CN104051072B - 屏蔽的双绞线电缆 - Google Patents

Abstract

本发明提供了屏蔽的双绞线电缆，一种能够以至少5千兆比特每秒（Gb/s）的数据速率传输数字数据的电线电缆（100）。该电线电缆（100）包括绝缘的双绞线导体（102、104）以及封围导体（102、104）的内导体屏蔽（116）。双绞线（102、104）的绝缘（104、108）被结合以提供导体（102、104）之间的一致间距。由柔韧性电介质所形成的带件（112）被部署在屏蔽（116）与结合的双绞线（102、104）之间。带件（112）在双绞线（102、104）与内屏蔽（116）之间提供一致的间距。该电线电缆（100）进一步包括部署在内导电屏蔽（116）外侧和外导电屏蔽（124）内侧的引流线（120），外导电屏蔽（124）封围引流线（120）和内导电屏蔽（116）两者。各元件的这种组合提供了能够经由导体（102、104）的单对双绞线以至少5Gb/s的数据速率传输数字信号的具有一致阻抗的电线电缆（100）。

Description

屏蔽的双绞线电缆

技术领域

本发明一般性地涉及电线电缆，并且更特定地涉及用于传输具有5千兆比特每秒（Gb/s）或者更高的数据传送速率的数字电信号的屏蔽的双绞线电缆。

背景技术

数字数据处理器速度上的增长已经导致了数据传送速度上的增长。被用来将电子组件连接至这些数字数据处理器的传输媒介，必须被构建为在各种组件之间高效地传输高速数字信号。有线的媒介，诸如光纤电缆、同轴电缆、或者双绞线电缆，可适合于其中所连接的组件位于固定的位置并且相对接近（例如分开小于100米）的应用中。光纤电缆提供了可支持高达将近100Gb/s的数据速率并且几乎免于电磁干扰的传输媒介。同轴电缆典型地支持高达100兆比特每秒（Mb/s）的数据传送速率并且对电磁干扰具有良好的抗扰性。双绞线电缆可支持高达大约5Gb/s的数据速率，但是这些电缆在电缆内通常需要多对双绞线专用于发送线路或接收线路多对双绞线。双绞线电缆的导体提供了对电磁干扰的良好抵抗，通过在电缆内包括双绞线的屏蔽可改善该抵抗。

诸如通用串行总线（USB）3.0和高清晰度多媒体接口（HDMI）1.3之类的数据传送协议要求位于或者高于5Gb/s的数据传送速率。现有的同轴电缆不能支持接近这个速度的数据速率。光纤电缆和双绞电缆两者都能够以这些传送速率来传输数据，然而光纤电缆显著地比双绞线更加昂贵，使得它们对于不要求高数据传送速率和电磁干扰抗扰性的对于成本敏感的应用而言具有较少的吸引力。

汽车和卡车中的信息娱乐系统和其他电子系统正开始要求能够运送高数据速率信号的电缆。汽车级电缆必须不仅能够满足环境要求（例如，耐热性和防潮性），它们必须还足够柔韧从而在车辆线束中确定走线，并且具有低质量以帮助满足车辆燃油经济性要求。因此，对于具有高数据传送速率的电线电缆存在如下的需求：具有低质量并且足够柔韧从而被封装在车辆线束内，同时满足光纤电缆当前不能满足的成本目标。尽管对于这个电线电缆所给出的特定应用是汽车，但是电线电缆还将还可找到其他应用，诸如航空航天、工业控制、或者其他数据通信。

在背景技术部分中所讨论的主题不应当仅仅由于它在该背景技术部分中被提到而被假定为现有技术。类似地，在该背景技术部分中所提到的或者与该背景技术部分的主题相关联的问题，不应当被假定为在现有技术中已经在先前被认识到。该背景计数部分中的主题仅仅表示不同的方法，它们自身中的和它们自身的这些方法也可能是发明。

发明内容

根据本发明的一个实施例，提供了一种用于传输电信号的电线电缆。该电线电缆包括中心双绞线导体，下文称为双绞线。每个导体被封围在介电绝缘体内。这些绝缘体被结合在一起并且在该电线电缆的长度上伸展（run）。另一介电绝缘体（下文称为带件），封围该双绞线。导电薄层（下文称为内屏蔽）封围该带件。该内屏蔽围绕该带件纵向地包裹。第三导体（下文称为引流线）被部署在该内屏蔽的外侧，大体上平行于该双绞线伸展并且与该内屏蔽电通信。编织导体（下文称为另一屏蔽）封围内屏蔽和引流线两者并且与内屏蔽和引流线电通信。又一个介电绝缘体（下文称为套件）封围该编织导体。该电线电缆能够以高达5千兆比特每秒的速度传输数字数据且具有少于20分贝（dB）的插入损耗。

在本发明的另一个实施例中，提供了具有单对双绞线导体的用于传输电信号的电线电缆。该具有单对双绞线导体的电线电缆能够以高达5千兆比特每秒的速度传输数字数据且具有少于20分贝（dB）的插入损耗。

阅读对本发明的优选实施例的下列详细描述后，本发明的进一步的特征和优点将更加清楚地显现，这些优选实施例仅是通过非限制性示例的方式并且参考附图而给出的。

附图说明

现在将通过示例的方式参考附图来描述本发明，在附图中：

图1a是根据一个实施例的电线电缆的透视剖视图；

图1b是根据一个实施例的图1a的电线电缆的截面图；

图2是示出根据一个实施例的图1a的电线电缆的绞线长度的、电线电缆的部分剖视图；

图3a是根据另一个实施例的电线电缆的透视剖视图；

图3b是根据另一个实施例的图3a的电线电缆的截面图；

图4a是根据又一个实施例的电线电缆的透视剖视图；

图4b是根据又一个实施例的图4a的电线电缆的截面图；

图5是根据又另一个实施例的图4a的电线电缆的截面图；

图6是图示了数个高速数字传输标准的信号上升时间和期望电缆阻抗的图表；

图7是图示了根据数个实施例的图2a-4a的电线电缆的各种性能特性的图表；以及

图8是根据数个实施例的图1a-4b的电线电缆的差分插入损耗相对信号频率的曲线图。

具体实施方式

本文所呈现的是能够以高达5千兆比特每秒（Gb/s）（5十亿比特每秒）的速率运送数字信号的电线电缆。该电线电缆包括双绞线导体以使由该电线电缆所运送的数字信号的低频电磁干扰最小化。该电缆还包括导电屏蔽，以进一步使导体与电磁干扰隔离。双绞线被包围在电介质带件内，该电介质带件在该双绞线与该屏蔽之间提供一致的径向距离，并且还在双绞线导体之间位置一致的扭绞角。该双绞线与该屏蔽之间的一致径向距离和一致的扭绞角为该电线电缆提供更一致的阻抗。

图1a和1b图示了用于传输电数字数据信号的电线电缆100的非限制性示例。电线电缆100包括中心双绞线导体，中心双绞线导体包括第一导体102和第二导体104。第一和第二导体102、104由具有良好导电性的导电材料形成，诸如未镀层的铜或镀银的铜。如本文所使用的，铜是指元素铜或基于铜的合金。进一步地，如本文所使用的，银是指元素银或基于银的合金。铜和镀银的铜的设计、构造、以及来源对本领域的技术人员是公知的。第一和第二导体102、104可各自都包括七个小股电线106。第一和第二导体102、104的小股电线106中的每个小股电线可表征为具有0.12毫米（mm）的直径，这一般等效于28美国线规（AWG）标准电线。可选地，第一和第二导体102、104可由具有更小规格（诸如30AWG或32AWG）的成股电线形成。

如图2中所示，第一和第二导体102、104的中心双绞线在长度L上纵向地扭绞，例如每8.89mm一次。扭绞第一和第二导体102、104减少了双绞线所运送的信号的低频电磁干扰。

再一次参考图1a和1b，第一和第二导体102、104中的每个导体被封围在各自的第一介电绝缘体108和第二介电绝缘体110内，下文称为第一和第二绝缘体108、110。第一和第二绝缘体108、110被结合在一起。第一和第二绝缘体108、110在电线电缆100的整个长度上伸展，除了位于电缆端部为了终止电线电缆100而被移除的部分。第一和第二绝缘体108、110由柔韧性电介质材料形成，诸如聚丙烯。第一和第二绝缘体108、110可表征为具有大约0.85mm的厚度。

将第一绝缘体108结合至第二绝缘体110帮助维持第一与第二导体102、104之间的间距，并且使第一与第二导体102、104之间扭绞角Θ（见图2）保持一致。制造具有结合的绝缘体的导体所需要的方法对本领域的技术人员是公知的。

第一和第二导体102、104以及第一和第二绝缘体108、110的中心双绞线被完全封围在第三介电绝缘体112（下文称为带件112）内，除了位于电缆端部为了终止电线电缆100而被移除的部分。带件112由柔韧性电介质材料形成，诸如聚乙烯。如图1b所图示的，带件可表征为具有2.22mm的直径D。脱模剂114（诸如基于滑石的粉末）可被应用至结合的第一和第二绝缘体108、110的外表面，以便当第一和第二绝缘体108、110的端部从第一和第二导体102、104剥除以形成电线电缆100的末端时帮助从第一和第二绝缘体108、110移除带件112。

带件112被完全封围在导电薄层116内（下文称为内屏蔽116），除了位于电缆端部为了终止电线电缆100而被移除的部分。内屏蔽116围绕带件112以单层纵向地包裹，从而它形成单个接缝118，接缝118大体上平行于第一和第二导体102、104的中心双绞线伸展。内屏蔽116围绕带件112并非盘旋包裹或螺旋包裹。内屏蔽116的接缝边缘可重叠，从而内屏蔽116至少覆盖带件112的外表面的100%。内屏蔽116由柔韧性导体材料形成，诸如镀铝的双轴取向的PET薄膜。双轴定向的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜通常以商品名MYLAR而公知，并且镀铝的双轴定向的PET薄膜下文将被称为镀铝MYLAR薄膜。镀铝MYLAR薄膜具有被应用至主表面中的仅一个主表面的导电的铝涂层；另一个主表面是非镀铝的并且因此不导电。单侧镀铝MYLAR薄膜的设计、构造、以及来源对本领域的技术人员是公知的。内屏蔽116的非镀铝表面与带件112的外表面接触。内屏蔽116可表征为具有小于或等于0.04mm的厚度。

带件112提供了如下优势：维持第一和第二导体104与内屏蔽116之间的一致径向距离。带件112进一步提供保持第一与第二导体102、104的扭绞角Θ一致的优势。屏蔽双绞线在现有技术中被发现通常仅具有空气作为双绞线与屏蔽之间的电介质。第一和第二导体102、104与内屏蔽116之间的距离、以及第一和第二导体102、104的有效扭绞角Θ两者均影响电线电缆阻抗。因此，具有第一和第二导体102、104与内屏蔽116之间更一致的径向距离以及第一与第二导体102、104更一致的扭绞角Θ的电线电缆提供更一致的阻抗。

如图1a和1b所示出的，电线电缆100附加地包括被部署在内屏蔽116外侧的第三导体120，下文称为引流线120。引流线120大体上平行于第一和第二导体102、104的中心双绞线而延伸，并且与内屏蔽116的镀铝外表面密切接触，或者至少与内屏蔽116的镀铝外表面电通信。引流线120可包括七个小股电线122。引流线120的小股电线122中的每个小股电线可表征为具有0.12mm的直径，0.12mm的直径一般等效于28AWG成股线。可选地，引流线120可由具有更小规格（诸如30AWG或32AWG）的成股线形成。引流线120由导电线形成，诸如未镀层的铜线或镀锡的铜线。铜和镀锡铜导体的设计、构造、以及来源对本领域的技术人员是公知的。

如图1a和1b中所图示的，电线电缆100进一步包括编织导体124，下文称为外屏蔽124，封围内屏蔽116和引流线120，除了在电缆端部为了终止电线电缆100而被移除的部分。外屏蔽124由多个被编织的导体形成，诸如铜或镀锡的铜。如本文所使用的，锡是指元素锡或基于锡的合金。被用于提供电线屏蔽的编织导体的设计、构造、以及来源对本领域的技术人员是公知的。外屏蔽124与内屏蔽116和引流线120两者密切接触，或者至少与内屏蔽116和引流线120两者电通信。形成外屏蔽124的电线可与内屏蔽116的外表面的至少65%接触。外屏蔽124可表征为具有小于或等于0.30mm的厚度。

图1a和1b中所示出的电线电缆100进一步包括第四介电绝缘体126，下文称为套件126。套件126封围外屏蔽124，除了在电缆端部为了终止电线电缆100而被移除的部分。套件126形成外绝缘层，为电线电缆100提供电绝缘和环境保护两者。套件126由柔韧性电介质材料形成，诸如交联聚乙烯。套件126可表征为具有大约0.1mm的厚度。

构建电线电缆100使得内屏蔽116紧贴带件112，外屏蔽124紧贴引流线120和内屏蔽116，并且套件126紧贴外屏蔽124，使得这些元件之间的空气间隙的形成最小化。这向电线电缆100提供了增加的磁导率。

电线电缆100可表征为具有95欧姆的阻抗。

图3a-5中所示出的元件（其中参考标号的最后两个数字对应于图2a中所示出的参考标号的最后两个数字）执行与上文所描述的图2a的实施例中的对应元件相同或相似的功能。

图3a和3b示出用于传输电数字数据信号的电线电缆200的另一个非限制性示例。图3a和3b中所图示的电线电缆200在构造上与图1a和1b中所示出的电线电缆100相同，例外在于第一和第二导体202、204的中心双绞线每个包括实心线导体（诸如具有大约0.321平方毫米（mm²）横截面的未镀层的铜线或镀银的铜线），其一般等效于28AWG实心线。可选地，第一和第二导体202、204可由具有更小规格（诸如30AWG或32AWG）的实心线形成。电线电缆200可表征为具有95欧姆的阻抗。

图4a和4b示出用于传输电数字数据信号的电线电缆300的另一个非限制性示例。图4a和4b中所图示的电线电缆300在构造上与图3a和3b中所示出的电线电缆200相同，例外在于引流线320包括实心线导体（诸如具有大约0.321mm²横截面的未镀的铜或镀锡的铜导体），其一般等效于28AWG实心线。可选地，引流线320可由具有更小规格（诸如30AWG或32AWG）的实心线形成。电线电缆300可表征为具有95欧姆的阻抗。

图5示出用于传输电数字数据信号的电线电缆400的又一个非限制性示例。图5中所图示的电线电缆400在构造上与图2a-4b中所示出的电线电缆100、200、300相似，然而，电线电缆400包括多对第一和第二导体402、404。带件412还消除了对于维持多对双绞线的分离的间隔件（如在现有技术中对于具有多对双绞线导体的电线电缆所看到的）的需求多对双绞线。

图6示出对USB3.0和HDMI1.3标准两者，对信号上升时间（以皮秒（ps）为单位）和差分阻抗（以欧姆（Ω）为单位）的电线电缆的要求，以及为了满足两个标准对于电线电缆的组合要求。

图7示出电线电缆100、200、和300所预期的性能特性。电线电缆100、200、和300预期满足图6中所示出的组合的USB3.0和HDMI1.3信号上升时间和差分阻抗要求。

图7示出在0至7500MHz（7.5GHz）的信号频率范围上电线电缆100、200、和300的预期的差分阻抗。

图8示出在0至7.5GHz的信号频率范围上对于具有7m长度的电线电缆100、200、和300的预期的插入损耗。

因此，如图7和8中所示出的，具有长至7米长度的电线电缆100、200、和300预期能够以小于20dB的插入损耗以高达5千兆比特每秒的速度传输数字数据。

因此，提供了电线电缆100、200、300、和400。电线电缆100、200、300、和400能够以5Gb/s或更高的数据速率来传输数字数据信号。电线电缆100、200、300能够在单对双绞线导体上以这个速率来传输信号而不是在如用于能够支持相似数据传送速率的其他高速电缆（诸如7类电缆）中的多对双绞线上。如在电线电缆100、200、300中使用单对双绞线，提供了如下优势：消除了如发生在具有多对双绞线的其他电线电缆中的多对双绞线之间的串扰的可能性。电线电缆100、200、300中的单对双绞线还减小了电线电缆100、200、300的质量，这在诸如汽车和航天的重量敏感应用中是重要的。第一和第二导体102、202、302、402、104、204、304、404与内屏蔽116、216、316、416之间的带件112、212、312、412帮助维持第一和第二导体102、202、302、402、104、204、304、404与内屏蔽116、216、316、416之间的一致径向距离，尤其是当电缆因为在汽车线束装配内确定电线电缆100、200、300、400的布线中需要弯曲时。维持第一和第二导体102、202、302、402、104、204、304、404与内屏蔽116、216、316、416之间的一致径向距离，提供了一致的电缆阻抗和更加可靠的数据传送速率。带件112、212、312、412以及第一和第二绝缘体108、208、308、408、110、210、310、410的结合，帮助维持双绞线中的第一与第二导体102、202、302、402、104、204、304、404之间的扭绞角Θ，同样，尤其是当电缆弯曲时。这也提供了一致的电缆阻抗。因此，是元件的组合，诸如第一和第二绝缘体108、208、308、408、110、210、310、410和带件112、212、312、412、内屏蔽116、216、316、416的结合，而不是任何一个特定的元件，提供了即使当电线电缆100、200、300、400弯曲时能够以5Gb/s或更高的速度传输数字数据的具有一致阻抗的电线电缆100、200、300、400。

尽管已经按照本发明的优选实施例描述了本发明，但是本发明并不意图为如此被限定，而是仅限定于随后的权利要求中所阐述的范围。此外，对术语第一、第二等的使用不表示任何重要性的顺序，而是术语第一、第二等被用来区分一个元件与另一个元件。此外，对术语一、一个等的使用不表示对数量的限定，而是表示所提及的项目中的至少一个项目的存在。

Claims (28)

1.一种用于传输电信号的电线电缆(100)包括：

第一和第二导体(102、104)的中心双绞线，每个导体被封围在各自的第一和第二介电绝缘体内，所述第一和第二介电绝缘体被结合在一起并且在所述电线电缆(100)的长度上伸展；

第三介电绝缘体(112)，封围第一和第二导体(102、104)的所述中心双绞线；

导电薄层(116)，封围所述第三介电绝缘体(112)，其中所述导电薄层(116)围绕所述第三介电绝缘体(112)纵向地包裹，并且其中所述第三介电绝缘体(112)在所述导电薄层(116)与第一和第二导体(102、104)的所述中心双绞线之间提供一致的径向间距，由此为所述电线电缆(100)提供一致的阻抗；

所述导电薄层(116)外侧的第三导体(120)，大体上平行于第一和第二导体(102、104)的所述中心双绞线延伸，并且与所述导电薄层(116)电通信；

编织导体(124)，封围所述导电薄层(116)和所述第三导体(120)，并且与所述导电薄层(116)和所述第三导体(120)电通信；以及

第四介电绝缘体(126)，封围所述编织导体(124)，由此具有至少7米长度的所述电线电缆(100)能够以小于20dB的插入损耗以高达5千兆比特每秒的速度来传输数字数据。

2.根据权利要求1所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述第一导体(102)和所述第二导体(104)由铜形成。

3.根据权利要求2所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述第一导体(102)包括七个小股电线(106)，并且所述第二导体(104)包括七个小股电线(106)。

4.根据权利要求3所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述第一导体(102)和所述第二导体(104)的所述小股电线(106)中的每个小股电线表征为具有0.12毫米(mm)的直径。

5.根据权利要求2所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述第一导体(202)和所述第二导体(204)包括实心线导体，所述实心线导体具有0.321平方毫米(mm²)的横截面。

6.根据权利要求1所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述第三导体(120)由铜形成。

7.根据权利要求6所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述第三导体(120)包括七个小股电线。

8.根据权利要求7所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述第三导体(120)的所述小股电线中的每个小股电线表征为具有0.12mm的直径。

9.根据权利要求6所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述第三导体(320)由实心线导体组成，所述实心线导体具有0.321平方毫米(mm²)的横截面。

10.根据权利要求1所述的电线电缆(100)，其特征在于，第一和第二导体(102、104)的所述中心双绞线纵向地每8.89mm扭绞一次。

11.根据权利要求1所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述第一和第二介电绝缘体(104、108)由聚丙烯形成。

12.根据权利要求1所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述第三介电绝缘体(112)由聚乙烯形成。

13.根据权利要求12所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述第三介电绝缘体(112)表征为具有2.22mm的直径。

14.根据权利要求1所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述导电薄层(116)覆盖所述第三介电绝缘体(112)的外表面的至少百分之一百。

15.根据权利要求14所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述导电薄层(116)由镀铝薄膜形成。

16.根据权利要求15所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述镀铝薄膜的非镀铝表面与所述第三介电绝缘体(112)的所述外表面接触。

17.根据权利要求15所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述导电薄层(116)表征为具有小于或等于0.04mm的厚度。

18.根据权利要求1所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述编织导体(124)由镀锡的铜形成。

19.根据权利要求18所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述编织导体(124)与所述导电薄层(116)的外表面的至少百分之六十五接触。

20.根据权利要求19所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述编织导体(124)表征为具有小于或等于0.30mm的厚度。

21.根据权利要求1所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述第四介电绝缘体(126)由交联聚乙烯形成。

22.根据权利要求21所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述第四介电绝缘体(126)表征为具有0.1mm的厚度。

23.根据权利要求1所述的电线电缆(100)，其特征在于，脱模剂(114)被应用至所述结合的第一和第二介电绝缘体(104、108)的外表面。

24.根据权利要求1所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述电线电缆(100)表征为具有95欧姆的阻抗。

25.根据权利要求1所述的电线电缆(100)，其特征在于，具有长达7米长度的所述电线电缆(100)表征为对于具有小于100兆赫兹(MHz)的信号成分的信号，具有小于1.5分贝(dB)的差分插入损耗；对于具有100MHz与1.25千兆赫兹(GHz)之间的信号成分的信号，小于5dB；对于具有1.25GHz与2.5GHz之间的信号成分的信号，小于7.5dB；并且对于具有2.5GHz与7.5GHz之间的信号成分的信号，小于25dB。

26.根据权利要求1所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述电线电缆(100)表征为具有小于15皮秒每米的对间偏斜。

27.根据权利要求1所述的电线电缆(100)，其特征在于，所述电线电缆(100)表征为具有小于31mm的弯曲半径。

28.一种用于传输电信号的电线电缆(100)，包括：

第一和第二导体(102、104)的单对双绞线，每个导体被封围在各自的第一和第二介电绝缘体(104、108)内，所述第一和第二介电绝缘体被结合在一起并且在所述电线电缆(100)的长度上伸展；

脱模剂(114)，被应用至所述结合的第一和第二介电绝缘体(104、108)的外表面；

第三介电绝缘体(112)，封围第一和第二导体(102、104)的所述单对双绞线；

导电薄层(116)，封围所述第三介电绝缘体(112)，其特征在于，所述导电薄层(116)围绕所述第三介电绝缘体(112)在纵向上包裹，并且其特征在于，所述第三介电绝缘体(112)在所述导电薄层(116)与第一和第二导体(102、104)的所述单对双绞线之间提供一致的径向间距，由此为所述电线电缆(100)提供一致的阻抗；

所述导电薄层(116)外侧的第三导体(120)，大体上平行于第一和第二导体(102、104)的所述单对双绞线而延伸，并且与所述导电薄层(116)电通信；

编织导体(124)，封围所述导电薄层(116)和所述第三导体(120)，并且与所述导电薄层(116)和所述第三导体(120)电通信；以及

第四介电绝缘体(126)，封围所述编织导体(124)，由此具有至少7米长度的所述电线电缆(100)能够以小于20dB的插入损耗以高达5千兆比特每秒的速度来传输数字数据。