基于宇航元器件評估技術的宇航用千兆數據電纜傳輸性能試驗評價

張 義，張紅旗，王 征，陶兆增，范壯壯，郭燕君，焦美榮，于福莉，夏占軍

（1. 中國航天宇航元器件工程中心，北京 100094；2. 中國電子科技集團公司第二十三研究所，上海 201900；3. 北京衛(wèi)星制造廠有限公司，北京 100094）

0 引言

隨著航天領域數字通信系統(tǒng)的快速發(fā)展及空間探測領域的擴大，飛行器上攜帶了越來越多的觀測儀器和設備，星載電子設備產生和待處理的數據量迅猛增長，系統(tǒng)對信號傳輸速率[1]、抗干擾性及傳輸性能可靠性的要求越來越高，系統(tǒng)功能的實現也越來越依賴于數據電纜通信的穩(wěn)定可靠[2-4]。宇航用數據電纜具備傳輸速率高、損耗小、磁兼容性能強[5-6]，以及能夠極大限度地適應空間特殊環(huán)境等特點。由于空間環(huán)境極為嚴酷，要求數據電纜在特定的使用環(huán)境下具備一定的信號完整性，其衰減、差分阻抗、電容、延時差等傳輸性能指標必須具有相對的穩(wěn)定性和一致性。目前，針對宇航用高速數據電纜開展傳輸性能評價等方面的研究鮮有報道。

宇航元器件評估技術是針對分析元器件應用中關注的相關功能、性能和可靠性與規(guī)范之間要求的裕度、余量，以及在設計、材料或工藝方面的潛在缺陷，采用高加速應力和持續(xù)應力的方法獲得元器件的極限能力，以評估元器件在熱、力、電等應力作用下可承受的應力極限值和失效模式，綜合評價元器件極限能力的全過程[7]。對于應用環(huán)境苛刻、維修難度高、質量可靠性要求高的元器件而言，宇航元器件評估技術是該類元器件質量保證的重要方法之一。

本文選取一種典型的宇航用含氟聚合物千兆數據電纜，將溫度及傳輸頻率作為變量，基于宇航元器件評估技術，對其傳輸性能進行了不同條件下的試驗測試，經過數據分析得到其在不同條件下的變化特征，分析這些變化特征產生的原因，并對電纜傳輸性能的可靠性水平進行評價。

1 數據電纜傳輸性能參數

信號的完整性最終反映在電纜安裝到系統(tǒng)后能保證信號實時有效地傳輸。按傳輸理論及場的觀點，信號在特定傳輸模式下失真表現在誤碼率較高，即傳輸一定數量的比特偽代碼后出現錯誤碼，且眼圖未完全睜開，在特定的傳輸速率下眼高、眼寬和抖動不達標。然而，上述皆為系統(tǒng)級評價方式，是電路、連接端和電纜綜合性能的體現，電纜的性能優(yōu)劣則體現于衰減、差分阻抗、電容、延時差等傳輸性能參數指標。在極端條件下，電纜應保證阻抗的均一性，具有較小的衰減、電容和延時差，且穩(wěn)定可靠。

2 評估試驗方法設計

為評價數據電纜的傳輸可靠性，本文依據宇航元器件評估技術，以步進加速應力和持續(xù)加速應力相結合的試驗方法進行評估，試驗項目包括三溫條件下傳輸性能測試及基于傳輸性能參數特性的曲線分析。

2.1 試驗樣品選取原則

為了使選用樣品具有代表性，選擇國內某廠家生產的宇航用FFCH-X型含氟聚合物千兆數據電纜，分別抽取兩芯和四芯結構樣品進行試驗，型號分別為 FFCH-X-100-4×24、FFCH-X-S50-4×24 和FFCH-X-100-2×24，所有樣品均截取為 1 根 10 m 長電纜。

2.2 三溫條件下傳輸性能測試

三溫是指室溫條件及數據電纜在正常工作狀況下所允許的最高溫度和最低溫度。三溫條件下傳輸性能測試的目的是針對數據電纜關鍵應用參數（衰減、差分阻抗、電容、延時差）在整個工作溫度范圍內的性能指標變化情況進行驗證，以確認數據電纜關鍵參數指標在全溫度范圍內的穩(wěn)定性或離散狀態(tài)。

2.3 不同條件下的測試分析

以衰減、差分阻抗、電容、延時差作為考核指標，將溫度和傳輸頻率作為變量，進行步進應力試驗測試，以考察不同溫度及傳輸頻率對傳輸性能指標的影響（試驗方案見表1）。同時，結合實際應用環(huán)境及降額要求評估數據電纜的邊界余量，再根據實際需要對產品結構性能進行優(yōu)化。

表1 傳輸性能測試試驗方案Table 1 Scheme for transmission performance test

3 評估試驗結果與分析

3.1 三溫條件下傳輸性能測試結果分析

在最低工作溫度（-90 ℃）、常溫（25 ℃）和最高工作溫度（180 ℃）條件下分別測試數據電纜的衰減、差分阻抗、電容及延時差，測試結果見表2。

3個樣品在不同傳輸頻率下都出現了從低溫到高溫衰減值由小變大的過程，溫度越低，衰減值越小，如 FFCH-X-100-4×24 在 1 GHz傳輸頻率下，180 ℃ 時的衰減為 0.956 dB/m，25 ℃ 時降低至0.856 dB/m、-90 ℃ 時降低至 0.625 dB/m，下降近30%。根據傳輸線理論和傳輸線等效電路，電纜的衰減影響因素包括導體衰減、介質衰減和回波衰減，其中導體衰減與導體的電阻率有關，而導體電阻率與溫度成正比關系，因此溫度越低，衰減就越小；介質衰減和回波衰減分別與電纜絕緣體介電常數和電纜結構尺寸有關，對溫度不敏感。微觀上，當導體兩端加載電壓，自由電子往一方向前行，但導體中的自由電子存在振動，溫度越低，自由電子振動越小，造成自由電子碰撞的機會越小，則導體的電阻率降低，衰減減小。

根據阻抗公式，電纜的差分阻抗與電纜絕緣體介電常數、兩導體中心距及絕緣外徑有關，表2數據顯示3個樣品的差分阻抗在三溫條件下的測試數據一致性較為穩(wěn)定，基本無波動變化情況，說明差分阻抗對溫度變化不敏感，具有一定的穩(wěn)定性。

表2 三溫條件下數據電纜傳輸性能測試結果Table 2 Evaluation of test results: transmission parameters at three temperatures

樣品電容隨著溫度升高呈增大趨勢，原因在于溫度的升高帶來導體電阻率和絕緣材料介電常數的增大，而電容隨絕緣材料介電常數的增大而增大，因此電容呈現出隨溫度增大的趨勢。

延時差方面，3個樣品均出現了和衰減、電容一樣的變化規(guī)律。

3.2 不同條件下傳輸性能測試結果分析

按照表1設置的試驗條件，以溫度和傳輸頻率作為綜合變量開展不同組合條件下的傳輸性能測試。

1）衰減?溫度?傳輸頻率關系如圖1所示。

圖1 不同傳輸頻率下衰減?溫度關系曲線Fig. 1 Attenuation-temperatures relation curves for different frequency

由圖1 可以看出，在 10 MHz～6.5 GHz 頻率范圍內，隨著傳輸頻率的增加，衰減在整體趨勢上隨溫度增加而變大。在10～100 MHz頻率區(qū)間增大趨勢平緩，最大變化量在14%左右；傳輸頻率超過100 MHz后，頻率越高，衰減隨溫度的變化出現的波動性越大，最大變化量達74%左右。特別是溫度從 -20 ℃升高至20 ℃過程中，衰減曲線出現較大波動，原因在于數據電纜絕緣材料為含氟聚合物，其在 -20～20 ℃之間具有晶型轉變的特性，影響數據電纜的絕緣介電常數，進而影響電纜的衰減。因此，為降低該溫區(qū)衰減波動，在數據電纜生產工藝控制過程中應盡量降低晶型變化對衰減的影響。

2）差分阻抗?溫度關系如圖2所示。

圖2 差分阻抗?溫度關系曲線Fig. 2 Curves of differential impedance vs. temperature

從圖2可以看出，在-90～180 ℃溫度范圍內，數據電纜的阻抗值均變化不大，趨勢一致。雖然阻抗與衰減、功率、電壓有一定關系，但是阻抗主要取決于在不同環(huán)境下結構尺寸的變化，在溫度的變化過程中，數據電纜的結構尺寸變化不大，因此阻抗變化不大，與理論設計相一致。

3）電容?溫度關系如圖3所示。

圖3 電容?溫度關系曲線Fig. 3 Curves of capacitance vs. temperature

數據電纜的電容越小，信號在介質層傳輸的充放電時間越短，越能有效避免信號失真。從圖3可以看出，在-90～180 ℃溫度范圍內，電纜的電容隨溫度的升高呈增大趨勢，原因在于電容與內外導體的直徑、介電常數有關：溫度增加過程中，絕緣層膨脹，外導體之間和介電常數發(fā)生變化，但變化量很小，狀態(tài)基本穩(wěn)定。由此可見，數據電纜的電容受溫度變化影響很小，表現出良好的參數穩(wěn)定性。

4）延時差?傳輸頻率及延時差?溫度關系分別如圖4和圖5所示。

圖4 延時差?傳輸頻率關系曲線Fig. 4 Curves of delay vs. frequency

圖5 延時差?溫度關系曲線 (1.25 GHz 傳輸頻率下)Fig. 5 Curves of delay vs. temperature (1.25 GHz frequency)

從圖4可以看出，隨著傳輸頻率的升高，樣品的延時差呈增大趨勢;從圖5可以看出，在全溫度范圍內，以變化率來計算，3個樣品延時差的最大變化率約28%。延時差表示的是線段間電氣長度的差異，該差異越小越好。介電常數、絕緣電阻、導體電阻等都是延時差指標的影響因素，因此產品結構及材料決定數據電纜延時差的穩(wěn)定性。

4 結束語

本文對宇航用千兆數據電纜開展的評估試驗進行了結果分析，重點對數據電纜傳輸性能在不同傳輸頻率及溫度條件下進行試驗驗證，分析總結了數據電纜傳輸性能的變化趨勢及原因。基于試驗結果并結合數據電纜材料特性給出以下使用建議：

1）將溫度和傳輸頻率作為二元因素，綜合評價數據電纜在不同條件下的變化趨勢，數據電纜傳輸頻段應盡量選取在差分阻抗變化波動較小的區(qū)域，且數據電纜差分阻抗與系統(tǒng)之間阻抗要保證良好的一致性，可有效防止信號回波，減小衰減。

2）隨著溫度或傳輸頻率的增加，衰減、差分阻抗、電容及延時差指標均會呈現不同程度的上升，低溫環(huán)境下數據電纜傳輸性能的敏感性明顯低于高溫環(huán)境，因此建議當數據電纜在系統(tǒng)中應用于高溫環(huán)境時應評估其實際工作溫度下的傳輸性能，確保系統(tǒng)信號完整性。

3）數據電纜結構特征及選用材料的不同會造成信號波動頻率點的差異，因此要進行前期試驗驗證，選擇安全的傳輸頻率區(qū)域，避免信號傳輸過程中出現失真現象。

4）相同溫度條件下，電容和延時差隨溫度和傳輸頻率的變化程度要小于衰減和差分阻抗的變化程度，前者主要取決于產品結構及材料的選用情況，因此在數據電纜的使用過程中應更加關注衰減及差分阻抗指標的變化情況。