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Die Erfindung betrifft ein Kabel zur Signalübertragung mit vier Adern, das eine erste Signalader und eine zweite Signalader aufweist.
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Für die leitungsgebundene Übertragung von Signalen mit hohen Frequenzanteilen und/oder über weite Strecken erfolgt die Signalübertragung bevorzugt mit geschirmten Kabeln und/oder mit Kabeln, die zumindest ein Aderpaar zur symmetrischen Signalübertragung aufweisen.
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Das Koaxialkabel und Triaxialkabel sind bekannte Beispiele für geschirmte Kabel. Eine Schirmung des Kabels verbessert die Übertragungseigenschaften des Kabels dahingehend, dass die Einkopplung elektrischer und/oder magnetischer Felder von außen in die Signalader des Kabels reduziert werden und/oder umgekehrt die Auskopplung elektrischer und/oder magnetischer Felder von den Signaladern an die Umgebung reduziert wird. Die Herstellung und Konfektionierung von geschirmten Kabeln ist jedoch sehr aufwändig. Aus diesem Grund werden für die Übertragung von Signalen mit hohen Frequenzanteilen zunehmend Kabel mit beabsichtigter symmetrischer Signalübertragung eingesetzt.
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Bekannte Kabel zur beabsichtigten symmetrischen Signalübertragung sind beispielsweise Flachkabel, Twisted Pair Kabel und Stern-Vierer-Kabel. Bei einer symmetrischen Signalübertragung werden ein Nutzsignal und ein dem Nutzsignal entsprechendes Referenznutzsignal mit entgegengesetzter Polarität übertragen. Das Flachkabel, das Twisted Pair Kabel und das Stern-Vierer-Kabel weisen näherungsweise definierte elektrische Kenngrößen wie beispielsweise einen definierten Wellenwiderstand und definierte Leitungsparameter auf.
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Die Aufgabe, die der Erfindung zugrunde liegt, ist es, ein Kabel zur Signalübertragung zu schaffen, das eine möglichst unverfälschte Signalübertragung ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Die Erfindung zeichnet sich aus durch ein Kabel zur Signalübertragung mit vier Adern, bei dem die vier Adern jeweils einen Leiter aufweisen und zumindest eine erste Signalader und eine zweite Signalader eine radiale Leiterisolierung aufweisen. Die erste Signalader und die zweite Signalader sind derart angeordnet, dass die erste Signalader und die zweite Signalader zumindest linienförmig aneinander anliegen. Eine dritte Ader und eine vierte Ader sind so angeordnet, dass sie jeweils die erste Signalader und die zweite Signalader berühren. Die vier Adern sind verdrillt angeordnet.
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Eine derartige Anordnung, bei der sich die Signaladern entlang der Längsachse des Kabels berühren und gegeneinander verdrillt sind, hat den Vorteil, dass zwischen den Signaladern eine bessere mechanische Kopplung erzielt wird im Vergleich zu einer Anordnung, bei der die Signaladern berührungsfrei zueinander angeordnet sind, wie beispielsweise bei dem so genannten Stern-Vierer-Kabel. Die verbesserte mechanische Kopplung trägt dazu bei, dass beispielsweise durch Verbiegen oder Verdrehen des Kabels ein Verschieben der Signaladern zueinander gering gehalten werden kann. Die mechanische Stabilität wird zusätzlich dadurch verbessert, dass die dritte Ader und die vierte Ader jeweils in einer von der ersten Signalader und der zweiten Signalader aufgespannten Furche angeordnet sind.
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Die mechanische Stabilität einer Aderanordnung in einem Kabel spielt für die Übertragungsqualität der Signale eine wichtige Rolle. Eine verbesserte Übertragungsqualität wird unter anderem erreicht, wenn die elektrischen Kenngrößen an allen Stellen des Kabels einen konstanten Wert aufweisen und diesen Wert insbesondere bei Verbiegen beziehungsweise Verdrehen des Kabels bei der Herstellung und beim Verlegen beibehalten. Ein Stabilbleiben der Anordnung der vier Adern trägt daher dazu bei, das sich die elektrischen Kenngrößen der Adern nicht oder nur geringfügig ändern. Insbesondere bei einer symmetrischen Signalübertragung, bei der ein Nutzsignal und ein dem Nutzsignal entsprechendes Referenznutzsignal mit entgegengesetzter Polarität übertragen wird, wird dadurch eine verbesserte Unterdrückung von Gleichtaktstörungen erzielt.
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Unter der Voraussetzung, dass das Nutzsignal und Referenznutzsignal über Signaladern übertragen werden, die näherungsweise gleiche elektrische Kenngröße und einen geringen Abstand zueinander aufweisen, ist die Einkopplung elektromagnetischer Störungen auf die jeweiligen Signaladern nahezu gleich, sodass sich bei einer Differenzbildung zwischen dem Nutzsignal und dem Referenznutzsignal die Störungen aufheben. Bei einer symmetrischen Signalübertragung erfolgt eine elektromagnetische Störabstrahlung der jeweiligen Signaladern ebenfalls mit entgegengesetzter Polarität. Die Störabstrahlungen heben sich dadurch ebenfalls auf.
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Die Verdrillung erhöht die mechanische Stabilität der Aderanordnung. Ein Maß für die Stärke der Verdrillung ist die Schlaglänge. Je kleiner die Schlaglänge der Verdrillung ist, desto stärker ist die mechanische Verkopplung, insbesondere der ersten und zweiten Signalader. Die Verdrillung bewirkt des Weiteren eine Reduktion induktiv eingekoppelter Gegentaktstörungen.
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Die dritte und vierte Ader können jeweils eine Bezugspotentialader oder Versorgungspotentialader bilden. Dies ermöglicht, das Kabel für eine Signalübertragung und für eine Versorgungszuleitung zu nutzen. Bei einer elektrischen Kopplung der dritten und vierten Ader mit einem Bezugspotential oder Versorgungspotential bilden die dritte und vierte Ader jeweils eine Schirmader für die beiden Signaladern. Die Einkopplung elektrischer und/oder magnetischer Felder von außen in die Signaladern wird dadurch reduziert und/oder die Auskopplung elektrischer und/oder magnetischer Felder von den Signaladern an die Umgebung wird vermindert. Die dritte und vierte Ader können im Vergleich zu einem Schirm eines Koaxialkabels einfach flächig mechanisch mit einer Bezugspotentialkontaktstelle gekoppelt werden.
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Bei einer elektrischen Kopplung der dritten und/oder vierten Ader mit dem Bezugspotential bildet die dritte und/oder vierte Ader bei einer symmetrischen Signalübertragung insbesondere auch einen Rückleiter für Ströme, die durch Gleichtaktstörungen induzierten werden.
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Wenn sowohl die dritte Ader als auch die vierte Ader Bezugspotentialadern bilden, kann eine elektrische Kopplung mit dem Bezugspotential sehr flexibel ausgebildet werden. Die Bezugspotentialadern können unabhängig voneinander jeweils unterschiedlich oder gleich mit dem Bezugspotential elektrisch gekoppelt werden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die erste Signalader und die zweite Signalader gleiche Querschnittsabmessungen und/oder gleiche Leitermaterialien und/oder Isolationsmaterialien auf. Dies ermöglicht einen Beitrag zu guten elektrischen und/oder mechanischen Symmetrieeigenschaften des Kabels. Vorteilhaft für eine hochfrequente Signalübertragung ist, die Leiterisolierung der ersten und zweiten Signalader mit einem für Hochfrequenzsignalübertragung geeigneten Dielektrikum auszubilden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die dritte Ader und die vierte Ader mit gleichen Materialien ausgebildet und/oder weisen gleiche Abmessungen auf. Dies ermöglicht einen Beitrag zu guten elektrischen und/oder mechanischen Symmetrieeigenschaften des Kabels.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein dritter Leiter der dritten Ader und ein vierter Leiter der vierten Ader im Vergleich zu einem ersten Leiter der ersten Signalader und einem zweiten Leiter der zweiten Signalader niederohmig ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass Gleichtaktstörsignale besser kurzgeschlossen werden und/oder eine Potentialführung niederohmig erfolgt und/oder externe Störgrößen größten Teils in den dritten und vierten Leiter eingekoppelt werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die erste Signalader und die zweite Signalader einen gleichen ersten Außendurchmesser auf und auch die dritte Ader und die vierte Ader weisen einen gleichen zweiten Außendurchmesser auf, wobei der zweite Außendurchmesser kleiner ist als der erste Außendurchmesser. Dies ermöglicht einen Beitrag zu einer guten mechanischen Stabilität der Lage der vier Adern zueinander.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind der erste Leiter und/oder der zweite Leiter und/oder der dritte Leiter und/oder der vierte Leiter als Litzebündel ausgebildet. Die Litzebündel können beispielsweise als blanke, verzinnte, versilberte oder verzinkte Kupferlitzebündel ausgebildet sein. Die Verwendung von Litzebündeln ermöglicht das Kabel kostengünstig herzustellen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die vier Adern mit einer gemeinsamen isolierenden Umhüllung umgeben. Die Umhüllung kann als Isolation und/oder zum Schutz vor mechanischen Belastungen und/oder zum Schutz vor Schmutz und Feuchtigkeit dienen.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umschließt eine Schirmummantelung die vier Adern. Die Schirmummantelung kann beispielsweise als Aluminiumfolie oder Drahtgeflecht ausgebildet sein. Die Schirmdämpfung ist besonders gut, wenn der Schirm des Kabels über den gesamten Umfang des Kabels geschlossen ist.
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Ausführungsbeispiele von Ausgestaltungen der Erfindung sind im Folgenden anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 einen Querschnitt eines ersten Ausführungsbeispiels eines Kabels 100 zur Signalübertragung,
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2 mehrere Ausführungsbeispiele zu elektrischen Kopplungen eines Schirmleiters mit einem Bezugspotential,
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3 einen Querschnitt eines zweiten Ausführungsbeispiels des Kabels 100 zur Signalübertragung und
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4 einen Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels des Kabels 100 zur Signalübertragung.
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Das Kabel 100 (1) zur Signalübertragung weist vier Adern 10, 20, 30, 40 auf. Die vier Adern 10, 20, 30, 40 umfassen jeweils einen Leiter 10a, 20a, 30a, 40a und eine radiale Leiterisolierung 10b, 20b, 30b, 40b, die den jeweiligen Leiter 10a, 20a, 30a, 40a radial umschließt. Eine erste Signalader 10 und eine zweite Signalader 20 sind derart angeordnet, dass die erste Signalader 10 und die zweite Signalader 20 zumindest linienförmig aneinander anliegen. Eine dritte Ader 30 und eine vierte Ader 40 sind so angeordnet, dass sie jeweils die erste Signalader 10 und die zweite Signalader 20 berühren. Die vier Adern 10, 20, 30, 40 sind verdrillt angeordnet. Um eine gute mechanische und elektrische Symmetrie der Anordnung zu erzielen, sind in dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel die erste Signalader 10 und die zweite Signalader 20 mit gleichen Leitermaterialien und Isolationsmaterialien ausgebildet und weisen gleiche Querschnittsabmessungen auf. Ebenfalls aus Symmetriegründen sind die dritte Ader 30 und die vierte Ader 40 beispielsweise mit in etwa gleichen Materialien ausgebildet und weisen beispielsweise in etwa gleiche Abmessungen auf.
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Ein Durchmesser eines ersten 10a und eines zweiten Leiters 20a der Signaladern 10, 20 und ein erster Außendurchmesser Aa der Signaladern 10, 20 ist beispielsweise so bemessen, dass die Signaladern 10, 20 einen Wellenwiderstand von ca. 100 Ohm aufweisen.
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Die Leiter 30a, 40a der dritten Ader und vierten Ader weisen einen größeren Leiterdurchmesser auf und sind somit niederohmiger ausgebildet als die Leiter 10a, 20a der Signaladern. Dies hat zum einen den Vorteil, dass der dritte 30a und vierte Leiter 40a die Signaladern 10,20 besser abschirmen. Des Weiteren weist das Kabel 100 beispielsweise aufgrund von Material- und Herstellungstoleranzen gegebenenfalls Unsymmetrien auf. Infolge der Unsymmetrien heben sich bei einer symmetrischen Signalübertragung über die Signaladern 10, 20 Gleichtaktstörungen, die von außen auf die Signaladern 10, 20 einkoppeln, gegebenenfalls nicht vollständig auf. Der dritte Leiter 30a und/oder der vierte Leiter 40a bilden, insbesondere wenn sie mit dem Bezugspotential gekoppelt sind, einen Rückleiter für die durch die Gleichtaktstörungen induzierten Ströme. Der dritte Leiter 30a und der vierte Leiter 40a sind möglichst niederohmig im Vergleich zu den Leitern 10a, 20a der Signaladern 10, 20 ausgebildet. Dies ermöglicht, Störeinkopplungen in den dritten 30a und/oder vierten Leiter 40a, die jeweils einen Rückleiter bilden, gering zu halten und eine Abstrahlung des dritten 30a und/oder vierten Leiters 40a zu minimieren Durch eine niederohmige Ausbildung des dritten 30a und vierten Leiters 40a werden die durch Gleichtaktstörungen induzierten Ströme quasi kurzgeschlossen.
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Bei Übertragungskabeln zur symmetrischen Signalübertragung, die einen Schirm aufweisen, bildet der Schirm zugleich einen Rückleiter für die durch Gleichtaktstörungen induzierten Ströme. Je nach Anwendung kann es vorteilhaft sein, den Schirm an den jeweiligen Enden unterschiedlich elektrisch mit dem Bezugpotential zu koppeln. In 2 sind mehrere Ausführungsbeispiele zur elektrischen Kopplung des Bezugspotentials mit dem dritten Leiter 30a der dritten Ader 30 und/oder dem vierten Leiter 40a der vierten Ader 40 gezeigt. Die elektrische Kopplung des Leiters 30a, 40a mit dem Bezugspotential kann beispielsweise an einem Ende direkt erfolgen und am anderen Ende kann die elektrische Kopplung über einen Filter 80 erfolgen. Die elektrische Kopplung kann auch an beiden Enden gleich erfolgen. Die elektrische Kopplung des dritten Leiters 30a mit dem Bezugspotential kann gleich und/oder unterschiedlich zu der elektrischen Kopplung des vierten Leiters 40a mit dem Bezugspotential ausgebildet sein.
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Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des Kabels 100 zur Signalübertragung sind die vier Adern 10, 20, 30, 40 analog zu dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel angeordnet. Allerdings weisen die dritte Ader 30 und die vierte Ader 40 keine Leiterisolierung auf. Beispielsweise sind die dritte Ader und die vierte Ader als Blankdraht ausgebildet. Die vier Adern 10, 20, 30, 40 sind mit einer gemeinsamen isolierenden Umhüllung 50 umgeben. Es sind auch Anwendungen möglich, bei denen, obwohl die dritte 30 und vierte Ader 40 nicht isoliert sind, auf eine isolierende Umhüllung verzichtet werden kann. 3 zeigt einen Sonderfall, bei dem das Kabel einen kreisförmigen Querschnitt aufweist. Solch eine Anordnung ist mechanisch sehr stabil und ermöglicht beispielsweise eine einfache und dadurch kostengünstige Herstellung der Umhüllung.
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4 zeigt einen Querschnitt eines dritten Ausführungsbeispiels des Kabels 100 zur Signalübertragung, bei dem die beiden Leiter 30a, 40a der dritten 30 und vierten Ader 40 als Litzebündel ausgebildet sind. Die Litzebündel sind in einer Isolierung eingebettet, sodass sie sich nicht gegeneinander bewegen können.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- erste Signalader
- 10a
- Leiter der ersten Signalader
- 10b
- Leiterisolierung der ersten Signalader
- 20
- zweite Signalader
- 20a
- Leiter der zweiten Signalader
- 20b
- Leiterisolierung der zweiten Signalader
- 30
- dritte Ader, Bezugspotential- oder Potentialader
- 30a
- Leiter der dritten Ader
- 30b
- Leiterisolierung der dritten Ader
- 40
- vierte Ader
- 40a
- Leiter der vierten Ader
- 40b
- Leiterisolierung der vierten Ader
- 50
- Umhüllung
- 80
- Filter
- 100
- Kabel
- 120
- elektrisches Gerät
- Aa
- erster Außendurchmesser
- Ab
- zweiter Außendurchmesser
