CN102884593A - 用于减少数据通信电缆中偏斜的fep改性 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电缆，包括：第一绝缘导线双绞线，所述第一双绞线具有第一捻距；第二绝缘导线双绞线，所述第二双绞线具有第二捻距，其中，所述第二捻距比所述第一捻距长；覆盖所述双绞线的至少一个护套，其中，将添加剂加入到所述第二双绞线的导线的绝缘体里，以使得相对于所述第一双绞线的导线的绝缘体的介电常数，提高所述第二双绞线的导线的绝缘体的介电常数，导致所述第一和第二双绞线之间的偏斜减少。

Description

用于减少数据通信电缆中偏斜的FEP改性

相关申请

本申请要求2010年5月12日提交的美国临时专利申请号为61/334,033的优先权，其全文通过引用结合。

技术领域

本装置涉及通信电缆。更特别地，本装置涉及采用了改进绝缘体的数据通信电缆。

背景技术

在通信行业，一种常见的通信电缆是由四对导线形成的LAN（局域网）电缆。这些导线对由两条相互扭曲缠绕的电线制成，通常称之为双绞线。典型的高速通信电缆可包括数个由外部护套封装的屏蔽或无屏蔽双绞线。

通常，该电缆结构面临的一个问题是信号干扰或串音，其可以发生在电缆里的双绞线之间以及与电缆外部其它信号源发生干扰，特别地与在邻接电缆中运行的的无屏蔽双绞线发生干扰。为了减少串音的影响，在无屏蔽数据通信电缆中的双绞线具有互不相同的扭曲率，以使得通常的四对LAN电缆将具有4对双绞线，每对具有不同的扭曲率。

然而，由于不同的扭曲率用于处理串音，出现了另一称之为偏斜（skew）的电缆结构障碍。例如，对于任意给定长度的电缆，沿着两条相邻的具有不同扭曲率的双绞线送出的同一信号将在不同时刻到达电缆的末端。这会发生是因为在相同的电缆中一对比另一对以更短的捻距（laylength）（更高的扭矩率）扭曲，必然会导致在更短捻距的双绞线中的物理导线路径比具有更长捻距（低扭曲率）的那些双绞线的导线路径要长。这最终的时间差就是熟知的偏斜。

偏斜的特性不仅仅受到各种双绞线里导线物理长度的影响。用在双绞线上的绝缘体也影响信号传播的速度。该影响是通信信号部分地穿过导线双绞线上绝缘体的结果，放慢了传播速率。因此，在较长（较短捻距）双绞线里，信号对于绝缘体的介电耦合放慢了传播速率。

而且，用于绝缘体的每种聚合物具有它自己的介电常数。某些聚合物具有低介电常数，对信号速度的影响相应的较少。这样聚合物的示例是FEP（氟化乙丙烯共聚物）。其它的聚合物比如聚丙烯具有较高的介电常数，从而在信号速度上表现出较大的负面影响。这进一步加剧偏斜问题。

现有技术已处理偏斜问题的方法是通过在那些双绞线上使用的绝缘体发泡从而增加较慢双绞线里相对的信号传播速度。通过使绝缘体发泡，减小介电常数，从而允许慢双绞线（具有较短捻距的双绞线）里的信号相对于较快的双绞线（具有最长捻距的双绞线）更快，降低电缆双绞线里整个的信号速度偏差，从而减少偏斜。

然而，发泡过程具有许多缺点；它很昂贵，产生降低的生产线速度（慢挤出），很难控制并最终产生高废品率。另外，发泡绝缘体很容易压扁，并因此导致电缆/双绞线失效于必要的抗压测试。实际上，在（将导线变成双绞线的）成对期间，发泡绝缘体甚至可过度地压缩/压扁。结果，为了补偿，在发泡双绞线上的绝缘体必须是过大尺寸的。这增加了电缆的整个直径，对于终端用户来说会产生问题，因为他们通常更喜欢更小直径的电缆。

发明内容

通过操控双绞线里导线绝缘体的电特性，通过将添加剂复合到聚合物里，并将这些合成物挤出到电线上，作为增压电缆双绞线的主要涂层，以在电缆里的双绞线之间获得有规则的电性能，本发明克服了这些缺点。

取代加快在电缆的慢双绞线里的信号传播从而减少偏斜，就像在现有技术里的情况那样，本装置将添加剂引入快双绞线（最长捻距）的绝缘体里，从而降低信号传播速度减少偏斜。通过改进绝缘体材料操控导线绝缘体的介电常数从而操控快双绞线的主要电特性。在另一装置中，取代，以及可能除了，采用添加剂放慢在较快双绞线里的传播速度，可以在电缆里一条或者更多条双绞线上采用完全不同的聚合物绝缘体。通过采用在传播速度上表现出不同影响的聚合物，也可以以这种方式控制偏斜。

本发明采用典型的挤出过程，与发泡过程相对，因此产生更高的生产线速度、更低的成本、更好的过程控制及减少了废品率。在现有技术里使用发泡产品观察到的挤压问题在本装置中得以极大地减少，且在许多情况下，得以消除，因此允许采用更小直径的双绞线，其反过来减小了电缆的尺寸，为终端用户产生优选的产品。

为了该目的，本装置指向带有具有第一捻距的第一绝缘导线双绞线的电缆。具有第二捻距的第二绝缘导线双绞线在双绞线的导线上具有绝缘体，其中第二捻距比第一捻距长。至少一个护套覆盖双绞线。将添加剂加入到第二双绞线的导线上的绝缘体里，以使得相对于第一双绞线的导线上绝缘体的介电常数，提高第二双绞线的导线上绝缘体的介电常数。

附图说明

通过下文的说明和附图可最好地理解本发明，其中：

图1示出了一个实施例中具有双绞线的无屏蔽数据通信电缆；以及

图2是在本装置的几个实施例中比较平均介电常数和平均功耗因数（dissipation factor）的图表。

具体实施方式

在一装置中，如图1所示，数据通信电缆10包括多个双绞线12a-d，每条双绞线具有不同的捻距且每条双绞线覆盖有绝缘体涂层14。将该捆双绞线拧成缆并封装在护套16里。

为了说明的目的，将本装置描述为由四条双绞线12a-d组成的通常八条电线LAN电缆。然而，本发明在这方面不受限制。本装置的原理同样可用在更少或更多双绞线的装置里。

在本装置中，将每条双绞线12a-12d上的绝缘体涂层14描述为FEP（氟化乙丙烯）。然而，本发明在这方面不受限制。本装置的原理也可被应用于其它的绝缘体聚合物，包括但不限于PE（聚乙烯）、PP（聚丙烯）、PTFE（聚四氟乙烯）、ECTFE（乙烯三氟氯乙烯）、ETFE（乙烯四氟乙烯）、PFA、MFA、PPO（聚苯醚）、PPS（Polyphenylene Sulfone癸二酸聚丙烯脂）、PEEK（聚醚醚酮）、PET（聚对苯二甲酸乙二醇酯）、PBT（聚对苯二甲酸丁二醇酯）、PA（聚酰胺，如尼龙）、PEI（聚醚酰亚胺）、PU（聚亚安酯）、TPE（热塑性弹性体）和TPV（热塑性硫化橡胶）。为了说明的目的，护套16可以是用于LAN电缆或其它类似结构电缆的任意通常的聚合物。

如在背景部分里介绍的那样，为了最小化LAN电缆10里相邻双绞线12之间的串音，相邻双绞线12具有不同的扭曲率，从而具有不同的捻距。双绞线12的彼此互不相同的捻距导致每单位长度电缆10，每条双绞线12不同的导线长度，从而导致信号传播穿过不同的双绞线，在不同时刻到达电缆10的末端。具有高扭曲率（短捻距）的双绞线12花费更长的时间到达电缆的末端。这种情况对双绞线电缆里的偏斜是起主要作用的因素。

在一个实施例中，如图1所示，电缆10具有4条双绞线12a-12d，每条具有彼此互不相同的捻距。例如，在满足CAT 5e 4对UTP（无屏蔽双绞线）标准的典型LAN电缆10里，双绞线12a-12d的捻距的变化范围为从0.5英寸（最短捻距—最慢的一对）至约0.9英寸（最长捻距—最快的一对）。如上面所述，一对，也就是双绞线12a，具有高扭曲率（0.5英寸的最短捻距），而相邻的双绞线12b-12d，每条具有较低的扭曲率（较长的捻距，0.55英寸（12b）、0.75英寸（12c）和0.9英寸（12d））。

要指出的是，上面样例的捻距仅用于说明的目的。LAN电缆里任意系列的不同捻距均可利用本装置的特征。

作为对于双绞线12a-12d的上面样例捻距的结果，沿着双绞线12a传播的信号比穿过双绞线12b-12d移动的信号将花费更长的时间到达电缆10的末端。实际上，具有最长捻距的双绞线12d将花费最短数量的时间到达电缆10的末端。在本装置中，双绞线12a表现出与双绞线12d的最大偏差（与12b和12c也有偏差），导致电缆偏斜。

根据本装置，为了减少在双绞线12a和双绞线12b-12d之间，在电缆10里的偏斜，通过加入添加剂改进FEP涂层14，将添加剂挤出在最快的双绞线12d上，其增加最快的双绞线的介电常数，因此减慢了传播速度，以使得在快双绞线12d里的信号最终到达电缆10的末端，在时间上更接近于较慢的双绞线12a（其采用基本的FEP绝缘体）。

例如，基本FEP的介电常数约为2.07，其用在双绞线12a-12c上。然而，由于在双绞线12d上添加到的FEP绝缘体14的添加剂，有效的介电常数增加至约为2.3。这些添加剂实现该变化，将在下文以更多细节概述。

因为FEP在高温下挤出，有必要注意的一个特性是加入到双绞线12d上的FEP绝缘体14的添加剂的稳定性。例如，FEP具有高熔化温度，大致~260℃，以及甚至更高的处理温度，~360℃或以上（为了实现用于高速挤出的足够低的粘度）。

然而，大多数有机材料，包括大多数聚合物，在这些高温下会变质，使它们不适合用作添加剂。然而，在非常高的温度下，通常在500℃以上，可以采用大多数无机材料，从加工的角度来看，使它们用作添加剂是理想的。

同样，在本装置中，无机材料用于调节双绞线12d涂层14里FEP的介电常数。与它们被结合进的FEP的价格相比，这样的无机材料成本更低，使该过程具有成本效率。另外，不像大多数有机聚合物和聚合物添加剂，大多数无机添加剂不降低FEP的防火性能，这允许在双绞线之一（12d）的涂层14里使用该添加剂的电缆维持它们的高压等级，比如与NFPA262火焰测试有关的耐火等级。

在第一装置中，通过向聚合物里置入无机添加剂，选自由碳酸钙或滑石氧化物组成的组，从而改进FEP（或其它的含氟聚合物）的电特性。然后将该合成物挤出在电线上，作为双绞线12d的涂层14。在另一实施例中，也可采用其它的添加剂，比如氧化锌和氟化钙。在又一实施例中，与FEP具有至少一些有限的相容性的二次聚合物，比如ETFE[乙烯四氟乙烯]和ECTFE[乙烯三氟氯乙烯]，，可与双绞线12d的涂层14里的FEP混合，以获得“快”双绞线的介电常数类似的增加。其它的高温聚合物，像硅树脂（silicone）也可用作添加剂用于双绞线12d的涂层14。在每种情况下，当被结合进双绞线12d的涂层14里时，添加剂增加了介电常数，从而降低传播速度。

如图2中的图表所示，实验室评估值表明用于双绞线12d的涂层14的FEP的介电常数从2.07增加至2.30，由于添加了10%重量的碳酸钙或滑石，而没有严重影响功耗因数。在该装置中，当制作用于双绞线12d的涂层14时，通过内部聚合物挤压混合器首先将FEP熔化，然后在挤出之前加入碳酸钙或滑石。

也如图2所示，关于它们的平均介电常数以及功耗因数，比较了FEP的多种添加剂。要指出的是，制作通信电缆时，除了需要监控的偏斜之外，功耗因数是另一个问题。功耗因数与电缆里的插入损失（衰减）相关。当功耗因数增加时，电缆里有更多的信号损失。过多的信号损失可导致，例如，电缆达不到EIA-TIA（电子工业联盟-电信工业协会）对插入损失的要求，由于插入损失。用在双绞线12d涂层14里的不同添加剂，除了改变介电常数之外，也可对功耗因数产生负面影响。如图2所示，所选的特定的碳酸钙和滑石，除了提高介电常数之外，在功耗因数方面，相对于纯FEP而言，没有表现出明显增长。

在另一实施例中，图2也说明通过采用与上面加入添加剂相同的方式加入玻璃球可减少FEP的介电常数。在另一装置中，可将玻璃球结合进双绞线12a（或者可能是12b和12c），也就是较慢双绞线的FEP涂层14里，以为了加快传播速度穿过那里，甚至进一步减少电缆10的偏斜测量。在一装置中，除了在双绞线12d的涂层14里采用添加剂增加介电常数之外，可向双绞线12a（和/或双绞线12b-12c）的FEP涂层14里加入玻璃珠。

在一示例中，将直径约为3微米的玻璃珠加入到双绞线12a的涂层14里，以约90%FEP比10%玻璃的比例，导致介电常数为1.97（对照单独FEP时为2.07的介电常数）。相对于其它的双绞线12b-12d，该装置会加快信号传播穿过慢双绞线12a，再次减少电缆10里表现出的偏斜。

在另一实施例中，除了采用添加剂增加（双绞线12d里的）介电常数或减少（双绞线12a里的）介电常数之外，也考虑可采用不同聚合物用于双绞线12的不同涂层14，这些聚合物在此具有不同的介电常数。例如，一些用于涂层14的聚合物可包括下列各项，每种具有典型地属于列出范围的介电常数：PE（聚乙烯）2.2-2.4；PP（聚丙烯）1.5；PTFE（聚四氟乙烯）2.0；和PA聚酰胺2.5-2.6。

在一个装置中，对于双绞线12d来说，取代采用添加剂放慢传播速度从而减少偏斜，对于该双绞线12d来说，用于涂层14的聚合物可从FEP改变为表现出较高介电常数的不同聚合物。同样，取代采用像玻璃球那样的添加剂以增加传播速度从而减少偏斜，对于该双绞线12a来说，用于涂层14的聚合物可从FEP改变为表现出较低介电常数的不同聚合物。要指出的是，从一种聚合物到下一种聚合物，介电常数可以变化，甚至在单一聚合物种类之内介电常数可以变化，取决于它的具体配方；然而，为了减少电缆10里双绞线12之间的偏斜的目的，任何聚合物选择的这种使用均在本发明的构思之内。而且，用于双绞线12的涂层14的不同聚合物的使用也可与（为了降低和提高介电常数两方面的）添加剂的使用结合起来使用，从而实现双绞线12之间最好的传播速度平衡（最低偏斜），同样在本发明的意图之内。

在每个上述装置中，要指出的是，额外的添加剂比如增容剂或润滑剂可加入到合成物里，如果有必要的话有助于FEP和添加剂之间的相容性。例如，在复合过程期间，该添加剂通常会被加入，以及包括氟化橡胶、丙烯酸橡胶、热塑性弹性体、氟化聚合物、丙烯酸聚合物、聚碳酸酯和聚乙烯，只要该添加剂不会明显不利地影响上面实现的改进的偏斜结果。

作为上述特征的结果，相对于现有技术的LAN型数据通信电缆，通过改进用于最快双绞线12d（具有最长捻距）涂层14的FEP合成物，本装置提供了显著的优点，特别是通过放慢最快双绞线的信号速度，而不折中绝缘体的其它物理/机械性能且没有增加昂贵的处理，提供了它的防止偏斜的能力。

在另一实施例中，取代采用添加剂放慢电缆10的最快双绞线12d里的传播速度或加快电缆10的最慢双绞线12a里的传播速度，如上面讨论的那样，可期望的是调节双绞线12a-12d中的两条或者更多条的传播速度，以甚至进一步减少电缆10里的偏斜量。

如上面指出的那样，因为双绞线12d具有最长捻距，所以穿过双绞线12d传播的信号行进最快，而因为双绞线12a具有最短捻距，所以穿过双绞线12a传播的信号是行进最慢，使这两条双绞线成为对于电缆10的整个偏斜测量的最大的贡献者。然而，理想的是，在电缆10里的双绞线12，包括中间的双绞线12b和12c之间，根本就没有偏斜。

例如，在1,000’的电缆10里，每条双绞线12在长度上将有必要需超过1,000’，因为它们是扭曲的。例如，假定用于LAN电缆的正常尺寸铜导线/绝缘体和上述用于双绞线12a-12d的捻距，将需要约为1,010’的电线用于具有最长捻距的双绞线12d里的每条电线，将需要约为1,030’的电线用于具有最短捻距的双绞线12a里的每条电线，而对于双绞线12b和12c需要的数量在这之间。

结果，沿着最长捻距的双绞线12d向下行进的信号传播的信号将比沿着最短捻距的双绞线12a向下行进的信号早到达约2%。根据大多数的测试标准，对于100米长的电缆10来说，要求信号从电缆10的一端穿到另一端在任两条双绞线12a-12d之间的时间差不能超过45毫微秒。

同样，在一个装置中，除了通过将添加剂加入到涂层14或对于涂层14采用具有较高介电常数的不同聚合物而放慢双绞线12d里的传播速率，以使得双绞线12a和双绞线12d之间的总偏斜是可接受的，可以期望的是采用添加剂或不同聚合物用于双绞线12c（具有第二长的捻距），从而也让双绞线12c也更加接近于双绞线12a。同样可对双绞线12b做改进，以便降低双绞线12b和12a之间的偏斜。作为替换，诸如玻璃球的添加剂或采用具有较低介电常数的聚合物可用在双绞线12a以及双绞线12b（在较小程度上）里，以使得它们在偏斜测量上更加接近于双绞线12c和12d。在另一选择中，添加剂、较低介电常数的聚合物选择或是这二者的结合可用于较慢双绞线12a和12b的涂层14，与添加剂、较高介电常数的聚合物选择或是这二者的结合用于较快双绞线12c和12d的涂层14相结合。这导致对于双绞线12a-12d中的每一条来说，每单位长度电缆10的信号速度是相等的。

尽管在此已图示和描述了本发明的仅某些特征，但是对于本领域的技术人员来说，许多改进、替换、变化或等效现在将会发生。因此，要理解的是，本申请意在涵盖所有落入本发明的真实精神中的这些改进和变化。

Claims (11)

1.一种电缆，包括：

第一绝缘导线双绞线，所述第一双绞线具有第一捻距；

第二绝缘导线双绞线，所述第二双绞线具有第二捻距，其中，所述第二捻距比所述第一捻距长；

覆盖所述双绞线的至少一个护套，

其中，将添加剂加入到所述第二双绞线的导线的绝缘体里，以使得相对于所述第一双绞线的导线的绝缘体的介电常数，提高所述第二双绞线的导线的绝缘体的介电常数，导致所述第一和第二双绞线之间的偏斜减少。

2.如权利要求1所述的电缆，所述电缆进一步包括第三和第四绝缘双绞线，所述双绞线分别具有所述第一和第二双绞线的所述第一和所述第二捻距之间的捻距。

3.如权利要求1所述的电缆，其中，所述第一双绞线的绝缘体是FEP，而所述第二双绞线的绝缘体是包括FEP和添加剂的合成物。

4.如权利要求3所述的电缆，其中，所述添加剂选自由碳酸钙、滑石氧化物、氧化锌、氟化钙、ETFE、ECTFE和硅树脂组成的组。

5.如权利要求1所述的电缆，其中，加入到所述第二双绞线导线上的所述绝缘体的所述添加剂对所述绝缘体的功耗因数没有明显的影响。

6.如权利要求2所述的电缆，其中，所述第三双绞线的捻距比所述第一双绞线长，比所述第二和第四双绞线短，其中，所述第四双绞线的捻距比所述第一和第三双绞线长，比所述第二双绞线短，其中，将添加剂加入到所述第四双绞线的绝缘体，以增加介电常数。

7.一种电缆，包括：

第一绝缘导线双绞线，所述第一双绞线具有第一捻距；

第二绝缘导线双绞线，所述第二双绞线具有第二捻距，其中，所述第二捻距比所述第一捻距长；

覆盖所述双绞线的至少一个护套，

其中，将添加剂加入到所述第一双绞线的导线的绝缘体，以使得相对于所述第二双绞线的导线的绝缘体的介电常数，降低所述第一双绞线的导线的绝缘体的介电常数，导致在所述第一和第二双绞线之间的偏斜减少。

8.如权利要求7所述的电缆，其中，所述添加剂是玻璃球。

9.如权利要求7所述的电缆，所述电缆进一步包括第三和第四绝缘导线双绞线，所述双绞线分别具有在所述第一和第二双绞线的所述第一和所述第二捻距之间的捻距。

10.一种电缆，包括：

第一绝缘导线双绞线，所述第一双绞线具有第一捻距；

第二绝缘导线双绞线，所述第二双绞线具有第二捻距，其中，所述第二捻距比所述第一捻距长；

覆盖所述双绞线的至少一个护套，

其中，所述第一双绞线的导线的所述绝缘体与所述第二双绞线的导线的绝缘体不同，以使得所述第二双绞线的导线的绝缘体的介电常数高于所述第一双绞线的导线的绝缘体的介电常数，导致在所述第一和第二双绞线之间的偏斜减少。

11.如权利要求10所述的电缆，所述电缆进一步包括第三和第四绝缘导线双绞线，所述双绞线分别具有在所述第一和第二双绞线的所述第一和所述第二捻距之间的捻距。

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