CN104700957A

CN104700957A - 差动信号用电缆及其制造方法

Info

Publication number: CN104700957A
Application number: CN201410536113.3A
Authority: CN
Inventors: 石川弘; 杉山刚博; 深作泉; 米泽英德; 加贺雅文
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2014-10-11
Publication date: 2015-06-10
Anticipated expiration: 2034-10-11
Also published as: JP2015111529A; US20150162113A1; JP6036669B2; CN104700957B; US9299481B2

Abstract

本发明提供能够抑制模式转换的差动信号用电缆及其制造方法。本发明的差动信号用电缆包括：两根内部导体(2)；分别或一并覆盖两根内部导体(2)的绝缘体(3)；以及覆盖绝缘体(3)的周围的外部导体(4)，其中，以电缆长度为1m进行测定时，用下式(1)表示的有效容量差ΔX在两根内部导体(2)的电容的平均值C的0.2％以下，ΔX＝ΔC+ΔL/Z₀ ²式(1)，式中，ΔC：两根内部导体的电容差；ΔL：两根内部导体的电感差；Z₀：参考阻抗(50Ω)。

Description

差动信号用电缆及其制造方法

技术领域

本发明涉及差动信号用电缆及其制造方法。

背景技术

在数Gbps以上的高速信号传输中使用差动信号传输，该差动信号传输使用了差动信号用电缆。在差动信号传输中，通过发送端对成对的两根内部导体发送相差180度相位的差动信号，通过接收端取得所接收到的两个信号的差分，由此进行信号的发送和接收。

差动信号用电缆至少包括：两根内部导体；分别或一并覆盖两根内部导体的绝缘体；以及以覆盖绝缘体的周围的方式设置的外部导体。

但是，流过差动信号用电缆的两根内部导体的电流可以分解为信号的相位相差180度的差动传输模式和信号的相位相同的同相传输模式。

在理想的差动信号传输中，通过发送端输入差动传输模式，通过接收端检测差动传输模式，因此，针对差动信号用电缆，要求尽量减小信号从发送端向接收端传输时的从差动传输模式向同相传输模式的能量转换量，即模式转换。

然而，在现实的差动信号用电缆中，已知由于两根内部导体长度不同或信号在两根内部导体中传输的速度不同等，从而产生不希望的模式转换。

考虑产生这种模式转换的原因在于信号在两根内部导体中传输所需的时间的差，即时滞。因此，在用于不足数Gbps的较低速传输的差动信号用电缆中，作为模式转换的定量性尺度，使用TDR测定器测定阶梯波形响应的时滞。

用下式表示差动信号用电缆的时滞(Skew)：

式1

Skew[ps]＝t(P)-t(N)

＝ΔS/c×ε _eff ^1/2+S/c×Δ(ε_eff ^1/2)

式中，t(P)、t(N)：各内部导体的传输时间；

ΔS：内部导体的长度差；

c：真空中的光速；

S：内部导体的长度的平均值；

ε _eff ^1/2＝(ε_eff ^1/2(P)+ε_eff ^1/2(N))/2

Δ(ε_eff ^1/2)＝ε_eff ^1/2(P)-ε_eff ^1/2(N)

ε_eff(P)，ε_eff(N)：各内部导体的单端的有效介电常数。

因此，通过减小内部导体的长度差ΔS以及有效介电常数的平方根的差Δ(ε_eff ^1/2)，能够降低时滞，抑制模式转换。

另一方面，在用于数Gbps以上的高速传输的差动信号用电缆中，由于通过TDR测定器不能准确地评价时滞，因此使用作为混合S参数的一个要素的SCD21(dB)作为模式转换的定量性尺度。

SCD21直接地表现信号从发送端向接收端传输时的从差动传输模式向同相传输模式的能量转换量，通常，使用高频测定用网络分析器在利用频域对其进行测定。如以往那样，通过减小ΔS和Δ(ε_eff ^1/2)，能够减小SCD21。

此外，作为与本申请发明相关的现有技术文献信息，有专利文献1。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2013-157309号公报

非专利文献

非专利文献1：C.Paul，“Introduction to Electromagnetic Compatibility”，WILEY-INTERSCIENCE，A JOHN WILEY&SONS，INC.PUBLICATION，2005年12月

然而，在用于数Gbps以上的高速传输的差动信号用电缆中，存在内部导体的有效介电常数的平方根的差Δ(ε_eff ^1/2)的稳定缩小有限的问题。

各内部导体的有效介电常数ε_eff ^1/2(P),ε_eff ^1/2(N)是由内部导体周围的绝缘体的介电常数和内部导体与成为电位基准的外部导体的位置关系等决定的值，因此，例如，若由于配置制造装置时的位置偏移等而导致内部导体的偏心变大，或者绝缘体的介电常数变得不均匀，则内部导体的有效介电常数的平方根的差Δ(ε_eff ^1/2)变大。

制造不存在内部导体的偏心而成为完全对称的形状，进而绝缘体的介电常数完全均匀的差动信号用电缆实际上是不可能的，期待即使存在内部导体的偏心、对称性的变形或者绝缘体的介电常数的不均匀的情况下，也能减小SCD21从而抑制模式转换。

发明内容

发明所要解决的课题

因此，本发明的目的在于解决上述课题，提供能够抑制模式转换的差动信号用电缆及其制造方法。

用于解决课题的手段

本发明是为了达到上述目的而作出的发明，本发明提供一种差动信号用电缆，包括：两根内部导体；分别或一并覆盖该两根内部导体的绝缘体；以及覆盖该绝缘体的周围的外部导体，其中，以电缆长度为1m进行测定时，用下式(1)表示的有效容量差ΔX在上述两根内部导体的电容的平均值C的0.2％以下，

ΔX＝ΔC+ΔL/Z₀ ² 式(1)

式中，ΔC：两根内部导体的电容差；

ΔL：两根内部导体的电感差；

Z₀：参考阻抗(50Ω)。

上述外部导体可以通过在上述绝缘体的外周纵向绕包金属带而形成。

上述两根内部导体的电容差ΔC可以在上述两根内部导体的电容的平均值C的0.2％以上。

上述绝缘体可以由发泡绝缘体构成。

上述两根内部导体的电感差ΔL可以在上述两根内部导体的电容的平均值C的0.2％以上。

另外，本发明提供一种差动信号用电缆的制造方法，该差动信号用电缆包括：两根内部导体；分别或一并覆盖该两根内部导体的绝缘体；以及覆盖该绝缘体的周围的外部导体，其中，对上述两根内部导体的电容差ΔC和上述两根内部导体的电感差ΔL的一方或两方进行调整，使以电缆长度为1m进行测定时用下式(1)表示的有效容量差ΔX成为上述两根内部导体的电容的平均值C的0.2％以下，

ΔX＝ΔC+ΔL/Z₀ ² 式(1)

式中，ΔC：两根内部导体的电容差；

ΔL：两根内部导体的电感差；

Z₀：参考阻抗(50Ω)。

可以通过调整上述内部导体的位置，从而调整为上述有效容量差Δ在上述两根内部导体的电容的平均值C的0.2％以下。

可以通过调整上述绝缘体的介电常数分布，从而调整为上述有效容量差ΔX在上述两根内部导体的电容的平均值C的0.2％以下。

可以通过在上述外部导体上形成孔，从而调整为上述有效容量差ΔX在上述两根内部导体的电容的平均值C的0.2％以下。

发明的效果

根据本发明，能够提供能够抑制模式转换的差动信号用电缆及其制造方法。

附图说明

图1(a)是本实施方式的差动信号用电缆的横剖面图，图1(b)是表示SCD21的频率特性的表图，图1(c)是表示针对有效容量差ΔX除以两根内部导体的电容的平均值C得到的值的SCD21的实测值的表图。

图2是说明在本发明中测定内部导体的电容的方法的图。

图3(a)至图3(e)是说明在本发明中产生电容差ΔC和电感差ΔL的原因的图。

图4是表示图1的差动信号用电缆的一个变形例的横剖面图。

符号说明

1—差动信号用电缆，2—内部导体，3—绝缘体，4—外部导体。

具体实施方式

下面，根据附图说明本发明的实施方式。

图1(a)是本实施方式的差动信号用电缆的横剖面图。

如图1(a)所示，差动信号用电缆1包括：两根内部导体2；整体覆盖两根内部导体2的绝缘体3；以及覆盖绝缘体3的周围的外部导体4。

两根内部导体2大致平行地配置。作为绝缘体3，可以使用发泡绝缘体和非发泡绝缘体中的任一种。绝缘体3形成为从剖面观察成为大致椭圆形状。此外，虽然在本实施方式中，以一并覆盖两根内部导体2的方式形成绝缘体3，但也可以以分别覆盖两根内部导体2的方式形成绝缘体3。

在绝缘体3的周围卷绕在树脂带的一方的面上形成了金属层的金属带而形成外部导体4。虽然在本实施方式中，通过在绝缘体3的周围纵向绕包金属带来形成外部导体4，但也可以通过在绝缘体3的周围螺旋状地卷绕金属带来形成外部导体4。

此外，在螺旋状地卷绕金属带形成外部导体4的情况下，虽然能够使同相信号衰减，但会产生一种在高频域中特定频率下损失增大的被称作频带空段的现象。因此，作为外部导体4，优选使用纵向绕包金属带得到的外部导体。

虽然在纵向绕包金属带得到的外部导体4中，与螺旋状地卷绕金属带的情况相比同相信号的衰减变少，但在差动信号用电缆1中能够抑制模式转换且能抑制同相信号产生本身，因此这不成问题。换言之，本发明在为了抑制频带空段而使用了纵向绕包金属带得到的外部导体4的差动信号用电缆1中特别有效。

虽然没有图示，但也可以在外部导体4的周围进一步卷绕树脂带而形成绝缘层。此外，也可以在内部导体2和绝缘体3之间设置内层护层，还可以在绝缘体3和外部导体4之间设置外层护层。

然后，在本实施方式的差动信号用电缆1中，以电缆长度为1m进行测定时，用下式(1)表示的有效容量差ΔX在两根内部导体2的电容的平均值C的0.2％以下，

ΔX＝ΔC+ΔL/Z₀ ² 式(1)

式中，ΔC：两根内部导体的电容差；

ΔL：两根内部导体的电感差；

Z₀：参考阻抗(50Ω)。

关于其理由，在下文进行说明。

本发明者们关于SCD21的频率特性进行了理论性研讨，结果发现如图1(b)所示，在SCD21超过-20d的情况下，SCD21的频率特性在低频域总是取一定的峰形。

更详细地，发现SCD21的频率特性在低频域能够近似于图1(b)中以虚线表示的近似直线A，SCD21的最差值多被低频侧的第一个峰值P决定。

因此，本发明者们进一步地开展理论性研讨，发现低频域中的近似直线A以下式(2)表示。

SCD21＝20log₁₀f₀+20log₁₀|(πZ₀/2)·ΔX|式(2)

式中，f₀：频率；

Z₀：参考阻抗(50Ω)；

ΔX：有效容量差。

式(2)中的有效容量差ΔX用上述式(1)表示，其表示两根内部导体2之间的电气不均衡的程度。此外，参考阻抗Z₀在定义S参数时使用，在此设定为50Ω。此外，频率f₀是在图1(b)的双对数图中SCD21的频率特性近似地视作直线的频率，将电缆长度设为S，频率f₀在大致(0.3/S)GHz以下则足够。

低频域中的近似直线A的截段由式(2)的第2项决定，但通过减小该第2项的值、即有效容量差ΔX，能够减小低频侧的第一个峰值P，并减小遍及整个频率的SCD21的最大值。

因此，本发明者们实际地试制了大量差动信号用电缆1，测定SCD21和有效容量差ΔX并求出了两者的关系。将测定对象的电缆长度设定为1m，通过网络分析器测定出SCD21。此外，测定两根内部导体2的电容(自电容)的差ΔC和两根内部导体2的电感(自电感)的差ΔL，并根据上述式(1)求出有效容量差ΔX。关于频域7GHz以下和50GHz以下这2种情况进行SCD21和有效容量差ΔX的测定。

此外，在求两根内部导体2的电容差ΔC时，分别测定两内部导体2的电容(自电容和互电容的和)，取得其差分即可。如图2所示，若使一方的内部导体2和外部导体4接地，并将对另一方的内部导体2施加电压V时的另一方的内部导体2的电荷设为Qn，则根据下式(3)能够求出另一方的内部导体2的电容Cn’，

Cn’＝Cn+Cpn＝Qn/V 式(3)

同样地，根据下式(4)求出另一方的内部导体2的电容Cp’，取两者的差Cn’-Cp’＝Cn-Cp，由此能够求出两根内部导体2的电容差ΔC＝Cn’-Cp’＝Cn-Cp(以下，称作电容差ΔC)。

Cp’＝Cp+Cpn＝Qp/V 式(4)

此外，通过取两电容Cn’、Cp’的平均，能够求出两根内部导体2的电容的平均值C(＝(Cn’+Cp’)/2)。

关于两根内部导体2的电感的差ΔL(以下，称作电感差ΔL)，通过使用显微镜或X射线CT等检测差动信号用电缆1的剖面形状，能够根据其剖面形状进行运算。这是因为电感差ΔL具有与介电常数的分布无关，仅由导体的配置和形状决定的性质。因此，在差动信号用电缆1中，只要测定内部导体2的中心位置和直径以及外部导体4的内表面形状，就可以通过有限元法、有限差分法、力矩法等数值解析法并根据麦克斯韦方程式来计算电感差ΔL。关于电缆的电感的计算方法，详细地记载在例如非专利文献1中。

在图1(c)中示出测定结果。此外，在图1(c)中，横轴为有效容量差ΔX除以两根内部导体2的电容的平均值C得到的值ΔX/C。

如图1(c)所示，虽然由于测定时的误差等而存在一些偏差，但可以说在两个频域中均存在SCD21与有效容量差ΔX(这里为ΔX/C)之间的相关关系。

在用于高速传输的差动信号用电缆1中，实用上要求SCD21小于-20dB。由图1(c)可知，通过使ΔX/C在0.2％以下，即使考虑偏差也能可靠地使SCD21小于-20dB。

也就是说，如本实施方式的差动信号用电缆1这样使有效容量差ΔX在两根内部导体2的电容的平均值C的0.2％以下(下面，有时记载为C×0.2％)，能够使SCD21为小于-20dB的值，将模式转换抑制在实用上没问题的范围内。

由此，即使不将电容差ΔC和电感差ΔL设定为理想的0值，也能通过调整电容差ΔC和电感差ΔL的一方或两方使有效容量差ΔX成为C×0.2％以下，从而使SCD21小于-20dB。

作为电容差ΔC和电感差ΔL的产生原因，可以列举出：如图3(a)、图3(b)所示的内部导体2的位置偏移(偏心)、如图3(c)所示的绝缘体3的变形、如图3(d)所示在内部导体2周围的空隙31的产生、如图3(e)所示在绝缘体3和外部导体4之间的空隙32的产生、当使用发泡绝缘体作为绝缘体3时其发泡度的偏差、当设置有护层时其厚度的偏差等。

虽然以现有的技术不可能完全排除这些产生原因，但通过调整电容差ΔC和电感差ΔL的一方或两方，能够使有效容量差ΔX在C×0.2％以下，将SCD21抑制在实用范围内。

更详细地，电感差ΔL是主要由内部导体2的位置偏移和绝缘体3的形状的歪曲所决定的参数。此外，电容差ΔC是主要由绝缘体3的介电常数分布的不均度和形状的歪曲所决定的参数。因此，在电容差ΔC较大的情况下，可以有意地使内部导体2偏心而导入电感差ΔL，抵消电容差ΔC，使有效容量差ΔX在C×0.2％以下。此外，在电感差ΔL较大的情况下，可以有意地使绝缘体3的介电常数分布不均匀而导入电容差ΔC，抵消电感差ΔL，使有效容量差ΔX在C×0.2％以下。

在差动信号用电缆1中，电容差ΔC可以在C×0.2％以上。在通过使用发泡绝缘体作为绝缘体3等而电容差ΔC单独地在C×0.2％以上的情况下，使用以往的方法不可能使SCD21小于-20dB。但是，通过调整内部导体2的位置等而调整电感差ΔL以抵消电容差ΔC，能够使有效容量差ΔX在C×0.2％以下，减小SCD21。

此外，在差动信号用电缆1中，电感差ΔL可以在C×0.2％以上。在通过制造装置的配置使内部导体2的位置偏移等而电感差ΔL单独地在C×0.2％以上的情况下，使用以往的方法不可能使SCD21小于-20dB。但是，通过有意地使介电常数分布不均匀等而调整电容差ΔC以抵消电感差ΔL，能够使有效容量差ΔX在C×0.2％以下，减小SCD21。

此外，在本实施方式中，限定了以电缆长度为1m进行测定时的有效容量差ΔX，但限定测定时的电缆长度是因为考虑到当电缆长度较长时SCD21由于同相信号的衰减而变小，根据上述式(2)进行逆运算则会较小地算出表观有效容量差ΔX的情况。就本实施方式的差动信号用电缆1而言，在无论以其长度方向的哪个部分测定的情况下，其都能使以电缆长度为1m进行测定时的有效容量差ΔX成为C×0.2％以下。

本实施方式的差动信号用电缆的制造方法是对电容差ΔC和电感差ΔL的一方或者两方进行调整以使以电缆长度为1m进行测定时的有效容量差ΔX成为C×0.2％以下的方法。

在本实施方式的差动信号用电缆的制造方法中，在制造时测定电容差ΔC和电感差ΔL，并对两者进行调整以使有效容量差ΔX成为C×0.2％以下。

如上所述，由于内部导体2的位置偏移对电感差ΔL有较大的影响，因此当调整电感差ΔL时，可以调整内部导体2的位置。此外，调整电感差ΔL的方法不限于此。

另外，由于绝缘体3的介电常数分布对电容差ΔC有较大的影响，因此当调整电容差ΔC时，可以调整绝缘体3的介电常数分布。此外，调整电容差ΔC的方法不限于此。

本实施方式的差动信号用电缆的制造方法对于绝缘体3为发泡绝缘体的情况特别有效。在发泡绝缘体中，由于绝缘体3的发泡度分布的不对称性，而存在电容差ΔC比C×0.2％大的情况。在该情况下，通过有意地将内部导体2的位置变更为不对称的位置，用因内部导体2的位置偏移而产生的电感差ΔL和电容差ΔC抵消因发泡度分布的不对称性而产生的电容差ΔC，能够将有效容量差ΔX调整为C×0.2％以下。此外，由于本发明的主旨在于将ΔX调整为C×0.2％以下这一点，因此调整电容差ΔC和电感差ΔL的方法不限于此。

另外，在绝缘体3为发泡绝缘体的情况下，如图4所示，为了防止水分侵入发泡绝缘体层，也可以将绝缘体3制成用非发泡的护层41覆盖发泡绝缘体的结构。在该情况下，由于非发泡的护层41的厚度的不对称性而存在电容差ΔC比C×0.2％大的情况。在该情况下，通过有意地将内部导体2的位置变更为不对称的位置，用因内部导体2的位置偏移而产生的电容差ΔC和电感差ΔL抵消因护层41的厚度的不对称性而产生的电容差ΔC和电感差ΔL，也能将有效容量差ΔX调整为C×0.2％以下。此外，由于本发明的主旨在于将ΔX调整为C×0.2％以下这一点，因此调整电容差ΔC和电感差ΔL的方法不限于此。

如以上说明的那样，在本实施方式的差动信号用电缆1中，使以电缆长度为1m进行测定时的有效容量差ΔX在两根内部导体2的电容的平均值C的0.2％以下。

通过这样构成，即使在内部导体2的有效介电常数的差较大的情况下，也能调整电容差ΔC或电感差ΔL来降低SCD21抑制模式转换，并且能够抑制对差动信号的衰减量的影响，同时增大同相信号的衰减量。

当然，本发明并不限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够加入各种变更。

例如，虽然在上述实施方式中没有提及，但通过进一步追加用于衰减同相信号的结构，还能够进一步提高SCD21的降低效果。

作为用于衰减同相信号的结构，可以使用例如在距离两根内部导体2等距离的位置的外部导体上设置沿着长度方向的开口(孔)的排列的结构。为了增大同相信号的衰减量，优选尽量大幅地搅乱同相信号的电流分布，增大同相信号的反射和模式转换。通过沿着长度方向周期性地排列开口，能够增大同相信号的反射率。此外，通过使开口从距离两根内部导体2等距离的位置错开，也能够增大同相信号的模式转换量。开口的周期和形状也可以不一定，可以根据想要除去的同相信号的频率等适当地进行调整。

另外，虽然在上述实施方式中，作为一个例子，关于求出电容差ΔC和电感差ΔL并根据式(1)求出有效容量差ΔX的方法进行了说明，但求出有效容量差ΔX的方法不限于此。

例如，式(2)可以改写为下式(5)，因此，通过使用网络分析器测定S参数(SCD21(dB))，对得到的测定数据进行运算处理，也能推定有效容量差ΔX。

|ΔX|=(2/πZ₀)×

10^{(SCD21(dB)-20log₁₀f₀)/20}式(5)

式中，f₀：频率；Z₀：参考阻抗(50Ω)；SCD21(dB)：SCD21的dB表示值(Z₀＝50Ω)。

此时，在使用纵向绕包金属带得到的外部导体4的情况下，将电缆长度设为S，频率f₀在大致(0.3/S)GHz以下则足够。除此之外，通过将由测定得到的S参数转换为F参数的方法也能推定有效容量差ΔX，并能任意选择求出有效容量差ΔX的方法。但是，虽然求出有效容量差ΔX的方法有很多，但由于测定误差等的影响，有时候ΔX的值会因测定方法而有所不同。通过至少一种测定方法使有效容量差ΔX成为两根内部导体的电容的平均值C的0.2％以下。

Claims

1.一种差动信号用电缆，包括：两根内部导体；分别或一并覆盖该两根内部导体的绝缘体；以及覆盖该绝缘体的周围的外部导体，

该差动信号用电缆的特征在于，

以电缆长度为1m进行测定时，用下式(1)表示的有效容量差ΔX在上述两根内部导体的电容的平均值C的0.2％以下，

ΔX＝ΔC+ΔL/Z₀ ² 式(1)

式中，ΔC：两根内部导体的电容差；

ΔL：两根内部导体的电感差；

Z₀：参考阻抗(50Ω)。

2.根据权利要求1所述的差动信号用电缆，其特征在于，

上述外部导体通过在上述绝缘体的外周纵向绕包金属带而形成。

3.根据权利要求1或2所述的差动信号用电缆，其特征在于，

上述两根内部导体的电容差ΔC在上述两根内部导体的电容的平均值C的0.2％以上。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的差动信号用电缆，其特征在于，

上述绝缘体由发泡绝缘体构成。

5.根据权利要求1或2所述的差动信号用电缆，其特征在于，

上述两根内部导体的电感差ΔL在上述两根内部导体的电容的平均值C的0.2％以上。

6.一种差动信号用电缆的制造方法，该差动信号用电缆包括：两根内部导体；分别或一并覆盖该两根内部导体的绝缘体；以及覆盖该绝缘体的周围的外部导体，

该差动信号用电缆的制造方法的特征在于，

对上述两根内部导体的电容差ΔC和上述两根内部导体的电感差ΔL的一方或两方进行调整，使以电缆长度为1m进行测定时用下式(1)表示的有效容量差ΔX成为上述两根内部导体的电容的平均值C的0.2％以下，

ΔX＝ΔC+ΔL/Z₀ ² 式(1)

式中，ΔC：两根内部导体的电容差；

ΔL：两根内部导体的电感差；

Z₀：参考阻抗(50Ω)。

7.根据权利要求6所述的差动信号用电缆的制造方法，其特征在于，

通过调整上述内部导体的位置，从而调整为上述有效容量差ΔX在上述两根内部导体的电容的平均值C的0.2％以下。

8.根据权利要求6或7所述的差动信号用电缆的制造方法，其特征在于，

通过调整上述绝缘体的介电常数分布，从而调整为上述有效容量差ΔX在上述两根内部导体的电容的平均值C的0.2％以下。