值，就是線路的差分阻抗?？偩€電纜的差分阻抗要與終端電阻相匹配，如果阻抗不匹配，就會使信號產生反射，衰減增大。差分阻抗是LVDS總線電纜結構設計的主要技術指標，總線電纜差分阻抗的理論計算公式為:

式中:d為絞線內導體直徑(mm);a為兩導體中心距(mm);εr為絕緣的等效相對介電常數;K1為導體有效直徑系數;K3為編織引起的系數，一般取0.98～0.99;Ds為屏蔽內徑mm。

由式(1)可看出:①絕緣材料的相對介電常數越小，差分阻抗越大，故應選用相對介電常數小的材料做絕緣，這樣可在滿足差分阻抗的前提下，減小電纜外徑。因此采用PTFE微孔薄膜帶繞包絕緣來減少絕緣介質的等效相對介電常數，優化了總線電纜的結構和產品性能。②導體外徑和絕緣外徑也是影響特性阻抗的因素。LVDS數據總線電纜絕緣結構的設計是由特性阻抗起決定性因素的。

2)衰減常數

衰減常數是指電磁波在均勻電纜上每公里的衰減值，是用常用對數表示信號衰減的倍數。總線電纜衰減常數的理論計算公式為:

式中:f為頻率(MHz);K2為導體衰減的等效系數;Kρ為導體電阻修正系數;K2為絞入率;tgδr為等效相對介質損耗角正切值。

衰減常數是影響總線電纜使用的主要技術參數，衰減過大會使輸入信號減弱甚至失效。由式(2)可以看出，導體的外徑和絕緣厚度會影響衰減，導體規格越大，衰減越小，但是總線電纜整體外徑也隨之增加;在其余參數不變的情況下，絕緣材料等效介電常數越小、介質損耗角正切值越小，衰減越小，所以通過絕緣結構組合設計，減小絕緣介質的組合介電常數，同樣可起到減小信號衰減的作用。工作頻率越高，信號衰減越大，信號傳輸的距離越短，因此設計LVDS總線電纜時應綜合考慮幾方面因素，控制信號衰減量，確保信號傳輸可靠。

(2)屏蔽結構的設計

為了提高屏蔽效果，盡可能采用高導電率的導體材料作為屏蔽層，屏蔽層的電阻越小，利用渦流產生的反磁場效果越明顯，屏蔽效率越高。常用的屏蔽材料有銅、鋁、鍍錫銅或鍍銀銅，工藝可采用圓線或扁線編織、纏繞，也可采用金屬箔帶材繞包。

航天器用LVDS數據總線電纜的屏蔽設計采用銀層厚度2.5μm的鍍銀銅絲編織加排流線的屏蔽方式，編織密度不小于90%。

2 航天器用LVDS數據總線電纜性能測試

電纜經檢測驗證，其結構尺寸、性能指標均達到了設計要求，產品主要性能實測值見表1。

3 航天器用LVDS數據總線電纜的應用

(1)航天器用LVDS數據總線電纜可以用于航空航天領域LVDS信號傳輸媒介，具有優良的電氣和耐高低溫性能，能在－80～200℃范圍內使用，試驗電壓1 000V、1 min不擊穿。耐酸、堿、油及其他溶劑浸蝕，化學性能穩定，耐熱老化及耐輻照性能優異，外徑小、重量輕、便于安裝。

(2)信號衰減是影響電纜應用的關鍵指標，當傳輸速率在100 Mbps及以上時，LVDS總線電纜建議使用長度在35 m以內。使用長度和傳輸速率是有線性關系的，隨著傳輸速率的提高，使用長度會受到限制。

4 結束語

產品委托工業和信息化部電子第五研究所軍用電子元器件檢測中心進行檢驗，結論為其結構尺寸、性能指標均達到了設計要求，同時通過了中國航天科技集團進行的空間環境適應性試驗。

研制的航天器用LVDS數據總線電纜具備配套LVDS傳輸協議的高速數據傳輸能力，具有外徑小、重量輕、柔軟性好、耐高低溫、耐輻射、抗電磁干擾性強及可靠性高等特點，能夠適應電磁輻射環境、帶電離子環境、真空環境、熱環境及極限低溫環境。滿足航空航天領域使用要求，綜合性價比極高。

表1 電纜主要性能實測值

［1］鄭玉東.通信電纜［M］.北京:機械工業出版社，1982.

［2］柴海峰.LVDS(低壓差分信號)測試技術研究［J］.電子與封裝，2011，11(11):14-17.

［3］徐 洪.LVDS的工作原理與應用［J］.通信與廣播電視，2002(2):34-37.

［4］ANSI/TIA/EIA-664-A—2001 Electrical caracteristics of low voltage differential signaling(LVDS)［S］.