低压差分信号通信传输电缆设计和制造研究

李 健，沈 娟

(安徽宏源特种电缆集团有限公司，安徽 芜湖 238371)

1 引言

某公司自主研制开发 HYWSPF40 系列宇航级通信传输电缆，运用航空航天领域中的信号传输、导弹武器系统、NAV 近场观测系统作为高速传输设备的连接线，传输 LVDS 信号。

2 结构设计

选择双绞屏蔽电缆作为差分信号线对，应用于阻抗为 100Ω的接口上，并对关键技术和工艺进行研究，进一步完善制造工艺技术平台，建立稳定、可靠而又适合批量生产的先进生产线，以保证电缆能在使用过程中可靠工作，并保持良好的电气性能和传输性能。

图1 低压差分信号通信传输电缆Fig.1 Low voltage differential signal communication transmission cable

3 材料选择

3.1 导体材料设计

铜和银的导电性能较好，考虑到太空环境中的极限高低温，采用镀银铜线作为导体材料。为提高电缆的柔软性和可靠性，导体采用多股镀银铜线绞合形式。

3.2 绝缘材料设计

本电缆是双绞屏蔽电缆，考虑该电缆运用于真空环境中的各项性能的苛刻要求，特别是传输速率要求、衰减要求、工作温度范围、空间环境条件及重量轻的要求，采用微孔聚四氟乙烯作为内层绝缘材料。由于微孔聚四氟乙烯带柔软，对绞时，芯线间容易相互挤压而变形，会对电缆阻抗均匀性产生不利影响，从而在微孔聚四氟乙烯薄膜绕包外层采用 PTFE 生料带绕包作外绝缘。PTFE 生料带性能上比较稳定，可以通过高温烧结而牢固，线芯在绞合时不容易挤伤，有利于保持芯线外形，增大抗压变形能力，确保电缆整体的可靠性。

3.3 护套材料设计

采用乙烯-四氟乙烯共聚物(ETFE)作为电缆的护套材料。乙烯-四氟乙烯共聚物是一种性能优异的材料，其材料稳定性很好，具有良好的真空稳定性能，可满足本项目的指标要求。在氟塑料中，它的比重最小，用其作为护套材料可以大大减轻电缆重量。它还具有其他氟塑料所不具备的耐辐照性能，可满足低地球轨道空间的辐照性能要求。

4 关键工艺技术

4.1 精密绕包技术

采用精密绕包技术对于电缆的传输性能的提高起着重要作用，并且采用精密绕包技术可以提高电缆的耐电压水平，不易在绕包接缝处发生电击穿现象。绝缘绕包时对设备张力的选择及张力精度控制要求也是影响电缆各项性能的关键因素。随着带子的宽窄，张力参数设定要有所区别。该种材料机械强度低，容易出现拉伸。绕包张力过大，拉伸后整个带子变薄，等效介电常数发生变化，最终结果是电缆的阻抗和衰减偏离设计值。绕包的包带张力过小，信号在传输过程中容易形成反射，影响电缆阻抗、衰减。选择进口LUKAS 立式绕包设备，该设备采用 PLC 可编程控制器综合控制各运行参数，实现绕包张力、牵引张力及速度的任意设定，并实现实时监控和自动控制。通过 PLC 编程输出直接扫描绕包带上的张力，以自动调节绕包伺服电机和牵引伺服电机之间的速度差，使绕包和牵引的转速波动小于5，实现绕包带张力动态恒定和绕包节距误差小于5‰，满足绕包带张力动态恒定和绕包节距误差小于1%的精度要求，从而满足产品开发要求。

4.2 高精度对绞技术

本电缆用于差分信号传输。由差分信号的传输原理可得出，两路信号的同步性决定着数据传输的有效性。

本电缆中，两路信号通过两根芯线传输，其从始端至终端的传输时间取决于芯线的电气长度。在两根芯线结构、材料一致的情况下，芯线电气长度取决于芯线的物理长度。因此，电缆对称性越高，电缆两绝缘线芯的物理长度的一致度越好，则两根芯线传输信号的同步性越好。只有两根芯线物理长度一致性高度一致，才有可能使电缆的延时差达到合同所规定的指标。如果电缆芯线长度不一致，将导致两路信号在两根芯线中传输的时间不一致，最终导致差分信号的歪斜，信号产生畸变。电缆两绝缘线芯的对称性包含两方面内容：一是两绝缘线芯的外径及介电常数的一致性，二是对绞结构的一致性。前者由紧密绕包技术保证，后者应由对绞工艺决定。对绞工艺中，为了达到对绞结构的高度一致，必须注意以下几个环节：对绞的两绝缘线芯必须预退扭。由于一般对绞机是无退扭的，所以在绞合过程中两芯线接触点(即绞合点)的轨迹是沿绝缘表面的一条螺旋线。单根绝缘线芯在绞合过程中，绕自身扭转，单个节距扭内转约 360°，由此而产生的扭矩在绞线纵向上不断增大，使得相邻绝缘芯线之间挤压力变化，造成两芯线间绝缘变形不一致，最终导致不经过退扭的对绞线导体间的中心距是不断变化的，可导致电缆特性阻抗不断波动，各对绞节距中两绝缘线芯的绞入长度也是不断变化的，这显然不符合本项目的要求，所以对绞的两绝缘线芯必须预退扭，使绞合过程中两线芯接触点(即绞合点)的轨迹是一直线而不是一条螺旋线，达到对绞线两导体间的中心距稳定的目的。

本电缆仅仅保证两绝缘线芯的中心距稳定是不够的，还必须保证对每个节距中两芯线所绞入的长度是一致的。要求两芯线放线的张力是一致而稳定的，即使芯线放线的张力是一致而稳定的，还不能保证两芯线所绞入的长度都是一致的。当两芯线的物理状态稍有差异时，如两线芯的导体铜丝由于退火温度的波动而柔软程度有所差异等，则稍硬些的导体的绞入长度会稍短一点，故必须放线张力一致，使进入对绞机的两线芯长度完全一致。

使用可以预退扭的对绞机，对绞机主动放线张力、牵引张力都可以进行参数控制，通过这些张力的控制，严格控制对绞张力，保证进入对绞机的两根芯线的长度是严格一致的。

4.3 降低材料真空逸气技术

真空逸气是指电线电缆在一定的真空度下，材料中不稳定的成分脱离材料主体进入空间环境中，而这些成分主要是材料中的低分子化合物。这些物质一旦从绝缘材料中脱离进入空间环境中，就会附着在航天仪器仪表的镜面上，造成镜面模糊，难以读数，甚至影响设备对空间环境的探测。电缆的外护套采用低氟溢出的 X-ETFE 材料，该材料在真空环境中比较稳定，不会有低分子材料逸出，保证真空逸气性。

5 产品特点

传输速率快、高频衰减低。本电缆为双绞对称结构 LVDS 信号传输电缆，通过介质损耗低的微孔聚四氟乙烯薄膜为绝缘材料，比常规的发泡聚乙烯绝缘衰减更低。采用精密绕包和高精度对绞技术，保证了电缆高速传输性能及其传输可靠性，使得单对绞线的传输速率达到或超过常规的四对星绞发泡聚乙烯绝缘 LVDS 电缆。

重量轻，柔软性好。其对绞线结构的传输速率非常高，在满足传输速率要求的前提下，减少了传输线的使用对数，所以降低了电缆重量，满足了飞行器对载重苛刻的要求，在狭小空间安装更加快捷。

空间环境使用性能优异。采用介质损耗低的微孔聚四氟乙烯薄膜绝缘材料和 ETFE 护套材料，比常规的聚乙烯绝缘和聚氯乙烯护套具有更好的空间适应能力。通过对其真空稳定性能、耐辐照能力和耐高低温性能的考核，表明，其满足空间环境使用要求。