CN113205906A - 一种航天航空1394b数据总线电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的是提供一种航空航天用柔性1394b总线传输协议数据电缆，以解决数据电缆在狭窄空间的安装及无法轻量化的问题。本方法制备的1394b数据总线电缆具有低衰减、高带宽等优异的电性能特性，护套采用聚全氟乙丙烯推挤而来，从而具有耐高低温性能良好、重量轻、柔软的特点。一种航天航空1394B数据总线电缆，包括采用星绞结构布置的四根绝缘芯线和填充在所述四根绝缘芯线中间间隙内的填充条，以及绕包在四根绝缘芯线外周的隔离绕包层，所述绕包层的外圈依次包裹有内屏蔽层、外屏蔽层、护套，所述内外屏蔽层采用镀银铜丝编织而成，所述护套由聚全氟乙丙烯混合蓝色色母。

Description

一种航天航空1394B数据总线电缆
技术领域
本发明属于线缆领域，涉及一种航天航空用超柔性1394B数据总线电缆。
背景技术
传统的航空航天领域所用的1394b总线电缆绝缘使用的冷挤出PTFE，柔软度不高、弯曲半径较大、稳定性不佳。而低密度PTFE属于单向定型材料，横向强度差。若进行绕包加工，在过程中PTFE容易受到绕包压力而发生比重变化，对应介电常数也会发生变化。同时，PTFE需要承受供带拉力，软体的PTFE会发生拉伸变形，这一部分虽并不改变PTFE带的比重，但会影响计算介电常数，而导致成品指标与设计指标出现巨大偏差。现有的电缆结构已经难以满足航空航天对于电子元器件高新能、轻量化的使用要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种航空航天用柔性1394b总线传输协议数据电缆，以解决数据电缆在狭窄空间的安装及无法轻量化的问题。本方法制备的1394b数据总线电缆具有低衰减、高带宽等优异的电性能特性，护套采用聚全氟乙丙烯(FEP)推挤而来，从而具有耐高低温性能良好、重量轻、柔软的特点。
本发明采用的技术方案如下：
一种航天航空1394B数据总线电缆，包括采用星绞结构布置的四根绝缘芯线和填充在所述四根绝缘芯线中间间隙内的填充条，以及绕包在四根绝缘芯线外周的隔离绕包层，所述绕包层的外圈依次包裹有内屏蔽层、外屏蔽层、护套，所述内外屏蔽层采用镀银铜丝编织而成，所述护套由聚全氟乙丙烯混合蓝色色母，所述护套采用聚全氟乙丙烯推挤成型。
目前的航空领域中的耐高温绝缘材料只有有氟塑料，并且只有ePTFE材料才同时具有耐高温以及低介电常数的特征，而ePTFE材料是有氟塑料的一种，通过在结晶温度拉伸得到网状结构，本申请文件采用低密度PTFE材料，低密度意味低介电常数，因而相同尺寸的导体，在同样保证特性阻抗110欧姆的条件下，本申请文件绝缘外径小，因而本申请文件的产品相较于现有产品完成外径小，重量轻，并且具有高分子的耐磨材料的FEP护套，更加适用于远距离拖拽布线。
进一步地，所述绝缘芯线包括导体和包覆在所述导体外层的绝缘层。所述绝缘层厚度为0.16～0.18mm。
进一步地，所述导体由镀银铜导体绞合而成，银层厚度大于等于6μm。
进一步地，所述绝缘层由至少两层微孔聚四氟乙烯薄膜绕包层叠加，再附加一层可烧结聚四氟乙烯薄膜进行烧结融封，烧结温度350～450℃，所述微孔聚四氟乙烯薄膜厚度为0.08±0.01mm，密度为0.7～0.9g/cm3。
进一步地，所述填充条为圆柱形，由聚四氟乙烯薄膜绕包而成。
进一步地，所述内屏蔽层由40AWG镀银铜圆线编织而成，外屏蔽层38AWG镀银铜圆线编织而成，镀银层厚度1μm。
本发明技术原理如下：
第一：由于集肤效应的影响，需控制导体银层厚度，具体为：
在对称屏蔽电缆中，需要考虑集肤效应的影响，随着频率的上升，如图2所示，流经导体大电流趋于表面，等于导体截面积减小而导致信号衰减增大。依据IEEE1394BS400的速率，
Figure BDA0003044299300000021
ω＝2πf、ω为角频率、μ为磁导率、σ为导电率，δ为信号透入深度，确保银层厚度大于透入深度以降低信号衰减，如图3(a)所示，在频率为10hz时，大电流推入内，能够深入导体21mm，而如图3(b)所示，在频率为100Khz时，大电流推入内，能够深入导体0.21mm，如图3(c)所示，在频率达到1Ghz后，由于集肤效应，仅能够深入导体0.0021mm。
已知:铜的磁导率:μγ＝4×π*107H/m；
铜的相对导电率：σ＝54；
当频率f＝125MHz，透入深度为0.006mm；
当频率f＝250MHz，透入深度为0.004mm；
综上，中心导体镀银银层厚度设定为不小于6μm；
第二：降低邻近效应所引起的衰减，具体为：
当回路两根导体邻近时，电流方向相反，导致电流集中与靠近一侧，等同于导体截面积减小，电阻增大。
对称屏蔽电缆的总有效电阻计算公式:
Figure BDA0003044299300000022
Ds:屏蔽内径；μp：屏蔽材料磁导率；σp：屏蔽材料的电导率；d:中心导体外径；μr：导体材料相对磁导率；σr：导体材料的电导率；f:频率；a:导体中心间距；
已知：屏蔽材料为铜材，μρ＝μγ＝4×π*107H/m，σp＝54
中心导体外径d＝0.635mm(以24Awg绞合导体为例)
得出总电阻:
Figure BDA0003044299300000031
上式中，当
Figure BDA0003044299300000032
邻近效应所导致的电阻最小。
由公式得到如下a/Ds抛物线，如图5所示。
当绝缘外径/屏蔽内径＝0.47时，满足
Figure BDA0003044299300000033
此时屏蔽层所产生的反向电磁场抵消邻近效应所带来的电阻增大，从而产品具有最低的衰减常数，其中绝缘外径*1.414＝导体中心间距。
第三，差分阻抗匹配性：具体是在结构设计中，要保证得到上述绝缘外径/屏蔽内径＝0.47结构关系，同时应保证特性阻抗的匹配性，防止链路失配导致信号反射衰减大，电磁干扰严重的风险。
特性阻抗计算公式：
Figure BDA0003044299300000034
Ds:屏蔽内径；d:导电线芯直径；a:导体中心间距；
已知1：低密度PTFE，设定产品信号延时为4.10ns/m，对应介电常数为1.52；
已知2：IEEE1394B协议规定特性阻抗中心值为Z为110Ω；
已知3：导体直径为0.635mm(以24Awg绞合导体为例)；
已知4：a/Ds＝0.47可满足衰减最小；
从而可求出屏蔽内径Ds＝3.27，绝缘等效外径为1.53mm；
由于采用星绞结构如图1所示，得到实际绝缘外径＝1.53/(2.414/2)≈1.27mm。
综上所述，在介电常数控制在1.52时，绝缘外径1.267mm，总绝缘外径＝屏蔽内径＝3.27mm结构设计既满足特性阻抗匹配性，同时产品具有最小衰减常数。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.耐磨：导体使用绞合镀银铜导体，绝缘采用微孔聚四氟乙烯(PTFE)(ePTFE)膜，外部护套是FEP挤出结构而成。具有高分子的耐磨材料FEP护套，适用于远距离拖拽布线。
2.环境适应性好：绝缘和护套都采用能够耐高低温的氟塑料，使其长期工作温度能达到-55～200℃，同时氟塑料具有很好的阻燃性能、耐老化和耐腐蚀性能；
3.电气性能优异：绝缘采用高发泡的微孔聚四氟乙烯(PTFE)膜绕包，绝缘介质的介电常数在1.3～1.6之间，可以有效减小电缆传输的信号衰减，提高带宽。以24AWG线缆为例。在工作温度-55℃至﹢200℃的条件下，衰减在频率125MHz下不大于0.266dB/m，250MHz下不大于0.433dB/m，同时具有阻抗稳定、延时低等优点。
4.结构：电缆两对信号线采用4芯星绞结构，内设填充条固定，同时外护套使用PTFE及EFP膜绕包烧结而成，具有稳定且非常柔软的结构，特别合适用于航天航空器设备内的信号连接。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图，其中：
图1是线缆结构示意图；
图2是集肤效应示意图；
图3是在不同频率下时集肤衰减图；
图4是线缆Ds屏蔽内径和a导体中心间距示意图；
图5是a/Ds相关性曲线示意图。
图中标记：1-护套，2-外屏蔽层，3-内屏蔽层，4-隔离绕包层，5-填充条，6-绝缘，7-导体。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
下面结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例一
本发明较佳实施例提供的如图1～5所示，一种航天航空1394B数据总线电缆，采用星绞结构布置的4根绝缘芯线。导体8为银层厚度≥6μm，外径0.127mm±0.01mm的19条镀银铜线同心紧压绞合而成；
在导体7的外表面附加2层微孔聚四氟乙烯(PTFE)膜绕包，再叠加1层可烧结聚四氟乙烯(PTFE)膜经350～450℃烧结形成绝缘6，烧结时间5～30min；
微孔聚四氟乙烯(PTFE)膜绕包介电常数为1.2～1.3，烧结后介电常数为1.5～1.6。
导体7与绝缘6组成4根绝缘芯线，绝缘芯线外径应为1.27±0.06mm。绝缘芯线呈星绞结构布置，中间填充1条经由聚四氟乙烯(PTFE)膜绕包而成的填充条5；
4根绝缘线芯的外表面通过绕包机绕包聚四氟乙烯(PTFE)膜，形成隔离绕包层4；
用成缆机把4根绝缘线芯，填充条5和隔离绕包层4绞合在一起，完成外径在3.3±0.2mm；
隔离绕包层4外覆盖通过编织机编织40AWG镀银圆铜线的内屏蔽层3；
内屏蔽层3外覆盖通过编织机编织38AWG镀银圆铜线编织的外屏蔽层2；
外屏蔽层2覆盖通过挤出机使用350～450℃挤出的蓝色聚全氟乙丙烯(FEP)外套1。
成品外径小于5.08mm，重量小于55.8g/m。在工作温度-55～200℃的测试环境下，阻抗应为110±6Ω，衰减在频率125MHz下不大于0.266dB/m，250MHz下不大于0.433dB/m。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明的保护范围，任何熟悉本领域的技术人员在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种航天航空1394B数据总线电缆，其特征在于：包括采用星绞结构布置的四根绝缘芯线和填充在所述四根绝缘芯线中间间隙内的填充条，以及绕包在四根绝缘芯线外周的隔离绕包层，所述绕包层的外圈依次包裹有内屏蔽层、外屏蔽层、护套，所述内外屏蔽层采用镀银铜丝编织，所述护套由聚全氟乙丙烯混合蓝色色母，所述护套采用聚全氟乙丙烯推挤成型。
2.根据权利要求1所述的一种航天航空1394B数据总线电缆，其特征在于：所述绝缘芯线包括导体和包覆在所述导体外层的绝缘层，所述绝缘层厚度为0.16～0.18mm。
3.根据权利要求2所述的一种航天航空1394B数据总线电缆，其特征在于：所述导体由镀银铜导体绞合而成，银层厚度大于等于6μm。
4.根据权利要求2所述的一种航天航空1394B数据总线电缆，其特征在于：所述绝缘层由至少两层微孔聚四氟乙烯薄膜绕包层叠加，再附加一层可烧结聚四氟乙烯薄膜进行烧结融封，烧结温度350～450℃，所述微孔聚四氟乙烯薄膜厚度为0.08±0.01mm，密度为0.7～0.9g/cm3。
5.根据权利要求1所述的一种航天航空1394B数据总线电缆，其特征在于：所述填充条为圆柱形，由聚四氟乙烯薄膜绕包而成。
6.根据权利要求1所述的一种航天航空1394B数据总线电缆，其特征在于：所述内屏蔽层由40AWG镀银铜圆线编织而成，外屏蔽层38AWG镀银铜圆线编织而成，镀银层厚度1μm。
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