一种航空用1394b 数据总线的研制

时间：2024-07-28

单海龙，张仁杰，吴丹，甄志超

（江苏通光电子线缆股份有限公司，海门 226100）

0 引言

普通数据总线电缆在我国已有多年的发展历史。从20 世纪80 年代的一类线开始发展至今，我国已有研制和生产八类线的能力，电缆的传输频率和传输速率有了显著的提升。电缆使用的材料有：内导体为裸铜线，绝缘为聚乙烯，护套为聚氯乙烯。由于材料的限制，普通数据总线的使用温度较低（-40～+70 ℃），耐机械作用力和环境作用力较差，无法满足航空领域的应用。

20 世纪90 年代起，我国军用航空领域的航电系统开始使用1553B 数据总线传输信号。随着高度综合化航空电子技术的发展，对数据总线的数据传输速率、延时、传输频率等性能指标提出了更严格的需求。 1394b 数据总线的传输频率可达1 GHz，数据传输速率可达800 Mb·s-1，延时低，且具有体积小、质量轻的优点，是新一代航空领域航电系统中的主要用线。

目前，我国在1394b 数据总线的使用方面积累了较多经验，一直沿用国外SAE AS5643 协议，数据总线的主要来源依赖进口［1］。国内生产厂家对该型号电缆的研制也在起步阶段，要达到产品的批量稳定生产，需要进行经验积累。国内无相对应的数据总线协议及数据总线标准。

本工作以一种内导体规格为AWG24 的1394b数据总线为例，介绍了该数据总线的结构、生产中要控制的重点和相关试验方法。

1 1394b 数据总线结构

图1 是TG 1394b-24-R 型数据总线的典型结构示意图，其结构参数见表1。

表1 TG 1394b-24-R 型数据总线结构参数

图1 TG 1394b-24-R 型数据总线结构示意图

2 电缆生产控制

2.1 填充绳的设计和生产

填充绳的材料为聚四氟乙烯，加工时须经过推挤成型和烧结。

填充绳为实心聚四氟乙烯材料加工而成，由于其具有外径小的特性，因此在填充绳加工时需要考虑影响推挤工艺加工的因素，包括材料的选择、推挤加工设备的缸筒尺寸的选择，以及在线张力的控制。式（1）给出了推挤工艺的压缩比ε的计算公式：

由于填充绳内部无导体，d1为0。式中d2最大值为0.60 mm。而聚四氟乙烯材料的适合压缩比范围为300～2000。因此，缸筒和芯棒应选择小规格，缸筒内径小于44.45 mm 为最佳；聚四氟乙烯则应选择压缩比高的牌号。同时，聚四氟乙烯材料的强度较低，约为25 MPa，其受热融化、烧结后强度将变得更低。在生产过程中，应调整在线张力，使填充绳在能够保证稳定推挤和烧结的同时，外径不会受拉变小。

2.2 绝缘绕包及烧结的设计和生产

1394b 数据总线电缆主要用于高频信号的传输，其阻抗要求为110 Ω，阻抗的理论计算公式如下：

式中：Z为阻抗，Ω；R为有效电阻，Ω；ω为角频率，rad·s-1；L为电感，H；G为电导，S；C为电容，F。

当电缆的使用频率大于30 kHz 时，回路中，ωL≫R，ωC≫G，则公式（2）可简化为

式（3）中，电感L由电缆的内外电感和屏蔽体给传输回路带来的附加电感组成。在高频传输时，电缆总电感可近似于外电感与附加电感，其外电感与电缆的结构有关，附加电感则与屏蔽层的材料有关。电容C除了与电缆的结构尺寸相关外，还与绝缘芯线的介电常数成正比关系。因此，设计合理的绝缘介电常数是电缆绝缘设计的关键。

1394b 数据总线的绝缘材料为低密度聚四氟乙烯和聚四氟乙烯的组合材料，加工方式为：低密度聚四氟乙烯带绕包加生料带绕包，经过烧结提高绝缘芯线的表面硬度和密封性能。聚四氟乙烯材料的介电常数为2.04，由于不同密度的聚四氟乙烯材料的空气占比不同，其介电常数也不相同。从目前国内的加工水平来看，低密度聚四氟乙烯的介电常数最低可以达到1.2，因此，需要考虑选择低密度聚四氟乙烯薄膜的密度。

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本工作选取的低密度聚四氟乙烯薄膜和聚四氟乙烯生料带的主要技术指标见表2 和表3。

表2 低密度聚四氟乙烯薄膜主要性能指标

表3 聚四氟乙烯生料带主要性能指标

综合表1～表3 中产品的结构尺寸、绝缘材料的物性，为达到阻抗110 Ω 的目标，应合理设计低密度聚四氟乙烯绝缘层和聚四氟乙烯绝缘层的体积占比，本工作经过多次调试和测试，得出体积占比约2.6 ∶1 为最佳。在烧结时，由于材料经过高温，内部应力释放将导致两种材料有不同程度的收缩，烧结后外径也会相应收缩，因此需要摸索烧结温度和速率间的关系。在达到外层聚四氟乙烯生料带烧结程度较好的前提下，降低内部低密度聚四氟乙烯的吸热，减少因低密度聚四氟乙烯受热收缩导致的绝缘外径收缩。

2.3 成缆及内护层的设计和生产

由于1394b 数据总线内部电线的绝缘强度较低，电缆的时延、时延差、表面转移阻抗都有着严格的要求，因此，成缆加工和内护层绕包加工应在同一台设备上实现，达到电缆内部结构稳定的目标，以满足电缆的性能指标要求。

在加工成缆及内护层时，填充绳放线装置的张力应尽量小，保证填充绳不因被拉伸而产生破损，且张力应均匀一致；4 个不同颜色的芯线应按照表1中的顺序进行排列，且4 个绝缘的放线装置是主动放线结构，这样可保证在线张力的精度高，4 个芯线的张力一致；内护层采用低密度聚四氟乙烯带绕包，低密度聚四氟乙烯带可有效降低屏蔽层内部的介电常数，其主要性能指标见表2，搭盖率为67%。电缆成缆后立即绕包内护层可有效保持电缆的结构，避免缆芯在经过导轮时因弯曲导致内部结构被破坏。

2.4 屏蔽层的设计和生产

屏蔽层作为1394b 数据总线的重要结构，起到电磁屏蔽的作用。 1394b 数据总线的使用频率高达1 GHz，内部产生的信号或外部的信号将对数据传输质量造成严重影响。因此，在设计屏蔽层时，需要考虑屏蔽层的耦合衰减与表面转移阻抗性能指标。在多次结构调整及测试数据中，第一层屏蔽使用镀银铜扁带编织，第二层屏蔽使用镀银铜圆线编织结构，两层的编织密度大于85% 时，结构为最佳。此结构既能确保产品的表面转移阻抗与耦合衰减性能指标合格，又能有效降低屏蔽层的质量。

2.5 护套的设计和生产

护套是由含氟聚合物熔融挤出而成，在设计时，需要考虑护套材料能够经受燃烧、抗应力开裂、霉菌等严酷的环境。根据表1 中的电缆结构尺寸，材料的熔融指数不宜过高，比较理想的范围是5～10。在工艺加工时，模具设计的拉伸比为1.1～1.2，平衡系数为30～80。在生产时，冷却水温度为50 ～70 ℃，此温度可增加材料的结晶度。

考虑到1394b 数据总线的使用电压小于24 V，对人体安全无损害，因此在电缆的设计时未设计地线。

3 1394b 数据总线的技术要求

在GJB 973A—2004《柔软和半硬射频电缆通用规范》［2］的基础上，参考SAE AS 6070—2015《铜芯航空用高速数据电缆》［3］的技术要求，结合客户的实际需求，确定的1394b 数据总线主要技术指标如下。

（1）衰减常数。具体要求见表4。

表4 衰减常数主要性能指标

（2）时延。电缆红色和绿色芯线、蓝色和橙色芯线分别与屏蔽组成的传输回路的时延均应不大于4.5 ns·m-1。两个传输回路的时延差不大于11.1 ps·m-1。

（3）差分阻抗。应在106～116 Ω 范围内。

（4）眼图。启动波形采集后，至少2000 个波形周期的时间范围内，规定的框图区域内不得有输入信号的响应。

（5）低温和高温贮存。试验后，差分阻抗、衰减、时延、时延差和眼图均应符合要求，护套应无开裂或其他损伤现象。

（6）可燃性。电缆表面的燃烧时间不应超过30 s，火焰延燃长度不应超过76.2 mm。

4 1394b 数据总线的试验方法

（1）衰减常数。参照SAE AS 6070—2015《铜芯航空用高速数据电缆》，测试样品长度应不小于19.82 m。采用一台具有差分平衡-不平衡转换器的矢量网络分析仪进行衰减测试。在工作频率范围内进行校准，将蓝-橙-屏蔽和红-绿-屏蔽这两组差分线对连接到网络分析仪进行衰减测试。

（2）时延。采用一台具有差分平衡-不平衡转换器的矢量网络分析仪进行测试，测试模式为测量时延。将试样和不平衡变量器接入矢量网络分析仪，根据测试频率要求，读取规定频率的测试值，时延为测试的延时时间／试样长度。分别测试蓝-橙线对和红-绿线对的时延，两个测试值均不应超过规定值，测试值之差值不应超过规定值。

（3）差分阻抗。参照ANSI／EIA-364-108［4］，使用时域法测量差分阻抗。最大脉冲上升时间应为80 ps。

（4）眼图。按照ECIA EIA-364-107A［5］的规定进行测试。眼眶应为450 MVP-P X 1000 PS。测试电缆的最小长度为19.82 m。信号源应为1.1vp-P，使用227-1 伪随机位序列，数据速率为500 Mb·s-1。信号源的输出应采用100 ps（10% ～90%）的上升时间滤波器。

（5）低温和高温贮存。低温贮存按照GJB 150.4A—2009 程序Ⅰ的规定进行试验，试验温度为（-55±2） ℃，试验时间为24 h。高温贮存按照GJB 150.3A—2009 程序Ⅰ的规定进行试验，试验温度为（200±5） ℃，试验时间为48 h。试验后，检查试样护套外观；测试试样的差分阻抗、衰减、时延、时延差和眼图。低温贮存应与高温贮存使用同一样品，且在低温贮存结束后和高温贮存结束后分别测试样品的电性能指标，测试值均不应超过规定值。

（6）可燃性。按照GJB 973A—2004 中4.7.24的规定测试。在一段600 mm 长的试样上距较低端200 mm 处做上标记，作为火焰施加点，且按规定倾斜60°放置到试验箱中，火焰的施加时间均为30 s，30 s 结束后立即撤去火焰。火焰从试验标记处沿试样向上燃烧的距离、火焰撤去后试样继续燃烧的时间均应符合要求。