一、拉远光缆的概念、应用及特点
1、拉远光缆的概念和应用
随着无线接入的迅猛发展,中国乃至世界各地都在大力发展3G甚至4G,于是不得不建设大量的基站以便让无线信号能够覆盖各个角落,大量的基站必然需要大量的线缆进行信号连接。过去主要由同轴电缆进行连接,如最常用的是7/8规格和1/2规格基站同轴电缆,但这种同轴电缆因传输带宽容量小,体积大,价格贵,尤其是不能满足3G中智能天线,以及将来4G天线的需要。随着无线带宽的需求,电缆已逐渐不能满足要求,很快就会由光缆取代电缆。
近几年随着我国GSM、CDMA、WCDMA、TD-SCDMA等无线通信技术的大量使用,无线分布式基站产品应用越来越广泛,在城市、乡村、地铁等地方大量建站。因此为分布式基站的射频拉远单元(RRU)提供信号传输通道的光缆应运而生并得到了广泛应用,且在实际应用中显示出明显的优势,可节约大量成本,充分发挥光纤体积小,传输容量大的特点,给基站建设带来很大的灵活性。
拉远技术一般包括射频拉远、中频拉远、基带拉远等三种技术。射频拉远主要是将功放和低噪声放大器置于拉远模块(TPA)中;中频拉远是在射频拉远的基础上,将射频收发信机从室内基站主体中移至拉远模块中;而基带拉远是在中频拉远的基础上,将中频单元从室内基站主体中移至拉远模块(业界称RRU或RRS)中。
分布式基站,就是将基站的基带部分、中频部分以及射频功放分离成两部分,即把传统的宏基站设备按照功能划分为两个功能模块。其中把基站的基带、主控、传输、时钟等功能集成在一个称为基带单元模块上,该模块称为基带部分BBU(Base Band Unit)。BBU是一种易安装的基带单元设备,具有体积小、安装位置非常灵活的特点,不需要特别的机房,可以安装在过道、楼梯间、地下室等狭小的空间。把收发信机、功放等中射频集成在另外一个称为远端射频模块上,这一部分称为射频部分RRU(Remote Radio Unit)。RRU是一种室内、外一体化设备,具有容量大、易安装、环境适应性强的特点。射频单元与基带单元之间通过光缆或电缆连接,形成全新的分布式基站解决方案。
安装在天线端的射频单元称为无线射频拉远单元(RRU),射频拉远是通过光电耦合部件将射频信号用光纤进行远距离传输,远端部分包括光电耦合部件、功放设备、智能天线。在BBU与RRU之间的线缆称为无线射频拉远单元(RRU)用线缆,其中为RRU提供信号传输的光缆称为无线射频拉远单元(RRU)用光缆,为RRU提供电源的电缆称为无线射频拉远单元(RRU)用电源线。无线射频拉远单元(RRU)用光缆使用已非常广泛,市场上俗称拉远光缆。因为这些光缆要进入天线旁边的机房内(基带单元BBU),且很多光缆也敷设在建筑物或发射塔顶端,所以拉远光缆也属于室内光缆的范畴,对室内光缆的许多性能要求也同样要对拉远光缆进行这些要求。
射频拉远和中频拉远由于在拉远连接线上传输的分别是射频和中频信号,故只能使用电缆来实现拉远,拉远距离分别为100米和300米左右,所以只能实现本地拉远(即其机房和天面位于同一个站点)。而基带拉远由于在拉远连接线上传输的是数字信号,故可以使用光纤光缆进行拉远,传输距离一般可达5km以上,故除了可以实现本地拉远外,也能实现远端拉远(即指机房和天面不在同一个站点)。
拉远光缆目前主要应用在位于同一个站点的本地拉远,当需要远端拉远时,由于出现跨楼远距离敷设光缆,所以跨楼和管道敷设的光缆可以采用室外光缆进行连接,两端再连接上带连接器头的拉远光缆分别进入RRU和BBU。也可采取用拉远光缆直接敷设实现远端拉远。
拉远光缆通常具有耐室内和室外环境的性能、较宽的使用温度范围、较好的机械性能和环境性能、抗燃烧性能等,可满足室内室外环境的使用。具有抗日光辐射、重量轻、非金属结构、柔软易弯曲等特点,能够垂直敷设。
随着3G业务的推广,我国乃至世界各国分布式基站都在大量修建,拉远光缆被大量使用,这几年拉远光缆的用量一直都在呈上升趋势。将来拉远光缆还会被继续使用,也会发生结构、材料上的一些变化。但拉远光缆的质量呈下降趋势,市场上也出现了很多质量问题,为了拉远光缆的发展,有必要对拉远光缆的概念、结构、、材料、性能要求以及生产工艺等情况做一些分析和介绍。
2、拉远光缆的特点
由于拉远光缆受到基站环境、敷设条件和用户选择的限制,自然具有了其自身的一些特点。
(1)防火阻燃
光缆要进入基站内的机房,必须考虑防火阻燃的要求。
(2)光缆的柔软性
光缆需引入机房内,布线和使用时拐弯的机会较多,所以光缆要有良好的柔弯特性,也就是要求光缆要有较强的抗弯曲能力和柔软性。
(3)光缆的长期可靠性
由于光缆敷设的特殊情况,长期处于垂直悬挂状态,对其抗拉伸和压扁能力要求尤其高,同时又要求光缆应长期可靠,这就要求光缆应严格满足标准规定的所有机械性能和环境性能要求,所使用的光纤也应具有足够的机械强度、抗疲劳能力和使用寿命。
(4)环保
光缆应具有环保特性,即不污染环境,满足相关环保标准要求。
(5)环境性能要求
由于光缆大部分应用于室外,必须对光缆的抗紫外线、防日光辐射、防老化、低温及高温等特性提出高的要求。
(6)防雷电
由于光缆用于野外环境,且光缆有相当部分在室外布线或牵引到发射塔顶端,所以光缆必须有防雷击及导雷电等要求。光缆既不能自身被雷电击毁,又不能将雷电引入基站内部引起设备的毁坏。
(7)光缆耐温度特性的要求
有些基站长期立于野外,特别是北方地区冬季,温度特别低,这就要求光缆能耐特低温度,同时也要有优良的耐高温特性以适应夏季白天的长期日光照射。这些要求光缆有较宽的适应温度范围。
(8)特殊场合的要求
在机场、地铁、特殊工厂、化工等特殊场合建立的基站,其中使用的拉远光缆必须采用低烟无卤及特殊的性能要求等。
(9)室内光缆的其它要求
如光纤种类要求、光纤附加损耗、防鼠咬、防蚁、光缆铠装、外观、光缆生产中的要求及护套材料要求等。
二、光缆的结构
目前,市场上常用的拉远光缆的结构示意图如图1~图8所示。其中,图1所示结构的光缆在市场上已被大量使用。
光缆由缆芯和护套两部分构成,缆芯从结构上分为三类:
(1)由多个子缆以及可能有的非金属中心加强构件等组成,子缆由子缆护套、一根紧套光纤,以及可能有的加强构件组成,典型结构见图1,图2;
(2)由紧套光纤、加强构件,以及可能有的填充构件、扎纱、包带等组成,典型结构见图3~图6;
(3)由多个子单元以及可能有的非金属中心加强构件等组成,子单元由子单元护套、子缆或紧套光纤,以及可能有的加强构件组成,典型结构见图7~图8。
图1 双芯Ⅰ光缆
图2 双芯Ⅱ光缆
图3 双芯Ⅲ光缆
图4 双芯Ⅳ光缆
图5 双芯中心管式光缆
图6 层绞式多芯光缆
图7 单元式多芯Ⅰ光缆
图8 单元式多芯Ⅱ光缆
在所有拉远光缆结构中,光缆的护层分成几种,光缆最外层称为护套,光缆内的子缆外层称为子缆护套,如果是单元式光缆,一个子单元的外层称为子单元护套。任意横截面的护套最小厚度应不小于1.0mm,这点非常重要,可以保证光缆的耐环境应力开裂,抗冲击和压扁等机械性能、抗老化、日光辐射、阻燃和温度循环等环境性能,一定的强度和长期使用寿命等,切不可为降低成本而减小护套厚度。子单元护套最小厚度应不小于0.6mm,子缆护套最小厚度应不小于0.3mm。护套、子缆护套和子单元护套的表面应光滑,其断面上应无目视可见的鼓包、裂纹、气泡和砂眼等缺陷。
填充构件可以是仅起填充作用的构件,如圆形实心或空心塑料绳,见图3所示。也可以是同时具有填充和加强作用的构件,如在加强构件上挤包一层垫层,平时大家习惯称其为填充缆,见图1和图2所示。
三、光缆常用的材料
拉远光缆也跟其它光缆一样,常用的材料有光纤、加强构件和护套材料等。
1、光纤
光缆中通常会用到单模和多模光纤,单模光纤通常使用B1.1类、B1.3类、B4类和B6类,按其性能要求的差异可分成几个子类,其中,B1.1类和B1.3类各分为两个子类,记为B1.1a、B1.1b、B1.3c和B1.3d;B4类分为五个子类,记为B4a、B4b、B4c、B4d和B4e;B6类保留一个子类,记为B6a。多模光纤分成A1a和A1b类。
单模光纤的衰减系数在规定的使用波长上应符合表1规定。
表1 单模光纤的衰减系数
光纤类别B1.1和B1.3B4B6使用波长(nm)13101550162515501625131015501625衰减系数(最大值)(dB/km)Ⅰ级0.360.230.260.220.270.380.240.28Ⅱ级0.400.260.300.250.300.500.300.40注:产品只在用户要求使用的波长上进行检验。 A1a和A1b类多模光纤的传输特性应符合表2的规定。表3是为方便使用给出的光纤型号与带宽特性代码对照。
表2 多模光纤的传输特性
光纤类型A1a.1A1a.2A1b使用波长(nm)850130085013008501300衰减系数级别(最大值)(dB/km)2.4
3.0
3.50.7
1.0
1.52.50.82.8
3.50.7
1.0
1.5模式带宽级别(最小值)
(MHz·km)200
500
800200
500
800
1000
12001 500
2 000 (有效模带宽)500100
200
500
800200
500
800
1000注:未注明的带宽值为满注入带宽值。表3 多模光纤的带宽特性代码表
性能代码光纤型号标称芯径(mm)满注入带宽
850nm
(MHz·km)满注入带宽
1300nm
(MHz·km)有效模带宽
850nm
(MHz·km)OM1A1a.150.0≥200≥500不适用A1b62.5OM2A1a.150.0≥500≥500不适用A1b62.5OM3A1a.250.0≥1500≥500≥2000OM4A1a.350.0≥3500≥500≥4700注:性能代码来自于 ISO/IEC 11801《信息技术——用户房屋综合布线》。 2、加强构件
考虑到防雷击和光缆自重,光缆加强构件通常都采用非金属材料,如芳纶纱、玻璃纤维增强塑料杆(GFRP)或其它合适的纤维(复合)材料。玻璃纤维增强塑料杆一般都放置在中心位置起加强作用,见图2或图6等所示。其它加强构件根据缆结构需要要么放在子缆护套或子单元护套内,要么放在护套内。填充缆内也需要放置非金属加强构件。
3、护层材料
选择护套材料,要考虑到光缆的机械性能和环境性能要求,比如环保要求、耐冲击和磨损,耐高温和耐低温特性,抗日光辐射等。
紧套光纤的紧套层材料可以选择聚酰胺(PA)、热塑性聚酯弹性体、低烟无卤阻燃聚烯烃(LSZH)、紫外固化树脂等。
光缆护套、子缆护套和子单元护套可以选择低烟无卤阻燃聚烯烃(LSZH)、或含卤阻燃聚烯烃(阻燃聚乙烯)(ZRPO)、或热塑性聚氨酯弹性体(TPU)等。也可研制或采用满足性能要求的其它合适的材料。目前,由于价格和性能的要求,大多数拉远光缆护套采用低烟无卤阻燃聚烯烃护套料。
四、光缆的性能要求
已经发布实施的《无线射频拉远单元(RRU)用线缆 第一部分:光缆》YD/T 2289.1-2011行业标准[1]对拉远光缆的性能及指标进行了详细规定。
这里对标准中关于拉远光缆常用的一些性能及指标进行介绍。
1、护层性能
护套的机械物理性能应符合表4的规定。
表4 护套的机械物理性能
序号项目单位指标LSZHZRPOTPU1抗张强度 热老化处理前(最小值)MPa8.010.024.0热老化前后变化率│TS│(最大值)%202020热老化处理温度℃100±2热老化处理时间h24×102断裂伸率 热老化处理前(最小值)%120125420热老化处理后(最小值)%100100400热老化前后变化率│EB│(最大值)%202020热老化处理温度℃100±2热老化处理时间h24×103热收缩率(最大值)%5热处理温度℃85±2115±2100±2热处理时间h4224耐环境应力开裂(50 ℃,96 h)个失效数/试样数:0/10
注:LSZH、ZRPO和TPU分别为低烟无卤阻燃聚烯烃、阻燃聚乙烯和热塑性聚氨酯弹性体的简称。 由表4可以看出,抗拉强度和断裂伸率的指标规定比其它一些标准低,这种规定比较符合实际原材料情况。主要是目前我国实际市场上销售的阻燃护套材料达不到很高的要求,很多可能是价格原因导致。但这应该引起行业和有关企业的关注,使光缆护套材料性能能有所提升。
特殊使用环境的拉远光缆,其低烟无卤阻燃聚烯烃护套的机械物理性能还应符合表5的规定。这个要求来自用户定制,要求也比较高。
表5 特殊光缆护套的机械物理性能
项目要求试验方法外护套材料低烟无卤阻燃聚烯烃/热老化处理前抗拉强度;MPa≥10.0IEC 811-1-1处理前断裂伸长率;%≥125IEC 811-1-1热老化条件,113℃±2×168hrs/IEC 811-1-2热老化前后抗拉强度变化率;%≤±20
热老化前后断裂伸长率变化率;%≤±20
人工老化条件/UL1581-1200老化时间:300hrs
老化前后抗拉强度变化率;%
老化前后断裂伸长率变化率;%
≤±15
≤±15/老化时间:720hrs
老化前后抗拉强度变化率;%
老化前后断裂伸长率变化率;%
≤±20
≤±20/低温伸长率试验
试验条件:-35℃±2,%≥20IEC 811-1-4低温弯曲试验
试验条件:-40℃×5hrs不开裂IEC 811-1-4高温冲击试验
试验条件:130℃×1hour不开裂IEC 811-3-1低温冲击试验
试验条件:-40℃×1hour不开裂IEC 811-1-4 2、机械性能
光缆的机械性能应包括拉伸、压扁、冲击、反复弯曲、扭转、曲挠和卷绕等项目。
光缆允许的最小弯曲半径用扁形缆横截面最小外接矩形的短边长H和圆形缆外径D的倍数表示。对于B1.1类,B1.3类,B4类单模光纤,A1a和A1b类多模光纤,在动态弯曲情况下扁形缆为20H,圆形缆为20D,但不小于60mm;在静态弯曲情况下扁形缆为10H,圆形缆为10D,但不小于30mm。对于B6类光纤,在动态弯曲情况下扁形缆为10H,圆形缆为10D,但不小于30mm;在静态弯曲情况下扁形缆为5H,圆形缆为5D,但不小于15mm。
光缆允许承受的拉伸力和压扁力应符合表6的规定。
表6 光缆的允许拉伸力和压扁力
受力类型光缆结构拉伸力(N)压扁力(N/100mm)短暂受力普通型光缆4001000,2200单元式光缆10002200长期受力普通型光缆200500,1100单元式光缆5001100注1:按光缆护套判别,普通型光缆中2200N短暂压扁力,1100N长期压扁力不适用于热塑性聚氨酯弹性体护套的光缆。
注2:按光缆结构判别,普通型光缆中2200N短暂压扁力,1100N长期压扁力仅适用于由子缆组成的光缆,或紧套光纤外加一层中心管结构的光缆,参见附录A中的图A.5、图A.6和图A.3。 具体的验收要求如下:
(1)拉伸
在表6规定的长期拉力下持续1min和短暂拉力下持续5min。在长期允许拉力下,单模光纤应无明显的附加衰减,应变不大于0.2%,多模光纤附加衰减不大于0.1dB,应变不大于0.2%;在短暂拉力下光纤应变应不大于0.4%,拉力去除后,光纤应无明显的残余附加衰减和应变;护套应无目视可见的损伤和开裂。
在拉伸试验的验收要求中,应特别注意到短暂拉力下光纤应变应不大于0.4%,现在有些用户在实际订货时,要求光纤应变不大于0.3%,甚至不大于0.2%。其实没有必要,0.4%的应变既不会造成光纤的损伤,也不会对两端插头有影响。
(2)压扁
在长期允许压扁力下光纤应无明显附加衰减;在短暂压扁力下单模光纤附加衰减应不大于0.4dB,多模光纤附加衰减应不大于0.6dB,在此压力去除后光纤应无明显残余附加衰减;护套应无目视可见的损伤和开裂。
(3)冲击、反复弯曲、扭转、曲挠和卷绕
这五项试验的验收要求均是:试验后单模光纤的残余附加衰减应不大于0.4dB,多模光纤的残余附加衰减不大于0.6dB;护套应无目视可见的损伤和开裂。
3、环境性能
光缆的环境性能应包括衰减温度特性、护套完整性、燃烧性能、日光辐射性能、高温卷绕性能、低温下卷绕性能和低温下冲击性能等项目。
(1)适用温度范围及其衰减温度特性
光缆的适用温度范围有四种级别,其代号为A、B、C和D,如表7所示。
表7 光缆的温度特性
分级代号适用温度范围(℃)适用场合注:允许光纤附加衰减(dB/km)低限TA高限TBB1.1和B1.3B4B6A1a和A1bA-40+80严酷气候下的室外≤0.80≤1.00≤0.80≤1.00B-40+70一般气候下的室外≤0.60≤0.60≤0.60≤1.00C-30+60室内或气候条件较好的室外≤0.50≤0.50≤0.50≤0.80D-20+60室内或气候条件较好的室外≤0.50≤0.50≤0.50≤0.80注1:光缆温度附加衰减为适用温度下相对于20℃下的光纤衰减差。
注2:分级代号的A级不适用于低烟无卤阻燃聚烯烃护套的光缆。 (2) 光缆的燃烧性能
光缆的燃烧性能应符合:
a、阻燃性:应通过GB/T 18380.12—2008规定的单根垂直燃烧试验,当用户需要时,应能通过GB/T 18380.35—2008规定的C类成束燃烧试验;
低烟无卤阻燃聚烯烃护套和热塑性聚氨酯弹性体护套的光缆还应符合:
b、烟密度:透光率不小于60%;
c、腐蚀性:燃烧产生气体的PH值应不小于4.3,电导率应不大于10mS/mm。
(3)日光辐射性能
当用户需要时,经过300小时氙弧灯辐射曝露,辐射强度为0.35W/m2(340nm波长下进行监测),抗张强度和断裂伸率与初始试验值之比应不小于0.85。试验细节规定如下:
a、按照GB/T 2951.11—2008中9.2规定的方法制备试样,试样数量为10个,其中5个按照GB/T 2951.11—2008中9.2规定的方法进行抗张强度和断裂伸率试验,取这5个试样的平均值作为抗张强度和断裂伸率的初始试验值。
b、将另外5个试样置于氙灯辐射箱内。每2 h为一个循环,其中102min辐射,18min辐射加喷水,在喷水停止时,试样上平衡黑板的温度为63.0℃±3.0℃,辐射强度为0.35W/m2(340 nm波长下进行监测),辐射时间为300h。对扁形缆进行处理时,光缆的宽面应对着电弧。
c、从试验箱内取出试样,将试样放置在静止空气的室内环境中恢复16h,然后按照GB/T 2951.11—2008中9.2规定的方法进行抗张强度和断裂伸率试验,取5个试样的平均值为抗张强度和断裂伸率的试验值。
d、将经过辐射后的试样的抗张强度和断裂伸率试验值除以未经过辐射的试样的抗张强度和断裂伸率试验值,结果不小于0.85时,该项试验合格。
(4) 高温卷绕性能
光缆应能通过温度70℃±2℃,保温时间5h处理后的高温卷绕性能试验。试样应在温度70℃±2℃下保温不少于5h后取出,立即按GB/T 7424.2—2008中方法E11A进行高温卷绕试验,卷绕后光纤应不断裂,护套应无目视可见的损伤和开裂。
(5)低温下卷绕性能
光缆应能通过温度-20℃±2℃,保温时间8h处理后的低温卷绕性能试验。试样应在温度-20℃±2℃下冷冻不少于8h后取出,立即按GB/T 7424.2—2008中方法E11A进行低温卷绕试验,卷绕后光纤应不断裂,护套应无目视可见的损伤和开裂。
(6) 低温下冲击性能
光缆应能通过温度-20℃±2℃,保温时间8h处理后的低温冲击性能试验。试样应在温度-20℃±2℃下冷冻不少于8h后取出,立即按GB/T 7424.2—2008中方法E4进行低温下冲击试验,冲击后光纤应不断裂,护套应无目视可见的损伤和开裂。
4、环保性能
当用户需要时,光缆组成材料应根据SJ/T 11363—2006中的规定进行分类。光缆用均一材料(EIP-A类)中禁用的有毒有害物质限量应符合表8的规定,其它分类材料中禁用物质的限量应符合SJ/T 11363—2006中的相关规定。
表8 光缆禁用物质的含量限值
种类物质含量限值(ppm)重金属铅及其化合物≤800镉及其化合物≤70汞及其化合物≤100六价铬的化合物≤800有机溴化物多溴联苯(PBB)两类物质含量之和≤800多溴联苯醚(PBDE)注:ppm为百万分之一。此表中极限含量均指通过材料所允许含物质的最大重量与其本身重量之比换算为ppm值来表示。
五、光缆的结构设计和生产工艺
1、光缆的结构设计
在进行光缆结构设计时,首先要考虑光缆结构设计的合理性,光缆是否包含光纤、加强件和护套等基本要素,整体设计时是否有利于保护缆中的光纤。第二,光缆的适用场合,光缆是否满足敷设环境的要求,是否利于布线、接续和使用。使用环境是否有特殊的性能要求,重点要考虑到温度特性、软硬度、尺寸、机械性能及环境性能等,不同的使用环境需要不同的光缆。第三,光缆具有可加工性,光缆设计时必须考虑到易于加工,所有生产设备必须满足加工要求,设备的配置、精密度、生产方式、运行稳定性及维护状况等方面都应该符合设计和生产要求。第四,缆中所有材料必须达到设计要求,各种材料的性能必须满足光缆所要求的机械性能和环境性能,护套材料的机械物理特性要满足标准和用户的要求。选定材料前必须进行生产试验和加工工艺的摸索,同样的材料,不同厂家和不同批次都有可能存在差异。第五,制定全套生产工艺文件,工艺文件必须经过多次试制,并逐步达到成熟和稳定,包括模具设计、工艺参数及试验检测,其中生产速度、放线张力、冷却温度及收线等比较重要。第六,光缆的成本需要考虑。
对于拉远光缆,主要应用于基站或建筑物顶端,光缆大部分暴露于室外,少部分进入机房。绝大部分拉远光缆在敷设前,先由跳线生产厂将其截成需要的段长,通常是50~200米左右,极少的情况可能达到500米。然后在截取的光缆段两端制作需要的种类和型号的插头,将其制成跳线。到施工现场后,将数根跳线与其它缆一起进行敷设、固定和使用。光缆既有垂直敷设,也有水平敷设,而且包含捆扎、穿线、穿管等情况。
根据拉远光缆的敷设和使用情况,对光缆的设计和性能需要提出一些要求:第一,光缆需要制作成跳线,必须满足跳线缆的所有要求,比如光纤几何尺寸要满足插头插芯的需要;子缆护套的热收缩率应不大于5%;子缆的外径尺寸符合插头尾套的要求;加强件(芳纶纱)要满足插头卡住、固定和抗拉的要求;光缆在敷设、盘绕、捆扎、卷绕等情况下,缆中的所有原件沿光缆长度方向上不会有较大的相对滑移,特别是光纤,以免引起插头的变化,比如微弯、应力,甚至断纤等。第二,光缆应具有抗日光敷设、抗日光老化的能力。第三,大部分光缆常年在室外使用,且是垂直敷设,必须要有较好的机械性能和较宽的使用温度范围,光缆中的加强件材料必须足够,护套的厚度应能满足使用和长期可靠性的要求。第四,光缆应用在建筑物的顶端,必须能够防水、防雷击等,所以光缆应该是非金属加强,紧套光纤结构。第五,光缆要进入机房,必须要求其阻燃、安全、环保、耐用和防鼠咬等。第六,光缆中光纤的芯数不大,目前通常为2芯。如果光缆采取分支型结构,2芯分支的缆芯是扁形的,光缆外形不容易加工成圆形,护套容易扁,且抗压扁能力差,为了加工圆形护套,缆芯必须成为圆形或多边形,这就要求光缆中必须有填充缆,填充缆与子缆绞合在一起形成缆芯。
根据市场需求和发展前景及光缆的先进性等方面要求,结合并考虑到以上这些因素,拉远光缆通常设计为单元绞合式,以单芯光缆为基本单元,即分支型结构。采用子缆绞合和加强件绞合的双螺旋绞合方式为宜,且双螺旋在节距上的设置值各自不同。双螺旋绞合方式使得缆芯更加稳定,光纤不会产生更多的余长,减小了附加损耗的可能性。这样的光缆结构紧凑、柔软、易于分支和机械强度提高等,而且尺寸小,重量轻,保护光纤的能力大大提高,完全符合和满足基站拉远用光缆敷设要求和布线要求,特别是长期使用的要求。
目前最常用的拉远光缆如图1所示。我们对该结构进行简单结构剖析,缆中子缆采用Ф2.0单芯光缆,单芯光缆中的光纤是紧套被覆,缆中放置至少4束1110芳纶纱;填充缆也采用Ф2.0不带光纤的缆,其中放置至少4束1670芳纶纱;缆芯由2根单芯光缆和2根填充缆绞合而成,缆芯外可以放置芳纶纱。
按标准要求,1束1110和1670芳纶纱的理论上的抗拉力分别为:
F1110=108×103×0.4%×1110×10-4/1.45=33.1N
F1670=108×103×0.4%×1670×10-4/1.45=49.8N
根据光缆中芳纶纱的数量,经过计算,抗拉力为650N,足以满足标准的要求。但由于此处的计算是理论值,芳纶纱提供的指标是按加捻测算的,而光缆中芳纶纱的抗拉力要有折扣,目前放置的芳纶纱数量经过实际拉伸试验正好可以满足标准中光缆机械性能的要求。
缆芯直径d=2×2sin45o+2=4.83mm
外护套采用低烟无卤阻燃聚烯烃(LSZH)或热塑性聚氨酯弹性体(TPU)等护套材料,且厚度不小于1.0mm,光缆外径为7.0mm。满足不同环境敷设及使用的要求。
2、生产工艺
(1)生产设备
毫无疑问,生产设备在室内光缆的生产中起着举足轻重的作用,生产设备的性能直接影响到室内光缆的性能、工艺和生产效率等。
如果生产企业要生产拉远光缆,必须要有光纤紧套被覆生产线、单芯光缆生产线和带双绞笼的护套生产线,如果没有带双绞笼的护套生产线,就必须要有成缆机。
室内光缆的生产设备一般应注意下列问题:光纤和芳纶纱的放线张力控制精度和稳定性;塑料挤出机;水槽冷却方式,是采用冷水槽还是热冷水槽;收线张力控制器的张力控制范围;收排线装置的稳定性,排线是否整齐等。
a、光纤和芳纶纱放线装置
在选择光纤和芳纶纱放线装置时主要应注意以下几点:
· 光纤和芳纶纱放线张力调节范围要大,调节要方便,最好可在线调节;
· 张力控制应稳定;
· 各芳纶纱束放线张力之间应有较好的一致性;
· 光纤放线装置应兼顾紧套光纤和单芯光缆的放线。
b、塑料挤出机
对塑料挤出机一般有以下要求:
· 由于一般室内光缆缆径较细、护套较薄,所以应对挤出机的最低出胶量有一定的要求,以保证护套质量和稳定;
· 螺杆应适于挤制低烟无卤阻燃聚烯烃材料;
· 加热区温度控制准确,特别是机头温度。
c、冷却水槽和牵引设备
冷却水槽一定要长,要能足够保证室内光缆的冷却定型,特别是外护套的生产。牵引装置应采用轮式牵引为宜,这样可减小缆的变形。
2根单芯光缆中的紧套光纤颜色不同,填充缆的护套颜色通常为黑色,2根单芯光缆的子缆护套颜色按标准或用户定制生产。
光缆在生产前,塑料一定要烘干,必须有塑料烘干设备,烘干温度和烘干时间要控制好。
(2)护套材料
能够满足行业标准要求,又能满足拉远光缆设计要求的护套材料有低烟无卤阻燃聚烯烃、阻燃聚乙烯和低烟低卤聚氨酯弹性体等。
实际应用中,由于阻燃聚乙烯含较高的卤元素,价格比低烟无卤阻燃聚烯烃偏贵,使用的企业比较少。而低烟低卤聚氨酯弹性体是比较好的材料,但弹性较大,不易加工,且价格极贵,不易大量推广。市场上大多数拉远光缆的护套均采用低烟无卤阻燃聚烯烃(LSZH)材料,但该材料耐高温性能差,夏季长时间在日光中暴晒,容易粘连或开裂。
低烟无卤阻燃聚烯烃是以聚烯烃为基材,含有特种无卤阻燃剂、消烟剂,经特殊配方精密混炼加工而成。它的阻燃体系具有优良的阻燃性,电线可通过单根垂直燃烧试验。燃烧时无卤酸气体放出,毒性和腐蚀性气体释放量极少,产生的烟雾浓度极低。无卤阻燃聚烯烃护套料中加入了一定比例的Al(OH)3或Mg(OH)2,在高聚物的主链上引入了一些金属原子。因为主链中这些有机金属基团的存在,使高聚物的电导增加,电阻率下降,所以阻燃护套料的体积电阻系数下降了几个数量级。
低烟无卤阻燃聚烯烃在70℃以上即可出现融化和粘连,原因是该材料中含有EVA。乙烯—醋酸乙烯酯共聚物是由乙烯和醋酸乙烯共聚而成,代号是E/VAC,简称EVA。其柔软性、强韧性、耐环境应力开裂和透明性都优于聚乙烯。EVA是一类具有类似橡胶弹性的热塑性塑料,它的性能与醋酸乙烯(VA)的含量有很大关系。EVA与填料、色料的相容性能很好,通常用作聚氯乙烯和橡胶的改性剂。EVA的性能取决于VA含量及分子量(熔体指数MI)。当MI一定,VA含量增高时,它的弹性、柔软性、粘合性、透明性、溶解性提高,VA含量降低则近聚乙烯性能,即刚性变大、耐磨及电绝缘性上升。若VA含量一定,MI增加则软化点下降而加工性及光泽性改善,但强度低;反之MI减低,则分子量增大,能提高它的耐冲击性及应力开裂性。
EVA是线缆护套和绝缘材料中使用最广泛的功能聚烯烃。同样在低烟无卤材料里,它与无机金属氢氧化物的配合使用也最为常见。EVA在70℃左右开始熔化,到230℃醋酸开始从共聚物中裂解出来。
由于能够满足一定的要求,价格又相对便宜,低烟无卤阻燃聚烯烃在室内光缆中,特别是拉远光缆和蝶形引入光缆中得到了大量使用。
(3)工艺制定
光缆生产前需要制定完善的、合理的和可行的全套工艺技术文件,包括制定工艺卡、材料种类和指标要求、试制报告、模具图纸、设备清单等。
具体工作中,需要确定生产设备、模具设计、生产工艺参数设定、材料参数、牵引方式及稳定性、印字和收线等。生产工艺参数通常应包含放线张力、生产线在线张力、成缆工艺、挤出机参数设定、材料挤出、冷却时间和温度设定、生产速度等。
例如:图1所示的拉远光缆生产及生产工艺制定时,试制或批量生产时具体操作步骤简单叙述如下。
需要有光纤紧套被覆层生产线、单芯光缆生产线和带双绞笼的护套生产线。
光缆结构参数为:光缆标称外径Φ7.0-0.1,护套厚度1.0+0.05mm,单芯光缆和填充缆标称外径均为Φ1.9±0.05,子缆护套厚度0.30mm~0.35mm,紧套光纤标称外径为Φ0.9-0.03等。
光缆中所用到的材料,除光纤外,单芯光缆中的加强构件为4束1110芳纶纱,填充缆中的加强构件为4束1670芳纶纱,缆芯中心可以放置较细的玻璃增强塑料杆(GFRP)做支撑和加强,如果需要,缆芯外也可以放置几束芳纶纱。紧套层材料可以采用聚酰胺(PA)、热塑性聚酯弹性体、低烟无卤阻燃聚烯烃(LSZH)或紫外固化树脂等。护层材料可以选择低烟无卤阻燃聚烯烃(LSZH)、含卤阻燃聚烯烃(阻燃聚乙烯)(ZRPO)或热塑性聚氨酯弹性体(TPU)等,当然也可以选择满足标准要求的其它材料。材料选定后需要提供材料供应厂家的基本信息和材料的基本特性参数,很多塑料在生产前需要烘干,需要提供或设定烘干温度和烘干时间。为了防止生产出的拉远光缆存在附加损耗,护套收缩,或者高温开裂等质量问题,选择材料厂家和材料特性是特别需要注意的,因为有些材料收缩率太大,有些材料又容易引起开裂。
生产设备、光缆结构参数和所用的材料选定后,需要对光缆进行试生产,以便最终制定生产工艺和生产流程。下面提供三条生产线挤制低烟无卤阻燃聚烯烃护层的一组生产工艺参数,仅供参考,各个企业应根据自身的生产设备、模具和原材料情况摸索和制定适合的生产工艺参数。
紧套被覆层生产线需要考虑不同颜色的紧套被覆光纤。生产工艺参数:光纤预加热温度160℃±10℃、挤塑机各区温度设定135~165℃±5℃左右、热水槽水温60℃±5℃、螺杆种类、螺杆转速12转/分、模具参数(模芯0.5/0.8,模套1.8)、牵引速度100m/min、真空泵气压0.05Mpa、放纤张力45cN±10cN、收线张力120cN±10cN、空气隙距离60mm±10mm等。
单芯光缆生产线生产工艺参数:挤塑机各区温度设定115~150℃±5℃左右、热水槽水温45℃±5℃、螺杆种类、模具参数(模芯1.4/2.0,模套3.0)、牵引速度55m/min、紧套光纤放线张力150cN±10cN、芳纶纱放线张力130cN±15cN、光缆收线张力450cN±50cN
带双绞笼的护套生产线工艺参数:挤塑机各区温度设定145℃±5℃左右梯度、热水槽水温50℃±5℃、螺杆种类、螺杆转速50±5转/分、模具参数(模芯5.5/6.5,模套9.3)、牵引速度20m/min、放线张力400cN±50cN、填充缆放线张力300cN±50cN或400cN±50cN、光缆收线张力1500cN±50cN、绞合节距2000mm±100mm等。
六、结束语
在基带单元BBU与无线射频拉远单元RRU之间的线缆称为无线射频拉远单元用线缆,其中为RRU提供信号传输的光缆称为无线射频拉远单元(RRU)用光缆,俗称拉远光缆。拉远光缆的敷设环境和性能要求符合室内光缆的特点,所以拉远光缆属于室内光缆范畴。
已经发布实施的《无线射频拉远单元(RRU)用线缆 第一部分:光缆》YD/T 2289.1-2011行业标准对拉远光缆的性能及指标进行了详细规定,在标准中对拉远光缆的结构和材料等也做了说明或规定。
拉远光缆的发展和市场应用已经有很多年,生产设备、生产工艺、原材料和结构设计等已经趋于成熟,光缆已经被大量的应用于各基站上,整体运行状况良好。
拉远光缆未来的要求趋势是光缆的性能指标要长期稳定可靠、缆中光纤的芯数增加,光缆结构紧凑等。为了满足将来的发展需要,可以考虑紧套光纤干式中心管结构室内光缆,可能在基站或建筑物引入等光缆敷设环境中,这是比较有发展前途的一种光缆结构。