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铜缆制造工艺是保证高性能传输的基础
  发布时间:2005-12-1 14:13:35 阅读次数:
来源:《布线系统与工程》 作者:
 

  对线缆制造工艺的深入了解会有助于您甄别性能优异的布线系统,保护您的投资利益。

  今天,网络应用对其传输介质的要求比以往任何时候都高。 20年前用于承载窄带电话业务的双绞线技术,现在被用来支持高达250Mhz带宽的数字信息。然而,从外观上感觉6类双绞铜缆和最早的双绞铜缆没有很大区别。那么,是什么样的技术革新使铜缆线可提供如此高的带宽和杰出的电气性能呢?

  关键在于原材料、生产工艺和线缆构造的不断改进,让今天的线缆获得这样高的性能。

  要生产出性能优异的非屏蔽双绞线缆(UTP),必须严格控制每道主要制造工艺,包括事先仔细筛选铜导线和热塑材料,主导线的绝缘,两根主导线相互扭绞成一根双绞线,将数根双绞线合成线缆,套上线缆外皮,最后包装成品。为确保成品线缆的性能符合相关国际标准要求,每一个制造阶段,都必须经过精心设计,每一个工艺过程都必须经过严格控制。

  线缆的制作包括12个步骤,从裸露的铜导线开始,到双绞线被卷在卷轴上为止。 

  主导线设计 

  主导线用来制作双绞线,是由22到24AWG铜导线在外面裹一层绝缘材料而成。尽管它的结构看起来很简单,但是主导线的每一个特性都需要细心控制,以确保电气和机械性能符合要求。主要特性包括铜导线的横截面,铜导线外表面的轮廓和光滑度,以及在绝缘材料内部导线的同心度。

  一个双绞线对包括两根22到24AWG的铜导线,每一根外面都包裹一层绝缘材料。绝缘材料里的导线的同心度是决定导线性能的关键。

  插入损耗(衰减)、阻抗和回波损耗等测量参数都直接和主导线的结构有关。

  插入损耗表示信号通过一段距离传输后的损耗。因此,更粗的铜导线直径,铜导线的正确退火,以及单位长度的绞线扭绞数减小,都是降低信号损耗的方法。

  影响阻抗和回波损耗性能的有铜导线的直径和形状这样的物理外形,绝缘材料的性质,分散因子和主绝缘材料的厚度。表面缺陷,铜导线表面粗糙,横截面呈椭圆形,或导线直径有变化,都会导致线缆阻抗不一致,形成信号反射。主绝缘线缆的铜导体中心位置和圆截面,或椭圆度,也影响回波损耗。在压制主绝缘层之前,必须格外小心不要让裸露的铜导线受到损坏,保持导线表面的清洁,不能粘有异物。

  典型的主导线制作过程是双轮绝缘压制流程,将导线绕通过两个轮子传动,通过挤压模具,进行将绝缘材料裹压在导线表面。这样作的好处有,出线速度更快,全部过程自动化,与手工相比,对导线造成的损坏几乎没有。 

  拉丝工艺 

  双轮绝缘压制流程的第一步是通过一组孔径递减的14-17道钻石模具,把直径较大的硬铜线(典型的12或13AWG),拉细到最后22到24AWG铜线。用一个滑轮从每个模具中拉出铜线,因为铜线被拉长,所以截面直径变小,因而随后的滑轮转动的速度也相应加快。因为在拉线的同时,产生大量的热,所以拉线设备必须不断进行冷却、润滑,以延长模具使用寿命,减少滑动,使铜线表面光滑。完成的铜导线从模具中由一个绞盘拉出,然后进行退火。

  6类线缆的制造工艺包括通过一个配置盘和模具把多个双绞线对和一个星型分隔器拉出来。

  由于铜导线在拉线过程会逐渐变硬,拉出来的导线会变脆易折,因此退火工艺非常重要,直接影响导线的传输性能,特别是可以降低插入损耗。退火设备将裸导线迅速加热到高温,导线被置入一个充满蒸汽的容器内,促使其适当软化,以获得所需的延展性。退火让导线更实用,提高了传输性能,特别是降低了插入损耗。

  在退火工艺之后是主绝缘压制流程。绝缘材料的选择要取决于c(UL)着火等级(plenum型CMP/FT6或竖直型CMR/FT4),传输性能的等级。除了低的静电容量和漏电损耗,以及很好的绝缘性能和耐电压能力以外,绝缘材料还要灵活、耐磨。通过在绝缘材料里加入灭火物质(氯)、不易燃材料(氟)以及耐火材料(粘土),可以使线缆具有不同程度的阻燃性能。

  为不同类的线缆选择主导线的绝缘材料,需要考虑许多因素。特别是压制线的速度和电气性能,它们在很大程度上将影响UTP线缆最后的价格和性能。比如,LSPVC和FEP都属于plenum型着火级别。尽管LSPVC主绝缘在350°F,相当低的温度下压制,抽线速度达到7000英尺/分钟,但美中不足的是,LSPVC组件的电气性能没有能达到5e类和6类的传输要求。

  FEP组件的电气性能虽然达到数据等级,然而,由于需要特制的高温压制设备和具有独特的熔化流动特性的炭氟绝缘材料,FEP极难制造。而且,FEP的绝缘压制时的抽线速度只有区区2000英尺/分钟。由于竖直型级别的主绝缘部分的材料特性,它们可以在低温下以7000英尺/分钟的抽线速度压制出所有类的线缆。较慢的抽线速度和更好的原材料是plenum型级别线缆的成本比竖直型级别线缆高出很多的主要原因。 

  绝缘工艺 

  绝缘压制工艺包括熔化、均匀处理,并通过一个压制头压成(排出气泡)小的彩色的热塑小球。在这个过程中,绝缘材料压制到一个预热了的铜裸线上。

  铜线在绝缘压制之前需要预热,是为了让绝缘材料很好地覆盖到铜裸线上,同时也是为了保证绝缘材料具有很好的物理性能(抗张强度和延展性)。有趣的是,双轮绝缘压制工艺过程中,抽线速度保持不变。而象一些工艺制作上的变化,诸如绝缘层厚度和表面的处理,靠调节从压制头拉出的材料的数量、塑料熔化的温度和压制的压力来实现。

  随着绝缘压制抽线速度的增加,逐级冷却时间就变得越来越重要了,冷却操作必须调节得更精确。对导线进行逐级冷却确保了绝缘层很好地覆盖在导线表面,也为主导线进行无接触测试和处理作准备。主导线的冷却技术包括循环水槽和喷雾室。

  使用喷水雾冷却的两个绞盘把主导线从冷却水槽里拉出来。绞盘的结构很关键,这是因为它是整个双轮绝缘压制流程的速度控制装置。水冷却绞盘和把导线从模具中拉出来的绞盘做同步转动,以确保整个制造过程中的对线牵力的平滑调节。绞盘之间和每个绞盘内部的闭环反馈确保流程速度的同步。反馈控制确保在整个流程没有一处出现迟滞,迟滞会产生“抖动”,甚至导致主绝缘层表面的磨损。 

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