应答器数据传输电缆1.8MHz特性阻抗的分析与控制

王冬梅

（济南瑞通铁路电务有限责任公司 山东 济南 250013）

0 概述

铁路应答器数据传输电缆是连接地面电子单元（LEU）与有源应答器的专用电缆， 主要用来可靠传输LEU 与有源应答器之间的报文数据信息，确保铁路运输行车安全。根据使用场合的不同，应答器数据传输电缆分为综合护套、铝护套和编织屏蔽三种。 综合护套电缆具有屏蔽性能， 可用于需要屏蔽电缆的铁路区段。 铝护套电缆具有良好的屏蔽性能，可用于铁路电气化区段。 编织屏蔽电缆具有柔软性，可用于室内分线柜与LEU 设备的连接或室外电缆终端盒与应答器设备的连接。

应答器数据传输电缆的工艺结构较为简单，以4 芯铝护套应答器数据传输电缆为例，工艺结构如图1。

图1 LEU·BSYL23

1.8MHz 特性阻抗是应答器数据传输电缆重要的特性指标之一，根据TB/T3100.6 的规定， 其指标要求为120±5Ω， 公差范围非常小，仅±5Ω。 要想满足标准要求，在应答器数据传输电缆生产过程中必须减小或消除影响特性阻抗的相关因素。

本文以4 芯铝护套应答器数据传输电缆为例，对影响1.8MHz 特性阻抗的主要因素逐一进行分析，并提出相应的解决办法。

1 1.8MHz 特性阻抗分析

1.1 特性阻抗的理论来源

特性阻抗：亦称波阻抗，是描述电磁波沿均匀传输线路传输时在没有反射时的阻抗。 在高频范围内，信号传输过程中，信号沿传输线路，电场在信号线和参考平面（电源或地平面）间建立，并产生电流。在各向同性的传输线中，伴随信号的传输，会产生一个流向参考平面的电流I， 传输线就会等效成一个电阻。 假设信号及载波的输出电平为V，那么在该传输线上相当于存在一个大小为V/I 的电阻，把这个等效的电阻称为传输线的特性阻抗Z。

1.2 影响1.8MHz 特性阻抗的因素

在高频条件下，对称电缆的波阻抗Zc 可由公式（1）计算：

式中，L 为被测量电缆的回路电感 （H/km）；C 为被测量电缆的回路电容（F/km）。

为了降低该种电缆在高频条件下的信号衰减，设计标准通常要求在线组外面加一层屏蔽层。 根据电缆回路电感L（H/km）的计算公式：

式中，λ—总的绞入系数；d—导体直径（mm）；a—回路两导线中心间距离（mm）；K—涡流系数；rs—屏蔽层的半径（mm）；Q（x）—x（=kd/2）的特定函数；μr—屏蔽层的相对磁导率。

对称电缆的电容C（F/km）可按公式（3）计算：

式中，εD为组合绝缘介质的等效相对介电常数；ψ 为由于接地金属护层和邻近导线产生影响而引用的修正系数。 ψ 可由式（4）计算：

式中，d1为绝缘线芯的直径（mm）；D 为屏蔽层内直径（mm）。

由上述公式可知，影响1.8MHz 特性阻抗的主要因素有：导体直径、回路两导线中心间距离、绝缘线芯外径、屏蔽层内径。

而在电缆生产过程中，生产设备加工的稳定性、工艺制订的合理性以及模具的选择是否合适等都会影响上述因素， 从而导致1.8MHz特性阻抗不能满足标准要求。

2 1.8MHz 特性阻抗控制

2.1 导体直径控制

从公式（2）和（3）可以看出，导体直径d 与电感L 成反比，与电容C 成正比，即导体直径d 的波动会影响电感和电容的大小，进而影响特性阻抗ZC。 TB/T3100.6 规定导体采用TR 型软圆铜线，标称直径为1.53mm。 要想控制好导体直径，应在拉丝设备稳定运行的基础上，选用合适的拉丝模具，拉丝模具尺寸应控制在±0.002mm 以内，确保导体下机直径控制在±0.015mm 以内。 另外还要严格控制好导体的退火状态，如果导体退火过度，会造成导体伸长率过大，在后续工序过程中难以控制和容易变形。

2.2 回路两导线中心间距离和绝缘芯线外径的控制

从公式（2）可以看出，两导线中心间距离变化会导致电感L 发生变化，从而使特性阻抗ZC值发生变化，严重时甚至会大大超过标准要求。 影响两导线中心间距离的因素主要有绝缘芯线外径和偏心、缆芯的绞合。

绝缘芯线外径和偏心是绝缘芯线生产过程中最不易控制因素。要想控制好绝缘芯线外径和偏心， 首先应选择拉丝绝缘串联式生产方式，避免因重复收放线导致导体拉伸的质量缺陷，保持绝缘芯线结构的稳定性和一致性。 其次应选择合适的挤塑模具，确保绝缘芯线的绝缘外径控制在±0.02mm 以内，偏心度控制在0.065mm 以内。

在缆芯绞合过程中，收放线张力的均匀性和绞合节距的一致性都会影响到回路导线中心间距离。 绞合时应尽可能使收放线张力均匀、平衡；束绞模具选择应恰当，确保缆芯绞合节距稳定、绞合外径均匀一致；绞合的同时还应绕包一层聚酯带，对缆芯结构进一步巩固，确保缆芯圆整，防止绝缘芯线间产生相对位移。

2.3 综合屏蔽层内径的控制

由公式（2）可以看出，屏蔽层半径rs的大小对电感的影响很大。 从公式（3）和（4）可知，绝缘芯线离屏蔽层越近，回路电容就越大，相反，则越小。 而从式（1）可知，回路电容的大小会直接影响特性阻抗值。因此，在综合屏蔽层生产过程中，屏蔽层的质量是非常重要的。

从结构稳定考虑，屏蔽层与缆芯的间距不能太大，防止空隙过大导致在牵引和收线时综合屏蔽层变形。 因此，纵包屏蔽层时要松紧适当，确保屏蔽层的圆整性。

3 结束语

在应答器数据传输电缆生产过程中，影响1.8MHz 特性阻抗的因素还有很多，例如铜材和绝缘料等原材料的使用，如果原材料的各项指标都能保持在最小的波动范围内，那么绝缘芯线结构的稳定性就能够保证，1.8MHz 特性阻抗指标也能得到有效控制。

因此在电缆生产过程中，抓住每道生产工序的控制要点及控制方法，就能减少甚至消除众多因素对1.8MHz 特性阻抗的影响，确保应答器数据传输电缆1.8MHz 特性阻抗指标满足TB/T3100.6 的要求。

［1］唐亮.赵春宇时域反射（TDR）测试问题分析[J].电子测量技术，2008.

［2］周英航.分辨率TDR 测试以及应用[J].电子设计拄术，2007.