CN101779345A - 宽带扭转盒 - Google Patents

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一种扭转盒(10)广义地包括：柔性带(13)，以及操作上与所述带相关联的用于补偿归因于集肤效应和/或介电损耗的高频数字波形成分衰减的预增强电路(11)，由此可以增加经所述带传输的信号的工作带宽。均衡电路(14)可被安排在所述带的输出端处，以便进一步扩展工作带宽。

Description

宽带扭转盒
技术领域
本发明一般涉及扭转盒(twist capsule)，尤其涉及使用预增强电路和可选地均衡电路而具有扩展的高频响应和信号调节的改进的宽带扭转盒，其将高速数据信号传输能力扩展到每秒10.0千兆比特(“Gbps”)以上。
背景技术
扭转盒是使用环绕轴的柔性电路传输信号和功率通过不连续的旋转或振荡接口的设备。这些设备通常允许在某个有限范围内的角旋转。典型的示例包括在呈现振荡运动的万向架组件中携带信号和功率的扭转盒。在美国专利No.4,693,527 A和4,710,131 A中示出并描述了各种扭转盒。在美国专利No.6,296,725 B1中示出并描述了在扭转盒中使用的高频带状电缆。这三个专利的每一公开都通过引用包含在此。
扭转盒以服务寿命极长闻名，通常超过1亿个达360度的全摆幅周期(full-excursion cycle)。这种长服务寿命要求对盒的运动学的周到关注。
应该小心地维持移动导体内的低应力，所述移动导体在大多数扭转盒中是柔性带(flex tape)。扭转盒服务中的低应力和长服务寿命要求使用高度柔性的导体以及介电材料。促进扭转盒长寿命所必需的物理特性也对能够凭借其进行成功传输的信号类型，特别是有关高速数据传输施加了严格的电气限制。主要的电气限制是阻抗匹配和高频损耗。已经开发了主要通过使用利用微波传输带和带状线构造的多层柔性电路连同利用接地面结构来最优化电路阻抗和控制电磁场的设计策略，来允许传输通过这些设备的中等高速数字数据信号的技术。这些技术的效率随频率的增加而降低，且在1Gbps以上的数据率的情况下，对于要求较大带宽和相对高的传输线阻抗的传输格式特别成问题。
薄导体和电介质的使用最小化了柔性带的厚度并提高了旋转寿命，但却对所得传输线的阻抗和损耗施加了严格的限制。上述问题对于诸如LVDS、Fibre Channel(光纤通道)、XAUI、Infiniband(无限带宽)之类被设计成围绕具有相对高特性或差动阻抗(100欧姆是极为常见的值)的铜传输线的高速数据传输方案尤为尖锐。
长寿命扭转盒设计领域的当前状态是使用带有薄聚酰亚胺电介质的柔性带构造来实现柔性。促进长寿命的典型厚度值也使得在实践上若不创建极窄迹线(trace)则无法达到100欧姆量级的阻抗值。例如，在使用3密尔聚酰亚胺电介质的柔性带中100欧姆的差分阻抗要求约2密尔或更窄(即大约0.002″或大约0.05mm)的导体迹线。如果这一导体宽度能被可靠地制造，那么对于许多典型的扭转盒，电路阻抗可以极高，从约5到约10欧姆量级或更高。
此外，由于包含高频谐波能的较快边缘速度，在要求几千兆赫(“GHz”)带宽的高速数据格式中高频损耗变得非常重要。由于将高频载波限于导体的薄表皮上的集肤效应，在高阻抗柔性带中的极窄导体在高频处具有较高的损耗。此外，诸如聚酰亚胺的传统介电材料在约1GHz的频率处呈现出高损耗，同时还呈现出频率相关的频散，这导致不同的频率以不同的速度传播。
以超过约1.0Gbps的数据传输率使用常规柔性带传输线构造的最终结果是由频散造成的高频分量的严重衰减和数字数据边缘过渡的拖尾效应。这类传输的眼图案测试会示出严重的闭眼或根本没眼。以下将讨论对高速数据信号传输的信号完整性的这些挑战中的每一个挑战。
典型的柔性电路结构使用夹在在聚酰亚胺介电材料层之间的蚀刻铜迹线。图1中示出了作为对柔性传输线中高频性能的主要限制的介电损耗。感兴趣的参数是损耗因数(loss tangent，纵坐标)，其是对高频损耗的方便度量。如图1所示，作为最常用作扭转盒柔性带结构中的介电材料，聚酰亚胺在高频的损耗尤其严重。诸如液晶聚合物(“LCP”)和聚四氟乙烯(“PTFE”)的其他介电材料具有较好的高频属性，但却昂贵地多且更难以制造。由于归因于介电损耗和集肤效应的高频能量的损耗增加，高频数据方波的边缘速度会劣化到可能危及数据完整性的程度。
这些介电材料的确具有低介电常数和低频散的工作优点，但是用于以约1.0Gbps及以上通过柔性带的数据链路的高阻抗传输线在扭转盒环境中仍是一项巨大的挑战。扭转盒和柔性带运动学的机械设计需求对柔性带传输线的电气设计施加了实践上的限制，并且趋于支持低阻抗设计。诸如PTFE和LCP的低介电常数材料在创建高阻抗传输线方面是有利的，但是扭转盒中长服务寿命所需的物理限制通常与实现高阻抗传输线结构的物理需求(诸如100欧姆LVDS接口所需的物理限制)是不一致的。
相应地，一般期望提供一种允许传输更高带宽的信号的用于扭转盒的改进的柔性带。
发明内容
使用对仅出于说明而非限制目的的一个或多个公开实施例的相应部件、部分或表面的附带参考，本发明广义地提供了一种改进的扭转盒(10)，其广义地包括：柔性带(13)；以及与所述带操作性相关联以补偿归因于集肤效应和/或介电损耗的高频数字波形成分衰减的预增强电路(11)；由此可以增大经带传输的信号的带宽。
预增强电路可以在比特的过渡时间期间添加额外的输出电流。
预增强电路可放置或定位在输入连接器或外部互连处，或可位于扭转盒内部。
改进的柔性带可以进一步包括在扭转盒信号输出处的均衡电路(14)。该均衡电路可以用作当数据离开带时对数据的高通滤波器和放大器。
改进的柔性带能够以超过1.0Gbps的数据率传输数据流。带的带宽可以超过20GHz。
带可以提供可控的阻抗传输线。
带的阻抗可以与传输线的阻抗匹配。
带的阻抗可以被确定为随着带端部(end)的匹配电阻器的变化而变化。
相应地，本发明的一般目的是提供用于扭转盒的改进的柔性带。
另一个目的是提供具有预增强电路的改进的扭转盒柔性带以便补偿归因于集肤效应和介电损耗的高频数字波形成分的衰减。
又一个目的是提供在扭转盒信号输出处具有均衡电路的改进的扭转盒，所述均衡电路用作当数据离开扭转盒并进入接收器电子元件时对数据的高通滤波器和放大器。
再一个目的是提供具有处理超过3.0Gbps的多千兆比特数据速度的能力以及具有远高于10.0GHz的工作带宽的高带宽扭转盒柔性带。
这些和其他目的和优点会从上述和行进中的说明书、附图和所附权利要求中将变得显而易见。
附图说明
图1是对各种介电材料的损耗因数(纵坐标)相对于频率(横坐标)的图示。
图2是没有预增强电路的扭转盒柔性带的输出的眼图(EYEDIAGRAM)。
图3是具有预增强电路的改进的扭转盒柔性带的眼图。
图4是具有预增强电路和均衡电路两者的改进的扭转盒柔性带的眼图。
图5是显示具有SMPTE 424的差分驱动信号的本发明实现的简图。
具体实施方式
起初，应该清楚地明白相似的参考编号旨在贯穿各附图一贯地标识相同的结构元件、部分或表面，因为这些元件、部分或表面可以由具体实施方式作为其完整部分的整个说明书进一步描述或解释。除非另外指明，附图旨在结合说明书一起阅读(例如交叉影线、部件的排列、比例、程度等)，并且旨在被认为是本发明的整个书面描述的一部分。如在以下描述中所使用的，术语“水平的”、“垂直的”、“左”、“右”、“上”以及“下”以及其形容词和副词派生词(例如“水平地”、“向右地”“向上地”等)仅是指当特定附图面对读者时所示结构的定向。相似地，术语“在内部”和“在外部”一般指相对于其伸长轴或转动轴(视情况而定)的表面的定向。
本发明通过使用低阻抗传输线以及具有电阻网络和有源电子设备以提供增益、具有预增强和可选地具有均衡以实现比迄今为止柔性带可能达到带宽的更高带宽，解决了扭转盒柔性带设计的问题。
本发明通过使用传输预增强和可选地具有接收均衡电路来扩展扭转盒的带宽。信号预增强电路用于扩展传统传输线的带宽。该技术补偿了归因于集肤效应和介电损耗两者的高频数字波形成分的衰减。【见例如“Using Pre-Emphasis and Equalization with Stratix GX”，White Paper，Altera Corp.，San Jose，CA(2003).】
预增强电路可以在比特的过渡时间期间添加额外的输出电流。这趋向于加速边缘速率，并且也向驱动器输出处的信号提供了一比特的过冲量，同时获得增加的谐波能。这一经修改的波形仍然由互连(传输线)负载，但是末端效应现在是非常不同且改进的。【见例如Goldie，J.，”Eye Opening Enhancements Extend the Reach of High-SpeedInterfaces”，Nation Semiconductor Corp.，Silicon Valley CA(2008)。)
图2和3中所示的眼图案描绘了约3Gbps数据速度下的没有预增强(图2)和使用预增强(图3)的扭转盒，并将两者加以比较。眼图案从不可用的性能(图2)到相当好的性能(图3)。预增强一般在信号进入扭转盒的柔性电路区域之前执行，并且预增强电子元件可放置在输入连接器处、外部互连中或位于扭转盒内部。
对信号完整性的额外改进可以通过在扭转盒信号输出处使用均衡来实现。均衡用作高通滤波器和放大器，以在数据离开扭转盒并进入接收器电子元件之前补偿数据的频率相关损耗。如图4所例示，该信号处理在以约3Gbps通过柔性带时产生非常张开的眼。均衡电子元件也可放置在扭转盒的内部或外部。预增强和均衡的组合可以允许在比本领域约1Gbps的当前状态高得多的数据率上使用扭转盒组件。不存在使得这些技术不能将扭转盒的高频性能扩展到10Gbps或更高的内在原因。
现在参考附图，图1是有关三种不同介电材料的损耗因数(纵坐标)相对于频率(横坐标)的图示。损耗因数是介电材料将所施加的电场转换成热能的程度的度量，即电介质内损耗的度量。如图1中所示，聚酰亚胺的损耗因数随着频率增大而增大，而LCP的损耗因数随着频率的增大而略微减小，以及PTFE的损耗因数随着频率的增大基本保持不变。
图2是不使用预增强电路的情况下数据以约3Gbps传输通过柔性带的眼图【即电压(纵坐标)相对于时间(横坐标)】。
图3是使用预增强电路的情况下数据以约3Gbps传输通过柔性带的眼图。
伴随着预增强电路的增加和使用，扭转盒从不可用(图2)到相当好的性能(图3)。预增强一般在信号进入扭转盒的柔性电路区域之前执行，并且预增强电子元件可放置在输入连接器处、在外部互连中或位于扭转盒内部。
额外的改进可以通过在扭转盒信号输出处增加均衡电路来实现。均衡用作当数据离开扭转盒并进入接收器电子元件之前数据的高通滤波器和放大器。如图4所例示，该组合在以约3Gbps通过柔性带时产生张开度很大的眼。均衡电子元件也可放置在扭转盒的内部或外部。
图5是改进的扭转盒的一个实施例的简图，总体由10指示。在这种情况下，约3.125Gbps的差分驱动信号被提供给预增强电路11，后者则包括LVDS驱动器12和串联端接电阻器R1、R2。电路11的输出被提供给柔性带13的输入端。在带的输出端，输出信号被提供给均衡电路14，后者则包括串联端接电阻器R3、R4和LVDS驱动器15。
预增强和均衡电路的增加使得扭转盒组件能够在远高于被视为实践上限的1Gbps的数据率下使用。实际上，20GHz或以上量级的信号带宽现在是可能的。
各种形式的这种预增强和均衡电路是可以购买到的。
修改
本发明明确预期可以作出各种改变和修改。
例如，作为替换的介电材料可用于柔性电路设计。图1示出了LCP和PTFE两者作为改进了高频特性的介电材料。这些材料可用于递增地改进柔性电路的高频带宽(优于聚酰亚胺材料)，并能与上文解释的预增强和均衡过程结合使用。
因此，虽然示出并描述了改进的宽带扭转盒的优选形式，并且对其若干修改进行了讨论，但是本领域技术人员将会容易理解可以作出各种其他的改变和修改而不背离由以下权利要求定义和加以区分的本发明的精神。

Claims (10)

1.一种扭转盒，包括；
带；以及
操作上与所述带相关联的预增强电路，用于补偿归因于集肤效应和/或介电损耗的高频数字波形成分衰减；
由此可以增加经所述带传输的信号的带宽。
2.根据权利要求1所述的扭转盒，其中所述预增强电路在比特的过渡时间期间添加额外的输出电流。
3.根据权利要求1所述的扭转盒，其中所述预增强电路被安排在输入连接器、外部互连之一中，或者位于所述扭转盒内部。
4.根据权利要求1所述的扭转盒，还包括：
所述带输出处的均衡电路。
5.根据权利要求4所述的扭转盒，其中所述均衡电路用作当数据离开所述带时对所述数据的高通滤波器和放大器。
6.根据权利要求1所述的扭转盒，其中所述带能够以超过1.0Gbps的数据率传输数据流。
7.根据权利要求1所述的扭转盒，其中所述带的带宽超过10GHz。
8.根据权利要求1所述的扭转盒，其中所述带提供可控的阻抗传输线。
9.根据权利要求8所述的扭转盒，其中所述带的阻抗与传输线的阻抗匹配。
10.根据权利要求9所述的扭转盒，其中所述带的阻抗被确定为随着所述带一端的匹配电阻器的变化而变化。
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