低壓差分信號通信傳輸電纜設計和制造研究

李 健，沈 娟

(安徽宏源特種電纜集團有限公司，安徽 蕪湖 238371)

1 引言

某公司自主研制開發 HYWSPF40 系列宇航級通信傳輸電纜，運用航空航天領域中的信號傳輸、導彈武器系統、NAV 近場觀測系統作為高速傳輸設備的連接線，傳輸 LVDS 信號。

2 結構設計

選擇雙絞屏蔽電纜作為差分信號線對，應用于阻抗為 100Ω的接口上，并對關鍵技術和工藝進行研究，進一步完善制造工藝技術平臺，建立穩定、可靠而又適合批量生產的先進生產線，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 導體材料設計

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

3.2 絕緣材料設計

本電纜是雙絞屏蔽電纜，考慮該電纜運用于真空環境中的各項性能的苛刻要求，特別是傳輸速率要求、衰減要求、工作溫度范圍、空間環境條件及重量輕的要求，采用微孔聚四氟乙烯作為內層絕緣材料。由于微孔聚四氟乙烯帶柔軟，對絞時，芯線間容易相互擠壓而變形，會對電纜阻抗均勻性產生不利影響，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定，可以通過高溫燒結而牢固，線芯在絞合時不容易擠傷，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 護套材料設計

采用乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)作為電纜的護套材料。乙烯-四氟乙烯共聚物是一種性能優異的材料，其材料穩定性很好，具有良好的真空穩定性能，可滿足本項目的指標要求。在氟塑料中，它的比重最小，用其作為護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 關鍵工藝技術

4.1 精密繞包技術

采用精密繞包技術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可以提高電纜的耐電壓水平，不易在繞包接縫處發生電擊穿現象。絕緣繞包時對設備張力的選擇及張力精度控制要求也是影響電纜各項性能的關鍵因素。隨著帶子的寬窄，張力參數設定要有所區別。該種材料機械強度低，容易出現拉伸。繞包張力過大，拉伸后整個帶子變薄，等效介電常數發生變化，最終結果是電纜的阻抗和衰減偏離設計值。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。選擇進口LUKAS 立式繞包設備，該設備采用 PLC 可編程控制器綜合控制各運行參數，實現繞包張力、牽引張力及速度的任意設定，并實現實時監控和自動控制。通過 PLC 編程輸出直接掃描繞包帶上的張力，以自動調節繞包伺服電機和牽引伺服電機之間的速度差，使繞包和牽引的轉速波動小于5，實現繞包帶張力動態恒定和繞包節距誤差小于5‰，滿足繞包帶張力動態恒定和繞包節距誤差小于1%的精度要求，從而滿足產品開發要求。

4.2 高精度對絞技術

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據傳輸的有效性。

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間取決于芯線的電氣長度。在兩根芯線結構、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差達到合同所規定的指標。如果電纜芯線長度不一致，將導致兩路信號在兩根芯線中傳輸的時間不一致，最終導致差分信號的歪斜，信號產生畸變。電纜兩絕緣線芯的對稱性包含兩方面內容：一是兩絕緣線芯的外徑及介電常數的一致性，二是對絞結構的一致性。前者由緊密繞包技術保證，后者應由對絞工藝決定。對絞工藝中，為了達到對絞結構的高度一致，必須注意以下幾個環節：對絞的兩絕緣線芯必須預退扭。由于一般對絞機是無退扭的，所以在絞合過程中兩芯線接觸點(即絞合點)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，單個節距扭內轉約 360°，由此而產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，最終導致不經過退扭的對絞線導體間的中心距是不斷變化的，可導致電纜特性阻抗不斷波動，各對絞節距中兩絕緣線芯的絞入長度也是不斷變化的，這顯然不符合本項目的要求，所以對絞的兩絕緣線芯必須預退扭，使絞合過程中兩線芯接觸點(即絞合點)的軌跡是一直線而不是一條螺旋線，達到對絞線兩導體間的中心距穩定的目的。

本電纜僅僅保證兩絕緣線芯的中心距穩定是不夠的，還必須保證對每個節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定的，即使芯線放線的張力是一致而穩定的，還不能保證兩芯線所絞入的長度都是一致的。當兩芯線的物理狀態稍有差異時，如兩線芯的導體銅絲由于退火溫度的波動而柔軟程度有所差異等，則稍硬些的導體的絞入長度會稍短一點，故必須放線張力一致，使進入對絞機的兩線芯長度完全一致。

使用可以預退扭的對絞機，對絞機主動放線張力、牽引張力都可以進行參數控制，通過這些張力的控制，嚴格控制對絞張力，保證進入對絞機的兩根芯線的長度是嚴格一致的。

4.3 降低材料真空逸氣技術

真空逸氣是指電線電纜在一定的真空度下，材料中不穩定的成分脫離材料主體進入空間環境中，而這些成分主要是材料中的低分子化合物。這些物質一旦從絕緣材料中脫離進入空間環境中，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，甚至影響設備對空間環境的探測。電纜的外護套采用低氟溢出的 X-ETFE 材料，該材料在真空環境中比較穩定，不會有低分子材料逸出，保證真空逸氣性。

5 產品特點

傳輸速率快、高頻衰減低。本電纜為雙絞對稱結構 LVDS 信號傳輸電纜，通過介質損耗低的微孔聚四氟乙烯薄膜為絕緣材料，比常規的發泡聚乙烯絕緣衰減更低。采用精密繞包和高精度對絞技術，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到或超過常規的四對星絞發泡聚乙烯絕緣 LVDS 電纜。

重量輕，柔軟性好。其對絞線結構的傳輸速率非常高，在滿足傳輸速率要求的前提下，減少了傳輸線的使用對數，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。

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