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【摘要】某型机的飞行仪表系统采用超五类双绞线THSFF5eR1X1X24作为信号线传输数字视频信号。超五类双绞线对特性阻抗匹配要求较高，同一组五类双绞线的线间特性阻抗之差不能超过3Ω，否则会影响视频信号传输质量，严重时造成飞行仪表显示器花屏。本文论述了超五类双绞线特性阻抗测试的原理及方法，通过学习及多次试验改进了超五类双绞线特性阻抗的测试方法，保证超五類双绞线的信号传输质量。
【关键词】超五类双绞线，特性阻抗，测试方法，匹配
1引言
某型飞机的飞行仪表系统采用超五类双绞线THSFF5eR1X1X24A进行航空电子器件LVDS信号传输，电缆装机后多次出现信号传输不稳定、飞行仪表显示器花屏的故障。
特性阻抗是影响信号品质及完整性的最重要的因素。如果信号传播过程中，相邻的信号传播间隔之间阻抗保持一致，那么信号就可以十分平稳地向前传播，因而情况变得十分简单。如果相邻的信号传播间隔之间存在差异，或者说阻抗发生了变化，信号中能量的一部分就会往回反射，信号传输的连续性也会被破坏，由此会带来诸如回拨损耗偏大、信号传输辐射增大、信号传输完整性不足等问题，造成信号传输质量差的故障。
为了提高电缆在飞机上的信号传输质量，设计要求在电缆加工前对每组超五类双绞线THSFF5eR1X2X24A的特性阻抗进行测量，要求同一组超五类双绞线的线间特性阻抗之差不超过3Ω。
根据设计图纸要求，首次使用线缆认证仪33-991 LANTEK II-350对XXX电缆中10组超五类双绞线THSFF5eR1X1X24A特性阻抗测量，特性阻抗测量值范围在93.5-97.7Ω，根据《飞机用特种超5类电缆》XMS1816文件，超五类双绞线的特性阻抗值应在100±5Ω范围内。
2 THSFF5eR1X1X24A导线
相比起其它种类的导线，超五类双绞线具有衰减小，串扰少，衰减与串扰的比值（ACR）和信噪比（Structural Return Loss）高、延时误差小、传输距离小、传输质量高、抗干扰能力强的优点，可在恶劣的环境提供可靠性服务，适用于航空电子器件LVDS信号传输。
超五类双绞线按其绞线对数可分为一对组、二对组、四对组，按是否有屏蔽层可分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。屏蔽双绞线可以完全消除线对之间的电磁串扰，屏蔽层可以屏蔽来自电缆外的电缆EMI干扰和无线电RFI干扰。
THSFF5eR1X1X24A导线属于飞机用特种超5类屏蔽双绞线（STP），由外护套层、屏蔽层、绝缘层、内导体、填充芯组成，如图1所示。
3特性阻抗测试
3.1测试原理
特性阻抗时指当导线无限长时该导线所具有的阻抗，是组织电流通过导体的一种电阻名称，它不是常规意义上的直流电阻。一根导线的特性阻抗是由电缆的电导率、电容以及组织组合后的综合特性。它由导体的集合尺寸、导体间的中心距离、传输线本身的结构、导线绝缘材料的介电常数等因素决定。均匀电缆线对的特性阻抗Zc定义为沿同一方向（正向或反向）的电压波与电流波之比。
线缆认证仪33-991 LANTEK II-350特性阻抗测试原理是由时域反射计（TDR）向印制板发射出一个信号电压（高频信号或高速脉冲信号的电压），测量出反射回来的电缆变化，然后通过处理计算出特性阻抗值。
TDR时域反射，由高速的阶跃脉冲发生器与高速的取样头组成。阶跃脉冲的上升时间决定了分辨阻抗不连续性的能力。高速采样头决定测量时间，即阻抗变化位置的精确度。当传输路径中发生阻抗变化，部分能量会被反射，剩余的能量会继续传输。知道发射波的幅度及测量反射波的幅度，可计算阻抗的变化。同时测量由发射到反射波再到达发射点的时间差可计算阻抗变化的位置。
已知入射的阶跃脉冲的幅度，只要测量反射阶跃脉冲的幅度，就能得出反射系数P，仪器的输出阻抗Z0已知，便可计算出阻抗值Z。
Rh0（p）=Vreflected/Vincident=（Z-Z0）/（Z+Z0）
Z=Z0 （1+P）/（1-P）
3.2测试方法
首次使用线缆认证仪33-991 LANTEK II-350测试特性阻抗方法如下：
第一步，将做好标识的THSFF5eR1X1X24A导线平铺在工作台上，剥除导线两端绝缘层;
第二步，校准线缆认证仪，创建测试导线类型，并选择测试极点;
第三步，使用线接器连接被测导线与线缆认证仪，测试NVP值并保存;
第四步，测试THSFF5eR1X1X24A导线特性阻抗值。
3.3测试结果及分析
首次测量10组THSFF5eR1X1X24A导线特性阻抗值为93.5-97.7Ω，与《飞机用特种超5类电缆》XMS1816文件要求的100±5Ω有所出入。
在多次测量特性阻抗时仔细观察每一个操作步骤，发现造成问题发生的原因有两个：
一是线缆认证仪与THSFF5eR1X1X24A导线连接的线接器接触不好。THSFF5eR1X1X24A导线规格为24AWG，线芯为0.511mm，将导线卡入线接器卡槽中操作难度较大，借用手动固定导线;同时在将导线卡入线接器卡槽时容易损伤线芯，造成特性阻抗测量值有波动。
二是导线剥除尺寸有误差。特性阻抗值比较敏感，因此对导线的剥除尺寸有严格要求：从线对上剥去的护套长度不大于40mm，剥去的屏蔽长度不大于25mm，剥除的绝缘长度不大于8mm，线对松开扭绞的长度不大于13mm。但是，由于导线难以准确装入卡槽，在剥除导线外护套、屏蔽层、绝缘层时剥除尺寸超出了要求，使得特性阻抗测试值受到了影响。 4测试方法改进
4.1改进方案一
在测试过程中发现当导线测量状态不同（弯曲、顺直）时，特性阻抗的测量值有0.5-1Ω的波动。针对此现象，对一根导线进行了盘卷、顺直两种状态下的特性阻抗测量，两种状态下的测量值如下：
考虑到电缆成型后导线状态与测试时状态（顺直）不一致，为了保证测量状态与机上敷设状态特性阻抗值的一致性，选择对导线进行两次特性阻抗值测量，在导线下料后，对单根导线进行第一次预检测，在电缆装配成型后，模拟机上实际情况，对装配成型的插头进行第二次测量。
4.2改进方案二
针对线接器与导线接触不好的问题对特性阻抗的测试及标准跳线的制作进行了学习，制定了制作连接线缆认证仪与被测导线的转接电缆的改进措施。
第一次预检测，针对剥除绝缘层后裸露线芯的单根导线，制作带有鳄鱼夹的专用转接电缆，以替换线接器，避免卡槽损伤线芯，造成特性阻抗测量值有波动。
第二次检测，针对已装配成型的插头，制作带有相应接触偶的专用转接电缆，增强对接的牢靠性;同时最大程度的模拟了机上敷设状态。
制作专用的转接电缆能够确保被测导线与线缆认证仪间的无缝连接，减小接触电阻;同时专用转接电缆使用简单方便，可以保证被测导线的剥除尺寸在要求范围内，提高了特性阻抗测试的准确度。
4.3改进后的测试结果
制作好两件专用转接电缆后，在某架机的电缆装配中进行了试检测，第一次预检测特性阻抗值为98.5-102.1Ω，第二次检测阻抗值在96-99.5Ω，均符合《飞机用特种超5类电缆》XMS1816文件要求。
被测的10组超五类双绞线同一组特性阻抗差值为0.5-2.8，满足设计要求的同一组超五类双绞线的线间特性阻抗之差不超过3Ω，保证了每一组导线之间的特性阻抗是相匹配的，使信号平稳地向前传输。
5结束语
特性阻抗是否匹配是影响超五类双绞线信号传输品质及完整性的最重要的因素，它的测量值是否准确尤为关键。通过对特性阻抗测量值波动进行原因分析，確定了特性阻抗测试改进方法，实现了线缆认证仪与被测超五类双绞线的无缝连接，简化了特性阻抗测试操作，提高了机上电缆超五类双绞线之间的特性阻抗匹配，使信号传输质量得到了保证。
【关键词】超五类双绞线，特性阻抗，测试方法，匹配
1引言
某型飞机的飞行仪表系统采用超五类双绞线THSFF5eR1X1X24A进行航空电子器件LVDS信号传输，电缆装机后多次出现信号传输不稳定、飞行仪表显示器花屏的故障。
特性阻抗是影响信号品质及完整性的最重要的因素。如果信号传播过程中，相邻的信号传播间隔之间阻抗保持一致，那么信号就可以十分平稳地向前传播，因而情况变得十分简单。如果相邻的信号传播间隔之间存在差异，或者说阻抗发生了变化，信号中能量的一部分就会往回反射，信号传输的连续性也会被破坏，由此会带来诸如回拨损耗偏大、信号传输辐射增大、信号传输完整性不足等问题，造成信号传输质量差的故障。
为了提高电缆在飞机上的信号传输质量，设计要求在电缆加工前对每组超五类双绞线THSFF5eR1X2X24A的特性阻抗进行测量，要求同一组超五类双绞线的线间特性阻抗之差不超过3Ω。
根据设计图纸要求，首次使用线缆认证仪33-991 LANTEK II-350对XXX电缆中10组超五类双绞线THSFF5eR1X1X24A特性阻抗测量，特性阻抗测量值范围在93.5-97.7Ω，根据《飞机用特种超5类电缆》XMS1816文件，超五类双绞线的特性阻抗值应在100±5Ω范围内。
2 THSFF5eR1X1X24A导线
相比起其它种类的导线，超五类双绞线具有衰减小，串扰少，衰减与串扰的比值（ACR）和信噪比（Structural Return Loss）高、延时误差小、传输距离小、传输质量高、抗干扰能力强的优点，可在恶劣的环境提供可靠性服务，适用于航空电子器件LVDS信号传输。
超五类双绞线按其绞线对数可分为一对组、二对组、四对组，按是否有屏蔽层可分为屏蔽双绞线和非屏蔽双绞线。屏蔽双绞线可以完全消除线对之间的电磁串扰，屏蔽层可以屏蔽来自电缆外的电缆EMI干扰和无线电RFI干扰。
THSFF5eR1X1X24A导线属于飞机用特种超5类屏蔽双绞线（STP），由外护套层、屏蔽层、绝缘层、内导体、填充芯组成，如图1所示。
3特性阻抗测试
3.1测试原理
特性阻抗时指当导线无限长时该导线所具有的阻抗，是组织电流通过导体的一种电阻名称，它不是常规意义上的直流电阻。一根导线的特性阻抗是由电缆的电导率、电容以及组织组合后的综合特性。它由导体的集合尺寸、导体间的中心距离、传输线本身的结构、导线绝缘材料的介电常数等因素决定。均匀电缆线对的特性阻抗Zc定义为沿同一方向（正向或反向）的电压波与电流波之比。
线缆认证仪33-991 LANTEK II-350特性阻抗测试原理是由时域反射计（TDR）向印制板发射出一个信号电压（高频信号或高速脉冲信号的电压），测量出反射回来的电缆变化，然后通过处理计算出特性阻抗值。
TDR时域反射，由高速的阶跃脉冲发生器与高速的取样头组成。阶跃脉冲的上升时间决定了分辨阻抗不连续性的能力。高速采样头决定测量时间，即阻抗变化位置的精确度。当传输路径中发生阻抗变化，部分能量会被反射，剩余的能量会继续传输。知道发射波的幅度及测量反射波的幅度，可计算阻抗的变化。同时测量由发射到反射波再到达发射点的时间差可计算阻抗变化的位置。
已知入射的阶跃脉冲的幅度，只要测量反射阶跃脉冲的幅度，就能得出反射系数P，仪器的输出阻抗Z0已知，便可计算出阻抗值Z。
Rh0（p）=Vreflected/Vincident=（Z-Z0）/（Z+Z0）
Z=Z0 （1+P）/（1-P）
3.2测试方法
首次使用线缆认证仪33-991 LANTEK II-350测试特性阻抗方法如下：
第一步，将做好标识的THSFF5eR1X1X24A导线平铺在工作台上，剥除导线两端绝缘层;
第二步，校准线缆认证仪，创建测试导线类型，并选择测试极点;
第三步，使用线接器连接被测导线与线缆认证仪，测试NVP值并保存;
第四步，测试THSFF5eR1X1X24A导线特性阻抗值。
3.3测试结果及分析
首次测量10组THSFF5eR1X1X24A导线特性阻抗值为93.5-97.7Ω，与《飞机用特种超5类电缆》XMS1816文件要求的100±5Ω有所出入。
在多次测量特性阻抗时仔细观察每一个操作步骤，发现造成问题发生的原因有两个：
一是线缆认证仪与THSFF5eR1X1X24A导线连接的线接器接触不好。THSFF5eR1X1X24A导线规格为24AWG，线芯为0.511mm，将导线卡入线接器卡槽中操作难度较大，借用手动固定导线;同时在将导线卡入线接器卡槽时容易损伤线芯，造成特性阻抗测量值有波动。
二是导线剥除尺寸有误差。特性阻抗值比较敏感，因此对导线的剥除尺寸有严格要求：从线对上剥去的护套长度不大于40mm，剥去的屏蔽长度不大于25mm，剥除的绝缘长度不大于8mm，线对松开扭绞的长度不大于13mm。但是，由于导线难以准确装入卡槽，在剥除导线外护套、屏蔽层、绝缘层时剥除尺寸超出了要求，使得特性阻抗测试值受到了影响。 4测试方法改进
4.1改进方案一
在测试过程中发现当导线测量状态不同（弯曲、顺直）时，特性阻抗的测量值有0.5-1Ω的波动。针对此现象，对一根导线进行了盘卷、顺直两种状态下的特性阻抗测量，两种状态下的测量值如下：
考虑到电缆成型后导线状态与测试时状态（顺直）不一致，为了保证测量状态与机上敷设状态特性阻抗值的一致性，选择对导线进行两次特性阻抗值测量，在导线下料后，对单根导线进行第一次预检测，在电缆装配成型后，模拟机上实际情况，对装配成型的插头进行第二次测量。
4.2改进方案二
针对线接器与导线接触不好的问题对特性阻抗的测试及标准跳线的制作进行了学习，制定了制作连接线缆认证仪与被测导线的转接电缆的改进措施。
第一次预检测，针对剥除绝缘层后裸露线芯的单根导线，制作带有鳄鱼夹的专用转接电缆，以替换线接器，避免卡槽损伤线芯，造成特性阻抗测量值有波动。
第二次检测，针对已装配成型的插头，制作带有相应接触偶的专用转接电缆，增强对接的牢靠性;同时最大程度的模拟了机上敷设状态。
制作专用的转接电缆能够确保被测导线与线缆认证仪间的无缝连接，减小接触电阻;同时专用转接电缆使用简单方便，可以保证被测导线的剥除尺寸在要求范围内，提高了特性阻抗测试的准确度。
4.3改进后的测试结果
制作好两件专用转接电缆后，在某架机的电缆装配中进行了试检测，第一次预检测特性阻抗值为98.5-102.1Ω，第二次检测阻抗值在96-99.5Ω，均符合《飞机用特种超5类电缆》XMS1816文件要求。
被测的10组超五类双绞线同一组特性阻抗差值为0.5-2.8，满足设计要求的同一组超五类双绞线的线间特性阻抗之差不超过3Ω，保证了每一组导线之间的特性阻抗是相匹配的，使信号平稳地向前传输。
5结束语
特性阻抗是否匹配是影响超五类双绞线信号传输品质及完整性的最重要的因素，它的测量值是否准确尤为关键。通过对特性阻抗测量值波动进行原因分析，確定了特性阻抗测试改进方法，实现了线缆认证仪与被测超五类双绞线的无缝连接，简化了特性阻抗测试操作，提高了机上电缆超五类双绞线之间的特性阻抗匹配，使信号传输质量得到了保证。