低压差分信号通信传输电缆设计和制造研究

低压差分信号通信传输电缆设计和制造研究

王震

苏州华旃航天电器有限公司 ， 江苏省苏州市 ， 215000

摘要：为适应市场的特殊需求而设计开发的航空航天级通信传输电缆产品，是低压差分信号通信传输电缆。在本文中，引入关键工艺技术、材料选择、结构设计等，使低压差分信号通信传输电缆具备较轻的重量、传输速度快、较大的灵活性、减低频率衰以及空间环境性能优良等特点。选用某企业HYWSPF40航天级通信传输电缆，利用航天领域的导弹武器系统、信号传输、NAV短程观测系统，作为高速传输设备的连接线，传输LVDS信号，该系列是自主研发的。

关键词：低压差分信号通信；传输电缆设计；制造研究

一、低压差分信号概述

一种小幅度差分信号技术是低压差分信号 (LVDS)，一般超过（约 77MHz）155 Mbps的低压差分信号传输支持速率。低压差分信号低幅度的信号（大约350 mV），用于通过一对差分PCB平衡或走线电缆发送数据。由于低压差分信号转换速度快，幅度低，信号串行数据传输速度可达数百兆比特/秒。独特的恒流源模式驱动器和低振幅，所消耗非常少的功率，而且产生非常低的噪声。另外，在抑制共模噪声方面低压差分信号表现出色，是由于低压差分信号以差分方式发送数据。因此，低压差分信号被用于高速、大容量的数据传输，可以满足高性能数据传输应用的当前需求，并将系统电源电压降低到2伏，适用于分辨率高于SVGA的TFTLCD显示设备。可以集成到ASIC、 FPGA和其他组件中，被广泛使用。

二、结构设计

差分信号线对可以选用双绞屏蔽电缆应用于阻抗100Ω接口，为更好的完善制造工艺技术平台，分析关键技术和工艺，进一步打造可靠、稳定、先进的生产线，用于批量生产。在使用过程中保持良好的传输性能和电气，确保电缆工作可靠。

三、材料选择

（一）导体材料设计

铜和银具有优良的导电性，导体材料可以选用镀银铜线，因为空间环境中会出现极低和极高的温度，电缆的可靠性和柔韧性为了显著提高，导体可以选择多股镀银铜线绞合而成。

（二）绝缘设计

该电缆是双绞屏蔽电缆，内部绝缘采用微孔聚四氟乙烯，因要在真空环境中考虑到使用的电缆各种性能的严格性能要求，特别是工作温度范围、衰减要求、传输速度要求、空间环境条件、轻量化要求等。因为微孔聚四氟乙烯带较软，对电缆阻抗的均匀性产生不利影响，会造成绞合时芯线容易受压变形。因此，用聚四氟乙烯包裹微孔聚四氟乙烯薄膜的外层，用于外绝缘。聚四氟乙烯生料带可以通过高温烧结来增强牢固，其性能比较稳定，在绞合时芯线不易被压扁，由于可以保持芯线的形状，保证电缆的整体可靠性，增加抗压变形能力。

四、关键工艺技术

（一）精密绕包技术

增强电缆的传输性能，可以采用精密绕包技术，其有着重要的作用。采用精密绕包技术可以在绕包缝处不易造成击穿，可以增强电缆的耐压等级。影响电缆性能的重要因素，是绝缘包覆时对张力精确控制以及设备张力选择的要求。根据带子的宽度，可能需要更改张力参数设置。这类材料机械易拉伸，强度低。如果绕包张力过高，等效介电常数会发生变化，整个带子在拉伸时会变薄，电缆的衰减和阻抗会偏离设计值。缠绕在包上的绕包带张力过低，影响电缆的阻抗和衰减，在传输过程中会反射信号。进口立式绕包设备LU-KAS，采用PLC可编程控制器，实现牵引张力、绕包张力、速度任意设定，综合控制各种运行参数，实时监控和自动控制。包带张力可以通过PLC编程输出直接扫描，使牵引速度和包带波动小于5%，牵引伺服电机和包带伺服电机可以自动调整速度差，绕包带是动态的和恒定的，节距误差小于5%，绕包节距和绕包带张力恒定，满足误差小于1%的精度要求，为此满足产品开发的要求。

（二）降低材料真空逸气技术

真空逸气是指材料中的不稳定成分，在电线和电缆的一定真空下离开材料主体并进入空间环境，材料中的低分子量化合物主要是这些成分。当空间环境进入这些物质脱离绝缘体时，会附着在航天仪表和设备的镜面，导致镜面比较模糊，很难读取其中的信息，影响设备空间环境的检测。X-ETFE材料的低氟溢流可以在电缆外护套中选用，低分子材料在真空环境中比较稳定，不泄漏，确保真空逸气性能。

（三）高精度对绞技术

差分信号传输选用于本电缆中。数据传输的有效性从差分信号的传输原理可以看出，决定与两个信号的同步。使用这种电缆，通过两条芯线传输两个信号，芯线的电气长度取决于开始到结束的传输时间。如果两根芯线的结构和材料相同，芯线的物理长度取决于芯线的电气长度。所以，对称性越高的电缆，则传输信号的两个芯的同步性越好，两个隔离芯电缆物理长度越一致。电缆延迟差要想达到收缩的指标，则是需要两个芯的物理长度非常一致。如果电缆线芯长度不一致，两个线芯上的信号传输次数就会不一致，最终导致信号失真和差分信号歪斜。电缆的两个绝缘芯的对称性有两个方面。首先是对绞结构的一致性。其次，一致性的介电常数和两绝缘芯外径。前者由对绞工艺决定，后者由绕包技术保证。在对绞过程中，需要注意以下几个环节，才能实现对绞结构的同高。双绞线的两根绝缘线芯必须预先绞合，由于绞线一般没有反向绞合，绞合过程中两芯线之间的接触点是沿着绝缘表面的螺旋线。在对绞过程中，单个绝缘线芯会缠绕在自身周围， 360°约为单个螺距扭曲旋转。相邻绝缘线芯之间的挤压力发生变化，在绞线的纵向方向上由此产生的扭矩增加，导体之间的一对绞线不会扭曲，两线芯之间的绝缘变形变得不一致。由于中心距是不断变化的，电缆的特性阻抗会不断波动，也在不断变化每对绞节距的两个绝缘芯的绞线长度，显然不符合本项目要求。因此，两芯线的接触点的轨迹在绞合过程中是直的而不是螺旋形的，芯线必须预先绞合，达到稳定绞线两导体中心距的目的。使用这种电缆，稳定两个绝缘芯之间的中心距是不行的，还需要确保每个节距的两个磁芯的扭绞长度相同。两芯线的张力必须恒定且稳定，即使芯线的张力恒定稳定，两根芯线的长度也是一样的。如果两芯线的物理条件略有不同，如两芯线的铜线因退火温度变化而变软，则较硬导体的绞线长度会稍短。因此，放线张力应该是相同的，进入对绞机的两个芯线的长度完全相同。可以使用可预退扭的对绞机，通过参数控制对绞机的有效放线张力和牵引张力。通过控制这些张力，对绞张力被严格控制以确保两个长度，进入对绞机的芯线严格一致。

五、产品特点

双绞线对称LVDS信号传输电缆是本研究的电缆，高频衰减低，传输速度快，轻便灵活，在空间环境中表现出色。绝缘材料采用低介电损耗的微孔聚四氟乙烯薄膜，绝缘衰减比传统的发泡聚乙烯小。电缆的传输可靠性和高速传输性能，采用精密对绞和精密绕包技术保证了，单对对绞线的传输速度可以达到或超过传统的四对星绞多股聚乙烯泡沫隔离 LVDS电缆。在满足传输速度要求的情况下，对绞线结构的传输速度非常高，减轻了电缆的重量，减少传输线对数，满足了飞机严格的负载要求，并且在狭小空间内安装速度快。选用ETFE护套材料和低介电损耗微孔聚四氟乙烯薄膜绝缘，对耐辐射性能、真空稳定性能、耐高低温性能都比较好，比传统聚氯乙烯护套和聚乙烯绝缘更好的空间适应性，表明满足在空间环境中使用的要求。

参考文献：

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