航天器用LVDS数据总线电缆的设计及应用

2015-02-18李金明鞠晨雁刘鹏飞

电线电缆 2015年1期

李金明，鞠晨雁，刘鹏飞

(1.淮南新光神光纤线缆有限公司，安徽淮南232008;2.中国航天科技集团五院513所，山东烟台264670)

0 引言

随着我国航空航天电子战和反电子战以及卫星通信领域的迅速发展，对通信系统的技术要求越来越高，包括高速率、低损耗、低噪音、防干扰等，所以一些总线系统越来越多地应用于该领域。LVDS(Low Voltage Differential Signaling)即低压差分信号传输，是一种满足当今高性能数据传输应用的新型数据总线技术，在我国航空航天、卫星通信领域也已经逐渐开始使用，对于该技术的主要传输媒介航天器用总线电缆也提出了更高的要求。

1 航天器用LVDS数据总线电缆的设计

1.1 LVDS数据总线的定义

LVDS 是一种低压差分信号传输技术，它能使信号在差分线对或平衡电缆上以几百Mpbs的速率传输，其低压幅和低电流驱动输出实现了低噪声和低功耗。由于其可使系统供电电压低至2 V，因此它还能满足未来应用的需要。此技术基于ANSI/TIA/EIA-644-A LVDS接口标准，LVDS技术拥有330 mV的低压差分信号和快速过渡时间，这可以让产品达到自100 Mbps至超过1 Gbps的高数据速率。连接驱动器和接收器之间信号传输的双绞线对平衡电缆简称LVDS数据总线电缆。

1.2 主要技术指标及可靠性要求

(1)导电线芯常温下直流电阻≤159Ω/km。

(2)常温下导线的绝缘电阻≥1.3×103MΩ·km。

(3)试验电压1 000 V。

(4)成品电缆在100 MHz时差分阻抗为(100±6)Ω。

(5)导电线芯之间在1 kHz时，电容≤47 pF/m;导电线芯与屏蔽之间在1 kHz时，电容≤72 pF/m。

(6)成品电缆的衰减分别为:10 MHz≤0.09 dB/m;50 MHz≤0.20 dB/m;100 MHz≤0.29 dB/m。

(7)成品电缆应经受－80℃冷弯试验。

(8)成品电缆应进行230℃高温试验。

(9)成品电缆的屏蔽编织密度应不小于90 %。

(10)镀银铜合金线芯的强度≥350 N/mm2。

(11)成品电缆的时延≤4.3 ns/m。

(12)真空气逸出(TML)≤1%;真空可冷凝气体逸出(CVCM)≤0.1%。

(13)成品电缆重量≤21 kg/km。

(14)成品电缆外径≤3.7 mm。

1.3 重点攻关项目

该项目技术难度大，是有效载荷的卫星相机分系统、数据传输分系统、记录分系统间的LVDS信号传输特有的专用电缆。根据产品特性，经过认真的研讨比对后，得出结论是:该项目的设计技术难度大，所用材料特殊，加工工艺复杂，研制成功与否的关键为:

(1)总线电缆在100 MHz的条件下，阻抗稳定在(100±6)Ω，屏蔽衰减不大于0.36 dB/m;

(2)在满足电缆电气性能的基础上，电缆应具有重量轻、外径小、柔软性好、衰减低、抗电场干扰能力强、使用温度范围宽、耐辐照等特点，因此，把研制工作的重点确定在结构设计、材料的选择、生产工艺的改进上。

1.4 航天器用LVDS数据总线电缆典型结构(见图1)

图1 电缆结构示意图

1.5 产品关键材料选型

(1)导体

影响电缆衰减的主要因素之一是电缆导体的电阻损耗，因此为了降低衰减，应选用导电性能好的材料。目前该类导线导体一般采用镀银铜线，本项目产品要求导体强度350 N/mm2，而镀银铜线的强度为220 N/mm2，不能满足技术要求。根据市场调研情况，我们选用镀银铜合金线，该导线是近几年发展起来的一类新型复合高温导线材料，它是把一些金属材料按一定比例通过特殊工艺添加在铜材中形成铜合金，使其不仅具有铜的导电性，还可以根据需要调整抗张强度指标，满足产品设计使用要求。根据高频集肤效应，按照总线电缆传输频率要求，确定镀银铜合金线的银层厚度为不小于2μm。

(2)绝缘

首先在产品设计时要考虑选用何种绝缘材料，不仅保证导线外径小、密度低，阻抗、电容与系统的匹配设计，而且要考虑材料复合介电常数较低，以保证导线在高频下衰减常数较小。如果采用耐高温的氟材料推挤高温烧结成型形式，缺点为绝缘介电常数较大，为2.1，为了达到电缆电性能要求，需要增大绝缘层外径，不能满足用户对电缆外径的要求，而且绝缘层较硬，导线整体柔软性较差。为此我们选用聚四氟乙烯(PTFE)微孔薄膜带，它是以PTFE细粉通过挤出压延和拉伸等一系列机械拉伸操作，使结晶分子从粉状颗粒形成纤维，并交织成网状结构形成含有无数孔径为0.1～10μm的微孔且具有分离作用的膜材料。这种材料不但耐高温性能较好，而且高频下复合介电常数为1.4～1.6，比氟材料的介电常数2.1，降低了大约30%左右，可以得到较低的介质损耗，从而降低总线电缆的衰减，在绝缘层外径较小的条件下满足电性能要求。

(3)填充芯材料

如果采用聚全氟乙丙烯(FEP)、PTFE耐高温材料为实芯的填充芯，这种材料经挤出成型后硬度较大，使电缆整体弯曲性能较差，另外介电常数偏大，影响电缆的电气性能。为了满足电缆的阻抗、电容及衰减等电气性能的要求，我们采用推挤成型的发泡PTFE，从而使PTFE实芯的填充芯中产生均匀、细小的空气间隙，降低填充芯的密度，提高填充芯空气含量，有效降低介电常数，使其复合介电常数达到1.6～1.7，比PTFE实芯的填充芯介电常数2.1，降低了19%左右，以保证导线具备优越的传输性能。

(4)屏蔽材料

为了提高屏蔽效果，减少外界电场的干扰，考虑导线使用温度较高，在屏蔽材料上选用镀银铜线，这样既满足导线在高温下正常工作，又使高频下导线的传输性能较好。根据高频集肤效应，高频条件下导电率越高、屏蔽材料越厚，其屏蔽效率越高，为提高高频屏蔽效果，确定镀银层厚度为不小于2.5μm。

(5)排流线

一般而言，屏蔽线缆的屏蔽层必须通过接地以保证其信号的屏蔽效果，但通常线缆屏蔽层接地较为困难，因此该总线电缆在设计中增加了一根排流线来连接线缆屏蔽层和连接器的地线端，通过对比国外同类型电缆排流线的设计，我们选择了与导体规格相同的镀银铜合金线做为排流线。

(6)护套材料

由于该总线电缆用于航空航天领域，根据使用环境和电缆正常运行状态，重点考虑的是低温柔软性、耐高温、耐辐照以及空间环境适应性。而护套选用氟聚物中密度较轻的乙烯－四氟乙烯共聚物(ETFE)材料，使其具有外径小、重量轻、耐高低温、耐辐照等优越性能，可有效降低电缆外径和重量。

1.6 主要结构设计

(1)绝缘结构的设计

1)差分阻抗

差分阻抗是指电磁波沿均匀电缆线路传播而没有反射时所遇到的阻抗。即线路终端匹配时线路内任一点的电压波(U)和电流波(I)的比值，就是线路的差分阻抗。总线电缆的差分阻抗要与终端电阻相匹配，如果阻抗不匹配，就会使信号产生反射，衰减增大。差分阻抗是LVDS总线电缆结构设计的主要技术指标，总线电缆差分阻抗的理论计算公式为:

式中:d为绞线内导体直径(mm);a为两导体中心距(mm);εr为绝缘的等效相对介电常数;K1为导体有效直径系数;K3为编织引起的系数，一般取0.98～0.99;Ds为屏蔽内径mm。

由式(1)可看出:①绝缘材料的相对介电常数越小，差分阻抗越大，故应选用相对介电常数小的材料做绝缘，这样可在满足差分阻抗的前提下，减小电缆外径。因此采用PTFE微孔薄膜带绕包绝缘来减少绝缘介质的等效相对介电常数，优化了总线电缆的结构和产品性能。②导体外径和绝缘外径也是影响特性阻抗的因素。LVDS数据总线电缆绝缘结构的设计是由特性阻抗起决定性因素的。

2)衰减常数

衰减常数是指电磁波在均匀电缆上每公里的衰减值，是用常用对数表示信号衰减的倍数。总线电缆衰减常数的理论计算公式为:

式中:f为频率(MHz);K2为导体衰减的等效系数;Kρ为导体电阻修正系数;K2为绞入率;tgδr为等效相对介质损耗角正切值。

衰减常数是影响总线电缆使用的主要技术参数，衰减过大会使输入信号减弱甚至失效。由式(2)可以看出，导体的外径和绝缘厚度会影响衰减，导体规格越大，衰减越小，但是总线电缆整体外径也随之增加;在其余参数不变的情况下，绝缘材料等效介电常数越小、介质损耗角正切值越小，衰减越小，所以通过绝缘结构组合设计，减小绝缘介质的组合介电常数，同样可起到减小信号衰减的作用。工作频率越高，信号衰减越大，信号传输的距离越短，因此设计LVDS总线电缆时应综合考虑几方面因素，控制信号衰减量，确保信号传输可靠。

(2)屏蔽结构的设计

为了提高屏蔽效果，尽可能采用高导电率的导体材料作为屏蔽层，屏蔽层的电阻越小，利用涡流产生的反磁场效果越明显，屏蔽效率越高。常用的屏蔽材料有铜、铝、镀锡铜或镀银铜，工艺可采用圆线或扁线编织、缠绕，也可采用金属箔带材绕包。

航天器用LVDS数据总线电缆的屏蔽设计采用银层厚度2.5μm的镀银铜丝编织加排流线的屏蔽方式，编织密度不小于90%。