一種航空用1394b 數(shù)據(jù)總線的研制

單海龍， 張仁杰， 吳 丹， 甄志超

（江蘇通光電子線纜股份有限公司，海門 226100）

0 引言

普通數(shù)據(jù)總線電纜在我國已有多年的發(fā)展歷史。 從20 世紀(jì)80 年代的一類線開始發(fā)展至今，我國已有研制和生產(chǎn)八類線的能力，電纜的傳輸頻率和傳輸速率有了顯著的提升。 電纜使用的材料有：內(nèi)導(dǎo)體為裸銅線，絕緣為聚乙烯，護(hù)套為聚氯乙烯。由于材料的限制，普通數(shù)據(jù)總線的使用溫度較低（-40～+70 ℃），耐機(jī)械作用力和環(huán)境作用力較差，無法滿足航空領(lǐng)域的應(yīng)用。

20 世紀(jì)90 年代起，我國軍用航空領(lǐng)域的航電系統(tǒng)開始使用1553B 數(shù)據(jù)總線傳輸信號。 隨著高度綜合化航空電子技術(shù)的發(fā)展，對數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)傳輸速率、延時、傳輸頻率等性能指標(biāo)提出了更嚴(yán)格的需求。 1394b 數(shù)據(jù)總線的傳輸頻率可達(dá)1 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)800 Mb·s-1，延時低，且具有體積小、質(zhì)量輕的優(yōu)點，是新一代航空領(lǐng)域航電系統(tǒng)中的主要用線。

目前，我國在1394b 數(shù)據(jù)總線的使用方面積累了較多經(jīng)驗，一直沿用國外SAE AS5643 協(xié)議，數(shù)據(jù)總線的主要來源依賴進(jìn)口［1］。 國內(nèi)生產(chǎn)廠家對該型號電纜的研制也在起步階段，要達(dá)到產(chǎn)品的批量穩(wěn)定生產(chǎn)，需要進(jìn)行經(jīng)驗積累。 國內(nèi)無相對應(yīng)的數(shù)據(jù)總線協(xié)議及數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)。

本工作以一種內(nèi)導(dǎo)體規(guī)格為AWG24 的1394b數(shù)據(jù)總線為例，介紹了該數(shù)據(jù)總線的結(jié)構(gòu)、生產(chǎn)中要控制的重點和相關(guān)試驗方法。

1 1394b 數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)

圖1 是TG 1394b-24-R 型數(shù)據(jù)總線的典型結(jié)構(gòu)示意圖，其結(jié)構(gòu)參數(shù)見表1。

表1 TG 1394b-24-R 型數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖1 TG 1394b-24-R 型數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu)示意圖

2 電纜生產(chǎn)控制

2.1 填充繩的設(shè)計和生產(chǎn)

填充繩的材料為聚四氟乙烯，加工時須經(jīng)過推擠成型和燒結(jié)。

填充繩為實心聚四氟乙烯材料加工而成，由于其具有外徑小的特性，因此在填充繩加工時需要考慮影響推擠工藝加工的因素，包括材料的選擇、推擠加工設(shè)備的缸筒尺寸的選擇，以及在線張力的控制。式（1）給出了推擠工藝的壓縮比ε的計算公式：

由于填充繩內(nèi)部無導(dǎo)體，d1為0。 式中d2最大值為0.60 mm。 而聚四氟乙烯材料的適合壓縮比范圍為300～2000。 因此，缸筒和芯棒應(yīng)選擇小規(guī)格，缸筒內(nèi)徑小于44.45 mm 為最佳；聚四氟乙烯則應(yīng)選擇壓縮比高的牌號。 同時，聚四氟乙烯材料的強度較低，約為25 MPa，其受熱融化、燒結(jié)后強度將變得更低。 在生產(chǎn)過程中，應(yīng)調(diào)整在線張力，使填充繩在能夠保證穩(wěn)定推擠和燒結(jié)的同時，外徑不會受拉變小。

2.2 絕緣繞包及燒結(jié)的設(shè)計和生產(chǎn)

1394b 數(shù)據(jù)總線電纜主要用于高頻信號的傳輸，其阻抗要求為110 Ω， 阻抗的理論計算公式如下：

式中：Z為阻抗，Ω；R為有效電阻，Ω；ω為角頻率，rad·s-1；L為電感，H；G為電導(dǎo)，S；C為電容，F(xiàn)。

當(dāng)電纜的使用頻率大于30 kHz 時，回路中，ωL?R，ωC?G，則公式（2）可簡化為

式（3）中，電感L由電纜的內(nèi)外電感和屏蔽體給傳輸回路帶來的附加電感組成。 在高頻傳輸時，電纜總電感可近似于外電感與附加電感，其外電感與電纜的結(jié)構(gòu)有關(guān)，附加電感則與屏蔽層的材料有關(guān)。 電容C除了與電纜的結(jié)構(gòu)尺寸相關(guān)外，還與絕緣芯線的介電常數(shù)成正比關(guān)系。 因此，設(shè)計合理的絕緣介電常數(shù)是電纜絕緣設(shè)計的關(guān)鍵。

1394b 數(shù)據(jù)總線的絕緣材料為低密度聚四氟乙烯和聚四氟乙烯的組合材料，加工方式為：低密度聚四氟乙烯帶繞包加生料帶繞包，經(jīng)過燒結(jié)提高絕緣芯線的表面硬度和密封性能。 聚四氟乙烯材料的介電常數(shù)為2.04，由于不同密度的聚四氟乙烯材料的空氣占比不同，其介電常數(shù)也不相同。 從目前國內(nèi)的加工水平來看，低密度聚四氟乙烯的介電常數(shù)最低可以達(dá)到1.2，因此，需要考慮選擇低密度聚四氟乙烯薄膜的密度。

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本工作選取的低密度聚四氟乙烯薄膜和聚四氟乙烯生料帶的主要技術(shù)指標(biāo)見表2 和表3。

表2 低密度聚四氟乙烯薄膜主要性能指標(biāo)

表3 聚四氟乙烯生料帶主要性能指標(biāo)

綜合表1～表3 中產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸、絕緣材料的物性，為達(dá)到阻抗110 Ω 的目標(biāo)，應(yīng)合理設(shè)計低密度聚四氟乙烯絕緣層和聚四氟乙烯絕緣層的體積占比，本工作經(jīng)過多次調(diào)試和測試，得出體積占比約2.6 ∶1 為最佳。 在燒結(jié)時，由于材料經(jīng)過高溫，內(nèi)部應(yīng)力釋放將導(dǎo)致兩種材料有不同程度的收縮，燒結(jié)后外徑也會相應(yīng)收縮，因此需要摸索燒結(jié)溫度和速率間的關(guān)系。 在達(dá)到外層聚四氟乙烯生料帶燒結(jié)程度較好的前提下，降低內(nèi)部低密度聚四氟乙烯的吸熱，減少因低密度聚四氟乙烯受熱收縮導(dǎo)致的絕緣外徑收縮。

2.3 成纜及內(nèi)護(hù)層的設(shè)計和生產(chǎn)

由于1394b 數(shù)據(jù)總線內(nèi)部電線的絕緣強度較低，電纜的時延、時延差、表面轉(zhuǎn)移阻抗都有著嚴(yán)格的要求，因此，成纜加工和內(nèi)護(hù)層繞包加工應(yīng)在同一臺設(shè)備上實現(xiàn)，達(dá)到電纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的目標(biāo)，以滿足電纜的性能指標(biāo)要求。

在加工成纜及內(nèi)護(hù)層時，填充繩放線裝置的張力應(yīng)盡量小，保證填充繩不因被拉伸而產(chǎn)生破損，且張力應(yīng)均勻一致；4 個不同顏色的芯線應(yīng)按照表1中的順序進(jìn)行排列，且4 個絕緣的放線裝置是主動放線結(jié)構(gòu)，這樣可保證在線張力的精度高，4 個芯線的張力一致；內(nèi)護(hù)層采用低密度聚四氟乙烯帶繞包，低密度聚四氟乙烯帶可有效降低屏蔽層內(nèi)部的介電常數(shù)，其主要性能指標(biāo)見表2，搭蓋率為67%。 電纜成纜后立即繞包內(nèi)護(hù)層可有效保持電纜的結(jié)構(gòu)，避免纜芯在經(jīng)過導(dǎo)輪時因彎曲導(dǎo)致內(nèi)部結(jié)構(gòu)被破壞。

2.4 屏蔽層的設(shè)計和生產(chǎn)

屏蔽層作為1394b 數(shù)據(jù)總線的重要結(jié)構(gòu)，起到電磁屏蔽的作用。 1394b 數(shù)據(jù)總線的使用頻率高達(dá)1 GHz，內(nèi)部產(chǎn)生的信號或外部的信號將對數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量造成嚴(yán)重影響。 因此，在設(shè)計屏蔽層時，需要考慮屏蔽層的耦合衰減與表面轉(zhuǎn)移阻抗性能指標(biāo)。在多次結(jié)構(gòu)調(diào)整及測試數(shù)據(jù)中，第一層屏蔽使用鍍銀銅扁帶編織，第二層屏蔽使用鍍銀銅圓線編織結(jié)構(gòu)，兩層的編織密度大于85% 時，結(jié)構(gòu)為最佳。 此結(jié)構(gòu)既能確保產(chǎn)品的表面轉(zhuǎn)移阻抗與耦合衰減性能指標(biāo)合格，又能有效降低屏蔽層的質(zhì)量。

2.5 護(hù)套的設(shè)計和生產(chǎn)

護(hù)套是由含氟聚合物熔融擠出而成，在設(shè)計時，需要考慮護(hù)套材料能夠經(jīng)受燃燒、抗應(yīng)力開裂、霉菌等嚴(yán)酷的環(huán)境。 根據(jù)表1 中的電纜結(jié)構(gòu)尺寸，材料的熔融指數(shù)不宜過高，比較理想的范圍是5～10。 在工藝加工時，模具設(shè)計的拉伸比為1.1～1.2，平衡系數(shù)為30～80。 在生產(chǎn)時，冷卻水溫度為50 ～70 ℃，此溫度可增加材料的結(jié)晶度。

考慮到1394b 數(shù)據(jù)總線的使用電壓小于24 V，對人體安全無損害，因此在電纜的設(shè)計時未設(shè)計地線。

3 1394b 數(shù)據(jù)總線的技術(shù)要求

在GJB 973A—2004《柔軟和半硬射頻電纜通用規(guī)范》［2］的基礎(chǔ)上，參考SAE AS 6070—2015《銅芯航空用高速數(shù)據(jù)電纜》［3］的技術(shù)要求，結(jié)合客戶的實際需求，確定的1394b 數(shù)據(jù)總線主要技術(shù)指標(biāo)如下。

（1）衰減常數(shù)。 具體要求見表4。

表4 衰減常數(shù)主要性能指標(biāo)

（2）時延。 電纜紅色和綠色芯線、藍(lán)色和橙色芯線分別與屏蔽組成的傳輸回路的時延均應(yīng)不大于4.5 ns·m-1。 兩個傳輸回路的時延差不大于11.1 ps·m-1。

（3）差分阻抗。 應(yīng)在106～116 Ω 范圍內(nèi)。

（4）眼圖。 啟動波形采集后，至少2000 個波形周期的時間范圍內(nèi)，規(guī)定的框圖區(qū)域內(nèi)不得有輸入信號的響應(yīng)。

（5）低溫和高溫貯存。 試驗后，差分阻抗、衰減、時延、時延差和眼圖均應(yīng)符合要求，護(hù)套應(yīng)無開裂或其他損傷現(xiàn)象。

（6）可燃性。 電纜表面的燃燒時間不應(yīng)超過30 s，火焰延燃長度不應(yīng)超過76.2 mm。

4 1394b 數(shù)據(jù)總線的試驗方法

（1）衰減常數(shù)。 參照SAE AS 6070—2015《銅芯航空用高速數(shù)據(jù)電纜》， 測試樣品長度應(yīng)不小于19.82 m。 采用一臺具有差分平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行衰減測試。 在工作頻率范圍內(nèi)進(jìn)行校準(zhǔn)，將藍(lán)-橙-屏蔽和紅-綠-屏蔽這兩組差分線對連接到網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行衰減測試。

（2）時延。 采用一臺具有差分平衡-不平衡轉(zhuǎn)換器的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測試，測試模式為測量時延。 將試樣和不平衡變量器接入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，根據(jù)測試頻率要求，讀取規(guī)定頻率的測試值，時延為測試的延時時間／試樣長度。 分別測試藍(lán)-橙線對和紅-綠線對的時延，兩個測試值均不應(yīng)超過規(guī)定值，測試值之差值不應(yīng)超過規(guī)定值。

（3）差分阻抗。 參照ANSI／EIA-364-108［4］，使用時域法測量差分阻抗。 最大脈沖上升時間應(yīng)為80 ps。

（4）眼圖。 按照ECIA EIA-364-107A［5］的規(guī)定進(jìn)行測試。 眼眶應(yīng)為450 MVP-P X 1000 PS。 測試電纜的最小長度為19.82 m。 信號源應(yīng)為1.1vp-P，使用227-1 偽隨機(jī)位序列，數(shù)據(jù)速率為500 Mb·s-1。信號源的輸出應(yīng)采用100 ps（10% ～90%）的上升時間濾波器。

（5） 低溫和高溫貯存。 低溫貯存按照GJB 150.4A—2009 程序Ⅰ的規(guī)定進(jìn)行試驗，試驗溫度為（-55±2） ℃，試驗時間為24 h。 高溫貯存按照GJB 150.3A—2009 程序Ⅰ的規(guī)定進(jìn)行試驗，試驗溫度為（200±5） ℃，試驗時間為48 h。 試驗后，檢查試樣護(hù)套外觀；測試試樣的差分阻抗、衰減、時延、時延差和眼圖。 低溫貯存應(yīng)與高溫貯存使用同一樣品，且在低溫貯存結(jié)束后和高溫貯存結(jié)束后分別測試樣品的電性能指標(biāo)，測試值均不應(yīng)超過規(guī)定值。

（6）可燃性。 按照GJB 973A—2004 中4.7.24的規(guī)定測試。 在一段600 mm 長的試樣上距較低端200 mm 處做上標(biāo)記，作為火焰施加點，且按規(guī)定傾斜60°放置到試驗箱中，火焰的施加時間均為30 s，30 s 結(jié)束后立即撤去火焰。 火焰從試驗標(biāo)記處沿試樣向上燃燒的距離、火焰撤去后試樣繼續(xù)燃燒的時間均應(yīng)符合要求。

5 結(jié)束語

1394b 數(shù)據(jù)總線作為國內(nèi)外主流用線，廣泛用于航空和航天領(lǐng)域。 目前，國內(nèi)該總線的生產(chǎn)技術(shù)水平遠(yuǎn)落后于Gore、Carlisle 等國外廠商，產(chǎn)品的國產(chǎn)化替代需求迫切。

本工作結(jié)合公司目前研發(fā)的一種內(nèi)導(dǎo)體規(guī)格為AWG24 的1394b 數(shù)據(jù)總線，在產(chǎn)品的設(shè)計和生產(chǎn)過程中總結(jié)了一些關(guān)鍵點，可推進(jìn)國內(nèi)1394b 數(shù)據(jù)總線研制生產(chǎn)的步伐。