應答器數據傳輸電纜1.8MHz特性阻抗的分析與控制

王冬梅

（濟南瑞通鐵路電務有限責任公司 山東 濟南 250013）

0 概述

鐵路應答器數據傳輸電纜是連接地面電子單元（LEU）與有源應答器的專用電纜， 主要用來可靠傳輸LEU 與有源應答器之間的報文數據信息，確保鐵路運輸行車安全。根據使用場合的不同，應答器數據傳輸電纜分為綜合護套、鋁護套和編織屏蔽三種。 綜合護套電纜具有屏蔽性能， 可用于需要屏蔽電纜的鐵路區段。 鋁護套電纜具有良好的屏蔽性能，可用于鐵路電氣化區段。 編織屏蔽電纜具有柔軟性，可用于室內分線柜與LEU 設備的連接或室外電纜終端盒與應答器設備的連接。

應答器數據傳輸電纜的工藝結構較為簡單，以4 芯鋁護套應答器數據傳輸電纜為例，工藝結構如圖1。

圖1 LEU·BSYL23

1.8MHz 特性阻抗是應答器數據傳輸電纜重要的特性指標之一，根據TB/T3100.6 的規定， 其指標要求為120±5Ω， 公差范圍非常小，僅±5Ω。 要想滿足標準要求，在應答器數據傳輸電纜生產過程中必須減小或消除影響特性阻抗的相關因素。

本文以4 芯鋁護套應答器數據傳輸電纜為例，對影響1.8MHz 特性阻抗的主要因素逐一進行分析，并提出相應的解決辦法。

1 1.8MHz 特性阻抗分析

1.1 特性阻抗的理論來源

特性阻抗：亦稱波阻抗，是描述電磁波沿均勻傳輸線路傳輸時在沒有反射時的阻抗。 在高頻范圍內，信號傳輸過程中，信號沿傳輸線路，電場在信號線和參考平面（電源或地平面）間建立，并產生電流。在各向同性的傳輸線中，伴隨信號的傳輸，會產生一個流向參考平面的電流I， 傳輸線就會等效成一個電阻。 假設信號及載波的輸出電平為V，那么在該傳輸線上相當于存在一個大小為V/I 的電阻，把這個等效的電阻稱為傳輸線的特性阻抗Z。

1.2 影響1.8MHz 特性阻抗的因素

在高頻條件下，對稱電纜的波阻抗Zc 可由公式（1）計算：

式中，L 為被測量電纜的回路電感 （H/km）；C 為被測量電纜的回路電容（F/km）。

為了降低該種電纜在高頻條件下的信號衰減，設計標準通常要求在線組外面加一層屏蔽層。 根據電纜回路電感L（H/km）的計算公式：

式中，λ—總的絞入系數；d—導體直徑（mm）；a—回路兩導線中心間距離（mm）；K—渦流系數；rs—屏蔽層的半徑（mm）；Q（x）—x（=kd/2）的特定函數；μr—屏蔽層的相對磁導率。

對稱電纜的電容C（F/km）可按公式（3）計算：

式中，εD為組合絕緣介質的等效相對介電常數；ψ 為由于接地金屬護層和鄰近導線產生影響而引用的修正系數。 ψ 可由式（4）計算：

式中，d1為絕緣線芯的直徑（mm）；D 為屏蔽層內直徑（mm）。

由上述公式可知，影響1.8MHz 特性阻抗的主要因素有：導體直徑、回路兩導線中心間距離、絕緣線芯外徑、屏蔽層內徑。

而在電纜生產過程中，生產設備加工的穩定性、工藝制訂的合理性以及模具的選擇是否合適等都會影響上述因素， 從而導致1.8MHz特性阻抗不能滿足標準要求。

2 1.8MHz 特性阻抗控制

2.1 導體直徑控制

從公式（2）和（3）可以看出，導體直徑d 與電感L 成反比，與電容C 成正比，即導體直徑d 的波動會影響電感和電容的大小，進而影響特性阻抗ZC。 TB/T3100.6 規定導體采用TR 型軟圓銅線，標稱直徑為1.53mm。 要想控制好導體直徑，應在拉絲設備穩定運行的基礎上，選用合適的拉絲模具，拉絲模具尺寸應控制在±0.002mm 以內，確保導體下機直徑控制在±0.015mm 以內。 另外還要嚴格控制好導體的退火狀態，如果導體退火過度，會造成導體伸長率過大，在后續工序過程中難以控制和容易變形。

2.2 回路兩導線中心間距離和絕緣芯線外徑的控制

從公式（2）可以看出，兩導線中心間距離變化會導致電感L 發生變化，從而使特性阻抗ZC值發生變化，嚴重時甚至會大大超過標準要求。 影響兩導線中心間距離的因素主要有絕緣芯線外徑和偏心、纜芯的絞合。

絕緣芯線外徑和偏心是絕緣芯線生產過程中最不易控制因素。要想控制好絕緣芯線外徑和偏心， 首先應選擇拉絲絕緣串聯式生產方式，避免因重復收放線導致導體拉伸的質量缺陷，保持絕緣芯線結構的穩定性和一致性。 其次應選擇合適的擠塑模具，確保絕緣芯線的絕緣外徑控制在±0.02mm 以內，偏心度控制在0.065mm 以內。

在纜芯絞合過程中，收放線張力的均勻性和絞合節距的一致性都會影響到回路導線中心間距離。 絞合時應盡可能使收放線張力均勻、平衡；束絞模具選擇應恰當，確保纜芯絞合節距穩定、絞合外徑均勻一致；絞合的同時還應繞包一層聚酯帶，對纜芯結構進一步鞏固，確保纜芯圓整，防止絕緣芯線間產生相對位移。

2.3 綜合屏蔽層內徑的控制

由公式（2）可以看出，屏蔽層半徑rs的大小對電感的影響很大。 從公式（3）和（4）可知，絕緣芯線離屏蔽層越近，回路電容就越大，相反，則越小。 而從式（1）可知，回路電容的大小會直接影響特性阻抗值。因此，在綜合屏蔽層生產過程中，屏蔽層的質量是非常重要的。

從結構穩定考慮，屏蔽層與纜芯的間距不能太大，防止空隙過大導致在牽引和收線時綜合屏蔽層變形。 因此，縱包屏蔽層時要松緊適當，確保屏蔽層的圓整性。

3 結束語

在應答器數據傳輸電纜生產過程中，影響1.8MHz 特性阻抗的因素還有很多，例如銅材和絕緣料等原材料的使用，如果原材料的各項指標都能保持在最小的波動范圍內，那么絕緣芯線結構的穩定性就能夠保證，1.8MHz 特性阻抗指標也能得到有效控制。

因此在電纜生產過程中，抓住每道生產工序的控制要點及控制方法，就能減少甚至消除眾多因素對1.8MHz 特性阻抗的影響，確保應答器數據傳輸電纜1.8MHz 特性阻抗指標滿足TB/T3100.6 的要求。

［1］唐亮.趙春宇時域反射（TDR）測試問題分析[J].電子測量技術，2008.

［2］周英航.分辨率TDR 測試以及應用[J].電子設計拄術，2007.