基于宇航元器件评估技术的宇航用千兆数据电缆传输性能试验评价

张 义，张红旗，王 征，陶兆增，范壮壮，郭燕君，焦美荣，于福莉，夏占军

（1. 中国航天宇航元器件工程中心，北京 100094；2. 中国电子科技集团公司第二十三研究所，上海 201900；3. 北京卫星制造厂有限公司，北京 100094）

0 引言

随着航天领域数字通信系统的快速发展及空间探测领域的扩大，飞行器上携带了越来越多的观测仪器和设备，星载电子设备产生和待处理的数据量迅猛增长，系统对信号传输速率[1]、抗干扰性及传输性能可靠性的要求越来越高，系统功能的实现也越来越依赖于数据电缆通信的稳定可靠[2-4]。宇航用数据电缆具备传输速率高、损耗小、磁兼容性能强[5-6]，以及能够极大限度地适应空间特殊环境等特点。由于空间环境极为严酷，要求数据电缆在特定的使用环境下具备一定的信号完整性，其衰减、差分阻抗、电容、延时差等传输性能指标必须具有相对的稳定性和一致性。目前，针对宇航用高速数据电缆开展传输性能评价等方面的研究鲜有报道。

宇航元器件评估技术是针对分析元器件应用中关注的相关功能、性能和可靠性与规范之间要求的裕度、余量，以及在设计、材料或工艺方面的潜在缺陷，采用高加速应力和持续应力的方法获得元器件的极限能力，以评估元器件在热、力、电等应力作用下可承受的应力极限值和失效模式，综合评价元器件极限能力的全过程[7]。对于应用环境苛刻、维修难度高、质量可靠性要求高的元器件而言，宇航元器件评估技术是该类元器件质量保证的重要方法之一。

本文选取一种典型的宇航用含氟聚合物千兆数据电缆，将温度及传输频率作为变量，基于宇航元器件评估技术，对其传输性能进行了不同条件下的试验测试，经过数据分析得到其在不同条件下的变化特征，分析这些变化特征产生的原因，并对电缆传输性能的可靠性水平进行评价。

1 数据电缆传输性能参数

信号的完整性最终反映在电缆安装到系统后能保证信号实时有效地传输。按传输理论及场的观点，信号在特定传输模式下失真表现在误码率较高，即传输一定数量的比特伪代码后出现错误码，且眼图未完全睁开，在特定的传输速率下眼高、眼宽和抖动不达标。然而，上述皆为系统级评价方式，是电路、连接端和电缆综合性能的体现，电缆的性能优劣则体现于衰减、差分阻抗、电容、延时差等传输性能参数指标。在极端条件下，电缆应保证阻抗的均一性，具有较小的衰减、电容和延时差，且稳定可靠。

2 评估试验方法设计

为评价数据电缆的传输可靠性，本文依据宇航元器件评估技术，以步进加速应力和持续加速应力相结合的试验方法进行评估，试验项目包括三温条件下传输性能测试及基于传输性能参数特性的曲线分析。

2.1 试验样品选取原则

为了使选用样品具有代表性，选择国内某厂家生产的宇航用FFCH-X型含氟聚合物千兆数据电缆，分别抽取两芯和四芯结构样品进行试验，型号分别为 FFCH-X-100-4×24、FFCH-X-S50-4×24 和FFCH-X-100-2×24，所有样品均截取为 1 根 10 m 长电缆。

2.2 三温条件下传输性能测试

三温是指室温条件及数据电缆在正常工作状况下所允许的最高温度和最低温度。三温条件下传输性能测试的目的是针对数据电缆关键应用参数（衰减、差分阻抗、电容、延时差）在整个工作温度范围内的性能指标变化情况进行验证，以确认数据电缆关键参数指标在全温度范围内的稳定性或离散状态。

2.3 不同条件下的测试分析

以衰减、差分阻抗、电容、延时差作为考核指标，将温度和传输频率作为变量，进行步进应力试验测试，以考察不同温度及传输频率对传输性能指标的影响（试验方案见表1）。同时，结合实际应用环境及降额要求评估数据电缆的边界余量，再根据实际需要对产品结构性能进行优化。

表1 传输性能测试试验方案Table 1 Scheme for transmission performance test

3 评估试验结果与分析

3.1 三温条件下传输性能测试结果分析

在最低工作温度（-90 ℃）、常温（25 ℃）和最高工作温度（180 ℃）条件下分别测试数据电缆的衰减、差分阻抗、电容及延时差，测试结果见表2。

3个样品在不同传输频率下都出现了从低温到高温衰减值由小变大的过程，温度越低，衰减值越小，如 FFCH-X-100-4×24 在 1 GHz传输频率下，180 ℃ 时的衰减为 0.956 dB/m，25 ℃ 时降低至0.856 dB/m、-90 ℃ 时降低至 0.625 dB/m，下降近30%。根据传输线理论和传输线等效电路，电缆的衰减影响因素包括导体衰减、介质衰减和回波衰减，其中导体衰减与导体的电阻率有关，而导体电阻率与温度成正比关系，因此温度越低，衰减就越小；介质衰减和回波衰减分别与电缆绝缘体介电常数和电缆结构尺寸有关，对温度不敏感。微观上，当导体两端加载电压，自由电子往一方向前行，但导体中的自由电子存在振动，温度越低，自由电子振动越小，造成自由电子碰撞的机会越小，则导体的电阻率降低，衰减减小。

根据阻抗公式，电缆的差分阻抗与电缆绝缘体介电常数、两导体中心距及绝缘外径有关，表2数据显示3个样品的差分阻抗在三温条件下的测试数据一致性较为稳定，基本无波动变化情况，说明差分阻抗对温度变化不敏感，具有一定的稳定性。

表2 三温条件下数据电缆传输性能测试结果Table 2 Evaluation of test results: transmission parameters at three temperatures

样品电容随着温度升高呈增大趋势，原因在于温度的升高带来导体电阻率和绝缘材料介电常数的增大，而电容随绝缘材料介电常数的增大而增大，因此电容呈现出随温度增大的趋势。

延时差方面，3个样品均出现了和衰减、电容一样的变化规律。

3.2 不同条件下传输性能测试结果分析

按照表1设置的试验条件，以温度和传输频率作为综合变量开展不同组合条件下的传输性能测试。

1）衰减−温度−传输频率关系如图1所示。

图1 不同传输频率下衰减−温度关系曲线Fig. 1 Attenuation-temperatures relation curves for different frequency

由图1 可以看出，在 10 MHz～6.5 GHz 频率范围内，随着传输频率的增加，衰减在整体趋势上随温度增加而变大。在10～100 MHz频率区间增大趋势平缓，最大变化量在14%左右；传输频率超过100 MHz后，频率越高，衰减随温度的变化出现的波动性越大，最大变化量达74%左右。特别是温度从 -20 ℃升高至20 ℃过程中，衰减曲线出现较大波动，原因在于数据电缆绝缘材料为含氟聚合物，其在 -20～20 ℃之间具有晶型转变的特性，影响数据电缆的绝缘介电常数，进而影响电缆的衰减。因此，为降低该温区衰减波动，在数据电缆生产工艺控制过程中应尽量降低晶型变化对衰减的影响。

2）差分阻抗−温度关系如图2所示。

图2 差分阻抗−温度关系曲线Fig. 2 Curves of differential impedance vs. temperature

从图2可以看出，在-90～180 ℃温度范围内，数据电缆的阻抗值均变化不大，趋势一致。虽然阻抗与衰减、功率、电压有一定关系，但是阻抗主要取决于在不同环境下结构尺寸的变化，在温度的变化过程中，数据电缆的结构尺寸变化不大，因此阻抗变化不大，与理论设计相一致。

3）电容−温度关系如图3所示。

图3 电容−温度关系曲线Fig. 3 Curves of capacitance vs. temperature

数据电缆的电容越小，信号在介质层传输的充放电时间越短，越能有效避免信号失真。从图3可以看出，在-90～180 ℃温度范围内，电缆的电容随温度的升高呈增大趋势，原因在于电容与内外导体的直径、介电常数有关：温度增加过程中，绝缘层膨胀，外导体之间和介电常数发生变化，但变化量很小，状态基本稳定。由此可见，数据电缆的电容受温度变化影响很小，表现出良好的参数稳定性。

4）延时差−传输频率及延时差−温度关系分别如图4和图5所示。

图4 延时差−传输频率关系曲线Fig. 4 Curves of delay vs. frequency

图5 延时差−温度关系曲线 (1.25 GHz 传输频率下)Fig. 5 Curves of delay vs. temperature (1.25 GHz frequency)

从图4可以看出，随着传输频率的升高，样品的延时差呈增大趋势;从图5可以看出，在全温度范围内，以变化率来计算，3个样品延时差的最大变化率约28%。延时差表示的是线段间电气长度的差异，该差异越小越好。介电常数、绝缘电阻、导体电阻等都是延时差指标的影响因素，因此产品结构及材料决定数据电缆延时差的稳定性。

4 结束语

本文对宇航用千兆数据电缆开展的评估试验进行了结果分析，重点对数据电缆传输性能在不同传输频率及温度条件下进行试验验证，分析总结了数据电缆传输性能的变化趋势及原因。基于试验结果并结合数据电缆材料特性给出以下使用建议：

1）将温度和传输频率作为二元因素，综合评价数据电缆在不同条件下的变化趋势，数据电缆传输频段应尽量选取在差分阻抗变化波动较小的区域，且数据电缆差分阻抗与系统之间阻抗要保证良好的一致性，可有效防止信号回波，减小衰减。

2）随着温度或传输频率的增加，衰减、差分阻抗、电容及延时差指标均会呈现不同程度的上升，低温环境下数据电缆传输性能的敏感性明显低于高温环境，因此建议当数据电缆在系统中应用于高温环境时应评估其实际工作温度下的传输性能，确保系统信号完整性。

3）数据电缆结构特征及选用材料的不同会造成信号波动频率点的差异，因此要进行前期试验验证，选择安全的传输频率区域，避免信号传输过程中出现失真现象。

4）相同温度条件下，电容和延时差随温度和传输频率的变化程度要小于衰减和差分阻抗的变化程度，前者主要取决于产品结构及材料的选用情况，因此在数据电缆的使用过程中应更加关注衰减及差分阻抗指标的变化情况。