5G數字通信電纜生產工藝控制分析
【摘要】
中國官方近期已正式發放5G商用牌照,意味著中國2019年進入5G商用元年。移動互聯網和物聯網是5G發展的主要驅動力,5G應用將進入“萬物互聯”新時代,以5G網絡為核心的新一代信息通信網絡基礎設施以及生產基礎設施、社會基礎設施等的數字化改造,共同構成了數字世界的關鍵基礎設施。
5G網絡作為第五代移動通信網絡,其峰值理論傳輸速率可達每秒數10Gbps,這比4G網絡的傳輸速度快數百倍。隨著5G傳輸速率的提升,對數字通信電纜的頻率和傳輸速率要求也越來越高,七類數字通信電纜(最高傳輸頻率可達1000MHz,傳輸速率10Gbps)、八類數字通信電纜(最高傳輸頻率可達2000MHz,傳輸速率40Gbps)可以很好地滿足5G通信網絡基礎設施建設。
因此,本篇文章全面分析了生產達標的七類、八類數字通信電纜工藝控制要點,對提高和保證七類、八類數字通信電纜的制造精度和穩定性、均勻性起到一定的指引作用。
【關鍵詞】
皮-泡-皮物理發泡;數字通信電纜。
前言
當前,數字通信電纜已廣泛應用,七類最高傳輸頻率可以達到600MHz;超七類(7A)最高傳輸頻率1000MHz、傳輸速率10Gbps;八類數字通信電纜可以達到傳輸頻率2000MHz、傳輸速率40Gbps要求。
在不久的將來,5G技術將廣泛應用和發展,七類、八類數字通信電纜的需求將不斷增加,發展前景良好。為保證七、八類數字通信電纜符合相應的帶寬和傳輸速率,生產工藝控制非常重要,任何一個生產環節都應嚴格控制。
一、銅線導體拉絲、退火工藝控制
(一)導體拉絲工藝控制
銅線導體的電阻系數不能有顯著差異,退火要均衡,斷裂伸長率偏差應控制在±2%左右,導體直徑公差應限制在±0. 002 mm以內,銅線要求圓整、表面光滑、無氧化斑點、線徑偏差范圍小,建議采用“拉絲--退火--導體預熱--擠塑”串聯生產線。可以一次性完成拉絲、退火、預熱、擠塑生產工藝,減少中間環節對導體因多環節生產引發的損傷,保證導體線徑、柔軟度的穩定性。
銅線拉制時,選取合適導體定徑模,考慮到后續加工對導體的拉伸,根據不同廠家的生產設備精度選取合適定徑模。在拉絲過程中,在常溫下將銅桿用拉絲機通過拉伸模具的模孔拉到所需尺寸,其主要參數是配模技術,乳化液濃度控制在8%~10%左右,溫度控制在35-45℃,溫度不易過高,PH值≥7以上。
(二)銅線退火、預熱控制
銅線退火,通過控制退火電壓來控制電流將銅線加熱到一定溫度,退火結晶可以提高銅線的柔韌性,降低銅線強度,使其不易折斷,具有良好的導電性能,符合導電芯線的要求。
為了確保銅線的軟硬均勻,銅線與導電環須充分接觸,不得有抖動現象;
退火電壓設定要合理,退火電壓過低,達到不退火效果,退火過高,會致銅線表面發黃輕微氧化;
退火槽內冷卻水溫度須進行嚴格控制,溫度不宜過高,建議采用冷卻水循冷卻系統,并定期更換,以保持理想的冷卻效果;
經冷卻水冷卻后的銅線用吹風裝置吹干,保證銅線表面無水汁殘留,以保證銅線不被氧化發黑或產生斑點;
銅線退火冷卻后進入擠塑機前,建議對銅線施加一定電流進行預熱,以提高銅線與塑膠的粘合力,導體預熱溫度波動要小,以使銅線與絕緣層之間粘接良好,整條單線上絕緣的等效介電常數必須均勻一致;
銅線的電阻系數不能有顯著差異,退火要均衡,伸長率應控制在±1 %,導體直徑公差應限制在±0. 002 mm以內、絕緣外徑限制在±0. 01 mm 以內、同軸電容限制在±1. 5 pFPm,同心度應大于96 %,導體預熱溫度波動要小,以使銅線與絕緣層之間粘接良好,整條單線上絕緣的等效介電常數必須均勻一致。
二、皮-泡-皮-絕緣芯線擠出工藝控制
絕緣芯線建議采用皮-泡-皮物理發泡擠出工藝,采用三層共擠機頭,機頭精度要高,以保證產品同心度和擠出壓力。擠出要螺桿塑化要好,建議采用1:28長徑比螺桿。選擇發泡穩定的發泡材料,最好選用發泡劑與母料混合擠出的顆粒料。發泡孔要均勻,注氣壓力要穩定、螺桿轉數變化及收放線張力變化要盡可能小,發泡層的泡孔要均勻細密。模套的設計應當保證有足夠合理壓縮比,以獲得合適的泡孔,一般采用擠壓式模具,模芯內徑應當以通過芯線為宜,不應過小,否則會導致芯線抖動或導體表面擦傷,具模本身也易受傷;模芯內模過大,會造成偏心即同心度不好。絕緣芯線的質量直接影響電容、絕緣性能和串音指標,同時,物理發泡絕緣芯線具有衰減小、工作電容小、損耗系數小、介電常數小、傳輸距離長等特點,在電容相等的情況下,電纜直徑小、成本低,重量輕。同軸電容是控制產品電氣參數的關鍵,可通過配置在線監測設備如外徑測試儀、水電容儀、偏心儀等實現對銅線直徑、絕緣外徑、絕緣同心度、發泡度的控制。
與傳統絕緣生產設備相比,皮泡皮物理發泡生產線控制參數多,調節復雜,只有通過嚴格控制設備參數,才能控制好發泡度、絕緣線徑、同軸電容、同心度、橢圓度等,生產出均勻穩定的芯線。
擠出發泡時,要預防銅線氧化,當發泡度過高、泡層壓力過大時,發泡層極性分子向絕緣層外表溢出,引起表面粗糙,向導體方向溢出使銅導體表面上內皮絕緣結構部分破裂,極性分子與銅結合也會造成銅線氧化。發泡度還直接影響絕緣的抗拉強度和延伸率,發泡度增大,絕緣延伸率小,機械強度下降,因此應選擇合適的發泡度。發泡度過大導致同軸電容減小,產品的機械性能變差,難以達到預期設計效果;而過度發泡會導致同軸電容過大,泡壁串聯,機械性能改變。發泡度的調整必須通過氮氣注入量、擠塑轉速、線徑大小及線速度等的綜合改變來完成,同時建議配置增壓注氮系統,以保持注入氮氣壓力恒定,不受氮氣瓶氮氣量的減少,壓力降低而變化,以獲得絕緣芯線穩定的發泡度和穩定的絕緣外徑。
三、芯線絞制工藝控制
(一)絕緣芯線對絞控制
通過為四對線設計出合理的絞合節距,四對節距留有一定的節距差,可使電纜的近端串音和遠端串音達到一個最佳效果。絞對時須進行退扭,絞對退扭可以改善因單線偏心或線徑不均勻而造成的阻抗波動等,使傳輸性能更加穩定。退扭實際上是預扭,即在絞對扭絞前,對單線反向給予一定的扭絞,使特性阻抗與頻率間的變化曲線更趨于平緩,退扭率的提高可以改善電氣性能。
但是,如果退扭率設計不合理,也會帶來副作用,引起單線結構被部分破壞。因此退扭率應控制在15~20 %左右,最好不要超過35 %,根據各個廠家設備不同性能、精度來設定。絞對時應盡量減少芯線絞合接觸點處的擠壓變形,對絞張力也應一致,以降低電阻、電容不平衡值。
(二)對絞線成纜控制
成纜是為穩定四個線對的相對位置,可以減少線對間串音干擾,提高了傳輸質量,保證了電氣性能的穩定可靠。成纜時,相鄰兩個線對的節距設計一定的節距差,減少線對間的串音干擾。四對線相對位置會因外力作用而改變,影響到成品電纜的串音衰減性能,造成電氣性能不如骨架式固定理想,所以設計合理的成纜節距也顯得非常重要。
由于線纜在信號傳輸過程中,線對間會相互干擾,同時也受到外部信號干擾,可通過雙絞線的絞合平衡和金屬屏蔽層的屏蔽作用,有效地防止外界的電磁干擾信號的侵入和來自電纜內部的電磁輻射的外泄,擁有非常好的電磁兼容特性和保密性。
每對線采用鋁箔縱包單獨屏蔽,同時適當增加鋁箔厚度,四對線成纜后再用鋁箔縱包屏蔽,最外層用金屬絲編織整體屏蔽。由于金屬屏蔽層的集膚效應及反射和吸收作用,可以更好地分隔周圍的電磁場和減少單獨屏蔽對線之間或四對線之間的串音,金屬絲可采用鍍錫銅絲或者鍍錫銅包鋁鎂合金絲。為每個線對提供單獨的鋁箔屏蔽,可消除線對之間的串音并可消除和減少環境的電氣干擾,提高電磁兼容性,縱包鋁箔應避免出現皺折,以保證屏蔽效果和傳輸性能。線對屏蔽和整體屏可采用一步法同時完成,不僅可以提高生產效率,而且減少了因多步驟工序流轉對線、對節距的破壞和導體的拉伸,可以大大提升產品性能指標。
在滿足相同生產能力情況下,一步法比兩步法投資費用要低,生產效率更高。成纜可以選配帶有可調節退扭功能的放線裝置和轉彎少的懸臂單絞成纜機,以防止絞對因轉彎過多導致線對結構改變,可以保證四對線在成纜時絞對節距和屏蔽都不會發生變化。
四、成品擠塑工藝控制
成品擠塑雖處于生產最后一道工序,控制的要素不如前面工序多、要求高。但是,如果在擠出模具選取、放線、引取、成圈等細節方面未控制好,同樣會影響產品傳輸性能和帶寬。首先,放線部分建議采用主動帶有放線張力調節的主動放線裝置;其次,合理選配擠出內模和外模,內模不損及編織網,外模不得過大或過小。牽引采用轉彎少的皮帶式牽引,在線成圈收盤,避免二次收盤對產品拉伸等不良損傷,收線盤符合產品彎曲半徑要求,人員在生產操作過程中,注意防止產品打扭等影響傳輸性能的不良因素。
結束語
要生產出合格達標的七類、八類數字通信電纜,每環節必須嚴格控制,每一道工序的人員須全面掌握工藝要求和設備操作,培訓合格上崗,同時保證生產設備的穩定性和精度,才能保證成品特性阻抗、衰減、近端串音、遠端串音、回皮損耗、相時延等各項指標有充足的余量,符合頻率和傳輸速率的要求。
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