车载以太网线的设计与制造

肖 飚

(成都福斯汽车电线有限公司， 成都 610500)

0 引 言

众所周知，车载网络技术发展至今已有近四十年历史。从串行通信到工业总线，再到总线网络，各种车载网络层出不穷。目前，主流车载总线有CAN、LIN、FlexRay、MOST以及LVDS总线等，其中CAN 总线是应用最为广泛的车载总线技术，其升级版本CAN-FD的最大传输速率不超过8 Mb·s-1；LIN总线是一种低成本、通用串行总线技术，主要用于开关、车门、座椅等控制器，最大传输速率达19.2 Mb·s-1；FlexRay是一种新型的、成本高的共享式总线技术，最大传输速率达20 Mb·s-1；MOST总线多用于车载娱乐系统，支持多媒体流数据的单向传输，最大传输速率达150 Mb·s-1；LVDS则主要用于显示屏与摄像头之间的数据传输，最大传输速率可达655 Mb·s-1，但仅支持一个摄像头、视频设备[1-2]。

随着汽车向智能化、网联化方向发展，主流网络已经不能满足车载网容量爆发式的增长需求，迫切需要带宽更宽的车载总线。其次，由于汽车电子单元的复杂性，还要求新的车载总线具备开放架构，可扩展、支持更多的系统和设备通信。最为重要的是，它能适应汽车电子严苛的应用环境(如温度、应力、复杂电子环境)，且具有成本低、质量轻、高可靠性、低功耗、低电磁辐射等优点，并能满足特定的EMC标准。基于以上需求，以太网技术及架构逐渐进入了车载网络领域并得到快速融合。车载以太网使用单对对称电缆和小型紧凑的连接器组网。在使用Broad R-Reach技术下，仅凭一对差分信道实现了100 Mb·s-1,1 Gb·s-1甚至更高的传输速率[3]。虽然车载以太网起源于传统的以太网，但由于特殊的结构与性能要求，其设计与制造和传统的以太网电缆又有差别。在国外，有少数线缆企业能制造此电缆，但合格率很低；在国内，目前尚无该电缆试制成功的报道。因此，研究如何设计与制造车载以太网线对于汽车电缆制造商而言，时间紧迫，意义重大。

1 结构与特点

1.1 结 构

当前常用的车载以太网线主要结构类型有非屏蔽双绞线(UTP)、屏蔽双绞线(STP)和屏蔽平行线(SPP),其结构示意图见图1～图3。这类以太网线可覆盖不同的传输速率范围。纵向不平衡衰减包括纵向变换损耗(LCL)及纵向变换转移损耗(LCTL)。由于SPP的抗弯折性能和纵向不平衡衰减不如UTP、STP优秀，故其应用不如双绞线广泛。目前，最常用的导体由7根铜合金丝或镀锡铜丝绞合而成，截面积分别为0.13 mm2和0.35 mm2。绝缘采用耐温等级较高的交联聚乙烯或改性聚丙烯挤包而成。屏蔽层则选用复合铝箔+镀锡铜丝编织构成。护套则多选聚氯乙烯挤包而成。

1—护套；2—绞合导体；3—绝缘

1—外护套;2—编织层;3—复合铝箔;4—绞合导体；5—绝缘；6—内护套

1—编织层；2—复合铝箔；3—绞合导体；4—绝缘；5—护套

1.2 特 点

虽然车载以太网线的结构十分简单，但由于其使用场合的特殊性，车载以太网线具有以下特点：

(1)导体多采用铜合金绞合导体，以满足细径化、柔软性和高机械强度的要求。

(2)多数情况下，电缆的使用空间狭窄，散热条件较差，有时线路敷设还须从汽车高温元件附近通过，故要求以太网线的耐温应达到B级(105 ℃)及以上。

(3)为了确保良好的电磁兼容性，车载以太网线对不平衡衰减提出了十分苛刻的要求，给车载以太网线的制造带来了极大的挑战。

(4)应线束加工需要，在以太网线的制造过程中，不仅要严格控制绝缘、护套的同心度，还要严格控制绝缘、护套的附着力。

1.3 性能指标

按照传输速率分，现阶段的车载以太网线可分为百兆、千兆两类，其主要传输性能指标见表1、表2[4]。单对以太网(OPEN)联盟STP规范中规定，当链路中全部使用二类连接器时，可以不考核纵向不平衡衰减，屏蔽衰减和耦合衰减的要求也更宽松。在同时混合使用一类和二类连接器时，则须按表2中要求执行。在实际应用中，电缆用户通常按表2要求执行。

表1 百兆非屏蔽车载以太网线主要传输性能

表2 千兆车载以太网线主要传输性能

随着铜缆制造技术的发展，预计在不久的将来，万兆以太网线也将诞生[5]。

此外，相关标准对电缆的其他性能，如长期老化性能、环保性能等也做出了明确的规定，本文从略。

2 车载以太网线设计

2.1 导体结构、材料及尺寸

为适应汽车线材细径化和轻量化的需要，车载以太网线导体多采用截面积为0.13 mm2的“1+6”铜合金绞合导体，其单丝直径通常为0.154 mm，绞合实用节径比为15～25。对于百兆非屏蔽以太网线而言，用户有时也会选用0.35 mm2的“1+6”镀锡铜绞合导体，其单丝直径通常为0.254 mm，绞合实用节径比为15～20为宜。

常见的几种铜合金材料的抗拉强度与导电率对照见表3。对于铜合金而言，抗拉强度不仅与合金元素含量有关，还与铜线坯制备过程中形成的晶粒尺寸大小相关，故不同的生产工艺生产的铜合金，其抗拉强度相差可能较大(如Cu-0.3Sn经过挤压后抗拉强度可增加约80 MPa)。

表3 铜合金的抗拉强度与导电率对照

综合抗拉强度和导电率两项指标，理论上讲应优先选择Cu-0.2Mg作为以太网线的导体材料，但实际操作中会优选Cu-0.3Sn。其原因是，铜镁合金弹性较大，易引起双绞线结构的不稳定，最终导致电缆的回波损耗、纵向不平衡衰减指标较差。对于屏蔽型以太网线而言，线对有内护套和编织层，电缆的整体拉断力已足够大，此时应优选Cu-0.2Sn合金(其硬度比Cu-0.3Sn低，更有利于双绞线结构的稳定)以降低制造难度。需要说明的是，Cu-0.1Ag的性能虽明显优于Cu-0.2Sn，但因其价格昂贵，性价比低，并非优选材料。

2.2 绝缘结构、材料及尺寸

由于车载以太网线需要承受高温，常规数据缆所用的绝缘料高密度聚乙烯因只能耐温85 ℃而无法使用。另一方面，能耐高温且弱电性能好的氟塑料如全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚四氟乙烯-全氟丙基全氟乙烯基醚共聚物(PFA)因成本高昂也只能对其望洋兴叹。目前，使用较多的是改性聚丙烯，它不仅能耐温105 ℃以上，而且还具备价格相对低廉的优势。为了确保电缆的纵向不平衡衰减指标达到表1、表2要求，应优先选择抗压性能较好的实心绝缘结构。

车载以太网线结构简单，仅由单线对构成，因此利用公式(1)和公式(2)便可准确地计算出绝缘外径。当需要精确计算时，可采用数值计算。

(1)

(2)

式中：Z屏蔽为屏蔽线对阻抗，Ω;εr为绝缘等效相对介电常数；a为线对导体中心距，此处为绝缘外径，mm；d为绞合导体单丝直径，mm；k为绞合导体有效直径系数，7根绞合导体取0.939；Ds为线对屏蔽内径，mm；Z非屏蔽为非屏蔽线对阻抗，Ω。

2.3 线 对

(1) 线对色谱。

根据使用需要，线对色谱可选择白-蓝、白-绿、白-棕、红-蓝、红-绿、红-棕等，其中最常用的色谱是白-绿。

(2) 线对节距。

为保证线对阻抗的均匀性和稳定性，多将两根绝缘芯线绞合成线对。通常百兆以太网线绞合实用节径比宜控制在15以内，千兆以太网线绞合实用节径比宜控制在12以内。绞合实用节径比过大易导致线对松散，两芯线间的距离不稳定，对回波损耗和纵向不平衡衰减产生不良影响，对于非屏蔽以太网线而言，还可能导致电缆间的串音超标。相反，绞合实用节径比过小易导致芯线间过度挤压变形，使阻抗变小、衰减增大。

(3) 线对屏蔽。

对于屏蔽型千兆以太网线，其屏蔽层可采用单面复合铝箔+镀锡铜丝编织结构。通过数值计算分析，复合铝箔的铝层厚度选择约12 μm为宜。铝层过厚会影响包覆成型效果，影响回波损耗和纵向不平衡衰减。根据屏蔽衰减要求，编织丝直径选择0.1 mm为宜，编织密度不小于85%。众所周知，如果直接在对绞线外包覆复合铝箔，则其包覆的外轮廓会不圆整，导致导体中心与屏蔽间的距离出现波动，对回波损耗和纵向不平衡衰减产生不良影响。为了减少这种影响，宜在包覆复合铝箔前先在线对外挤包一层介电常数和损耗角正切值较小、加工温度较低的介质材料，将线对填充成光滑圆整的柱状体。

2.4 护 套

通常情况下，可选用105 ℃级半硬聚氯乙烯料挤包护套。护套颜色通常为黑色。

3 关键制造技术

车载以太网线虽然结构简单，但要批量生产却并非易事。其主要问题是纵向不平衡衰减指标合格率低，这是车载以太网线制造过程中需要解决的重点和难点问题。

纵向不平衡衰减是反映对称电缆在进行差模传输时由差模信号到共模信号转换程度的量值，它是线对中两根芯线对屏蔽层或共模回路间的分布参数(有效电阻R、有效电感L、电容C和绝缘电导G)不对称的综合体现。由于分布参数是材料特性参数、结构尺寸和通信频率的函数。当两根芯线的材料特性参数和结构尺寸在局部上不对称时，其分布参数也将不对称，从而引起衰减不平衡[6]。另一方面，随着通信频率的升高，分布参数的不均匀性会上升，引起纵向不平衡衰减指标进一步劣化。综上所述，材料和工艺是决定纵向不平衡衰减的关键，如何保证两根芯线分布参数对称变成了车载以太网线的关键制造技术。

3.1 导体加工

导体材料的电阻率与导体结构尺寸的波动、导体表面缺陷等不仅对回波损耗有影响，而且对纵向不平衡衰减也有显著影响，因此，应高度重视导体的加工质量，做好以下几方面：

电流变化率的测试:将输出电流设定在2 A,调整直流稳压电源输出电压U1,记录不同输出电压下的充电电流。电流变化率计算方法:当U1=36 V时,充电电流记为I11;当U1=30 V时,充电电流记为I1;当U1=24 V,充电电流记为I12,则变化率为

(1) 选用锡分散均匀、含量稳定的铜锡合金是控制导体电阻率波动的关键。不同加工工艺生产的铜锡合金铜坯会有不同的晶粒尺寸[7]，从而导致其电阻率存在明显差异，因此，不同加工方法生产的合金线坯不能混用。

(2) 采用良好的拉丝模与拉丝液，确保拉出的铜丝表面光滑、圆整、无缺陷。

(3) 严格控制用于生产绞合导体的7盘单丝线径、断裂伸长率的均匀一致性。

(4) 绞合时应严格控制收放线张力及其波动范围。张力过大易导致导体拉细、导体表面与设备间的摩擦力过大，进而造成导体表面损伤严重；张力过小易导致绞线松散。选择合适尺寸的嵌天然钻石束线模以及调整好束线模与分线板间的距离是确保绞合导体圆整性的关键所在。由于分线板上的陶瓷环易将单丝刮伤，最好用微型导轮来代替陶瓷环以减少这种现象的发生。

(5) 为了减少绞线内应力、确保绞合导体结构的稳定性，有条件时可选用具有退扭功能的单节距束线设备。

3.2 绝缘挤塑

车载以太网线多使用改性聚丙烯作为绝缘材料。在聚丙烯改性过程中通常要加入多种添加剂，这些添加剂虽然改善了聚丙烯的耐温性能，但同时对介电常数、介质损耗角正切值、硬度和加工性能会产生不利影响。在综合各方面因素后，宜选用相对介电常数小于2.35，介质损耗角正切值小的改性聚丙烯绝缘料。同时需考虑绝缘层的硬度，硬度过大时，虽然芯线的抗压变形能力强，但绞合的线对因反弹力过大导致绞对结构不稳定，最终对回波损耗和纵向不平衡衰减也不利。

此外，要严格控制好以下几方面：

(1) 采用同一盘绞合导体生产线对的两根绝缘芯线。

(2) 严格控制绝缘外径波动。

(3) 严格控制单线同轴电容的波动。

(4) 严格控制绝缘的不圆整度。影响绝缘不圆整度的主要因素有：挤塑模套孔、模芯孔不圆；绝缘料挤出温度过高，在冷却定型前塑料熔垂；绝缘芯线在过线轮上挤压等。

(5) 严格控制绝缘偏心，通常情况下同心度应控制在95%以上。影响绝缘偏心的主要因素有：挤塑模芯与模套间同心度不够；绝缘料挤出温度过高，在冷却定型前塑料熔垂；模芯孔径过大，导致模芯与导体间的间隙太大，使导体在模芯内晃动。

(6) 严格控制绝缘附着力。导体与绝缘间的附着力过小，会造成后工序加工时导体与绝缘间相对转动，给回波损耗和纵向不平衡衰减带来不利影响。影响附着力的主要因素有：导体挤塑前的预热温度、导体的清洁程度、挤出后的冷却速率；对于聚丙烯而言，由于其收缩率较大，改良配方对附着力也有较大影响。除此之外，模套的锥度与模套孔径大小、模芯与模套的间距均会影响附着力。

(7) 绝缘芯的表皮层着色尽可能浅，以减少色母粒对绝缘电导不平衡的影响。

3.3 绞 对

与常规的数据缆相比，车载以太网线的纵向不平衡衰减要求十分严格，在绞对时须重视线对中两单线的对称性。重点应关注以下几点：

(1) 尽可能选择导体电阻、绝缘外径相近的两根绝缘线芯进行绞对。

(2) 严格控制绞对时两根单线放线张力的对称性和均匀性。放线张力过小，对绞线间距离不稳定，影响回波损耗和纵向不平衡衰减。放线张力过大，易导致绝缘芯线拉细。两根芯线张力偏差大时，易出现一根芯线轻微地缠绕在另一根芯线上的现象，进而引起电阻和电容不平衡，最终对纵向不平衡衰减造成不良影响。

(3) 采用退扭绞对。对于车载以太网线来讲，其绞对节距通常与导体的绞合节距相近。当采用不退扭绞对时，因绞对时导体扭转积累过多应力，而绞合导体不易出现塑性变形，累积的应力会使线对产生向减扭方向运动趋势，造成线对结构不稳定，最终影响电缆的回波损耗和纵向不平衡衰减。目前，绞对的退扭主要有弓式预退扭和盘式退扭两种方式[8]。在弓式预退扭绞对过程中，绝缘单线的正反扭转对绞合导体的结构造成了较大的破坏，不利于回波损耗和纵向不平衡衰减指标。在既定的绞对节距下，可通过选择合适的绞向和退扭率将导体的破坏降到最低程度。盘式退扭绞对方式在绞对过程中绝缘单线不存在正反扭转问题，因而对导体结构的破坏比弓式预退扭方式低很多。然而，由于其生产效率比弓式预退扭方式低很多，故当前使用较多的是弓式预退扭绞对方式。

3.4 内护套

内护套挤包时松紧度要合适。挤包过松，电缆弯曲后芯线间的距离易发生变化而影响回波损耗指标。挤包过紧，易使绝缘层受压而影响回波损耗、衰减和纵向不平衡衰减指标。通常采用图4所示的低压力挤压式模具并配合合适的脱模剂来挤包内护套，实现内护套外表面为光滑的圆柱形、绝缘层无明显变形、剥离力又能控制在恰当范围内的良好状态。最后，为了减少对地电容不平衡，应严格控制内护套的同心度。

1—双锥面模套；2—双锥面模芯

3.5 护 套

护套挤包时要严格控制护套剥离力，通常宜控制在15～30 N。剥离力过大，不仅会造成线束加工时护套剥离困难，而且还易导致绝缘变形，造成回波损耗、衰减和纵向不平衡衰减指标的劣化。剥离力过小，在线束加工时易出现线对从护套中滑出而影响线束的制作，严重时还会影响电缆的抗弯曲性能。

为了控制护套剥离力和护套圆整性，通常采用低压力挤压式模具挤包护套。对于非屏蔽以太网线而言，护套时还应在线对表面涂抹脱模剂或包覆一层自黏型包带。

4 研制结果

图5～图9为2020年11月研发的QTJP12GD100-B-1G 2×0.13屏蔽型车载以太网线的测试数据。

图5 时域差分阻抗

图6 衰减

图7 回波损耗

图8 纵向变换损耗

图9 纵向变换转移损耗

由图5～图9可知，该电缆的主要传输性能不仅符合OPEN联盟规范的要求，而且还有较大的裕量。电缆断裂拉力达到320 N以上,优于技术规范的要求。

5 结束语

以太网作为一种新型车载网络进入汽车网络后掀起了一股革新的浪潮。随着汽车向智能化和网联化的快速发展，为了满足不断增长的大数据量传输需求，车载以太网线必将向着更高频率方向发展。如何通过材料创新、设备创新和工艺创新来制造更高级别的车载以太网线将是一项十分重要的工作。