5G通信基站用D型电缆的研制
时间：2023-01-26 08:45:06 来源：柠檬阅读网 本文已影响 人 
邵 冰， 冯国五， 林 霖， 谢丽岩， 薛 祥
(1.扬州曙光电缆股份有限公司，高邮 225652；
2.浙江万马股份有限公司，临安 311305；
3.扬州市金阳光电缆有限公司，高邮 225652)
随着移动互联网的发展，越来越多的设备接入移动网络中，新的服务和应用层出不穷，预计到2025年，移动通信网络的容量需要在当前的网络容量基础上增长1 000倍。移动数据流量的暴涨将给网络带来严峻的挑战。为了解决上述挑战，满足日益增长的移动流量需求，亟需发展5G移动通信网络，同时，5G基站的建设也为电缆行业带来新的机遇。本工作对产品结构设计、材料选型、关键生产工艺、特殊性能验证进行了研究。
根据产品的使用环境及使用特性，产品设计性能需要具备外径小、弯曲性能优异、载流量高、电磁屏蔽性能优异、满足RoHS2.0、REACH环保法规、可抗紫外线等要求。具体产品性能要求如下。
(1) 外径小。5G基站中，多数设备敷设空间狭窄，因此适用于此种环境及使用特性的电缆外径须小于常规电缆，从而节约敷设空间。
(2) 弯曲性能优异。常规的软电缆弯曲半径最小为6D(D为产品外径)，而根据5G通信基站中的实际敷设环境确定产品的弯曲半径为4D，因此产品研发设计需满足弯曲半径的要求。
(3) 载流量高。虽然电缆产品的敷设空间有限，但是设备使用功率却在不断提升。因此产品设计必须考虑相同导体规格情况下，D型电缆应具备高载流量的特性。
(4) 电磁屏蔽性能优异。本工作设计的电缆主要用于基站内220 V配电系统，而通信基站环境中包含众多精密设备，因此如何防止电缆传输的电磁波对周围环境精密设备造成电磁影响[1]，是此次设计的重点。
(5) 环保要求高。根据前期市场信息反馈，该产品随同整套设备应用于不同地区及国家，因此其必须满足环保法规RoHS2.0、REACH的要求。
(6) 可抗紫外线。电缆产品敷设于室外环境时，因长期日光照射容易造成电缆护层开裂，在产品护层选型时需充分考虑材料抗紫外线的性能。
为了满足上述产品的使用性能要求，分别进行产品的性能设计和结构设计，具体如下。
2.1 产品设计
2.1.1 外 径
普通电缆绝缘线芯均为圆形，多芯成缆后通过增加填充保证电缆的外观圆整。该产品设计根据客户要求需减小产品外径，电缆使用配电线路为220 V单相电路，接地电缆单独敷设电缆，因此产品设计仅需两根绝缘线芯。综合考虑将导体设计为D型即半圆形，再通过挤包绝缘材料使绝缘线芯成为D型线芯。这样可以保证绝缘线芯成缆后两根D型线芯组成一个圆形，最大程度减小成品外径。
目前这种设计有两种方案：①导体为半圆形，在挤包绝缘层后，两根绝缘线芯为圆弧形，成缆后两侧有缝隙，需添加部分填充材料才能保证成缆圆整；
②将挤包后的绝缘线芯设计为半圆形，以保证成缆后两根绝缘线芯成为圆形，无须添加任何填充材料，根据绝缘线的高度及宽度反推导体的高度及宽度，导体为圆弧形。
第二种设计方案更加有利于减小产品外径，因此本设计采用该设计方案。先保证挤塑后两根绝缘线芯绞合成为圆形，再设计D型导体的高度与宽度。
2.1.2 模 具
导体及绝缘线芯均为D型，因此需要专门设计导体成型模具及成缆模具。
(1) D型导体模具。因导体为多根细铜丝绞合，不宜进行紧压设计，所以模具的轮廓截面采用70%填充系数，然后通过Soildworks软件对模具进行设计。模具设计有两种方案：第一种采用拉拔模具成型设计；
第二种采用上下压轮成型设计。拉拔模具加工较为成熟，模具制造商可以根据图纸要求精确加工尺寸，无须专用模具放置支架。但是在使用拉拔模具进行导体加工过程中，经常出现单丝断裂的情况。通过Ansys workbench软件建模分析发现，导体在通过拉拔式模具成型时，模具工作面存在应力集中问题，当此位置铜丝所承受的拉伸力大于铜材屈服极限时，会造成单丝断裂。经多次调试均无法解决单丝断裂问题，证明此种模具设计不适用软导体成型加工。第二种方案采用上下压轮成型设计，将导体成型过程中所受到的滑动摩擦力转变为滚动摩擦力，降低了摩擦阻力，保证铜材所承受的拉伸力小于铜材的屈服极限。上下压轮模具材质选用40Cr模具钢，并对钢材进行调质、淬火、氮化、手工精磨等多道工序处理，保证模具工作面粗糙度不大于0.2。为保证每次上下压轮啮合的精准度，设计了气动支架。工人每次仅需打开气动阀门，无须手动调整上下压轮高度，保证了每次上下压轮贴合的精准度，进而保证D型导体尺寸加工的一致性。在实际使用过程中，没有出现单丝断裂、导体表面粗糙等情况。最终导体模具设计方案确定为上下压轮成型设计。
(2) D型绝缘线芯成缆防扭转模具。D型绝缘线芯成缆过程中必须保证上下两根线芯平面紧密贴合，不能出现线芯扭转情况，否则将造成缆芯椭圆度不达标等情况。为解决此问题，在成缆设备分线板位置放置两个半圆形压模。压模工作面采用纳米金刚石涂层，保证绝缘线芯表面不会被划伤，同时模具工作面贴合绝缘线芯，可对线芯的扭转起到很好的限位作用，保证绝缘线芯成缆过程中不出现扭转的情况。
2.1.3 弯曲半径
为了保证产品具备优异的弯曲性能，采用单丝直径0.3 mm的退火无氧铜丝，铜丝伸长率不小于28%，绞合方式采用束绞后同向绞合工艺。绝缘线芯成缆节距采用8～10倍节径比进行绞合成缆，增加了电缆弯曲性能。绝缘及护套材料选用高弹性耐温等级为105 ℃橡塑共混体——丁硅材料。上述结构设计及材料选型保证了产品的弯曲性能。
2.1.4 载流量
客户要求6 mm2导体为终端设备提供9 kW功率。按照客户提供的信息，进行如下计算：终端设备功率因数为0.8，传输效率为90%，线路电压为220 V，为单项电抗型线路，计算电缆的载流量为57 A，而常规耐温等级为70 ℃两芯电缆载流量仅为48 A，无法满足终端设备的功率需求。通过比较多种材料后，最终选择耐温等级为105 ℃橡塑共混体——丁硅材料作为本次电缆产品的绝缘及护套材料。经计算，6 mm2导体在105 ℃温度条件下，可提供的载流量为60.5 A。该载流量不仅能满足客户的终端设备功率需求，还有一部分安全裕量。
2.1.5 电磁屏蔽性能
对电缆的主要应用环境进行分析，发现电缆在实际使用环境中，周围有较多精密仪器，因此必须消除电缆本体电磁波的传输对于周围环境中精密仪器的影响。设计目标为将电缆的屏蔽抑制系数控制在不大于0.01。对比多种屏蔽结构试验，选用铝箔麦拉绕包屏蔽与铜包铝镁合金丝编织屏蔽所组成的复合屏蔽作为电缆的屏蔽层。该复合屏蔽结构可以有效降低电磁波对周围环境中精密设备的电磁影响，同时铜包铝镁合金丝材料比重仅为3.5 g·cm-3,远低于铜丝材料比重8.89 g·cm-3，从而有效降低了产品质量，提高了产品价格竞争优势。
2.1.6 环保要求
本工作设计的产品随整机配套使用在不同国家和地区，因此产品设计必须满足RoHS2.0、REACH环保法规要求。对D型电缆加工及包装所涉及的材料均进行了RoHS2.0、REACH法规所要求的测试项目。同时，为了保证材料在加工过程中不被污染，对电缆所使用的加工设备及环境均进行清理，尤其是挤塑设备，在每次开机前，先进行材料挤出并进行RoHS2.0、REACH项目测试，测试结果合格后再开机生产。
2.1.7 抗紫外线性能
当电缆敷设于室外环境时，护层材料需要长期面对日光中紫外线的危害，如不采取特殊处理，外护层存在开裂风险，因此，要在外护层材料中添加一定比例的紫外光吸收剂，从而保证外护层材料在室外环境使用的安全性。
2.2 产品结构
以2×6 mm25G通信基站用D型电缆为例，其结构示意图见图1，结构参数见表1。
1—D型导体；
2—D型绝缘；
3—铝箔麦拉屏蔽层；
4—铜包铝镁合金丝编织屏蔽层；
5—外护层
表1 电缆结构参数表
产品加工工艺中包含D型导体加工、D型绝缘线芯挤出、D型绝缘线芯成缆、铜包铝镁合金丝编织、外护层加工挤出等5个关键工序，下面对5个关键工序的生产过程及问题解决进行介绍。
3.1 D型导体加工
先对单丝用束丝机进行股线绞合，为保证束丝结构的圆整性，防止出现跳丝等不良现象，对束丝设备放线张力装置进行了调整。采用拉力计对每个放线张力进行测试，保证张力杆位置近似水平，多次调试后完成束绞。采用同样方式对复绞放线装置进行调试，同时在进线模具依次放置圆形纳米金刚石绞线模具、D型导体上下压轮装置。为防止导体的锐角边挫伤，在导体的每层收线之间，采用珍珠棉进行隔离。
3.2 D型绝缘线芯挤出
绝缘采用耐温等级为105 ℃的丁硅阻燃绝缘材料，由于是橡塑共混体，该材料熔融后的流动性相对于普通热塑性材料而言，有很大不同。根据橡塑共混体的材料挤出特性设计模具，拉伸比为3.5，配模系数为1.03，同时根据材料流动特性定制了新的分料器，并优化模具承径区长度为3 mm，模具内外角度差值为8°，确保绝缘材料顺利挤出。绝缘材料挤出后，依靠材料本身的拉伸特性贴敷在导体表面，形成D型绝缘线芯，绝缘材料贴敷的紧密程度决定了D型绝缘线芯的结构尺寸。为保证绝缘线芯结构尺寸符合工艺规定，采用抽真空装置使机头内部产生近似真空状态，由于外部气压大于机头内部气压，通过空气压力使绝缘材料紧密贴敷在导体表面，使得D型绝缘线芯尺寸能符合工艺规定。
3.3 D型绝缘线芯成缆
绝缘线芯为D型，如采用常规的成缆工艺，绝缘线芯在成缆过程中容易出现线芯扭转现象。为确保成缆线芯的圆整性，在成缆设备分线板位置设置两个工作面为半圆形的纳米金刚石模具，若其尺寸过小会造成绝缘摩擦生热进而造成绝缘损坏，若尺寸过大则无法确保绝缘线芯始终不发生扭转，经过多次工艺调试，两个半圆形模具的最优尺寸为4.0 mm(高)×7.5 mm(宽)。
3.4 铜包铝镁合金丝编织
铜包铝镁合金丝由于其材料延展性不如铜丝，操作人员在进行编织工序时经常会出现断丝现象，产生屏蔽毛刺扎伤绝缘线芯等问题。为解决这个问题，对编织工序所采用的φ0.12 mm单丝进行抗拉强度测试，其抗拉强度在151～165 N·mm-2范围。计算每锭的拉断力时统一按照150 N·mm-2的抗拉强度计算，每锭单丝根数为7根，经过计算，每锭拉断力为11.8 N。采用张力计对每个锭子进行放线张力测试，经过多次调试后，确定每锭放线张力为6～7 N时可以有效解决编织过程中的断丝问题。
3.5 外护层加工挤出
护套采用与绝缘耐温等级相匹配的105 ℃丁硅阻燃护套材料，客户要求在护套表面不能出现编织纹路，因此,配模系数为1.01，并采用不锈钢模具用于护套材料的加工挤出。
为验证5G通信基站用D型电缆特殊性能指标的可靠性，除了进行成品电缆的结构尺寸、电气性能、机械性能等试验外，还应进行专项试验项目，具体如下。
4.1 曲挠试验
参考执行GB/T 5023.1—2008[2]标准，电缆经15 000次往复运动，即30 000次单程运动,重锤质量为1.5 kg，滑轮直径为120 mm，试验完成后，电缆应既不发生电流断路，也不发生导体之间短路。试验完成后进行3 500 V、5 min的耐压试验，结果显示线芯间无击穿。
4.2 屏蔽抑制系数测试
按照TICW 6—2009附录B试验方法对电缆屏蔽抑制系数进行测试，测试电缆产品屏蔽抑制系数为0.003，满足设计需求，电缆屏蔽性能优异。
4.3 载流量测试试验
按照TICW 15—2012标准对研制的5G通信基站用D型电缆(2×6 mm2)进行测试。测试结果表明，电缆在环境温度40 ℃空气中，导体长期工作温度105 ℃时，电缆载流量为62 A，满足设计要求。
4.4 RoHS2.0、REACH环保测试试验
成品电缆各部分顺利通过RoHS2.0及REACH环保测试项目，证明电缆在生产过程中没有被环境及设备污染，产品环保性能可满足客户需求。
4.5 抗紫外线试验
参照GB/T 12527—2008[3]附录A人工气候老化试验(氙灯法)，在0～1 008 h范围内，要求抗张强度变化率、断裂伸长率变化率最大均为±30%；
在504～1 008 h范围内，要求抗张强度变化率、断裂伸长率变化率最大均为±15%。试验项目结果均符合要求。
本工作研发的5G通信基站用D型电缆，根据客户的实际使用环境及使用特性要求，经过分析终端设备所需功率，精确计算传输线路所需载流量，进行合理的产品结构设计及材料选型，设计出满足客户需求的产品。产品试制成功后，先后通过了常规试验项目测试及专项试验项目测试，证明了产品设计加工的合理性。在保证产品满足使用环境及特性的情况下，电缆产品外径由圆形电缆12.4～12.8 mm缩小至10.4～10.6 mm，同时将电缆载流量由普通电缆的48 A提升至60.5 A。研制过程中解决了众多生产难题，可为同类产品的设计提供参考。
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