CN101536119A - 周期性地改变传播速度以减少沿电缆长度的添加失真 - Google Patents

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CN101536119A
CN101536119A CNA2007800413252A CN200780041325A CN101536119A CN 101536119 A CN101536119 A CN 101536119A CN A2007800413252 A CNA2007800413252 A CN A2007800413252A CN 200780041325 A CN200780041325 A CN 200780041325A CN 101536119 A CN101536119 A CN 101536119A
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Abstract

本发明提供了一种通信电缆，所述通信电缆通过改变沿其长度的传播速度来减少被编码为沿所述电缆纵向传播的电磁能量的目标信息的添加失真。通过以低于所述电磁能量沿所述电缆传播的最高频率的频率周期性地改变所述传播来减少所述添加失真。

Description

周期性地改变传播速度以减少沿电缆长度的添加失真
发明领域
本发明涉及用于传输具有编码信息的电磁能量的通信电缆。更具体地讲，本发明涉及通信电缆，在电磁能量沿电缆传播的过程中，所述通信电缆通过周期性地改变传播速度(Vp)来减少被编码为电磁能量的目标信息的添加失真。
发明背景
6类(Cat 6)以太网电缆不符合增强型6类电缆更严格的电气规范，该6类电缆传统上在最高1Gbit/s的速度下工作，而增强型6类电缆在最高10Gbit/s的速度下工作并且距离最大为100米。主要限制在于符合电缆对电缆的抗扰度规范(外部串扰)，特别是在100至500MHz的频率范围内。例如，对于双绞线，外部串扰是与频率相关的，并且通常存在于相邻电缆内的配对双绞线之间。已提出许多种技术以通过减小电容(电场)的耦合或电感(磁场)的耦合来减少这些配对双绞线的电磁交互作用。
非屏蔽的双绞线电缆(UTP)已占有LAN(局域网)市场的最大份额，主要原因在于其成本低于其他技术，如光缆。UTP电缆由四对双绞线构成，并且最初用作电话线。随着工作频率的增大，对材料的结构和制造公差的要求也同样提高。已形成完整系列的改良的树脂(聚合物)来满足电缆所需的电特性和火焰/烟雾属性。此外，还引入了新的电缆设计和绞合方案来进一步改善电缆的电特性。增强型6类电缆是目前新兴的商用产品，并且提供多种设计以满足更严格的电气要求。目前LAN基础架构的设计布局是基于直径不超过0.250＂的数据电缆，而这些设计超过了该直径。
希望制造出一种在电磁能量沿电缆传播的过程中减少电磁能量的添加失真的通信电缆。
还希望得到直径为0.250英寸的电缆，对于大于1Gbit/s的速度，该电缆不会受限于小于或等于60米的距离。
发明概述
简要地讲，根据本发明的一个方面，提供了一种包含被编码为电磁能量的目标信息的通信电缆，电磁能量以传播速度沿着所述电缆纵向传播，引导所述电磁能量的所述电缆通过以低于所述电磁能量沿所述电缆传播的最高频率的频率周期性地改变所述传播速度来减少传播过程中所述电磁能量的添加失真。
根据本发明的另一个方面，提供了一种就在上段中所述的通信电缆，其中电缆包括：a)导线，以及b)围绕所述导线的介电材料，其中所述介电材料改变相对于空气的沿其长度的所述传播速度，所述速度改变相对于真空中的光速为至少约1％，更优选为至少约1.3％，最优选为至少约2％。
根据本发明的另一个方面，提供了包含被编码为电磁能量的目标信息的通信电缆，电磁能量以传播速度沿所述电缆纵向传播，其中所述电缆包括双绞线，所述双绞线包括：
a)第一导线，该第一导线具有围绕所述第一导线的第一介电材料，从而形成第一绝缘导线；和
b)第二导线，该第二导线具有围绕所述第二导线的第二介电材料，从而形成第二绝缘导线；其中第一绝缘导线和第二绝缘导线相互绞合形成所述双绞线，所述双绞线通过以低于所述电磁能量沿所述双绞线传播的最高频率的频率周期性地改变所述传播速度来减少传播过程中所述电磁能量的添加失真。
附图说明
通过结合附图阅读以下发明详述，将能更完整地理解本发明，其中：
图1示出了屏蔽的双绞线的剖面图。
图2示出了非屏蔽的双绞线的剖面图。
图3A示出了恒定介电常数1.8，因此在其100米的电缆长度上的传播速度是恒定的。
图3B示出了100Ω的阻抗，在其100米的整个电缆长度上的周期性缺陷为1Ω。
图3C示出了具有图3A和3B所示特性的电缆的回波损耗对频率的曲线图。
图4A示出了变化的介电常数1.8+0.1正弦，因此在其100米的电缆长度上传播速度是变化的。
图4B示出了100Ω的阻抗，在其100米的整个电缆长度上的周期性的缺陷为1Ω(与图3B中的缺陷相同)。
图4C示出了具有图4A和4B所示特性的电缆的回波损耗对频率的曲线图。
图5示出了周期性缺陷的均匀电长度间隔以及沿其电缆长度的恒定传播速度。
图6示出了本发明中周期性缺陷的非均匀电长度间隔以及沿其电缆长度的变化的传播速度。
图7示出了图5和图6彼此覆盖以显示本发明的效果。
图8示出了针对本发明的比较实施例和实施例的回波损耗对频率的曲线图，以显示本发明对具有周期性缺陷的电缆的有益效果。
尽管将结合优选实施方案来描述本发明，但应当理解，这并不旨在将本发明局限于该实施方案。相反，旨在涵盖可能包括在所附权利要求书限定的本发明的实质和范围内的所有替代方案、修改形式和等同物。
发明详述
定义：
根据本说明书和随附的权利要求书的上下文中使用术语的方式，提供以下定义作为参考。
添加失真是指由于通信电缆中规则间隔的特征而在某些频率处的有害电磁能量的聚集。电缆中的这些规则即等距特征可以是制造过程中引入的有意的设计特性或无意的缺陷。例如，被损坏的或不圆的滑轮或轮子会反复刻划或压缩经过其的电缆绝缘体，缺陷按由其直径确定的频率(缺陷数/米)出现。每个缺陷均会使电缆中的电磁能量畸变，从而产生失真，一种类型为有害的回波损耗。电缆的缺陷越频繁且电缆越长，失真就越大。这种失真会在与缺陷的电长度间隔相符的电磁能量频率处聚集，并且在较小的程度上，在该频率的倍数和奇数谐波处聚集。这种聚集被称为添加失真，并且随着其增大，添加失真会导致在该频率处编码的信息质量不断恶化。
外部串扰是指当通道(通道为单一信息流)位于不同物理电缆中时从一个或多个干扰通道耦合到被干扰通道的信号。
Cat 5/5e，也称为5/5e类电缆，是指被设计用来以最高100Mbit/s的速度可靠地传输数据的UTP电缆类型，如100BASE-T。Cat5/5e在单一电缆护套内包括四对由绝缘的24号线规铜线形成的双绞线，每对双绞线的每英寸绞合三次。电缆的绞合可减少电干扰和串扰。另一个重要特性是，线材使用分散性低的塑料(如四氟乙烯和六氟丙烯的共聚物FEP)绝缘，也就是说，介电常数不会随着频率剧烈变化。还必须特别注意使连接点处的阻抗失配最小化。替代Cat 5的Cat 5e电缆为Cat 5的增强型版本，它添加了针对远端串扰的规格。
Cat 6，也称为6类电缆，是指设计用来以最高1Gbit/s的速度可靠地传输数据的UTP电缆类型。应当注意，Cat 6向后兼容Cat 5/5e和Cat 3(3类为第一代非屏蔽的双绞线电缆，其适用于以太网信号的100米传输)标准，但对串扰和系统噪音有着更严格的规格。Cat 6在单一电缆护套内包括四对由绝缘的23号线规铜线形成的双绞线，每对双绞线每英寸的绞合率不同。该电缆标准适用于10BASE-T/100BASE-T和1000BASE-T。(10BASE-T是设计用来以最高10Mbit/s的速度可靠地传输数据的UTP电缆，100BASE-T是设计用来以最高100Mbit/s的速度可靠地传输数据的UTP电缆，1000BASE-T是设计用来以最高1000Mbit/s的速度可靠地传输数据的UTP电缆。)
Cat 7，也称为7类电缆，是设计用来以最高10Gbit/s的速度可靠地传输数据的屏蔽的双绞线电缆。注意，Cat 7向后兼容绝缘23号线规铜线的Cat 6、Cat 5/5e和Cat 3标准，但对串扰和系统噪音有着更严格的规格。正如较早期的标准一样，Cat 7也包括四对双绞线，不同的是对各对双绞线和/或电缆整体添加了屏蔽。
串扰是从一个信号路径耦合到相邻或附近信号路径的有害能量转移。串扰的实例为在电话交谈期间有时会遇到的微弱声音。串扰可为电容性的(电场)或电感性的(磁场)，并且通常会在计算机链路或数据系统内产生有害或错误的数据。
介电常数，εr，是描述材料如何影响电场的物理量，它与材料发生极化和部分地消除电场的能力有关。更具体地讲，它是存储在材料中的电能与存储在真空中的电能的比率，真空的εr＝1。线材绝缘体的εr对于电缆阻抗和传播速度均有影响。
差分信号是通过一对线材传输信息的方法，它通过去除共模干扰来降低噪音。两条线材平行布置，有时绞合在一起，以便它们接收相同的干扰。一条线材传输信号，另一条传输反相的信号，因此两条线材上的电压之和始终为常数。在连接的末端，接收装置读取两个信号间的差值，而不是读取单个信号。由于接收器忽略相对于大地的绝对电压值，因此地电位的微小变化不会影响接收到的信号。此外，系统不会受到大多数类型电干扰的影响，因为降低一条线材上的电压电平的任何干扰同样会降低另一条线材上的电压电平。一些使用差分信号的通信协议包括SCSI、EIA232、通用串行总线(USB)和FireWire协议。
电长度在传输介质中是物理长度除以电磁能量在该介质中的传播速度，速度以电磁能量在自由空间中传播速度的百分比来表示。
以太网是指用于局域网(LAN)的计算机联网技术，主要采用IEEE802.3标准。它定义了物理层的布线和信号发送，以及媒体访问控制层/数据链路层的协议。物理层是最基础的网络层，其提供传输原始数据位的装置。它包含例如针对物理布线、冲突控制、频率分配和其他低层功能的规范。在20世纪90年代，以太网成为占主导地位的LAN技术。
阻抗，Z，是阻碍正弦电流的量度，它将欧姆定律推广到AC电路。电路元件的阻抗的定义是瞬时AC电压与瞬时AC电流的比率，类似于DC电阻。与电阻的不同在于，电路的阻抗可为复数。传输线路的特征阻抗Zc由其每单位长度的电感L和电容C决定。
Figure A200780041325D00091
目标信息是指操作员或装置希望从一点发送到另一点的信号。
插入损耗是指在电缆输出端测定的传输的信号的振幅相对于在电缆输入端测定的传输的信号的振幅之比，用dB表示。较低的插入损耗意味着在电缆输出端可得到较大的信号。在其沿电缆传播的过程中，信号损失的能量以热的形式消散或反射成为回波损耗。能量消散归因于导线的电阻损耗和/或聚合物绝缘体和/或间隔体的介电损耗。导线损耗取决于线材的横截面积或线规。介电损耗取决于绝缘聚合物的tanδ或损耗角。设计良好的电缆的插入损耗不会被任何回波损耗显著影响。
匹配的双绞线是指使一频率与绞线的电长度(或电长度的倍数)匹配的双绞线。
非均匀双绞线是指绞合率沿其长度变化的双绞线。
传播延迟是指信号从电缆的一端传播到另一端的时间，用ns表示。传播延迟越短，意味着信号到达电缆输出端就越快。延迟时间是信号速度和电缆总长度的函数，因此电缆中必须考虑绞合率。信号速度取决于绝缘介电质和厚度。电缆长度取决于电缆物理长度和绞合。
回波损耗是指在电缆输入端测定的反射的信号的振幅相对于在电缆输入端测定的传输的信号的振幅之比，用dB表示。按照惯例，回波损耗越高，意味着所反射的传输的信号越少，因此在电缆输出端可得到的传输的信号越多。能量反射是由于发射器和电缆的阻抗失配和/或电缆和接收器的阻抗失配，和/或如果电缆的阻抗不均匀。通常，发射器和接收器被设计为100Ω，因此电缆内的每对双绞线也应为100Ω。每对双绞线的阻抗取决于线规、绞合、εr、绝缘体厚度，并且在较小程度上取决于电缆其余部分的构造和材料。制造工艺的任何变化都会引起阻抗发生变化。突然发生的较大变化会产生更多反射能量。
屏蔽的双绞线(STP)布线主要用于计算机联网。参考图1，该图示出了屏蔽的双绞线的剖面图。每对双绞线10由两条绝缘导线20彼此绞合或缠绕而成，并且使用导电外包裹物进行覆盖以保护线材免受干扰以及用作接地。这种额外的保护限制了线材的柔韧性，并且使STP比其他电缆类型更为昂贵。每条导线20由绝缘体30围绕。导电屏蔽40可以围绕双绞线10。多对双绞线被装入外皮50中。外皮50可以包括导电屏蔽。这些屏蔽包括金属包裹物或金属丝编织层。
均匀的双绞线是指其绞合率沿其长度为常数的双绞线。
非屏蔽的双绞线(UTP)布线是用于电话应用的主要线材类型，也常用于计算机联网。参考图2，该图示出了非屏蔽的双绞线的剖面图。每对双绞线60由两条绝缘导线70彼此缠绕或绞合而成，其目的是为了抵消可导致串扰的电磁干扰。绞合线材可减少干扰，原因在于：线材之间的面积(该面积决定着进入信号中的磁耦合)减小；并且均匀耦合的磁场所产生的电流方向对于每个绞合是相反的，从而彼此抵消。每米绞合的次数越多，降低的串扰就越多。每条导线70均由绝缘体80围绕。多对双绞线被装入外皮90中。
现在参考发明详述，包括但不限于本文所公开的实施方案。通信电缆的目的是从一个物理地点向另一个物理地点传输目标信息。目标信息首先被编码进电磁能量，电磁能量被注入电缆的一端。接着电磁能量沿电缆的长度传播。最后，能量被解码为信息。重要的是，在沿电缆纵向传播的过程中，电磁能量不会显著失真，而失真可能会降低信息质量或破坏信息。
电磁能量可通过好的导线或通过好的介电质或通过这两者的组合在空间中导向。电磁能量的传播速度取决于导线的横向物理构型，或介电质的横向物理构型以及材料特性，或取决于导线和介电质的组合。横向物理构型或介电材料特性的任何纵向偏差都会导致电磁能量出现一些失真。
纵向偏差可以周期性地出现，即以规则的间隔出现，通常发生在制造和处理过程中，在这些过程中，电缆会受到旋转机器的影响，例如挤出机、滑轮和卷绕设备。当出现这些偏差时，会在电磁能量的某个频率处添加失真。如果添加失真量变得足够大，那么一些信息可能会丢失。应当注意，在工作带宽内的任何频率处，信息失真的影响取决于信息编码的细节。应当注意，电磁能量的频率越高，添加失真在发生时趋于更大。
两个纵向偏差之间的间隔为这些偏差间的物理间距与传播速度的组合。如果物理间距变为另一个值，那么添加失真只是转移到另一个频率。如果传播速度变为另一值，那么添加失真也只是再转移到另一个频率。
在本发明中，对通信电缆应用了周期性变化。该周期性变化包括导线的物理间距、传播速度或者两者的缓慢(即较低的频率)周期性变化，这种变化会降低具体频率处添加失真的峰值。缓慢变化意味着与缓慢周期性变化的总量相比，两个相邻纵向偏差间的任何改变都较小。周期性变化意味着缓慢周期性变化的周期是相对于总电缆长度发生的。物理间距或传播速度的缓慢周期性变化的效果是“分散”许多频率间的失真，从而降低任一具体频率处的效果。这样便降低了正在传播的目标信息的衰减。缓慢周期性变化可以包括正弦波、三角波、方波、二次波或类似类型的波或它们的组合。
现在参考图3A、3B和3C。图3A所示的电缆在其100m的电缆长度上具有恒定的介电常数(εr＝1.8)。图3B所示的电缆阻抗为100Ω，沿电缆长度在规则间隔处有大小为1Ω的缺陷，缺陷是在制造过程中引入的。图3C示出了回波损耗(dB)。标出了集中在300GHz处的最大回波损耗。与之相反，图4A中所示的相同电缆具有缓慢周期性正弦曲线变化的介电常数。在具有与图3B类似的阻抗(参见图4B)情况下，回波损耗(图4C)(dB)曲线变平、变宽，显示通过在一定波长范围内分散失真可降低300MHz处的添加失真，这是通过改变传播速度来达到的，是介电常数缓慢周期性正弦曲线变化的效果。
现在参考图5，该图示出了电缆长度的一小段。直线100表示沿电长度的介电常数是均匀的(例如不变化)。当介电常数不变化时，那么传播速度也不会变化。因此，如图5中所示的连续阻抗“突起”110之间的电长度不会变化，并且会完全添加回波损耗失真。
现在参考图6，该图示出了电缆长度的一小段。折线120表示沿电长度的介电常数是变化的。当介电常数按三角形变化时，传播速度先增大，接着减小，然后再增大，如图6所示。因此，连续阻抗“突起”130之间的电长度发生变化，并且回波损耗失真被“分散”，如本发明中的一样。
图7示出了不变的连续阻抗突起110之间的电长度，覆盖在沿电长度变化的连续阻抗突起130(图6)上。图7示出了连续阻抗突起130之间电长度变化相对于不变连续阻抗突起110之间电长度变化的偏移。连续突起130之间的电长度变化分散了回波损耗失真，因而绞合线材可以更紧密地排列。
本发明的通信电缆可为绝缘导线、双绞线、同轴电缆、光纤或任何用于传输信息的其他类似装置。在本发明中，绝缘导线包括金属之类的导体，具体地讲是金属丝。使用玻璃或塑料之类的绝缘材料围绕金属导线。在本发明的实施方案中，绝缘材料为介电材料。在本发明中，改变介电材料会改变目标信息沿电缆长度相对于空气的传播速度，所述速度改变相对于真空中的光速为至少约1％，更优选为约1.3％，最优选为约2％。优选地，介电材料以相对于真空中的光速的最低为1％的改变量来改变沿电缆长度的传播速度，所述电缆长度为约10至2000米，更优选地为60至1000米，最优选地为约60至300米。例如，如果在电缆中的平均传播速度为真空中光速的70％，相对于光速2％的变化意味着在电缆中的传播速度范围为真空中光速的68％至72％。
介电材料改变沿电缆长度的传播速度。优选地，所述速度改变相对于真空中的光速改变约1％至10％，更优选为约1.3％至10％，最优选为约2％至10％，其中电缆长度优选地为约100米至1000米。
本发明的介电材料包括热固性或热塑性材料。介电材料也可以为泡沫聚合物。介电材料优选地为热塑性材料，例如聚烯烃、含氟聚合物、聚氯乙烯(PVC)或它们的组合。优选的聚烯烃包括聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)以及它们的组合。应当注意，对于本发明的目的而言，PP和PE也包括阻燃剂PP和PE。优选的含氟聚合物包括聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯(TFE)和六氟丙烯(HFP)的共聚物(即通常所说的FEP，其还可以包含一些PAVE(参见下文))，乙烯(E)、TFE和HFP的共聚物(即通常所说的EFEP)、以及TFE和全氟代(烷基乙烯基醚)(PAVE)的共聚物(即通常所说的PFA)。优选的PAVE为全氟代(丙基乙烯基醚)(PPVE)、全氟代(乙基乙烯基醚)(PEVE)和全氟代(甲基乙烯基醚)(PMVE)，其聚合物也可以包含PPVE，有时被其制造商称为MFA。同样优选的是：E和TFE的共聚物，即通常所说的乙烯/四氟乙烯(ETFE)；E和三氟氯乙烯(CTFE)的共聚物，即通常所说的ECTFE；偏二氟乙烯(VF2)的均聚物，即通常所说的聚偏氟乙烯(PVDF)，以及VF2(如TFE/VF2和TFE/HFP/VF2)的共聚物，即通常所说的THV。更优选的共聚物为FEP。
绝缘体的介电质可以根据本发明以多种方式周期性地变化。例如，可以在制造过程(线材挤出)中周期性改变绝缘体发泡的程度或类型，方法是：如果利用气体注入来发泡，则可通过改变气体压力，或通过改变成核剂的量或类型。作为另外一种选择，可以通过更改介电质的组成来改变介电质，例如，在线材被挤出包覆时周期性地改变FEP的共聚单体(HFP)的组成。挤出后可采用第三种方法来处理绝缘的线材，例如通过将泡沫绝缘体暴露于周期性变化的热条件或机械条件以收缩或压缩泡沫，进而改变其介电质。
在本发明的另一个实施方案中，通信电缆可以为光纤。优选的光纤材料包括玻璃例如非晶硅或非晶塑料例如丙烯酸树脂或者非晶含氟聚合物，Teflon 
Figure A200780041325D0014151139QIETU
在本发明的另一个实施方案中，可使用一对或多对双绞线作为通信电缆。双绞线可以为屏蔽的或非屏蔽的双绞线。双绞线包括两条单一的绝缘导线彼此绞合形成双绞线，如上所述。本发明的双绞线通过以低于被编码的电磁能量沿双绞线长度传播的最高频率的频率周期性地改变传播速度(Vp)来减少传播过程中目标信息的添加失真。在至少10米的优选距离上，更优选至少20米，最优选至少60米的距离上，沿双绞线长度的传播速度相对于真空中的光速变化至少约1％，更优选地至少约1.3％，最优选地至少约2％。应当注意，上面提及的电缆长度上相对于真空中光速的约1％至10％或更优选的2％至10％的Vp也适用于双绞线电缆和其他通信电缆，例如前面提及的那些电缆。
在双绞线中，感应效应一般比介电效应具有更大的影响。也就是说，由于具有绞合效应和机械影响，双绞线中各导线彼此的接近性是变化的，从而改变导线间的感应效应。可通过周期性地改变绝缘体的直径来实现根据本发明的周期性变化，例如通过压缩或收缩泡沫聚合物绝缘体来改变两条导线在双绞线中彼此靠近的程度。应该注意，本发明的绝缘导线只需是双绞线绝缘导线的其中之一。另一种绝缘导线可为传统绝缘导线或者可以为本发明的绝缘导线。要实现本发明的有益效果，只需双绞线的绝缘导线之一在传播速度中具有周期性变化。
可通过各种方法来确定双绞线的传播延迟。在本发明的一个此类方法中，根据ANSI/SCTE49-2002进行测量时，双绞线的传播延迟大于约20纳秒每10米。(例如，将双绞线长度为约1000米的单一长度切割成几段电缆，每段的单独长度为约10米，用来测定传播延迟，10米双绞线段中具有最低传播延迟的10米段与具有最高传播延迟的10米段之间的差异大于约20纳秒每10米长度。)
在本发明的一个实施方案中，双绞线的每条绝缘导线沿双绞线长度的传播速度以彼此类似的速率变化。在本发明的另一个实施方案中，当在同一位置沿所述双绞线的长度测试时，每条绝缘导线在任意点的传播速度的变化均在每条绝缘导线的1％以内。
本发明的双绞线可以均匀或非均匀地绞合。对于均匀双绞线，在至少10米，更优选20米，最优选60米的双绞线长度上，沿双绞线长度的传播速度的变化相对于真空中的光速为至少约1％，更优选为至少约1.3％，最优选为至少约2％。另一种测定双绞线传播速度的方法如下。与沿连续1000米无材料缺陷、破损或空隙的双绞线长度的至少两个其他10米段相比，均匀绞合的双绞线的传播速度在至少10米双绞线长度上有所变化。
对于本发明的不均匀双绞线，双绞线未加以绞合。在长度为至少10米以及更优选20米的双绞线的单一绝缘导线上测定的相对于真空中光速的Vp为至少约1％。在本发明的一个实施方案中，第一双绞线紧邻至少第二双绞线，第二双绞线沿第二双绞线长度的传播速度不变。
在本发明的另一个实施方案中，至少第二双绞线紧邻第一双绞线，其中第二双绞线的介电质变化独立于或依赖于第一双绞线。
在本发明的另一个实施方案中，第一双绞线紧邻介电质，介电质包括在一组双绞线内将第一双绞线与至少一条或多条第二双绞线分隔开的填充材料。
在本发明的另一个实施方案中，双绞线紧邻介电物质，其中介电物质包括包裹双绞线的护套。
在本发明的另一个实施方案中，双绞线紧邻介电物质，该介电物质为紧贴屏蔽或金属物质的涂层，例如聚烯烃、聚丙烯或聚乙烯。在本发明的另一个实施方案中，双绞线紧邻金属屏蔽，例如铜或铝。
在本发明中，双绞线通过了National Fire PreventionAssociation的测试255、259或262。
在本发明中，单一绝缘导线、双绞线以及其他通信电缆实施方案以优选的带宽不大于1000MHz，更优选的带宽不大于625MHz的频率周期性改变传播速度。
双绞线电缆的实例为Cat 6电缆。该Cat 6电缆具有宽范围的电气规格，因此需要在严格公差内进行精密的设计和制造，以满足这样宽范围的电气规格。引入介电常数沿线材长度的受控变化，如本发明中的那样，对回波损耗、串扰和外部串扰均提供显著效果。任何规则地间隔的缺陷都可能使电缆产生超规格的回波损耗和/或串扰。例如，基于旋转机械的电缆制造设备会在双绞线中产生规则地间隔的变化。双绞线几何形状中的物理缺陷对应于阻抗变化。阻抗的任何变化都会导致一些传输的能量被反射回电缆输入端。如果阻抗的不连续性是均匀间隔的并且具有均匀的传播速度，那么它们均具有相同的电长度。在对应于该电长度的频率处，所有反射会相长性地相加，从而形成大的反射信号或超出规格的回波损耗(如失真或缺陷)。退扭是为了在物理上打乱缺陷的规则间隔进而改善电缆性能所作的尝试的一个实例。作为另外一种选择，可沿双绞线的长度来改变电长度以打乱缺陷的规则间隔，进而改善电缆的回波损耗。然而应当注意，电长度沿双绞线长度的线性变化只会改变回波损耗的频率而不会改变其大小。周期为1至1000米非线性变化，如正弦曲线、三角形或正方形曲线变化，会改善电缆的回波损耗并且可能放宽制造公差。
为了使一对双绞线表现出强耦合(即，具有超出规格的串扰)，必须满足许多条件，例如以下要点所指出的条件：
·双绞线必须紧邻。
·双绞线必须在长距离上平行。
·双绞线必须具有匹配的绞合电长度(或匹配的绞合电长度的倍数)。
·双绞线的绞合必须排列一致。
·双绞线必须传输具有与绞合电长度(或其倍数)匹配的频率的信号。
(应当注意，耦合源在位于相同电缆内或相邻电缆内的双绞线之间是相同的。)
在同一电缆内，制造公差可以在假定不同双绞线的绞距之间形成重叠。沿两对双绞线长度的电长度的受控变化会干扰绞距之间电长度的匹配。这会改善(即降低)串扰并放宽制造公差。
通过匹配相邻电缆内的双绞线来控制外部串扰。沿两对双绞线长度的电长度的受控变化会干扰绞距之间电长度的匹配。这会改善外部串扰并且可缩短总体电缆尺寸，原因参考上述图5至7所述的内容。
本发明的一个实施方案为非屏蔽双绞线(UTP)电缆的每个双绞线的电长度的独立的缓慢周期性变化以改善其可制造性。在制成的电缆中，周期性结构和缺陷会在电缆的串扰和回波损耗性能的频率响应中引入波峰。电长度的缓慢周期性变化不会改变这些频率响应波峰下方的面积，但是会加宽波峰从而“砍掉”波峰的顶部，进而获得例如3至6dB的改善。此有益效果可添加到制造过程中所引入的任何其他效果如退扭中。
在本发明中，两个此类适用的制造技术包括：1)在单线制造过程中引入绝缘导线总直径的缓慢变化。可通过使用射频感应改变铜线的预热温度来实现这种变化。将用于形成一对双绞线的两条单线之间的变化协调一致是非常重要的。2)在双绞线的铜线之间引入缓慢的间隔变化。可通过改变双绞线在冷射频等离子中经历的时间来实现这种变化。使双绞线保持承受纵向张力是非常重要的，以使得铜线间隔移动以适应线材绝缘收缩。
实施例1
电缆阻抗为100Ω，具有额外1Ω的缺陷大小。电缆的总长度为100米。缺陷间隔为0.3724米(14.7英寸)，对于1.8的介电常数，应在300MHz处产生回波损耗的波峰。
绞合(或退扭)会对电缆施加非均匀的扭矩。缺陷间隔会根据其在电缆内的位置而受到影响。电缆末端的缺陷受影响最大，移动1cm，而中心处的缺陷完全不受影响。扭矩的线性分布只会移动回波损耗波峰而不会影响其高度。扭矩的非线性分布会“抹掉”波峰，从而降低其高度。表1示出了回波损耗改善的建模数据。在一种情况下，所应用的周期性变化的形状为三角形。在另一种情况下，其形状为正弦曲线。
表1
 
介电常数 绞合(cm) 回波损耗(dB)   阻抗(Ω) 回波损耗改善(dB)    
标准构型 1.8 0 11.9 77至117 0
具有绞合 1.8 -1 13.3 94至151 1.4
具有受控的电长度变化     1.8±0.1三角形 0 13.8 73至110 1.9
两者皆有 1.8±0.1三角形 -1 14.8 67至140 2.9
具有受控的电长度变化     1.8±0.1正弦 0 13.8 67至109 1.9
两者皆有 1.8±0.1正弦 -1 15.3 86至134 3.4
比较实施例1
此实施例演示由绝缘导线中的周期性缺陷导致的添加失真效果。在常规线材包覆生产线上，用泡沫FEP含氟聚合物绝缘包覆铜导线(24号线规，20密耳，500μm)，聚合物绝缘的厚度为8密耳(200μm)。包覆生产线上的绞盘轮(直径为18英寸(45cm))被改进成具有凸起部分(突起)。每旋转一次，所述凸起部分就会影响被包覆的线材上的张力一次，从而造成缺陷。包覆生产线的运行速度为700英尺/分钟(213米/分钟)。制备了10,000米的绝缘导线。在包覆作业期间使用Sikora Centerview2010测试设备进行的测量显示，绝缘导线的传播速度(Vp)为75.45％(100％为真空中的光速)。
在Thermoplastics Engineering Corporation(TEC)的线材对绞设备(型号BTTW560E)中，对控制线的长度进行配对和绞合。以0.5＂(12.3mm)的绞距、2200绞/分钟的速度以及30％的退扭率来绞合线材。将所得的双绞线切割成100米的长度用于测试。
使用8753HP网络分析仪在DCM Industries SCS-350结构化布线组件一致性测试系统(Structural Cabling Component Compliance TestSystem)上测试十个样本，在1至350MHz的范围内进行801次测量。对每个样本进行最少五次测试，测试期间，如有必要，通过切割来调整样本长度以使添加失真最大化。这些通过切割进行的调整为约2至5cm。
在240MHz处以及以较小的程度在120MHz处以回波损耗形式看到了添加失真。图8中通过基线图示出了这一点。240MHz处的平均回波损耗为12.6db，120MHz处的平均回波损耗为13.1db。
实施例2
本发明的一个实例通过本实施例来进行说明。本实施例重复比较实施例的条件，不同的是，用于冷却离开挤出机后的包覆的导线的水浴位置在进行包覆过程中是变化的。将长度约30英寸(75cm)的包覆的线材浸入水浴中。水浴的正常位置距包覆的导线离开挤出机包覆模具的点约1英尺(30cm)。以每个循环12至14秒的频率将水浴从出口点移动6至18英寸(15至45cm)。在循环过程中，约150英尺(45m)的绝缘导线穿过水浴。此为变化的波长，其对应频率为约5MHz。其效果是改变被包覆导线的冷却速率，从而影响绝缘体的收缩率和收缩程度。在本实施例中，绝缘体的直径改变±0.001英寸(25μm)。沿绝缘导线长度的变化形状近似为三角波。通过测量绝缘导线的连续样本，确定出Vp从74.8％变化至76.1％(即1.3％)。Vp的平均值为75.45％。这与比较实施例的结果相同，当然，在比较实施例中Vp没有变化。
将本实施例的绝缘导线样本与比较实施例的绝缘导线对绞以制备用于测试的双绞线。对这些双绞线进行测量，测量内容类似于比较实施例中进行的那些。240MHz处的平均回波损耗为14.2db，120MHz处的平均回波损耗为14.8db。参见图8。
与比较实施例(图8的基线)相比，实施例2(图8的可变Vp)中得到的回波损耗的改善在240MHz处为1.6dB，在120MHz处为1.7dB。通过制造过程中的操作所引入的Vp变化，减少了绝缘导线中周期性缺陷所导致的添加失真。
实施例2表明，引入沿通信电缆长度的受控周期性变化可通过降低回波损耗来减小缺陷造成的效果。虽然在本实施例中未测量串扰，但串扰也可减少。
因此显然，根据本发明已提供了完全达到上文所提出的目标和优点的通信电缆。虽然在本文中是结合具体实施方案来描述本发明，但显然，许多替代方案、修改形式和变型对于本领域的技术人员将显而易见。因此，本发明旨在涵盖所有属于所附权利要求书的实质和宽范围内的替代方案、修改形式和变型。

Claims (22)

1.一种通信电缆，所述通信电缆包含被编码为电磁能量的目标信息，所述电磁能量以传播速度沿所述电缆纵向传播，引导所述电磁能量的所述电缆通过以低于所述电磁能量沿所述电缆传播的最高频率的频率周期性地改变所述传播速度来降低传播过程中所述电磁能量的添加失真。
2.根据权利要求1的通信电缆，其中周期性地改变所述传播速度包括正弦波形、三角波形、方波波形、二次波形、类似波形或它们的组合。
3.根据权利要求1的通信电缆，其中所述电缆包括介电质、导线或它们的组合。
4.根据权利要求1的通信电缆，其中所述电缆包括：
a)导线，和
b)围绕所述导线的介电材料，其中所述介电材料改变相对于空气的沿所述电缆长度的所述传播速度，并且所述速度改变相对于真空中的光速为至少约1％。
5.根据权利要求4的通信电缆，其中所述介电材料改变在约10米至1000米电缆长度上的传播速度。
6.根据权利要求1的通信电缆，其中所述电缆包括绝缘线材、双绞线、同轴电缆、或光纤。
7.根据权利要求6的通信电缆，其中所述电缆包括具有绝缘导线的双绞线，所述绝缘导线各具有被介电材料围绕的导线，所述介电材料改变相对于空气的沿所述电缆长度的所述传播速度，并且所述速度改变相对于真空中的光速为至少约1％。
8.根据权利要求6的通信电缆，其中所述双绞线为屏蔽的或非屏蔽的。
9.根据权利要求6的通信电缆，其中所述光纤包括玻璃或塑料。
10.根据权利要求1的通信电缆，其中所述电缆包括双绞线，所述双绞线包括：
a)第一导线，该第一导线具有围绕所述第一导线的第一介电材料，从而形成第一绝缘导线；和
b)第二导线，该第二导线具有围绕所述第二导线的第二介电材料，从而形成第二绝缘导线；其中所述第一绝缘导线和第二绝缘导线相互围绕绞合而形成所述双绞线，所述双绞线通过以低于所述电磁能量沿所述双绞线传播的最高频率的频率周期性地改变所述传播速度来减少传播过程中所述电磁能量的添加失真。
11.根据权利要求10的通信电缆，其中所述双绞线改变沿所述双绞线长度的传播速度，所述速度改变相对于真空中的光速为至少约2％。
12.根据权利要求11的通信电缆，其中所述双绞线被均匀绞合，并且所述传播速度在至少10米的双绞线长度上变化。
13.根据权利要求12的通信电缆，其中与沿连续1000米无材料缺陷、破损或空隙的双绞线长度的至少两个其他10米段相比，所述均匀绞合的双绞线改变在至少10米双绞线长度上的所述传播速度。
14.根据权利要求10的通信电缆，其中所述第一绝缘导线和所述第二绝缘导线中的至少一个沿所述双绞线长度以彼此相似的速率改变传播速度。
15.根据权利要求10的通信电缆，其中所述第一介电材料和所述第二介电材料中的每一个的总介电常数均小于约2。
16.根据权利要求10的通信电缆，所述通信电缆还包括至少第二双绞线，其中所述双绞线紧邻所述至少第二双绞线，所述第二双绞线不改变沿所述至少第二双绞线长度的传播速度。
17.根据权利要求10的通信电缆，所述通信电缆还包括至少第二双绞线，其中所述双绞线紧邻所述至少第二双绞线，所述第二双绞线独立于或依赖于所述双绞线改变介电质。
18.根据权利要求10的通信电缆，所述通信电缆还包括至少一个或多个第二双绞线，其中所述双绞线紧邻介电物质，所述介电物质包括填充材料，所述填充材料在一组双绞线内将所述双绞线与所述至少一个或多个第二双绞线分隔开。
19.根据权利要求10的通信电缆，其中所述双绞线紧邻介电物质，所述介电物质包括包裹所述双绞线的护套。
20.根据权利要求10的通信电缆，其中所述双绞线紧邻介电物质，所述介电物质紧贴屏蔽或金属物质被包覆。
21.根据权利要求4的通信电缆，其中所述介电材料为泡沫聚合物。
22.根据权利要求13的通信电缆，其中所述介电材料为泡沫聚合物。
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