車用以太網(wǎng)導線的研制

肖 鳳 ，陳嶺峰 ，林橋水 ，張曉略 ，韓志東 ，王永亮

（1.泛亞汽車技術中心有限公司，上海 201208；2.哈爾濱理工大學，黑龍江 哈爾濱 150080）

隨著車載互聯(lián)及智能化的發(fā)展，出現(xiàn)了更多的數(shù)據(jù)傳輸和交互，以往的LIN/CAN/MOST通信等無法滿足需求，而車載以太網(wǎng)，一種用以太網(wǎng)連接車內電子單元的局域網(wǎng)技術，能夠滿足汽車制造商對車內互聯(lián)網(wǎng)絡的需求，適應汽車網(wǎng)聯(lián)化等所需要的帶寬。以太網(wǎng)經(jīng)歷了40多年的發(fā)展歷程，是現(xiàn)今局域網(wǎng)中最通用的通信協(xié)議標準。對車用以太網(wǎng)能夠為互聯(lián)、信息娛樂和安全領域中的新應用提供所需的帶寬，將不同網(wǎng)絡島嶼連接起來，提供更強的兼容性和抗干擾性。至2025年，80%的汽車將使用車用以太網(wǎng)技術。

2011年博通推出了BroadR-Reach單對線車載以太網(wǎng)技術，利用單對非屏蔽雙絞線 （UTP） 和標準以太網(wǎng)PHY組件（Port Physical Layer） 組成車內以太網(wǎng)互聯(lián)網(wǎng)絡，可實現(xiàn)100 Mb/s速率全雙工數(shù)據(jù)傳輸，此互聯(lián)網(wǎng)絡除可傳輸數(shù)據(jù)外，還支持POE功能 （Power over Ethernet），即雙絞線在傳輸數(shù)據(jù)的同時還可以為連接終端供電，省去了終端外接電源，降低了供電的復雜度。

以太網(wǎng)導線常用的為非屏蔽雙絞線 （UTP）、屏蔽雙絞線 （STP） 及屏蔽平行線 （SPP），非屏蔽雙絞線易安裝、成本低。本文是通過對非屏蔽雙絞線絕緣材料的制備獲得滿足性能要求的以太網(wǎng)導線。

車載以太網(wǎng)導線制造的關鍵在于保持導線在宏觀和微觀結構尺寸的精確和極小的偏差。同時，為了滿足傳輸和EMC的要求，絕緣材料應符合設計的介電性能要求，并滿足阻燃、機械、加工、溫度等級的需求。為此，需從結構設計解決其材料相容性、阻燃性、介電性能的可控性等問題，開發(fā)車載以太網(wǎng)導線用絕緣材料，滿足車載以太網(wǎng)導線對絕緣材料的需求，獲得100Mb/s的車載以太網(wǎng)導線。為汽車領域提供滿足網(wǎng)絡系統(tǒng)要求的絕緣材料和導線產品方案，對以后更高的帶寬研究提供一定的指導。

1 絕緣材料的開發(fā)

車載以太網(wǎng)導線的核心技術就在于兩個對絞在一起的單對非屏蔽雙絞線，其制造技術關鍵之一在于絕緣材料的性能。絕緣材料的介電常數(shù)是影響導線性能的關鍵因素。

1.1 基料

現(xiàn)有技術中，滿足100℃溫度等級的汽車線纜材料多采用聚氯乙烯 （PVC） 材料和交聯(lián)聚乙烯 （XLPE） 材料。PVC材料的優(yōu)點是阻燃性能和加工性能優(yōu)良、價格較低，缺點是其在加工、使用和廢棄過程中存在較大的環(huán)境危害。XLPE材料具有環(huán)境友好的特點，但交聯(lián)后材料無法重復使用，由于加工成本高以及較高的介電常數(shù)而存在較大限制。聚丙烯（PP） 作為一種熱塑性塑料，價格便宜，具有較高的機械強度、良好的加工性、耐熱性和電絕緣性能。PP在5大通用塑料中產量位居第3，僅次于PE和PVC，是目前發(fā)展速度、產量增加最快的塑料之一。PP具有優(yōu)異的電氣絕緣性能，可在100℃以上長期使用。

1.2 功能填料及加工性

為滿足100Mb/s的特性阻抗需求，需合理控制絕緣材料的介電常數(shù)。為滿足絕緣材料的機械性能、老化性能、阻燃性能、加工性能等的要求，需在材料中引入大量的極性物質，這在一定程度上使絕緣材料的介電常數(shù)顯著增加，難以滿足車載以太網(wǎng)導線的要求。為此，在配方中引入復合介電填料 （DF），實現(xiàn)了對介電常數(shù)的調控，如圖1所示，隨介電填料用量的增加，絕緣材料的介電常數(shù)表現(xiàn)出下降趨勢。在介電填料用量為4%時，相比于未加介電填料的絕緣材料，介電常數(shù)下降了9.6%。

絕緣材料中涉及到多種組分，在獲得具有一定介電常數(shù)的絕緣材料的同時，各組分在基體中的分散性是影響材料性能均一性的關鍵因素。為保證材料的分散性，借助相容原理和表面改性，實現(xiàn)了如圖2所示的分散特性。可以看出，無機粒子均勻分散在樹脂基體中，分散性較好。

圖1 復合介電填料 （DF） 的用量對絕緣材料介電性能常數(shù)的影響

圖2 絕緣材料的SEM圖片

熔體粘度與材料的組成及分散均勻性相關，最終影響絕緣材料的加工性能。在制造絕緣材料的過程中，對生產過程中的材料分段取樣，利用轉矩流變儀對不同階段的樣品進行了熔體粘度測試，材料的流變特性如圖3所示?？梢钥闯?，兩個階段的絕緣材料具有極其相似的粘度曲線，說明絕緣材料具有良好的擠出穩(wěn)定性。絕緣材料是導線制造的基礎，絕緣線芯的品質直接影響了導線的性能。為了保證絕緣線徑達到幾何尺寸和最佳品質，絕緣材料的擠出穩(wěn)定性起到了關鍵作用。對于絕緣材料而言，其熔體粘度的穩(wěn)定性能夠反映絕緣材料的均勻性及加工穩(wěn)定性。

圖3 絕緣材料的流變特性

基于相容性與相結構的設計、共混增韌機理、阻燃機理與協(xié)效阻燃技術、電介質理論與方法，所獲得的聚丙烯基絕緣材料具有如下性能：拉伸強度16.5MPa，斷裂伸長率560%，介電常數(shù)2.65，氧指數(shù)26，其電氣性能、老化性能等均符合車載以太網(wǎng)導線的要求。

2 導線的研制

車載以太網(wǎng)導線制造關鍵是保持導線在宏觀和微觀上結構尺寸的精確和盡可能小的偏差。其中，絕緣材料的介電常數(shù)、導體直徑、導體中心距以及對絞絞距在導線制造中具有重要的作用，采用所開發(fā)的絕緣材料，對導線制造工藝參數(shù)進行了研究。

2.1 導體制造

導體的圓整度是制造關注的重要參數(shù)，如果導體圓整度較低，會造成電場畸變，影響電場的分布，以致影響導線的性能。采用圓形銅導線，采用絞合緊壓工藝制造導體，獲得了導體外徑為0.75±0.1mm、導體電阻為52.5mΩ/m、結構為A7/max0.27的導體。

2.2 單芯線制造

絕緣外徑對特性阻抗影響較大，在絕緣擠出過程中，將絕緣外徑控制在1.28±0.015以內；調整絕緣的圓整度，通過擠出工藝中擠塑模套?？?、擠塑溫度等參數(shù)調整圓整度；控制絕緣的同心度，絕緣偏心會影響導線的工作電容和電感，絕緣的同心度在90%以上。

2.3 雙絞線制造

絞對的主要目的是利用交叉效應來減小線組間的串音。對于退扭式絞對在滿足一定條件時，還可以在一定程度上減少絕緣偏心及其他絕緣線芯徑向上的不均勻缺陷。利用退扭成纜機將單芯線絞合成雙絞線，采用了對絞節(jié)距為12mm和20mm，所得雙絞線的特性阻抗和回波損耗如圖4、圖5所示。對絞節(jié)距為12mm的導線的回波損耗滿足設計要求，而對絞節(jié)距為20mm的導線則不滿足要求。保證單芯線的均勻性和對稱性，盡可能降低線對間電容不平衡，是提高線對抗干擾能力的基礎。衡量雙絞線“對稱性”的參數(shù)是不平衡衰減。雙絞線的絕緣外徑的不同、絞合節(jié)距的不同、導體的電性能差異、兩導體對外界環(huán)境的不同都是引起不平衡衰減的原因，決定了雙絞線在較高頻率工作的性能。選擇對絞節(jié)距為12mm，在充分退扭的條件下，能夠獲得滿足對稱要求的導線，如圖6所示。

3 結論

采用所研制的具有一定介電常數(shù)的聚丙烯基絕緣材料，通過合理的工藝設計以及對導體直徑、絕緣外徑、對絞節(jié)距等參數(shù)的調控，降低電纜結構周期性偏差或缺陷，在滿足導線尺寸與結構設計要求時，可以實現(xiàn)UTP的傳輸性能，獲得車用以太網(wǎng)導線。生產過程中主要工序為單芯線生產和對絞生產工序。通過對銅導體直徑和絕緣厚度加以控制，能夠滿足特性阻抗和回波損耗的參數(shù)要求。在對絞工序上使用退扭對絞機，可使偏心引起的兩導線間距變化控制在一個對絞節(jié)距中，選擇合理的對絞節(jié)距 （12mm），可以實現(xiàn)不平衡衰減值達到傳輸要求。

圖4 節(jié)距不同的雙絞線的特性阻抗

圖5 節(jié)距不同的雙絞線的回波損耗

圖6 節(jié)距為12mm的雙絞線的LCL和LCTL