带状光缆的结构特点就是以光纤带作为光缆的基本光纤单元，以区分于普通光缆（一次涂覆光纤、紧套光纤）。光纤带像一次涂覆光纤一样，可以是一根或多根形成叠层进行二次被覆，也可以放置于骨架槽内，由此可派生出多种光缆结构型式。
千变万化的各种带状光缆的结构型式，归纳起来主要有四种：中心管式带状光缆、层绞式带状光缆、骨架式带状光缆和扁平式带状光缆。本文主要还是从最基本的设计原理入手，分析结构，探讨技术，与业界同仁共享。
一。中心管式带状光缆
中心管式带状光缆是由光纤带叠层放置于松套管内，松套管又设计在光缆的最中心位置，束管外纵包阻水带，采用钢塑复合带轧纹搭接纵包，与聚乙烯护套粘结组成综合护层，光缆有两根加强构件埋置于护层内，结构如图一所示：
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图1。中心管式带缆结构
中心管式带状光缆的结构有如下优点：1。不论光缆是弯曲还是扭转，光缆中心的应变是最小的，光纤带叠层处在最优的位置；2。径向较厚的综合护层对光纤带叠层充分保护，免受横向外力的伤害；3。平行设计的两根加强件为光缆提供很高的抗张力，抗张有效；4。两根平行的加强件使得光缆有优先弯曲方向，不易打结扭折；5。不必断开加强件，对光缆开窗，易实现中间下线分支连接。
中心管式带状光缆相对纤芯容量大，缆径小，重量轻，材料成本低，生产工序少等优点，深受生产厂商和客户的喜爱。中心管式带状光缆采用12×12光纤带叠体，实现144芯光缆容量和采用12根24芯光纤带单元，实现288芯的容量的两种光缆型号在国内十分常见，目前采用18根24芯光纤带单元，达到432芯容量的带缆产品已开发成功。
从中心管式带状光缆的结构特点不难看出，它不像层绞式光缆那样，松套管围绕中心加强件，以一定节距扭绞而存在零应变窗口，中心管式带状光缆的应变窗口完全是靠合理设计和控制光纤带的余长。光纤带存在余长，是由光纤带在中心束管内以一定的曲率半径弯曲分布而形成，保证高温或拉伸时，光纤带受到极小的拉伸应变，低温时即便余长增加，也不至于曲率半径太小，实现光纤的零应变窗口，保证光缆中光纤的安全和传输性能。因此，与层绞光缆相比，往往余长需大一些，但间隙C也需要大一些，相关技术后面讨论。
基本结构的确定，可通过变换加强件材质、缆中选择油膏还是其它阻水材料、护套采用阻燃PE还是尼龙等派生出适合各种应用环境的各式各样型号的光缆，这里不再说明。
二。层绞式带状光缆
在层绞式带状光缆中，加强件处于光缆的中心轴线位置。带状束管是关键的绞合单元，绞合单元的大小和数量根据光纤容量优化选择，以求最好性价比。绞合单元以一定节距围绕在中心加强件的周围，可以是螺旋绞合方式，也可以是S－Z绞合方式。缆芯外采用铝塑（或钢塑）复合带搭接纵包，与挤制的聚乙烯护层粘结形成综合护套。缆芯采用阻水材料，其结构如下图所示：
图2。层绞式带缆结构
层绞式带状光缆可以通过增加绞合单元内光纤带数和绞合单元数，提高光缆纤芯容量，实现大芯数光缆。目前，在成缆工艺上，大多采用S-Z绞合技术，光缆在受到拉伸应变时，各换向点部分弯曲的束管会趋直，起到应力松弛作用，进一步延缓光纤应变。同时采用S-Z绞合技术有利于在光缆中点分支连接。
由于束管的内径和带状叠层束之间设计有间隙C，结合松套管的绞合节距，使得光纤带叠层沿着光缆的径向方向可自由移动。当光缆拉伸或受高温膨胀，光纤带叠体会靠向中心加强件一侧。当光缆遭受低温时，光纤带叠层由于余长增加，而趋于较大半径分布，消除了光纤的应变，从而为光缆提供了光纤带无应变窗口，保证了缆中光纤的传输性能和使用寿命。工作窗口如下图所示：
图3。层绞式带状光缆的应变窗口
由此可知，光缆设计中，间隙C和成缆绞合节距是十分重要的两个参数。选择成缆节距要考虑光缆的最小曲率半径，带状光缆的外径一般可达18mm，光缆的曲率半径静态时要求达到光缆直径的10倍，这样光缆按照其最小曲率半径绕一周长度为2×18×10×3.14=1130mm。我们必须保证光缆在这样的长度上，带状束管在加强件的周围实现换位，以消除由于光缆的弯曲造成带状束管中的应变。所以节距务必不能大于1100mm。
层绞式带状光缆成缆节距的选择还受到光纤带二次被覆时，光纤带叠层扭绞节距的影响。光纤带的绞合节距绝对不能等于成缆节距，否则光纤带会产生较大的应变。在生产实践中，我们优选了两种方案：（1）光纤带的绞合节距取450mm，成缆节距取750mm；（2）光纤带的绞合节距取850mm，成缆节距取400mm。用这两种方案制作的光缆，都得到良好的效果，但由于光纤带的二次被覆速度很快，绞合节距太小时绞笼转速太快，生产风险太大，因此采用第二方案。
三．骨架式带状光缆
骨架式带状光缆是把多个光纤带叠层插入到骨架上螺旋的矩形槽内，这种光缆的特点有：结构紧凑，利于光缆小型化；光纤带在骨架槽中均匀的堆叠，叠层在光缆中的分布可控，光纤带叠层顺序不乱；坚实的骨架有较强的抗侧压能力，保护光纤带不受横向力的作用；在光缆弯曲时，处在光缆外侧和内侧部分发生拉伸和压缩时，光纤带轴向滑动，易于光缆中光纤带的应力消除；骨架槽的敞开结构，易于实现光纤带分支连接；骨架所用材料是低廉的聚乙烯，有利于降低成本；以骨架式缆芯作为绞合单元，易实现更大容量的光缆等等。
在生产过程中，是通过加到光纤带上的张力将其置于骨架的矩形沟槽内的，光纤带与槽底部及边缘的正压力都会引起光纤微弯，导致损耗变化，所以，光纤带的放入张力、槽体表面光洁度、槽形的规整度、骨架槽的节距及节距的稳定性等都是非常关键的因素。
骨架式带状光缆，在设计时，除了考虑上面的因素外，也需要提高光纤带本身的“免疫力”， 即选择涂覆层厚的包覆型（密封型）光纤带，其内层涂覆材料摸量低，外层材料的模量高，有较高横向的抗压力。
骨架式光缆相近于紧结构光缆，光纤无应变窗口小，光缆对光纤带的保护，主要通过选择高刚度、高抗张强度、低得线胀系数来实现。为了使骨架式带状光缆中的光纤带获得一定的余长，采取的工艺方法是利用虎克定律，在光纤带入槽过程中，通过光纤带的放线张力和骨架的放线张力而获得。笔者在实际当中，采用骨架槽底预填充油膏的方式，也取得了很好的效果。加大了光纤带的自由空间，减小光纤带的应变。骨架槽节距不小于700mm 。
图4。骨架式带缆结构
四。扁平式带状光缆
扁平光纤带软线主要有两种型式：
1。单采用纺纶加强，这种光纤带软线是在光纤带周围均匀放置一层芳纶纱，起加强和缓冲作用，外挤阻燃护套。这种结抅的软线抗张性强，柔软性好，结构尺寸小，重量轻，应用普遍。结构如图5所示。这种光缆中没有刚性材料，低温性能会差一些，多用于室内。
图5 。扁平光纤带软线
2．双钢丝（或FRP）加强光纤带软线
在如上结构中，采用温度系数较小的金属材料作加强件，改善了低温性能，这种类型的扁平光纤带光缆，有较好的抗侧压和抗拉性能，可用于温度较低的环境，也可敷设于地毯下等，有较好的市场前景。
对某些非金属使用场合，加强钢丝可用非金属加强件（FRP）替代。此结构的光缆采用黑色阻燃护套料，即有室外防紫外线功能，又有室内阻燃，无油膏填充物，可室内室外两用，也可敷设于地毯下。
图6。矩形结构
五。相关技术问题讨论
1． 带状光缆的综合抗张模量与额定张力。
带状光缆在敷设和运行中，都会受到一定的拉伸应力，引起光缆的应变，严重时应变导致光纤受损。为此，光缆设计的首要问题就是要求光缆对光纤进行有效的保护。光缆设计时，为保证光纤不受损害，一方面通过选用加强元件材质和尺寸；另一方面选择最佳的光缆结构，使各元件处于比较优化的位置；再就是要使光缆中的光纤单元拥有一定的余长。
光缆抗张能力的设计，就是提高加强件的抗张摸量和有效面积，以提高光缆的抗张摸量，减少光缆的延伸，有效保护光缆中的光纤。光缆的加强件通常采用磷化钢丝、纤维增强塑料（FRP），或者防腐钢绞线，其杨氏模量比其它元件大的多，加强件直径的预选可仅考虑主要加强件。光缆的强度设计，并非依据光缆破坏时的强度值，而是光缆的额定张力下，确保光纤元件不受损害，且损耗变化达到标准要求时，光缆所具备的能力。一般要求传输损耗增加不超过0.05dB/km,光纤应变不大于0.3%。用户的特殊要求除外。预选公式如下：
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d—加强件的直径（mm）
F—光缆额定拉伸力（N）
E—加强件的杨氏模量（N/mm
）
当光缆结构确定后，光缆的综合抗张模量，取决于光缆中的各种元件的材料、形状和有效面积，精确值
几种光缆材料的线胀系数和杨氏模量
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序 号
|
名 称
|
比 重
g/cm
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线胀系数
1/℃
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杨氏模量
MPa
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1
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PBT
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1．3
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13．1×10
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2500
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|
2
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FRP
|
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6.5×10
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50000
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|
3
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高碳钢丝
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7.8
|
1.3×10
|
190000
|
|
4
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芳纶
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1.46
|
-2.13×10
|
176000
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|
5
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HDPE
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0.94
|
1.2×10
|
700
|
|
6
|
光纤
|
|
5.5×10
|
72500
|
2．带状光缆的综合膨胀系数与应用环境。
带状光缆和带状光纤的综合膨胀系数差异很大，所以当光缆遭受温度变化时，光缆中光纤带的余长是变化的。设计时，就是要控制光纤带的初始余长，加上在使用温度范围内产生的最大余长，使光纤带在束管中分布的曲率半径大于允许的最小曲率半径，确保光纤的附加损耗满足要求。
带状光缆的综合膨胀系数取决于光缆中各元件的模量、面积和膨胀系数，并由下式表：
式中： 
光缆设计时，其适用的环境温度范围是十分关注的因素。
3．光纤带叠体的绞合节距
对于带状束管，为了避免因束管弯曲和扭绞引起光纤带的应变，也为了光纤带叠层本身有向心力，减小光纤带叠体的等效直径，且结构稳定，需要对光纤带进行扭绞，螺旋绞合是最为理想的绞合方式。
绞合节距的选择也十分考究。首先，节距不能太大，否则，叠体的向心力不够，容易引起带子叠体的等效直径增加，使得光纤带叠体在束管中的自由空间减少。另一方面，会造成因套管成缆或者以较小半径弯曲时，光纤带无法完成换位，引起光纤带的应变。定量上，我们要满足光缆静态时的最小曲率半径，最小曲率半径为光缆直径的10倍。一般光缆直径为16mm，按最小曲率半径盘放一周长度为16×2×10×3.14=1004.8mm，我们要保证光缆按照这样的半径盘放时，能完成光纤带的换位，不引起应变。为可靠起见，绞合节距不大于900mm。
其次，光纤带的绞合节距也不宜太小，因为光纤带有较大宽度，例如12纤带宽度达3.2mm，24纤带宽度达6.4mm。光纤带叠层扭绞时，每绞合一周，光纤带不仅沿着叠体的中心轴线旋转一周，而且光纤带本身也扭转一周，在光纤带中，越是靠近光纤带的边缘，光纤拉伸应变越大，越是靠光纤带中心，压缩应变越大，这些应变都会引起传输损耗的变化。根据经验，在设计时，我们要求光纤带中光纤由于扭转而引起弯曲，其曲率半径不小于500mm。我们利用螺旋线曲率半径公式：
R—扭绞后光纤带中光纤的曲率半径
r—带中被研究光纤中心到光纤带中心的距离
—光纤叠体的扭绞节距
对于12纤带，r取1.5mm，R取500mm，
= =171.7mm。故12纤带的绞合节距不得小于200mm。
值得注意的是光纤带束管用于层绞式光缆时，节距的选择并不独立，还要考虑成缆节距，光纤带的扭绞节距和成缆节距本身以及两者的相配匹都是影响光纤带光缆传输性能的重要因素。
4．二次被覆余长设计
对于中心束管式带状光缆和松套层绞式带状光缆，在二次被覆工艺中，光纤带的余长是是一个非常重要的控制参数，光纤带余长定义为：ε=（L -L ）/L
式中：L —光纤带长度
L —束管长度
光纤带的余长的如何确定，主要考虑如下：
带状光缆的结构特征。光纤带的松套管根据用于光缆的结构特点，光纤带的余长确定有差别。对于层绞式带状光缆，即便是光带的余长为零，由于光纤带的束管围绕在加强件的周围，光纤带在束管中分布有趋于大或小半径的自由空间，所以，在一定程度上，光缆在轴向上发生一定程度的应变，光纤带并不受任何应力。我们称之为结构余长。对于中心束管式的光缆，情况就不同了，如果松套管的初始余长也为零的话，光缆在轴向上的应变同样光纤带也有同样的遭遇。因此，对于不同用途的光纤带进行二次被覆，要确定不同的光纤带余长，用于层绞光缆时，光纤带的余长要小一些，而用于中心束管带缆时，光纤带余长相对要大一些。我们一般把用于中心束管的带状束管，光纤带的余长控制在1。5‰～3.5‰，而对于层绞式的带状光缆，带状束管的光纤带的余长控制在0～1.5‰。
光纤带的余长是一个非常关键的参数，它与光缆的制造、敷设、运行和耐环境性能密切相关，与光纤的传输性能和使用寿命密切相关。单根一次涂覆光纤弯曲半径小于65mm时光纤的传输损耗值将会增加，根据多年的经验，光纤带在松套管内的弯曲半径宜控制在100mm以上。为可靠起见，笔者在核算多用150mm来计算。
5．二次被覆束管结构设计
光纤十分娇气，尤其是光纤带的边纤比一次涂覆光纤更加敏感，为了给光纤带提供舒适的环境，松套管的材料应坚硬、有韧性、不易老化、线胀系数小、后收缩小，成形表面光洁度高与光缆其它材料相容，因此，一般选用对苯二甲酸丁二醇（PBT）。
光纤带松套管结构尺寸的确定中，光纤带的余长是一个最基础的参数。从余长确定入手，研究确定间隙参数C，控制松套管中光纤带的最小曲率半径，确保光纤带光缆中光纤的损耗不变。光纤带的曲率半径取决于松套管与光纤带的间隙、光纤带的余长以及光纤带和光缆在低温下收缩的相对差产生的附加余长。现在，分析它们的关系式，设间隙为C，光纤带的余长为ε，假设光纤带在束管中呈正弦分布状态，其最小曲率半径发生在正弦波峰处，且有：
—光纤带的最小曲率半径
S—光纤带的分布节距
光纤带余长、间隙、光纤带的最小曲率半径有如下关系
大量实践证明，要使得由于光纤带的宏弯和微弯引起的损耗小于0。05dB/km，最小曲率半径应大于100mm。这样一来，束管
内径和光纤余长的关系就十分相关了
束管内径 d =
d —套管内径
W— 光纤带宽度
n—管中光纤带数
t—光纤带厚度
c—间隙值（经验上一般取值范围1。5～4mm） 图7。束管结构
设计松套管尺寸时，以常温为基准，既要考虑光缆敷设时，光缆不会因为拉伸造成光纤受损，还要考虑光缆在低温下运行，由于余长的增加，缆中光纤带分布的曲率半径不小于 。设光缆运行时最低温度与常温之差为 ，光缆综合线胀系数为 ，由此光缆产生的余长为：
=（ • ）—（ • ）= （ - ）
则缆中光纤带的曲率把半径、间隙、总余长的关系式为：
C=8•R （ε+ ）
—光纤带综合线胀系数（一般比 小的多，实际中常备忽略）
图7。束管结构
6． 骨架槽型的挤制和光纤带入槽
骨架槽型的挤制和光纤带入槽是骨架式带状光缆制造工艺的两个核心技术。带有矩形槽的骨架要求形状规矩，节距稳定，表面光洁，给光纤带很舒适的环境；矩形槽可以是螺旋形，也可以是S—Z形；中心用的加强件要经过校直，消除弯曲应力；骨架的槽芯的挤制时，因为是用较多的熔融高密度聚乙烯挤制成形，为了克服冷却过程中的形变，采用多台挤塑机串联挤制成形，确保理想的骨架结构。在日本和韩国，都有专业的挤制工厂，十分专业化。侯马电缆厂是用自制设备生产骨架，而长飞引进一条专挤骨架生产线。
各种带状光缆的光纤带叠层顶角位的光纤往往是最应关注的，骨架式光缆更是如此，有时会影响整个顶带，因为骨架式带缆中的光纤带都是以大间隙绕包的方式嵌入骨架槽的，存在有剪切应力。解决的办法，就是控制张力、槽形尺寸和螺旋节距及节距的稳定性。
骨架上有多个槽，为了标识，需在骨架顶部挤制标识条。
好的骨架就意味着成功了一半。但光纤带入槽也是十分关键的工艺技术。要求准确入槽，要求合理的张力控制，众多光纤带在精确的张力控制下，准确入槽，需要专门的成缆设备。骨架式光缆成缆工艺中，不管是螺旋绞还是S—Z，光纤带都不需要退扭，但对螺旋槽，却要有不退扭绞笼放线设备，或者用盘绞成缆机来完成。
7．护套线的工艺考虑
光缆的护套设计应考虑光缆能适应在施工敷设、安装运行以适合各种土壤环境和气候条件，对缆中的光纤进行有效保护。根据光缆的抗张能力，必要时应在护套中再增加抗张元件（如纺轮纱等），提高光缆的抗张能力。
光缆护套多采用中密度和高密度聚乙烯。为提高光缆护套的挡潮能力，在护套中采用铝塑复合带搭接纵包，与聚乙烯护套形成铝塑粘结综合护套（LAP护套）。
有时兼顾提高光缆的抗拉强度，减小光缆的综合温度系数，提高光缆的抗侧压和抗击穿能力，并有一定的挡潮能力，采用钢塑复合带轧纹搭接纵包，形成钢塑粘结综合护套。
六。设计举例
设计中心管式带状光缆，型号GYDXTW144B ，要求短期应力2000N，使用温度+60～-30℃。光缆采用12根12芯光纤带，采用螺旋绞组成叠体，管中填充带纤膏，采用PBT套管，管外纵包0.25阻水带，采用钢塑复合带轧纹搭接纵包，双钢丝加强，高密度聚乙烯护套。
带纤绞合节距，因用于中心束管，不存在成缆节距可独立设计。文中已讨论过，绞距最小200mm，最大1100mm。我们取绞合节距为700mm。
假设二次被覆时光纤带初始余长为2‰，从常温到最低温光缆产生余长1‰（一般缆的综合温度系数为2.2×10 ），光纤带在缆中最小曲率半径为100mm，保守些，我们取150mm，根据式： C=8•R （ε+ ）确定间隙C。C=8×150（2‰+1‰）=3.6mm。
光纤带厚度0.3mm,宽度3.2mm。叠体厚度为nt=3.6mm，根据式d = 我们求得带状束管的内径，d = =7.88mm。取8.0mm。
套管壁厚取0.55mm，带状束管外径为9.1mm。
阻水带纵包外径为9.7mm。加0.5mm间隙，刚带轧纹纵包外径11.6mm。
光缆的加强件采用磷化钢丝，加强件的直径可由下式进行预选：
d=
d—加强件的直径（mm）
F—光缆额定拉伸力（N） 2000N
E—加强件的杨氏模量（N/mm ） 取190000
ε—应变允许4‰
钢丝直径为d= =1.495mm。考虑到光缆中还有刚带和其它元件，能提供供可观的抗张能力，所以取1.5mm。
取护套厚度2.8mm，光缆外径17.2mm。
经验算：光缆的综合温度系数为2.3×10
光缆综合模量为约1366315，在2000N时，光缆应变为约1.5‰，十分安全。
在光缆实际生产中，我们对设计方案进行了验算，并进行了实践验证，经全性能测试，各项检测结果完全符合设计要求，说明了对设计思路和原理比较符合实际。
结束语：本文对带状光缆的基本结构型式，各种结构型式的特点，进行了分析，并对各种结构型式的光缆在结构设计和生产工艺中相关问题进行了研究和探索，力图提出解决问题的思路和方法，并进行了实际设计举例，供同仁分享。由于水平所限，问题在所难免，不对之处，敬请指正。
参考文献：
《光纤带和骨架式带状光缆》光纤与电缆及其应用技术 1994年第四期 国吴盛
《多芯光纤带单元结构松套管光缆》现代有线传输1995年第四期 张春安
《大芯数光纤带光缆的发展》2007年光缆电缆学术年会 邓祖煜
《光纤带光缆结构和理性研究》2007年光缆电缆学术年会 夏坤盛
《FTTH用的几种光纤光缆新技术》2007年1月通信光电缆论文选编 徐乃英
《中心束管式光缆结构分析及设计探讨》1995有线传输原理 夏金镶 任明当
作者简介：任明当，男，52岁，南京邮电学院毕业，教授级高工，享受国家政府特殊岗位津贴。曾在南京邮电学院任教十余年，后任侯马普天通信电缆有限公司副总经理兼总工，现任江苏法尔胜光通信副总经理兼总工。任〈〈中国通信学会线路委员会〉〉委员，中国电器工业协会《通信电缆及光纤光缆专家委员会》委员，《中电元协光电线缆分会专家组》专家。
来源：
