低壓差分信號通信傳輸電纜設(shè)計(jì)和制造研究

李 健，沈 娟

(安徽宏源特種電纜集團(tuán)有限公司，安徽 蕪湖 238371)

1 引言

某公司自主研制開發(fā) HYWSPF40 系列宇航級通信傳輸電纜，運(yùn)用航空航天領(lǐng)域中的信號傳輸、導(dǎo)彈武器系統(tǒng)、NAV 近場觀測系統(tǒng)作為高速傳輸設(shè)備的連接線，傳輸 LVDS 信號。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

選擇雙絞屏蔽電纜作為差分信號線對，應(yīng)用于阻抗為 100Ω的接口上，并對關(guān)鍵技術(shù)和工藝進(jìn)行研究，進(jìn)一步完善制造工藝技術(shù)平臺，建立穩(wěn)定、可靠而又適合批量生產(chǎn)的先進(jìn)生產(chǎn)線，以保證電纜能在使用過程中可靠工作，并保持良好的電氣性能和傳輸性能。

圖1 低壓差分信號通信傳輸電纜Fig.1 Low voltage differential signal communication transmission cable

3 材料選擇

3.1 導(dǎo)體材料設(shè)計(jì)

銅和銀的導(dǎo)電性能較好，考慮到太空環(huán)境中的極限高低溫，采用鍍銀銅線作為導(dǎo)體材料。為提高電纜的柔軟性和可靠性，導(dǎo)體采用多股鍍銀銅線絞合形式。

3.2 絕緣材料設(shè)計(jì)

本電纜是雙絞屏蔽電纜，考慮該電纜運(yùn)用于真空環(huán)境中的各項(xiàng)性能的苛刻要求，特別是傳輸速率要求、衰減要求、工作溫度范圍、空間環(huán)境條件及重量輕的要求，采用微孔聚四氟乙烯作為內(nèi)層絕緣材料。由于微孔聚四氟乙烯帶柔軟，對絞時(shí)，芯線間容易相互擠壓而變形，會對電纜阻抗均勻性產(chǎn)生不利影響，從而在微孔聚四氟乙烯薄膜繞包外層采用 PTFE 生料帶繞包作外絕緣。PTFE 生料帶性能上比較穩(wěn)定，可以通過高溫?zé)Y(jié)而牢固，線芯在絞合時(shí)不容易擠傷，有利于保持芯線外形，增大抗壓變形能力，確保電纜整體的可靠性。

3.3 護(hù)套材料設(shè)計(jì)

采用乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)作為電纜的護(hù)套材料。乙烯-四氟乙烯共聚物是一種性能優(yōu)異的材料，其材料穩(wěn)定性很好，具有良好的真空穩(wěn)定性能，可滿足本項(xiàng)目的指標(biāo)要求。在氟塑料中，它的比重最小，用其作為護(hù)套材料可以大大減輕電纜重量。它還具有其他氟塑料所不具備的耐輻照性能，可滿足低地球軌道空間的輻照性能要求。

4 關(guān)鍵工藝技術(shù)

4.1 精密繞包技術(shù)

采用精密繞包技術(shù)對于電纜的傳輸性能的提高起著重要作用，并且采用精密繞包技術(shù)可以提高電纜的耐電壓水平，不易在繞包接縫處發(fā)生電擊穿現(xiàn)象。絕緣繞包時(shí)對設(shè)備張力的選擇及張力精度控制要求也是影響電纜各項(xiàng)性能的關(guān)鍵因素。隨著帶子的寬窄，張力參數(shù)設(shè)定要有所區(qū)別。該種材料機(jī)械強(qiáng)度低，容易出現(xiàn)拉伸。繞包張力過大，拉伸后整個(gè)帶子變薄，等效介電常數(shù)發(fā)生變化，最終結(jié)果是電纜的阻抗和衰減偏離設(shè)計(jì)值。繞包的包帶張力過小，信號在傳輸過程中容易形成反射，影響電纜阻抗、衰減。選擇進(jìn)口LUKAS 立式繞包設(shè)備，該設(shè)備采用 PLC 可編程控制器綜合控制各運(yùn)行參數(shù)，實(shí)現(xiàn)繞包張力、牽引張力及速度的任意設(shè)定，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控和自動控制。通過 PLC 編程輸出直接掃描繞包帶上的張力，以自動調(diào)節(jié)繞包伺服電機(jī)和牽引伺服電機(jī)之間的速度差，使繞包和牽引的轉(zhuǎn)速波動小于5，實(shí)現(xiàn)繞包帶張力動態(tài)恒定和繞包節(jié)距誤差小于5‰，滿足繞包帶張力動態(tài)恒定和繞包節(jié)距誤差小于1%的精度要求，從而滿足產(chǎn)品開發(fā)要求。

4.2 高精度對絞技術(shù)

本電纜用于差分信號傳輸。由差分信號的傳輸原理可得出，兩路信號的同步性決定著數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠行浴?/p>

本電纜中，兩路信號通過兩根芯線傳輸，其從始端至終端的傳輸時(shí)間取決于芯線的電氣長度。在兩根芯線結(jié)構(gòu)、材料一致的情況下，芯線電氣長度取決于芯線的物理長度。因此，電纜對稱性越高，電纜兩絕緣線芯的物理長度的一致度越好，則兩根芯線傳輸信號的同步性越好。只有兩根芯線物理長度一致性高度一致，才有可能使電纜的延時(shí)差達(dá)到合同所規(guī)定的指標(biāo)。如果電纜芯線長度不一致，將導(dǎo)致兩路信號在兩根芯線中傳輸?shù)臅r(shí)間不一致，最終導(dǎo)致差分信號的歪斜，信號產(chǎn)生畸變。電纜兩絕緣線芯的對稱性包含兩方面內(nèi)容：一是兩絕緣線芯的外徑及介電常數(shù)的一致性，二是對絞結(jié)構(gòu)的一致性。前者由緊密繞包技術(shù)保證，后者應(yīng)由對絞工藝決定。對絞工藝中，為了達(dá)到對絞結(jié)構(gòu)的高度一致，必須注意以下幾個(gè)環(huán)節(jié)：對絞的兩絕緣線芯必須預(yù)退扭。由于一般對絞機(jī)是無退扭的，所以在絞合過程中兩芯線接觸點(diǎn)(即絞合點(diǎn))的軌跡是沿絕緣表面的一條螺旋線。單根絕緣線芯在絞合過程中，繞自身扭轉(zhuǎn)，單個(gè)節(jié)距扭內(nèi)轉(zhuǎn)約 360°，由此而產(chǎn)生的扭矩在絞線縱向上不斷增大，使得相鄰絕緣芯線之間擠壓力變化，造成兩芯線間絕緣變形不一致，最終導(dǎo)致不經(jīng)過退扭的對絞線導(dǎo)體間的中心距是不斷變化的，可導(dǎo)致電纜特性阻抗不斷波動，各對絞節(jié)距中兩絕緣線芯的絞入長度也是不斷變化的，這顯然不符合本項(xiàng)目的要求，所以對絞的兩絕緣線芯必須預(yù)退扭，使絞合過程中兩線芯接觸點(diǎn)(即絞合點(diǎn))的軌跡是一直線而不是一條螺旋線，達(dá)到對絞線兩導(dǎo)體間的中心距穩(wěn)定的目的。

本電纜僅僅保證兩絕緣線芯的中心距穩(wěn)定是不夠的，還必須保證對每個(gè)節(jié)距中兩芯線所絞入的長度是一致的。要求兩芯線放線的張力是一致而穩(wěn)定的，即使芯線放線的張力是一致而穩(wěn)定的，還不能保證兩芯線所絞入的長度都是一致的。當(dāng)兩芯線的物理狀態(tài)稍有差異時(shí)，如兩線芯的導(dǎo)體銅絲由于退火溫度的波動而柔軟程度有所差異等，則稍硬些的導(dǎo)體的絞入長度會稍短一點(diǎn)，故必須放線張力一致，使進(jìn)入對絞機(jī)的兩線芯長度完全一致。

使用可以預(yù)退扭的對絞機(jī)，對絞機(jī)主動放線張力、牽引張力都可以進(jìn)行參數(shù)控制，通過這些張力的控制，嚴(yán)格控制對絞張力，保證進(jìn)入對絞機(jī)的兩根芯線的長度是嚴(yán)格一致的。

4.3 降低材料真空逸氣技術(shù)

真空逸氣是指電線電纜在一定的真空度下，材料中不穩(wěn)定的成分脫離材料主體進(jìn)入空間環(huán)境中，而這些成分主要是材料中的低分子化合物。這些物質(zhì)一旦從絕緣材料中脫離進(jìn)入空間環(huán)境中，就會附著在航天儀器儀表的鏡面上，造成鏡面模糊，難以讀數(shù)，甚至影響設(shè)備對空間環(huán)境的探測。電纜的外護(hù)套采用低氟溢出的 X-ETFE 材料，該材料在真空環(huán)境中比較穩(wěn)定，不會有低分子材料逸出，保證真空逸氣性。

5 產(chǎn)品特點(diǎn)

傳輸速率快、高頻衰減低。本電纜為雙絞對稱結(jié)構(gòu) LVDS 信號傳輸電纜，通過介質(zhì)損耗低的微孔聚四氟乙烯薄膜為絕緣材料，比常規(guī)的發(fā)泡聚乙烯絕緣衰減更低。采用精密繞包和高精度對絞技術(shù)，保證了電纜高速傳輸性能及其傳輸可靠性，使得單對絞線的傳輸速率達(dá)到或超過常規(guī)的四對星絞發(fā)泡聚乙烯絕緣 LVDS 電纜。

重量輕，柔軟性好。其對絞線結(jié)構(gòu)的傳輸速率非常高，在滿足傳輸速率要求的前提下，減少了傳輸線的使用對數(shù)，所以降低了電纜重量，滿足了飛行器對載重苛刻的要求，在狹小空間安裝更加快捷。

空間環(huán)境使用性能優(yōu)異。采用介質(zhì)損耗低的微孔聚四氟乙烯薄膜絕緣材料和 ETFE 護(hù)套材料，比常規(guī)的聚乙烯絕緣和聚氯乙烯護(hù)套具有更好的空間適應(yīng)能力。通過對其真空穩(wěn)定性能、耐輻照能力和耐高低溫性能的考核，表明，其滿足空間環(huán)境使用要求。