某型飛機(jī)超五類雙絞線特性阻抗測(cè)試方法的改進(jìn)

程佳敏 王倩倩

【摘要】某型機(jī)的飛行儀表系統(tǒng)采用超五類雙絞線THSFF5eR1X1X24作為信號(hào)線傳輸數(shù)字視頻信號(hào)。超五類雙絞線對(duì)特性阻抗匹配要求較高，同一組五類雙絞線的線間特性阻抗之差不能超過(guò)3Ω，否則會(huì)影響視頻信號(hào)傳輸質(zhì)量，嚴(yán)重時(shí)造成飛行儀表顯示器花屏。本文論述了超五類雙絞線特性阻抗測(cè)試的原理及方法，通過(guò)學(xué)習(xí)及多次試驗(yàn)改進(jìn)了超五類雙絞線特性阻抗的測(cè)試方法，保證超五類雙絞線的信號(hào)傳輸質(zhì)量。

【關(guān)鍵詞】超五類雙絞線，特性阻抗，測(cè)試方法，匹配

1引言

某型飛機(jī)的飛行儀表系統(tǒng)采用超五類雙絞線THSFF5eR1X1X24A進(jìn)行航空電子器件LVDS信號(hào)傳輸，電纜裝機(jī)后多次出現(xiàn)信號(hào)傳輸不穩(wěn)定、飛行儀表顯示器花屏的故障。

特性阻抗是影響信號(hào)品質(zhì)及完整性的最重要的因素。如果信號(hào)傳播過(guò)程中，相鄰的信號(hào)傳播間隔之間阻抗保持一致，那么信號(hào)就可以十分平穩(wěn)地向前傳播，因而情況變得十分簡(jiǎn)單。如果相鄰的信號(hào)傳播間隔之間存在差異，或者說(shuō)阻抗發(fā)生了變化，信號(hào)中能量的一部分就會(huì)往回反射，信號(hào)傳輸?shù)倪B續(xù)性也會(huì)被破壞，由此會(huì)帶來(lái)諸如回?fù)軗p耗偏大、信號(hào)傳輸輻射增大、信號(hào)傳輸完整性不足等問(wèn)題，造成信號(hào)傳輸質(zhì)量差的故障。

為了提高電纜在飛機(jī)上的信號(hào)傳輸質(zhì)量，設(shè)計(jì)要求在電纜加工前對(duì)每組超五類雙絞線THSFF5eR1X2X24A的特性阻抗進(jìn)行測(cè)量，要求同一組超五類雙絞線的線間特性阻抗之差不超過(guò)3Ω。

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙要求，首次使用線纜認(rèn)證儀33-991 LANTEK II-350對(duì)XXX電纜中10組超五類雙絞線THSFF5eR1X1X24A特性阻抗測(cè)量，特性阻抗測(cè)量值范圍在93.5-97.7Ω，根據(jù)《飛機(jī)用特種超5類電纜》XMS1816文件，超五類雙絞線的特性阻抗值應(yīng)在100±5Ω范圍內(nèi)。

2 THSFF5eR1X1X24A導(dǎo)線

相比起其它種類的導(dǎo)線，超五類雙絞線具有衰減小，串?dāng)_少，衰減與串?dāng)_的比值（ACR）和信噪比（Structural Return Loss）高、延時(shí)誤差小、傳輸距離小、傳輸質(zhì)量高、抗干擾能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，可在惡劣的環(huán)境提供可靠性服務(wù)，適用于航空電子器件LVDS信號(hào)傳輸。

超五類雙絞線按其絞線對(duì)數(shù)可分為一對(duì)組、二對(duì)組、四對(duì)組，按是否有屏蔽層可分為屏蔽雙絞線和非屏蔽雙絞線。屏蔽雙絞線可以完全消除線對(duì)之間的電磁串?dāng)_，屏蔽層可以屏蔽來(lái)自電纜外的電纜EMI干擾和無(wú)線電RFI干擾。

THSFF5eR1X1X24A導(dǎo)線屬于飛機(jī)用特種超5類屏蔽雙絞線（STP），由外護(hù)套層、屏蔽層、絕緣層、內(nèi)導(dǎo)體、填充芯組成，如圖1所示。

3特性阻抗測(cè)試

3.1測(cè)試原理

特性阻抗時(shí)指當(dāng)導(dǎo)線無(wú)限長(zhǎng)時(shí)該導(dǎo)線所具有的阻抗，是組織電流通過(guò)導(dǎo)體的一種電阻名稱，它不是常規(guī)意義上的直流電阻。一根導(dǎo)線的特性阻抗是由電纜的電導(dǎo)率、電容以及組織組合后的綜合特性。它由導(dǎo)體的集合尺寸、導(dǎo)體間的中心距離、傳輸線本身的結(jié)構(gòu)、導(dǎo)線絕緣材料的介電常數(shù)等因素決定。均勻電纜線對(duì)的特性阻抗Zc定義為沿同一方向（正向或反向）的電壓波與電流波之比。

線纜認(rèn)證儀33-991 LANTEK II-350特性阻抗測(cè)試原理是由時(shí)域反射計(jì)（TDR）向印制板發(fā)射出一個(gè)信號(hào)電壓（高頻信號(hào)或高速脈沖信號(hào)的電壓），測(cè)量出反射回來(lái)的電纜變化，然后通過(guò)處理計(jì)算出特性阻抗值。

TDR時(shí)域反射，由高速的階躍脈沖發(fā)生器與高速的取樣頭組成。階躍脈沖的上升時(shí)間決定了分辨阻抗不連續(xù)性的能力。高速采樣頭決定測(cè)量時(shí)間，即阻抗變化位置的精確度。當(dāng)傳輸路徑中發(fā)生阻抗變化，部分能量會(huì)被反射，剩余的能量會(huì)繼續(xù)傳輸。知道發(fā)射波的幅度及測(cè)量反射波的幅度，可計(jì)算阻抗的變化。同時(shí)測(cè)量由發(fā)射到反射波再到達(dá)發(fā)射點(diǎn)的時(shí)間差可計(jì)算阻抗變化的位置。

已知入射的階躍脈沖的幅度，只要測(cè)量反射階躍脈沖的幅度，就能得出反射系數(shù)P，儀器的輸出阻抗Z0已知，便可計(jì)算出阻抗值Z。

Rh0（p）=Vreflected/Vincident=（Z-Z0）/（Z+Z0）

Z=Z0 （1+P）/（1-P）

3.2測(cè)試方法

首次使用線纜認(rèn)證儀33-991 LANTEK II-350測(cè)試特性阻抗方法如下：

第一步，將做好標(biāo)識(shí)的THSFF5eR1X1X24A導(dǎo)線平鋪在工作臺(tái)上，剝除導(dǎo)線兩端絕緣層;

第二步，校準(zhǔn)線纜認(rèn)證儀，創(chuàng)建測(cè)試導(dǎo)線類型，并選擇測(cè)試極點(diǎn);

第三步，使用線接器連接被測(cè)導(dǎo)線與線纜認(rèn)證儀，測(cè)試NVP值并保存;

第四步，測(cè)試THSFF5eR1X1X24A導(dǎo)線特性阻抗值。

3.3測(cè)試結(jié)果及分析

首次測(cè)量10組THSFF5eR1X1X24A導(dǎo)線特性阻抗值為93.5-97.7Ω，與《飛機(jī)用特種超5類電纜》XMS1816文件要求的100±5Ω有所出入。

在多次測(cè)量特性阻抗時(shí)仔細(xì)觀察每一個(gè)操作步驟，發(fā)現(xiàn)造成問(wèn)題發(fā)生的原因有兩個(gè)：

一是線纜認(rèn)證儀與THSFF5eR1X1X24A導(dǎo)線連接的線接器接觸不好。THSFF5eR1X1X24A導(dǎo)線規(guī)格為24AWG，線芯為0.511mm，將導(dǎo)線卡入線接器卡槽中操作難度較大，借用手動(dòng)固定導(dǎo)線;同時(shí)在將導(dǎo)線卡入線接器卡槽時(shí)容易損傷線芯，造成特性阻抗測(cè)量值有波動(dòng)。

二是導(dǎo)線剝除尺寸有誤差。特性阻抗值比較敏感，因此對(duì)導(dǎo)線的剝除尺寸有嚴(yán)格要求：從線對(duì)上剝?nèi)サ淖o(hù)套長(zhǎng)度不大于40mm，剝?nèi)サ钠帘伍L(zhǎng)度不大于25mm，剝除的絕緣長(zhǎng)度不大于8mm，線對(duì)松開(kāi)扭絞的長(zhǎng)度不大于13mm。但是，由于導(dǎo)線難以準(zhǔn)確裝入卡槽，在剝除導(dǎo)線外護(hù)套、屏蔽層、絕緣層時(shí)剝除尺寸超出了要求，使得特性阻抗測(cè)試值受到了影響。

4測(cè)試方法改進(jìn)

4.1改進(jìn)方案一

在測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)當(dāng)導(dǎo)線測(cè)量狀態(tài)不同（彎曲、順直）時(shí)，特性阻抗的測(cè)量值有0.5-1Ω的波動(dòng)。針對(duì)此現(xiàn)象，對(duì)一根導(dǎo)線進(jìn)行了盤卷、順直兩種狀態(tài)下的特性阻抗測(cè)量，兩種狀態(tài)下的測(cè)量值如下：

考慮到電纜成型后導(dǎo)線狀態(tài)與測(cè)試時(shí)狀態(tài)（順直）不一致，為了保證測(cè)量狀態(tài)與機(jī)上敷設(shè)狀態(tài)特性阻抗值的一致性，選擇對(duì)導(dǎo)線進(jìn)行兩次特性阻抗值測(cè)量，在導(dǎo)線下料后，對(duì)單根導(dǎo)線進(jìn)行第一次預(yù)檢測(cè)，在電纜裝配成型后，模擬機(jī)上實(shí)際情況，對(duì)裝配成型的插頭進(jìn)行第二次測(cè)量。

4.2改進(jìn)方案二

針對(duì)線接器與導(dǎo)線接觸不好的問(wèn)題對(duì)特性阻抗的測(cè)試及標(biāo)準(zhǔn)跳線的制作進(jìn)行了學(xué)習(xí)，制定了制作連接線纜認(rèn)證儀與被測(cè)導(dǎo)線的轉(zhuǎn)接電纜的改進(jìn)措施。

第一次預(yù)檢測(cè)，針對(duì)剝除絕緣層后裸露線芯的單根導(dǎo)線，制作帶有鱷魚(yú)夾的專用轉(zhuǎn)接電纜，以替換線接器，避免卡槽損傷線芯，造成特性阻抗測(cè)量值有波動(dòng)。

第二次檢測(cè)，針對(duì)已裝配成型的插頭，制作帶有相應(yīng)接觸偶的專用轉(zhuǎn)接電纜，增強(qiáng)對(duì)接的牢靠性;同時(shí)最大程度的模擬了機(jī)上敷設(shè)狀態(tài)。

制作專用的轉(zhuǎn)接電纜能夠確保被測(cè)導(dǎo)線與線纜認(rèn)證儀間的無(wú)縫連接，減小接觸電阻;同時(shí)專用轉(zhuǎn)接電纜使用簡(jiǎn)單方便，可以保證被測(cè)導(dǎo)線的剝除尺寸在要求范圍內(nèi)，提高了特性阻抗測(cè)試的準(zhǔn)確度。

4.3改進(jìn)后的測(cè)試結(jié)果

制作好兩件專用轉(zhuǎn)接電纜后，在某架機(jī)的電纜裝配中進(jìn)行了試檢測(cè)，第一次預(yù)檢測(cè)特性阻抗值為98.5-102.1Ω，第二次檢測(cè)阻抗值在96-99.5Ω，均符合《飛機(jī)用特種超5類電纜》XMS1816文件要求。

被測(cè)的10組超五類雙絞線同一組特性阻抗差值為0.5-2.8，滿足設(shè)計(jì)要求的同一組超五類雙絞線的線間特性阻抗之差不超過(guò)3Ω，保證了每一組導(dǎo)線之間的特性阻抗是相匹配的，使信號(hào)平穩(wěn)地向前傳輸。

5結(jié)束語(yǔ)

特性阻抗是否匹配是影響超五類雙絞線信號(hào)傳輸品質(zhì)及完整性的最重要的因素，它的測(cè)量值是否準(zhǔn)確尤為關(guān)鍵。通過(guò)對(duì)特性阻抗測(cè)量值波動(dòng)進(jìn)行原因分析，確定了特性阻抗測(cè)試改進(jìn)方法，實(shí)現(xiàn)了線纜認(rèn)證儀與被測(cè)超五類雙絞線的無(wú)縫連接，簡(jiǎn)化了特性阻抗測(cè)試操作，提高了機(jī)上電纜超五類雙絞線之間的特性阻抗匹配，使信號(hào)傳輸質(zhì)量得到了保證。