CN103443874B - 具有屏蔽件的星绞电缆 - Google Patents

Abstract

发明涉及一种用于传输电信号的星绞电缆，其具有至少两对电导体（10，12，14，16），其中各导体（10，12，14，16）包括一个由导电材料制成的导线（18）和径向包围导线（18）并由电绝缘材料制成的导体鞘（20），在星绞电缆的横截面中的正方形的角部配置导体（10，12，14，16），一对导体（10，12，14，16）配置在正方形的在对角线上相对的角部，四个导体（10，12，14，16）根据星绞配置以预定绞合因子相互捻合，在径向外侧配置有由导电材料制成并包围两对导体（10，12，14，16）的屏蔽件（22），屏蔽件（22）由独立屏蔽导线（23）的栅状物构成。根据本发明，至少一个屏蔽导线（23）或至少一个屏蔽导线束以在径向上包围导体（10，12，14，16）的方式被绞合使得至少一个绞合的屏蔽导线（23）或屏蔽导线束沿轴向以大致平行于导体（10，12，14，16）的导线（18）的方式延伸。

Description

具有屏蔽件的星绞电缆

技术领域

本发明涉及用于传输电信号的星绞（star-quad）电缆，该电缆具有至少两对电导体，每个电导体均具有由导电材料制成的芯线和的由电绝缘材料制成的导体鞘，导体鞘在径向位置上围绕芯线，在星绞电缆的横截面中的正方形的角部配置导体，配置在正方形的在对角线上相对的角部的导体组成一对的导体，四个导体被以预定的绞合因子（layfactor）以星绞配置方式捻合到一起，由导电材料制成的屏蔽件在径向外侧的位置处围绕两对导体配置，该屏蔽件由独立屏蔽芯线所制成的栅状物（mesh）构造成。

背景技术

被称作“星绞”的是与具有例如铜芯线的导体有关的绞合术语（lay-upterm）。组成成对的导体的四个导体被捻合到一起并接着形成以十字交叉（cruciform）配置方式绞合的两个成对导体。彼此相对的两个导体形成一对，其中在各对上传输各对的电信号。换言之，四个导体配置在星绞的横截面中的正方形的角部，其中组成一对的导体配置在对角线上相对的角部处。成对的导体因此彼此垂直地铺设并且这使从一对到另一对的串扰（crosstalk）产生了期望的高阻尼。

星绞电缆是对称电缆中的一种。在这样的电缆中，以十字交叉配置方式将四个导体捻合到一起。这意味着位于相对位置的导体形成各自的成对导体。由于成对的导体彼此垂直地铺设，所以仅存在着非常低水平的串扰。通过导体关于彼此的定位不仅提供机械加强，星绞绞合还有填充密度比利用捻合对时的密度高的优点。

由于捻合，导体、即独立芯线比电缆本身长。所谓的绞合因子是独立导体的长度与电缆的长度的比率。在例如通信电缆的情况中绞合因子为近似1.02至1.04。绞合因子与作为捻合到一起的导体的螺旋状配置的结果的节距（pitch）或导程（lead）相关联。在螺纹的情况中，节距或导程具体为在两个螺纹槽之间的轴向距离。

发明内容

本发明的目的在于在传输电信号的电特性方面对上述种类的星绞电缆进行改进。

该目的根据具有如下特征的上述种类的星绞电缆来实现：一种星绞电缆，其用于传输电信号，该星绞电缆具有至少两对电导体，每个电导体均具有由导电材料制成的芯线和由电绝缘材料制成的导体鞘，所述导体鞘在径向位置上围绕所述芯线，在所述星绞电缆的横截面中的正方形的角部配置所述导体，配置在所述正方形的在对角线上相对的角部的导体组成一对导体，四个导体以预定的绞合因子、以星绞配置的方式同时被捻合到一起，由导电材料制成的屏蔽件在径向外侧的位置处围绕两对导体布置，并且该屏蔽件由独立屏蔽芯线所制成的栅状物构造而成，所述星绞电缆的特征在于，至少一个屏蔽芯线或至少一束屏蔽芯线被以如下方式捻合而在径向位置上围绕所述导体：使得被捻合的屏蔽芯线中的至少一个屏蔽芯线或者所述屏蔽芯线束中的至少一束屏蔽芯线在轴向上以大致平行于导体的各自的芯线的方式延伸。在其他方案中描述了发明的有利实施方式。

在上述种类的星绞电缆中，根据本发明给出的设置：至少一个屏蔽芯线或至少一束屏蔽芯线被以如下方式捻合而在径向位置上围绕导体：使得被捻合的屏蔽芯线中的至少一个屏蔽芯线或者屏蔽芯线束中的至少一束屏蔽芯线在轴向上以平行于导体的各自的芯线的方式延伸。

这具有在电屏蔽电流的传导方面获得改进以及在星绞电缆的电特性方面获得相当的改进的优点。

通过将至少四个屏蔽芯线或至少四束屏蔽芯线以如下方式捻合而在径向位置上围绕导体：使得被捻合的屏蔽芯线中的至少一个屏蔽芯线或者屏蔽芯线束中的至少一束屏蔽芯线在轴向上以平行于导体的各自的芯线的方式延伸，这获得了星绞电缆的电特性方面的或者换言之在其特性传输曲线方面的进一步改进。

通过以与导体的绞合因子对应的绞合因子将屏蔽芯线或屏蔽芯线束捻合，获得了如下的特别可靠的途径：即使在星绞电缆上有弯折和扭曲应力时，也能沿着导体的给定芯线与该给定芯线平行地引导屏蔽芯线或屏蔽芯线束。

通过使得一方面的各屏蔽芯线或屏蔽芯线束与另一方面的给定的芯线以如下方式在轴向上彼此平行地延伸：使得在沿着电缆的横截面的所有点处的正方形中，屏蔽芯线或屏蔽芯线束与芯线位于正方形的相同对角线上，并且使得屏蔽芯线或屏蔽芯线束配置于芯线的远离正方形的一侧，这实现了与各自的芯线相关联的屏蔽电流的特别好的传导。

通过采用铜制成的芯线，获得了良好的导电性，同时获得了低的制造成本。

通过在导体和屏蔽件之间配置由电绝缘材料制成的附加的绝缘体鞘，即使当存在有机械地影响屏蔽件的弯折或扭曲应力时，也在保持星绞电缆的传输特性的同时实现屏蔽电流的降低和星绞电缆的传输特性的相应改进。因为当外部绝缘鞘被切开时芯线受损的风险较小，所以星绞电缆中的任何的位置偏移现象得以避免，并且使星绞电缆解除绝缘的去皮过程被简化。除此之外，附加的绝缘体鞘对在芯线导体的鞘上施加径向预加负荷的作用，从而提高了星绞配置在弯折和扭曲应力作用下的机械强度。

通过在屏蔽件的径向外侧配置被导电地电连接至屏蔽件的第二屏蔽件，获得了通过使得附加的电补偿性电流能够在屏蔽件中流动而进一步改进星绞电缆的特征传输曲线。可能存在着导致屏蔽芯线和相关联的导体没有准确地彼此平行延伸的制造公差，补偿电流使得这些公差能被补偿。

通过将第二屏蔽件形成为由导电材料制成的鞘或箔，实现了第二屏蔽件的特别大面积上的补偿电流的传导。

通过将第二屏蔽件构造成独立第二屏蔽芯线制成的栅状物，不管第二屏蔽件如何，获得了使得星绞电缆维持其柔软性的特别良好的途径。

通过沿与屏蔽件的芯线相反的方向捻合第二屏蔽芯线，特别是以与屏蔽芯线的绞合因子对应的绞合因子来捻合，在第二屏蔽芯线的第二芯线与位于径向内侧的屏蔽件的芯线之间得到了大量的电接触点。

附图说明

下面将参照附图详细说明发明。其中：

图1是根据本发明的星绞电缆的说明性实施方式的立体图。

图2是图1中示出的星绞电缆的截面的示意图。

图3是传统星绞电缆的包括电场分布的图示的截面的示意图。

图4是根据本发明的星绞电缆的包括电场分布的图示的截面示意图。

图5是作为图3中示出的传统星绞电缆的频率的电信号的传输函数的图示。

图6是作为图4中示出的根据本发明的星绞电缆的频率的电信号的传输函数的图示。

图7是图1和图2中示出的星绞电缆的说明性实施方式的捻合起来的导线与屏蔽芯线的简化示意性图。

具体实施方式

图1和图2中示出的根据本发明的星绞电缆的优选实施方式包括四个导体10、12、14、16，这四个导体均具有由导电材料制成的芯线18和由电绝缘材料制成的导体鞘20。导体10、12、14、16以星绞的布局被捻合到一起，即，在沿着星绞电缆的横截面的任意给定点处的正方形中，导体10、12、14、16位于正方形17的角部。位于正方形17的各对角线19上的彼此相对的导体10、12以及14、16形成相应对，即，导体10、12形成第一对导体或者第一导体对10、12，并且导体14、16形成第二对导体或第二导体对14、16。用预定绞合因子来进行导体10、12、14、16的捻合，预定绞合因子产生对应的节距或导程或绞合长度s。在本情况中，绞合长度s是导体10、12、14、16以螺旋状完整地围绕星绞电缆的纵向轴线旋转一圈所经过的轴向距离。图2中示出的是具有x轴40和y轴42的坐标系。坐标系40、42被配置成使得坐标系40、42的原点44恰好位于星绞电缆的纵向轴线上，由此使得所述纵向轴线在坐标系40、42用的空间中形成z轴。

在信号传输时，由第一导体对10、12传输第一信号，并且由第二导体对14、16传输第二信号。借助于得到的第一与第二信号之间的相位偏移并且借助于如上所述的导体10、12、14、16的以星绞布局相对于彼此的空间配置以已知的方式获得了两个导体对10、12和14、16之间串扰的高阻尼。在被称作差模（differentialmode）的模式中，导体对10、12和14、16上的信号具有180°的相位偏移。

在径向外侧上围绕着捻合的导体10、12、14、16配置的是屏蔽件22，屏蔽件22由分立的、即独立的屏蔽芯线23构造成。在径向外侧上，由电绝缘材料制成的鞘25包围着包括导体10、12、14、16和屏蔽件22在内的整个组件。在捻合的导体对10、12和14、16（一方面）与屏蔽件22之间配置有由电绝缘材料制成的附加的绝缘体鞘24。该附加的绝缘体鞘24在导体10、12、14、16的芯线18（一方面）与屏蔽件22（另一方面）之间的径向空间中产生了附加距离。由此获得的效果将参照图3和图4在下文中进行说明。

图3中示出的是传统星绞电缆的截面的示意图，传统星绞电缆具有导体10、12、14、16和屏蔽件22，导体10、12、14、16包括了各自的芯线18和导体鞘20。在该情况中，在径向外侧上，屏蔽件22直接抵靠着导体10、12、14、16的导体鞘20，由此在芯线18与屏蔽件22之间产生了径向上的最小距离。箭头示出沿着导体10、12、14、16传输适当电信号时的电场分布，所有电场越强，则图示给出的箭头越大。从图3中可以看出在第二导体对14、16的芯线18与屏蔽件22之间建立了强电场。这表明沿着屏蔽件22有相应高的电流，沿着屏蔽件22的该电流将在下文中被简称作“屏蔽电流”。高的屏蔽电流将对在屏蔽件22上起作用的所有因素有影响，将对星绞电缆的电特性、即特性传输曲线方面具有显著影响。在该方式中，即使星绞电缆的芯线18可能不会受到机械改变或损伤的影响，星绞电缆上的导致屏蔽件22机械变形或者甚至可能导致损伤的例如弯折或扭曲应力也会导致星绞电缆的电特性、即特征传输曲线严重劣化。还有，屏蔽件22通常由独立屏蔽芯线23的栅状物形成，并且例如为了跟随芯线18，屏蔽电流必须在屏蔽芯线23相互接触所在的点处从一个屏蔽芯线23改变到另一个屏蔽芯线23。久而久之，如果这些接触点老化，则对屏蔽电流的流动造成对应的障碍，因此即使芯线18自身没有与老化相关的机械劣化，芯线18自身中也可能出现与由整个星绞电缆引起的电流的传输对应的劣化。

图4是与图3类似的图，示出了根据本发明被设计成具有附加的绝缘体鞘24的星绞电缆的电场分布。在该情况中，由于配置在导体10、12、14、16（一方面）与另一方面的屏蔽件22（另一方面）之间的附加的绝缘体鞘24，所以屏蔽件22与芯线18之间的径向距离比图3中示出的星绞电缆的传统实施方式中远。从图4可以明显看出，电场现在集中在导体10、12、14、16之间。这意味着当信号被传输时在根据本发明的星绞电缆中出现相当少的屏蔽电流。这使得因上述关于图3所述的屏蔽件22的劣化所产生的对星绞电缆的信号传输方面的电特性的影响在根据本发明的星绞电缆中的影响较小。劣化例如是增大星绞电缆中的有用信号的衰减。即使当屏蔽件22受损或者已经老化时，在星绞电缆的传输特性方面也有明显低的不利效果。换言之，在星绞电缆的电信号的传输特性方面，根据本发明设计的星绞电缆对屏蔽件22的损坏或老化显著地更有抵抗力。

在图5和图6各图中，沿着横轴26绘制出了以GHz为单位的频率，并且沿着纵轴28绘制出了以dB为单位的电信号的传输特性。图5中的第一曲线30示出了作为对于常见模式信号传输（导体对10、12和14、16上的信号之间没有相位偏移）的频率26的函数的传输函数28，并且图5中的第二曲线32示出了作为对于差模信号传输（导体对10、12和14、16上的信号之间有相位偏移）的频率26的函数的传输函数28，各情况均用于图3中示出的传统星绞电缆。图6中的第三曲线34示出了作为对于常见模式信号传输（导体对10、12和14、16上的信号之间没有相位偏移）的频率26的函数的传输函数28，并且图6中的第四曲线36示出了作为对于差模信号传输（导体对10、12和14、16上的信号之间有相位偏移）的频率26的函数的传输函数28，各情况均用于如图4所示的根据本发明的星绞电缆。曲线30、32、34、36是对图3和图4中示出的配置的各自的仿真获得。

在图5中，如可以从第二曲线32看到的，在传统星绞电缆中，在差模传输中大约2.9GHz处出现了传输上的下降。在图6中，如可以从第四曲线36看到的，该下降在根据本发明的星绞电缆中不再存在。该仿真的结果是对令人印象深刻地验证了根据本发明的星绞电缆的在传输电信号时的电特性方面的惊人且意想不到的改进。在该情况中，即使屏蔽件没有任何损伤或老化也存在着改进。

根据本发明，星绞电缆的电信号的电特性或传输特征方面的实质性改进通过使得至少独立屏蔽芯线23与导体10、12、14、16中的各自的导体平行地跟随着该各自的导体来获得。换言之，至少独立屏蔽芯线23被以与导体10、12、14、16相同的绞合长度s或相同的绞合因子捻合到一起。这借助于图7中的屏蔽芯线23a的示例示出。图7中还示出了绞合长度s46。由于捻合，屏蔽芯线23a以使得屏蔽芯线23a与导体14平行地延伸的方式在径向位置上围绕导体10、12、14、16螺旋状地旋转。从图2中可以看出屏蔽芯线23a与导体14之间的精确的相对配置。屏蔽芯线23a以如下方式围绕导体10、12、14、16缠绕：使得导体14和屏蔽芯线23a在沿着星绞电缆的横截面的任意点处均位于共同对角线上，并且使得屏蔽芯线23a配置在导体14的远离正方形17的一侧。因为屏蔽芯线23a被以该方式定位，所以与导体14相关联的屏蔽电流能够跟随导体14，而不会转移到另一屏蔽芯线23。屏蔽电流避免从一个屏蔽芯线23转移到另一屏蔽芯线改进了屏蔽电流沿着屏蔽件22的电传导，并因此使得星绞电缆的用于电信号的传输的电特性、即特征传输曲线整个得到改进。具体结果是使得例如由根据本发明的星绞电缆传输的有用电信号的衰减较低。

正方形17的侧边的长度a48例如为0.83mm。该侧边的长度a与导体10、12、14、16中两个相邻导体的中心之间的距离相对应。在以星绞电缆的纵向轴线作为z方向的坐标系40、42中，第n个芯线（其中n=[1...4]）的位置矢量于是在z方向用的自由参数t=[0...1]并且跨越绞合长度s的情况下表示如下：

$\stackrel{\→}{\mathrm{\γ}}\mathrm{Core},n=\left(\begin{array}{c}\frac{a}{\sqrt{2}}\·\cos [(2\mathrm{\π}\·t)+(n-1)\·\frac{\mathrm{\π}}{2}]\\ \frac{a}{\sqrt{2}}\·\sin [(2\mathrm{\π}\·t)+(n-1)\·\frac{\mathrm{\π}}{2}]\\ s\·t\end{array}\right)$

在以星绞电缆的纵向轴线作为z方向的坐标系40、42中，用于第n_Shield个屏蔽芯线23的对应的位置矢量于是在z方向用的自由参数t=[0...1]并且跨越绞合长度s的情况下表示如下：

其中，d_Shield是屏蔽芯线23、23a的直径50，n_Shield=[1...N_Shield]，N_Shield是屏蔽芯线的总数，并且其中是相关联的导体（在示出的示例中为导体14）所在的对角线19与给定屏蔽芯线23所在的、通过了原点44的直线60之间的角度52。对于屏蔽芯线23a而言，例如将代入得出

$\stackrel{\→}{\mathrm{\γ}}{n}_{\mathrm{Shield}}=\left(\begin{array}{c}\frac{d_{\mathrm{Shield}}}{2}\·\cos (2\mathrm{\π}\·[t+\frac{n_{\mathrm{Shield}}-1}{N_{\mathrm{Shield}}}\left]\right)\\ \frac{d_{\mathrm{Shield}}}{2}\·\sin (2\mathrm{\π}\·[t+\frac{n_{\mathrm{Shield}}-1}{N_{\mathrm{Shield}}}\left]\right)\\ s\·t\end{array}\right)$

虽然蔽芯线23a被优选地用于执行与导体14相关联的屏蔽电流，但是也可以根据需要由与屏蔽芯线23a邻接的两个屏蔽芯线23中的一个来传送来自导体14的该屏蔽电流。因此，由于弯折或扭曲应力使屏蔽芯线23a受损，但是，屏蔽电流仍然能够沿着大致平行于导体14的屏蔽芯线23a流过屏蔽件22，而不是像那样改变到不同的屏蔽芯线23。

绞合长度s46例如为40mm。屏蔽件22的半径54例如为r_Shield=1.5mm。芯线18的直径56例如为d_Core=0.48mm。导体鞘20的直径58例如为d_Coreinsul.=a=0.83mm。屏蔽芯线23、23a的直径50例如为d_Shield=0.1mm。

作为选择，由导电材料制成的第二屏蔽件（未示出）可以另外地配置于屏蔽件22的径向外侧。该第二屏蔽件因此在其位于径向内侧的一侧被导电性地电连接至屏蔽件22，电补偿性电流因此能够经由第二屏蔽件流动。以该方式，例如导致屏蔽芯线23a未准确地平行于相关联导体14（图2）延伸的制造公差能够根据需要借助于补偿电流来补偿。屏蔽件22的老化现象或受损也可以以类似的方式借助于经由第二屏蔽件流动的补偿电流来补偿。

Claims (10)

1.一种星绞电缆，其用于传输电信号，该星绞电缆具有两对电导体(10，12，14，16)，每个电导体(10，12，14，16)均具有由导电材料制成的芯线(18)和由电绝缘材料制成的导体鞘(20)，所述导体鞘(20)在径向位置上围绕所述芯线(18)，在所述星绞电缆的横截面中的正方形的角部配置所述导体(10，12，14，16)，配置在正方形的在对角线上相对的角部的导体组成一对导体(10，12，14，16)，四个导体(10，12，14，16)以预定的绞合因子、以星绞配置的方式同时被捻合到一起，由导电材料制成的屏蔽件(22)在径向外侧的位置处围绕两对导体(10，12，14，16)布置，并且该屏蔽件(22)由独立屏蔽芯线所制成的栅状物构造而成，所述星绞电缆的特征在于，至少一个屏蔽芯线或至少一束屏蔽芯线被以如下方式捻合而在径向位置上围绕所述导体(10，12，14，16)：使得被捻合的屏蔽芯线中的至少一个屏蔽芯线或者屏蔽芯线束中的至少一束屏蔽芯线在轴向上以大致平行于导体(10，12，14，16)的各自的芯线(18)的方式延伸，被捻合的所述屏蔽芯线中的至少一个或者所述屏蔽芯线束中的至少一束与各自的芯线(18)以如下方式在所述轴向上彼此平行地延伸：使得在沿着所述星绞电缆的横截面的所有点处的正方形中，所述屏蔽芯线或所述屏蔽芯线束与所述芯线(18)位于正方形的相同对角线上，并且使得所述屏蔽芯线或所述屏蔽芯线束配置于所述芯线(18)的远离正方形的一侧。

2.根据权利要求1所述的星绞电缆，其特征在于，四个屏蔽芯线或四束屏蔽芯线被以如下方式捻合而在径向位置上围绕所述导体(10，12，14，16)：使得被捻合的屏蔽芯线中的至少一个屏蔽芯线或者所述屏蔽芯线束中的至少一束屏蔽芯线在轴向上以平行于导体(10，12，14，16)的各自的芯线(18)的方式延伸。

3.根据权利要求1或2所述的星绞电缆，其特征在于，所述屏蔽芯线或所述屏蔽芯线束以与所述导体(10，12，14，16)的绞合因子对应的绞合因子被捻合。

4.根据权利要求1或2所述的星绞电缆，其特征在于，所述芯线(18)由铜制成。

5.根据权利要求2所述的星绞电缆，其特征在于，在所述导体(10，12，14，16)与所述屏蔽件(22)之间配置有由电绝缘材料制成的附加的绝缘体鞘(24)。

6.根据权利要求1或2所述的星绞电缆，其特征在于，在所述屏蔽件(22)的径向外侧配置有导电地电连接至所述屏蔽件(22)的第二屏蔽件。

7.根据权利要求6所述的星绞电缆，其特征在于，所述第二屏蔽件采取由导电材料制成的鞘或箔的形式。

8.根据权利要求6所述的星绞电缆，其特征在于，所述第二屏蔽件由独立第二屏蔽芯线制成的栅状物构成。

9.根据权利要求8所述的星绞电缆，其特征在于，所述第二屏蔽芯线沿着与所述屏蔽件(22)的芯线相反的方向被捻合。

10.根据权利要求9所述的星绞电缆，其特征在于，所述第二屏蔽芯线以与所述屏蔽件的芯线的绞合因子对应的绞合因子被捻合。