一种柔性结构航天航空1394B数据总线电缆的制作方法

本发明属于线缆领域，涉及一种柔性结构航天航空用超柔性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，其外护套使用氟塑料推挤而成，填充条采用实芯氟塑料挤出，而随着科技和使用领域的不断发展，对于航空航天用数据电缆的基本要求越来越高，对电气性能、物理弯曲半径及重量的要求也越来越严格，而现有的数据电缆结构已经难以满足航空航天对于电子元器件轻量化的使用要求。

技术实现要素：

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，护套采用聚四氟乙烯(ptfe)和聚全氟乙丙烯(fep)双层绕包复合烧结而来，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：一种柔性结构航天航空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、护套内层和护套外层，内外屏蔽层采用镀银铜丝编织而成，成缆时，电缆外径为3.40±0.1mm；所述绝缘层由至少两层微孔聚四氟乙烯薄膜绕包层叠加，微孔聚四氟乙烯薄膜外侧附加一层可烧结聚四氟乙烯薄膜进行烧结形成一种新型复合材质外被。

进一步地，所述绝缘芯线包括导体和包覆在导体外层的绝缘层，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。

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，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。如图2所示依据ieee1394bs400的速率，计算出信号透入深度，确保银层厚度大于透入深度以降低信号衰减；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:

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:

上式中，当邻近效应所导致的电阻最小。

由上公式得到a/ds抛物线，如图5所示。

当绝缘外径/屏蔽内径＝0.47时，满足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：通过差分阻抗匹配性

结构设计中，要保证得到上述绝缘外径/屏蔽外径＝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：

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。

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，通过薄膜保证柔软同时稳定结构。

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。

进一步地，所述护套内层由聚四氟乙烯膜绕包而成，护套外层由压延后的聚全氟乙丙烯膜无缝绕包而成，绕包完成后进行烧结融封，烧结温度350～450℃，所述聚四氟乙烯膜与聚全氟乙丙烯膜密度为2.1～2.3g/m³。

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.轻柔：导体使用绞合镀银铜导体，绝缘采用微孔聚四氟乙烯膜，外被使用ptfe和fep复合绕包烧结而成。材料密度低，相比其它同类电缆外径小、重量轻、柔软，相较于fep挤出护套的1394线缆减重20％以上，场用于小转角但距离短的布线。

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。在外被上，传统的线缆为了降低重量，往往使用ptfe材料进行外被绕包。但是由于机载环境狭窄，存在拖拽等安装情况，ptfe材料用在外被时由于绕包烧结后结构并不稳固，存在外被起皱，开裂的问题。本发明为了解决此问题使用了ptfe与fep进行双层绕包并进行烧结，烧结融封后的复合材料，解决了ptfe绕包外套的缺陷。

5.传统的使用在航空领域的耐高温绝缘材料只有氟塑料，而只有eptfe材料才具有耐高温同时具有低介电常数的特征，本方案采用的绝缘材料为低密度ptfe，低密度意味着低介电常数，因而相同尺寸的导体，在同样保证1394b特性阻抗110欧姆条件下，绝缘外径小，因而产品完成外径小，重量轻。

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是集肤衰减幅度示意图；

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抛物线相关性曲线示意图；

图6使用1层eptfe绕包结构示意图；

图7使用2层eptfe绕包1层可烧结ptfe带烧结。

图中标记：1.护套外层，2.护套内层，3-外屏蔽层，4-内屏蔽层，5-隔离绕包层，6-填充条，7-绝缘，8-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一种柔性结构航天航空1394b数据总线电缆，

如图1-5所示，超柔1394b总线数据电缆，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8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7，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8与绝缘7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6；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5；用成缆机把4根绝缘线芯，填充条6和隔离绕包层5绞合在一起，成缆时，电缆外径为3.40±0.1mm；所述绝缘层由至少两层微孔聚四氟乙烯薄膜绕包层叠加，微孔聚四氟乙烯薄膜外侧附加一层可烧结聚四氟乙烯薄膜进行烧结融封形成复合材质的外被；

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。绕包层的热熔封工艺的温度稳定性控制：

通过对烧结炉的红外加热器采取pid功率控制+加热功率的温度进行曲线校正，以确保热熔封过程中的高精度温度稳定。速度稳定控制：采用步进式电机控制的履带式牵引设备，以实现对电缆牵引速度的稳定一致性控制；双面泡棉式履带接触压力对电缆进行牵引保持，防止对电缆压力形变。

如图6-7所示：在使用2层低密度ptfe带绕包，附加1层可烧结ptfe带进行烧结前后的绝缘结构变化明显，结构明显一致性、稳定性得到提高。

实施例二

隔离绕包层5外覆盖通过编织机编织40awg镀银圆铜线的内屏蔽层4；内屏蔽层4外覆盖通过编织机编织38awg镀银圆铜线编织的外屏蔽层3；

使用38awg镀银圆铜线编织的外屏蔽层3，40awg镀银圆铜线的内屏蔽层4，屏蔽率已达到99.7％，外屏蔽层3工序采用38awg(1/0.10)镀银编织铜线8根，屏蔽率约97.8％，理想的屏蔽率应≥92％，还有减重空间，且不影响遮蔽效果；因此外屏蔽层3使用38awg(1/0.10)镀银编织铜线7根，屏蔽率约93.6％，最高可减重1.81g/m。

进一步地；外屏蔽层3外覆盖通过绕包机绕包的聚四氟乙烯(ptfe)膜成护套内层2；护套内层2外覆盖通过绕包机绕包的聚全氟乙丙烯(fep)膜，然后经350～450℃高温烧结而成护套外层1，烧结时间5～30min；

进一步地；成品外径小于4.72mm，重量小于46.6g/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。

实施例三

在2次绕包后的芯线上再次绕包1层可烧结ptfe带，同时使用红外加热烧结炉进行绝缘表面热处理，红外加热保证烧结炉内温度稳定性及一致性，进而保证线缆总体热处理的一致性；为防止线缆烧结后介电常数过大导致传输速率偏低，绝缘表面热熔封技术通过匹配最优烧结温度及速度，实现绝缘层表面热熔封又尽可能减小对里层绝缘的影响，使电缆在满足高传输速率的的前提下达到表面热熔封。

以增加绝缘层的附着力，解决绝缘回缩性，提高芯线强度，利于后续加工。稳定结构所使用内部填充条通常使用efp推挤而成，弹性差，缓冲能力弱。而使用低密度ptfe带绕包绕包形成圆柱体，弹性优异，具备良好的缓冲性能，进而使结构更加稳定。

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。