CN110494934B - 结构电缆 - Google Patents

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Abstract

结构电缆(100)包括第一导体(100a)、结构元件(104)、以及在第一导体(100a)和结构元件(104)周围形成的具有近端和远端的主体(110)，其中主体(110)由非导电材料制成。结构电缆(100)可以包括一个或多个附加的导体(102b‑102f)，该一个或多个附加的导体(102b‑102f)沿着结构电缆(100)的长度被均匀地定位。

Description

结构电缆
相关申请的交叉引用
本PCT申请要求于2018年4月10日提交的名称为“结构电缆”的美国发明申请第15/949,250号以及于2017年4月11日提交的名称为“结构电缆”的美国临时申请第62/484,198号的优先权。于2018年4月10日提交的名称为“结构电缆”的美国发明申请第15/949,250号根据U.S.C.§119(e)要求于2017年4月11日提交的名称为“结构电缆”的美国临时申请第62/484,198号的优先权，出于所有目的，它们的整体内容通过引用并入本文并且作为本PCT申请的一部分。
关于联邦政府赞助的研究或开发的声明
不适用。
于光盘上提交的通过引用的并入
不适用。
技术领域
本公开涉及一种结构电缆。更具体地，本公开涉及一种能够保持形状的结构电缆，该结构电缆通常包含与结构元件共同形成的多个共线导线或导体，该结构元件在导线的至少一部分中的至少一个方向上为组件提供刚度。
背景技术
传统电缆，诸如组件电缆、USB电缆或HDMI电缆，可以轻易地通过人的手操纵而与布置在不同结构或设备上的合适的连接器进行连接。然而，这些电缆的安装很难自动化。这些电缆缺乏被机械臂轻易拾起、移动和放置的充足的结构完整性和刚度。此外，因为传统电缆不是刚性的，所以它们可能不容易形成不同的形状并被布线到紧密的空间限制中预定的位置。在制造期间将传统的、柔性的电缆进行布线，例如以在汽车制造期间连接不同的部件，通常无法自动化并且因此要求人们用手放置。这样的人工放置耗时、乏味且昂贵。此外，尽管像USB C型电缆之类的某些传统电缆被设计为服务多个目的(诸如通过一根电缆的传输功率、数据和视频)，但特定的应用可能不需要传递所有三种类型的信息。
因此，需要一种结构电缆来克服上述缺点。
附图说明
图1A图示了根据本发明的某些实施例的结构电缆的透视截面图，该结构电缆示出了具有多个导线的主体，该多个导线以平面配置布置并且位于嵌入主体的结构元件旁边。
图1B图示了根据本发明的某些实施例的结构电缆的透视截面图，该结构电缆示出了具有多个导线的主体，该多个导线以平面配置布置并且位于主体外部的结构元件旁边。
图2图示了根据本发明的某些实施例的结构电缆，该结构电缆由机械臂操纵来定位结构电缆以便避开物体。
图3图示了根据本发明的某些实施例的用于制造图1的结构电缆的挤压过程。
图4图示了根据本发明的某些实施例的结构电缆的透视截面图，该结构电缆示出了位于结构元件相对侧上的第一组导线和第二组导线。
图5图示了根据本发明的某些实施例的图4的结构电缆，该结构电缆示出了布置在结构电缆的端部处的一对连接器，并且示出了布置在每个连接器内的多个引脚。
图6是根据本发明的某些实施例的在结构电缆的端部处的连接器的横截面示意图。
图7图示了根据本发明的某些实施例的用以连接汽车中的传感器部件并且保持形式的结构电缆的示例用途。
图8是根据本发明的某些实施例的、参考归一化到90欧姆的差分的由高速导线对所经历的最大插入损耗的图。
图9是根据本发明的某些实施例的、参考归一化到90欧姆的差分的由高速导线对所经历的最大回波损耗的图。
图10是根据本发明的某些实施例的、参考归一化到90欧姆的差分的由高速导线对所经历的最大串扰的图。
图11是图示根据本发明的某些实施例的模式转换的图。
图12是根据本发明的某些实施例的在VBUS与SBUX(x＝1，和2)之间最大单端串扰的图。
图13A图示了根据本发明的某些实施例的可以连接到结构电缆的平面连接器。
图13B图示了根据本发明的某些实施例的可以连接到图13A所示的平面连接器的插座。
图14图示了根据本发明的某些实施例的结构元件的横截面。
图15图示了根据本发明的某些实施例的主体的横截面。
本公开的实施例和它们的优点将通过参考下文详细的描述而最好地理解。应当理解的是，使用相同的附图标记来标识一个或多个附图中示出的相同的元件，其中附图中所示是为了说明本公开的实施例的目的而并非为了限制的目的。
具体实施方式
本公开涉及结构电缆，更具体地说，本公开涉及包含一个或多个导线的结构电缆，该一个或多个导线利用在至少一个方向上为结构电缆提供刚度的结构元件形成。通常，多个导线或导体(或多个导线束或导体，诸如绞合导线/导体对)将以共线取向形成，或者具有被散开成共线取向的端部(即，导线或导体的本体(bulk)可以以不同的取向存在，但导线或导体的端部将是共线的)。
根据本公开的结构电缆是具有结构完整性的电缆，该电缆可以由作为自动化过程的一部分的机械臂操纵到位，同时向期望位置提供可靠的数据连接。作为形成操纵的一部分，结构电缆优选地允许以不同的几何形状进行操纵，从而允许避免障碍的布置、以及能够以可复制的方式执行的布置，以便作为自动化过程的一部分得以实现。
现在将详细地参考特定方面或特征，该特定方面或特征的示例在附图中示出。在可能的情况下，将在附图中使用对应或相似的附图标记来表示相同或对应的部分。
图1A图示了结构电缆100的透视截面图。如图所示，结构电缆100具有六个共线的导线或导体102a-f。然而，在其他实施例中，可能有少于或多于六个导线/导体并且这些导线/导体无需共线。但是，期望设置导线/导体的几何形状以便于端部连接器的连接(如下文所述)。此外，结构电缆在指示位置处可以包含多个布置在一起的导线/导体(诸如绞合导线/导体对)而并非单个导线/导体。在其他实施例中，多个导线/导体(例如，一对导线/导体)可以同轴缠绕。在其他实施例中，多个导线或导体可以贯穿结构电缆的长度被绞合在一起，其中端部散开成共线取向(即，导线或导体的本体可以以不同的取向存在，但端部将是共线的)。
根据本公开的实施例，结构电缆100的导线102a-f可以包括被配置用于功率传输的导线/导体和/或被配置用于数据传输的导线/导体。在特定的实施例中，一个或多个导线/导体102具有的阻抗在40到50欧姆之间，诸如45欧姆。
此外，如图1A所示，这些导线/导体102以平面(且共线)配置被布置。虽然这样的共线配置不是必要的，但是为了有助于例如向结构电缆添加连接器的自动化，期望以设定的几何形状布置导线/导体。图1示出了该设定的几何形状的示例，其中六个导线/导体中的每个导线/导体共线，并且每对相邻的导线/导体102之间以距离“d”间隔。例如，导线/导体102a-102b和导线/导体102b-102c的距离“d”是相等的。然而，导线到导线的距离可能不同。
具有已知几何形状和以已知尺寸布置(并且优选共线)的导线/导体的这种平面电缆配置的优点在于，将平面导线/导体连接到连接器的过程可以通过例如压接、传统焊接或激光焊接而自动化进行。在特定的实现中，封装的导线被保持在平面传送带上或利用机械臂保持，并且这些导线使用剥离附件被剥离以便保持导线的间距。该机械臂(或另一个机械臂)然后可以拾起连接器，并且通过向下按压(或利用适当的工具)而将连接器压接到导线。特定的连接器和连接过程在下文详细描述。备选地，利用被连接到连接器中的引脚的导线，已知的固定导线间距可以用于可靠地将导线焊接到连接器。此外，电缆到电缆并且也在相同的结构电缆中的导线和/或引脚之间的间距“d”(即，引脚间距(pin pitch))可以改变。例如，连接器内的导线和/或引脚之间的间距可以改变，以优化高频载波上的信号完整性，并且最小化电源和低频引脚的间距。这还可以用于控制阻抗以便移除或减小结构电缆外部的电路(例如，在连接到插座的印刷电路板上)。在某些实施例中，代替引脚，可以使用条带(即金属指)、垫、导线/导体本身、插口或其他连接方法，以将结构电缆连接到连接器或其他部件。
结构电缆100还优选包括结构元件104。结构元件104被配置为向结构电缆100提供预定量的刚度，使得结构电缆100可以如图2所示由机械臂106控制。此外，如图2所示，结构元件104是柔软的，使得其可以由机械臂操纵、或者在由机械臂控制之前由另一机器操纵。一旦形成了期望的结构，机械臂106可以拾起结构电缆并将其放置在需要的位置以避开其他物体或障碍，如图2中的物体108。结构元件104赋予结构电缆100足够的刚度，以使电缆在被弯曲和随后的放置之后、以及在拾取、控制和放置之后的机械臂运动期间保持其形状。在其它实施例中，弯曲和其他结构特征可以通过机械臂的移动而被赋予。例如，当机械臂移动时，其呈现出足够的力以将结构电缆按期望的方式变形。换言之，在由机械臂移动结构电缆期间，可以在结构电缆中放置期望的弯曲。
结构元件104可以是金属的带或条，例如，一定厚度的铁、钢、不锈钢、铝、铜、锡或镍，以便提供结构支撑、但是允许操纵(例如冷弯)成不同的几何形状。例如，结构元件104可以是1.5mm厚的铜条。结构元件104可以在由机械臂106安装之前被冷轧，或者通过机械臂106本身冷轧。除了纯金属，结构元件104可以由其他材料形成，包括但不限于合金，该合金表现出合适的延展性，以提供充足量的柔韧性和刚度。结构元件104还可以是非金属的。例如，结构元件可以由单体、聚合物或杂化聚合物-金属复合材料制成。典型的聚合物包括：既可塑又能保持形状的硅酮聚乙烯复合聚合物，可实现良好的塑性变形保持的均聚物高密度聚乙烯(HDPE)，或者其他聚合物。为了形成特定的弯曲和几何形状，可以使用局部加热来热塑性地变形聚合物。示例性聚合物-金属复合材料是嵌入聚氯乙烯中的铜和铁纳米颗粒。还可以使用其他结构元件，只要它们可以被形成或变形成期望的结构。
此外，结构元件104的横截面可能不同。其可能是如图1A所示的矩形、正方形、椭圆形、圆形或其他几何形状。在一个实施例中，结构元件104是非常薄的挤压金属条或者空心的圆柱体，以便实现单位重量、单位成本、单位体积的最大的刚度。在另一个实施例中，结构元件104是实现多向刚度(multi-directional stiffness)的波板，即使结构元件104只定位在结构电缆100的底部部分或顶部部分处。示例性结构元件的横截面如图14所示。在某些实施例中，结构元件的结构完整性可以沿着长度或其他尺寸之一改变。例如，结构元件可以包含更细或更粗的颗粒(例如，由于热处理)以改变结构元件的特性。在其他实施例中，紫外线、热处理或其他技术可以用于改变结构元件的结构。例如，紫外线可以聚合、进一步聚合、交联、进一步交联、或者以其他方式增加结构元件在某些区域的结构完整性。在其他实施例中，紫外线、臭氧、热处理、老化或其他技术可以用于沿整个长度或在选定区域对结构元件进行降解。当结构电缆的结构完整性需要改变(例如，在结构电缆已经连接在汽车上之后的移除期间)、或者当结构电缆的结构完整性需要帮助在必须放置在附近的结构周围的结构电缆的布线时，这可能是有利的。
此外，如图1A所示，结构电缆100还包括主体110，该主体110在每个导线/导体102a-f周围形成，并且可以在结构元件104周围形成。虽然主体被示出为“T”的几何形状，但是其可能有不同的几何形状，包括更平面的几何形状或椭圆形几何形状。这些和其他横截面可以用于创建导线/导体的非均匀信号完整性特性(包括阻抗)。示例性主体横截面如图15所示。
在某些实施例中，主体的结构完整性可以沿着长度或任何其他尺寸而改变。在某些实施例中，紫外线、热处理或其他技术可以用于改变主体的结构。例如，紫外线可以聚合、进一步聚合、交联、进一步交联，或者以其他方式增加主体在某些区域的结构完整性。在其他实施例中，紫外线、臭氧、热处理、老化或其他技术可以用于沿整个长度或在选定区域对主体进行降解。当主体的结构完整性需要改变(例如，在主体已经连接在汽车上之后的移除期间)、或者当主体的结构完整性需要帮助在必须放置在附近的结构周围的结构电缆的布线时，这可能是有利的。
主体110优选由非导电材料制成并且可以是电介质。例如，主体110可以由诸如聚偏二氟乙烯(PVDF)的电介质热塑性聚合物、诸如聚氨酯(PUR)的电介质热塑性弹性体(TPE)、乙丙橡胶(EPR)或者其他合适的聚合物或材料制成。主体还可以由单体(或短链聚合物)形成，该单体可以在电缆形成期间或在电缆形成后处理，以改变主体的特性。例如，紫外线、热处理、或溶剂的施加可能会在主体的某些区域引起额外的聚合，以改变主体的特性，诸如刚度、屈服强度、疏水性或其他特性。如图3所示，主体110可以通过挤压过程成形。主体110还可以通过层压过程形成。在层压期间，可以将结构元件、导线(或导体)和一层或多层非导电外材料体添加为层，然后热压以形成结构电缆。
在本公开的某些实施例中，主体110的厚度“t”可以在0.1毫米到10厘米的范围内。例如，主体110的厚度“t”可以是0.5毫米。在另一个示例中，主体110的厚度“t”可以是2毫米。需要注意的是主体110的厚度“t”可以适当地选择，这取决于以下因素，诸如导线/导体102和结构元件104的相对尺寸以及应用的其他特定要求，诸如基于相对运动的预期的磨损和损耗或者基于环境的性能要求。
在某些实施例中，如图1B所示，结构元件可以不嵌入，而是作为外部结构部分地或完全在主体110之外。如图1B所示，结构元件104可以是一个条，或者其可以是空心管、实心管、平行板、波板或其他结构元件。图14示出了示例性结构元件横截面。结构元件104可以包括金属，诸如一定厚度的铁、钢、不锈钢、铝、铜、锡或镍，以便提供结构支撑、但是允许操纵(例如冷弯)成不同的几何形状。例如，结构元件104可以是1.5mm厚的铜条。结构元件104可以在由机械臂106安装之前被冷轧，或者通过机械臂106本身冷轧。除了纯金属，结构元件104可以由其他材料形成，包括但不限于合金，该合金表现出合适的延展性，以提供充足量的柔韧性和刚度。结构元件104还可以是非金属的。例如，结构元件可以由单体、聚合物或杂化聚合物-金属复合材料制成。典型的聚合物包括：既可塑又能保持形状的硅酮聚乙烯复合聚合物，可实现良好的塑性变形保持的均聚物高密度聚乙烯(HDPE)，或者其他聚合物。为了形成特定的弯曲和几何形状，可以使用局部加热来热塑性地变形聚合物。示例性聚合物-金属复合材料是嵌入聚氯乙烯中的铜和铁纳米颗粒。还可以使用其他结构元件，只要它们可以被形成或变形成期望的结构。
结构元件104的横截面可能不同。其可能是如图1A所示的矩形、正方形、椭圆形、圆形或其他几何形状。在一个实施例中，结构元件104是非常薄的金属条或者空心的圆柱体，以便实现单位重量、单位成本、单位体积的最大的刚度。在另一个实施例中，结构元件104是实现多向刚度的波板，即使结构元件104只定位在结构电缆100的底部部分或顶部部分处。示例性结构元件的横截面如图14所示。
在某些实施例中，结构元件的结构完整性可以沿着长度或其他尺寸之一改变。例如，结构元件可以包含更细或更粗的颗粒(例如，由于热处理)以改变结构元件的特性。在其他实施例中，紫外线、热处理或其他技术可以用于改变结构元件的结构。例如，紫外线可以聚合、进一步聚合、交联、进一步交联、或者以其他方式增加结构元件在某些区域的结构完整性。在其他实施例中，紫外线、臭氧、热处理、老化或其他技术可以用于沿整个长度或在选定区域对结构元件进行降解。当结构电缆的结构完整性需要改变(例如，在结构电缆已经连接在汽车上之后的移除期间)、或者当结构电缆的结构完整性需要帮助在必须放置在附近的结构周围的结构电缆的布线时，这可能是有利的。
图3图示了根据本发明的某个实施例的用于制造图1A的结构电缆100的挤压过程。参考图3，主体110是使用模具320从挤出物302(通常为如上文所述的聚合物)中挤出的。如图3所示，原材料304(诸如聚合物粒)可以送入挤出机300的料斗306中，挤出机300具有螺杆308，该螺杆308由电机310可操作地旋转，以通过在位于挤出机300的外壳314与螺杆308之间的挤出机300的环形腔312中混合原材料304来使原材料304均匀。螺杆308的旋转还以前向方向推动均匀的原材料304，使得均匀的原材料304可以受到布置在挤出机300的环形腔312周围的一个或多个加热器316的加热。当经受加热时，原材料304变为液体并且能够流动以用于形成挤出物302。然后，挤出物302从喷嘴318喷射出来，并且在由螺杆308或液压或气动或电动活塞(未示出)的前向方向推动所施加的压力下被使得流入模具320中。
模具320可以包括沿着模具320的一条或多条分型线彼此可分离的两个或多个部分。例如，如图3所示，模具320包括两个部分322、324，它们可以相对于彼此而可操作地移动，以用于打开和关闭模具320。当使用时，模具320的两个部分322、324可以彼此关闭。送料器(未示出)可以经由适当的开口(未示出)而向模具320中连续地供应导线/导体102a-f(更多或更少的导线/导体、绞合导线/导体对、或者同轴导线对)和结构元件104。在某些实施例中，结构元件可以不被连续地馈送，例如以促进在那些区域中的弯曲或柔韧性。
挤出物302与导线/导体102a-f和结构元件104的连续通过一起流入模具320中。模具320中的开口将结构元件104和导线/导体定位在模具320中它们相应的位置，而挤出物302分别在每个导线/导体的外表面112和结构元件104的外表面114周围凝固。以这种方式，结构电缆100的主体110与导线/导体102a-f和结构元件104整体地形成，导线/导体102a-f和结构元件104现在都位于结构电缆100的主体110内。然而，在某些实施例中，结构元件没有嵌入到主体110内，而是仅部分嵌入到主体100中或在主体110的外部。然后，成型的结构电缆100通过出口326而从模具320中挤出，并且准备连接一对连接器，例如图5所示的连接器、图13A所示的连接器或USB-C连接器。
可以挤出主体110，使得主体的横截面贯穿长度而发生变化以影响主体的不同结构特性，包括刚度和抗拉强度的变化。例如，主体可以有不同的圆形直径，改变直径以赋予结构电缆不同的刚度或其他特性。结构元件的横截面还可以赋予结构元件更多的刚度(或其他特性)。例如，结构元件的一定长度下的星状横截面(或更大的直径)可以用于增加结构元件沿那些长度的刚度。以这种方式，主体本身可以部分地或全部作为结构元件。示例性主体横截面如图15所示。
在某些实施例中，主体的结构完整性可以沿着长度或任何其他尺寸而改变。在某些实施例中，紫外线、热处理或其他技术可以用于改变主体的结构。例如，紫外线可以聚合、进一步聚合、交联、进一步交联，或者以其他方式增加主体在某些区域的结构完整性。在其他实施例中，紫外线、臭氧、热处理、老化或其他技术可以用于沿整个长度或在选定区域对主体进行降解。当主体的结构完整性需要改变(例如，在主体已经连接在汽车上之后的移除期间)、或者当主体的结构完整性需要帮助在必须放置在附近的结构周围的结构电缆的布线时，这可能是有利的。
在某些实施例中，出口326旋转(例如，在与挤压电缆的宽尺寸相同的平面中)以有助于结构电缆100的弯曲。以这种方式促进弯曲通常保持导线到导线的距离，这对维持不同导线/导体之间和导线/导体内的电特性是期望的。结构电缆形成后的冷弯可能会导致导线/导体间距发生变化，这是不期望的(例如，某些导线/导体之间更可能发生串扰，或导线/导体阻抗可能发生变化)。
在其他实施例中，在主体110的外表面在出口326后被足够冷却之后，可以通过另一个进料喷嘴或经由另一种方法在主体110的外表面添加、沉积或涂覆其他材料。这些材料可以是提供刚度和/或抗拉强度的结构材料，并且可以被另一个进料喷嘴或通过沉积、浸涂、溶液浇铸或其他方法涂覆。在这种情况下，结构元件104可能较小，或者可能根本不会与主体和导线/导体一起挤出。也就是说，在没有结构元件的情况下，后挤压涂层将为结构电缆提供足够的刚度。
在某些实施例中，在出口326之后，导线/导体还可以对形成外层410的材料304(以及覆盖导电元件的任何其他材料)进行开窗或剥离，以用于附接到其他连接器。导线/导体还可以被压接以用于附接到其他连接器。同样，在出口326之后，结构元件104与主体共同挤出、并且被嵌入主体或在主体外部的部分可以通过传统过程而被选择性地移除，以实现非恒定的结构完整性。
此外，外表面可以备选择性地涂覆或反应，以引起包括刚度的其机械性能的改变。例如，可以使用热处理、臭氧、浸涂或激光技术。在某些实施例中，原材料304可以是单体(或短链聚合物)，该单体可以在电缆形成期间或在电缆形成之后进行处理以改变主体的特性。例如，紫外线、热处理、或溶剂的施加可能会在主体的某些区域引起单体的聚合或者已经存在聚合物的额外聚合(或交联)，以改变主体的特性，诸如刚度、屈服强度、疏水性或其他特性。在其他实施例中，外涂层的特性可以被设计为降解。例如，外涂层可能暴露于热处理、臭氧、激光技术、允许随时间推移而老化或其他方法以随着时间降解，从而包括刚度或抗拉强度的机械特性。
虽然图3示出了导线/导体和结构元件的共同挤压到模具320中，但是导线/导体和结构元件104可能以分批的方式经由合适的开口而通过进入模具320，其中在导线/导体和/或结构电缆的通过中具有间歇停止或间隙。间歇停止可以有利于允许足够的时间使挤出物302在每个导线/导体和结构元件的外表面112、114周围凝固。这些停止或间隙还可以导致刚度变化，以有助于在沿着结构电缆长度或在某些特定区域形成结构电缆期间或之后进行弯曲。例如，如果结构元件没有针对某一截面被挤压，那么该区域的结构电缆100的刚性将会降低，柔性将会增强。一个或多个柔性部分可以被放置在结构电缆中，以创建松弛，从而有助于连接器与插座之间的连接。其他执行挤压过程的方式将被本领域的技术人员所理解。
此外，导线/导体、结构元件(全部或部分封装在主体内部)和主体还可以通过层压过程形成。在层压器件，可以将结构部件、导线(或导体)和一层或多层非导电外材料体添加为层，然后热压以形成结构电缆。
图4图示了结构电缆400的透视截面图，结构电缆400示出了第一组导线/导体401a-f和第二组导线/导体402a-f。如图4所示，第一和第二组导线/导体以共线的方式形成。在其他实施例中，每组中可能有少于或多于六个导线/导体，并且该组导线/导体不需要共线。然而，期望设置导线/导体的几何形状以便于端部连接器的附接(如下文所述)。此外，结构电缆在指示位置处可以包含布置在一起的多个导线/导体(诸如绞合导线/导体对)而并非单个导线/导体。在其他实施例中，多个导线/导体(例如一对导线/导体)可以同轴缠绕。在其他实施例中，多个导线或导体可以贯穿结构电缆的长度被绞合在一起，其中端部散开成共线取向(即，导线或导体的本体可以以不同的取向存在，但端部将是共线的)。
如图4所示，第一组导线/导体410a-f和第二组导线/导体402a-f被包含在结构电缆400的主体410内，其中第一和第二组导线/导体在结构元件的相对侧。导线/导体对还可以被布置在结构元件的一侧，或结构元件的相同侧上(例如，一组导线/导体布置在另一组导线/导体的顶部，从而形成“双层巴士(double-decker)”配置)。在第一和第二组导线/导体内的导线/导体可以承载如下文所述的功率或数据传输。在其他实施例中，“双层巴士”配置可以使得这些组导线/导体在结构元件的相同侧上。在其他实施例中，导线可以在结构元件的三个侧或所有侧上取向。例如，导线可以以圆形方式布置在具有圆形横截面的结构元件周围，或者备选地，导线可以部分地布置在具有圆形截面的结构元件周围。
如图1B所示，结构元件404可以是一个条，或者其可以是空心管、实心管、平行板、波板或其他结构元件。图14示出了示例性结构元件横截面。结构元件104可以包括金属，诸如一定厚度的铁、钢、不锈钢、铝、铜、锡或镍，以便提供结构支撑、但是允许操纵(例如冷弯)成不同的几何形状。例如，结构元件404可以是1.5mm厚的铜条。结构元件404可以在由机械臂106安装之前被冷轧，或者通过机械臂106本身冷轧。除了纯金属，结构元件404可以由其他材料形成，包括但不限于合金，该合金表现出合适的延展性，以提供充足量的柔韧性和刚度。结构元件404还可以是非金属的。例如，硅酮聚乙烯复合聚合物可以被使用，并且可以实现可塑性以及保持形状。诸如均聚物高密度聚乙烯(HDPE)的其他聚合物也可以使用并且实现良好的塑性变形保持。为了成形，可以使用局部加热来热塑性地变形聚合物。还可以使用其他结构元件，只要它们可以被形成或变形成期望的结构。
如图3所示，主体410可以通过挤压过程成形。主体410还可以通过层压过程或其他过程形成。在层压器件，可以将结构部件、导线(或导体)和一层或多层非导电外材料体添加为层，然后热压以形成结构电缆。
此外，结构元件404的横截面可能不同。其可能是如图4所示的矩形、正方形、椭圆形、圆形或其他几何形状。在一个实施例中，结构元件404是非常薄的金属条或者空心的圆柱体，以便实现单位重量、单位成本、单位体积的最大的刚度。在另一个实施例中，结构元件404是实现多向刚度的波板，即使结构元件404只定位在结构电缆400的底部部分或顶部部分处。示例性结构元件的横截面如图14所示。
在某些实施例中，结构元件的结构完整性可以沿着长度或其他尺寸之一改变。例如，结构元件可以包含更细或更粗的颗粒(例如，由于热处理)以改变结构元件的特性。在其他实施例中，紫外线、热处理或其他技术可以用于改变结构元件的结构。例如，紫外线可以聚合、进一步聚合、交联、进一步交联，或者以其他方式增加结构元件在某些区域的结构完整性。在其他实施例中，紫外线、臭氧、热处理、老化或其他技术可以用于沿整个长度或在选定区域对结构元件进行降解。当结构电缆的结构完整性需要改变(例如，在结构电缆已经连接在汽车上之后的移除期间)、或者当结构电缆的结构完整性需要帮助在必须放置在附近的结构周围的结构电缆的布线时，这可能是有利的。
图5图示了根据本发明的某个实施例的图4的结构电缆400，结构电缆400示出了布置在结构电缆400端部400a、400b处的一对连接器502、504。如图所示，连接器中的第一连接器502包括在其中的多个引脚。类似地，连接器中的第二连接器504包括在其中的多个引脚。在图5的图示实施例中，与第一连接器502相关联的引脚和与第二连接器504相关联的引脚已经被线性地布置在第一和第二连接器502、504中的相应连接器中。例如，每一行有12个引脚(A1-A12和B1-B12)的第一行和第二行，被示出为与连接器502相关联，而每一行有12个引脚(A1-A12和B1-B12)的第一行和第二行被示出为与连接器504相关联。
虽然该对连接器502、504被示出为母连接器，但是连接器502、504中的一个或两个可以是公连接器。其它连接器可以连接到结构电缆，诸如USB-C连接器、或图13所示的连接器。此外，虽然在图5中所示的第一和第二连接器502、504的每个连接器的每个引脚彼此相似，但是在其他实施例中，给定连接器502/504的一个或多个引脚可以彼此不相似，这取决于以下因素，包括但不限于，用于与给定连接器502/504中呈现的引脚相连接的导线/导体的类型、与给定的导线/导体相关联的功能(即，数据传输或功率传输)、以及/或者用于促进与第一和第二连接器502、504中的相应连接器的连接的端口的类型。在某些实施例中，代替引脚，连接器可以包含条带(即金属指)、垫、导线/导体本身、插口或其他连接方法。
一种示例性连接器是图13A所示的平面连接器。该连接器由一行平面的触点组成。该连接器可以经由传统焊接、激光焊接，经由压接或经由其他连接方法而被连接到结构电缆。该连接器的一个重要方面在于，连接器主体和保持特性优选具有用于自动化组装的自对准元件(诸如缺口或键控结构)。如图13A所示，钩1302和引导元件1320作为自对准元件工作。钩1302被设计为插入图13B所示的插座的接收器区域1304中。引导元件1320被设计为插入图13B所示的插座的接收元件1322中。钩1302或引导元件1320可以单独用作自对准元件(其特性不需要自对准)。其他自对准元件也可以使用。此外，引脚之间的间距(即引脚间距)可以改变。例如，该间距可以改变，以优化高频载波上的信号完整性，并且最小化电源和低频引脚的间距。连接到地的一个或多个连接器引脚可以与地共享一个导体并且端接于连接器的屏蔽件中。连接器本身是密封的，其等级通常对应于IEC标准60529的IP57或更好的等级。也就是说，连接器至少对于影响连接器的操作的灰尘以及至多一米深度的水的浸入具有有限的保护作用。
连接器引脚1310是如图13所示的“倒V”形或开口三角形，而插座引脚1312是“V”形或开口三角形。优选地，连接器中由引脚形成的(V的)角度稍大于插座中由引脚形成的(V的)角度。例如，连接引脚可能具有90°角度并且插座引脚可能具有89°角度。当连接时，这个差异会导致接触力被施加到每个引脚的两侧。当振动(诸如在驾驶汽车期间发生的振动)发生时，该力有助于连接器中和插座中的引脚彼此保持接触。该力还帮助引脚来最小化引脚1310与引脚1312之间的接触电阻，从而促进高效的功率和数据传输。确切的角度和角度之间的确切差异可以是不同的，只要接触力被施加以帮助保持连接器与插座引脚之间的接触。
图13B图示了根据本发明的某些实施例的插座。引脚1312可以被包覆模制到塑料引导件中的适当位置，从而避免了集成印刷电路板(PCB)的需求。也就是说，插座可以集成到PCB或其他电气部件中。该插座引脚可以经由焊盘连接(例如，每个引脚的V的尖端可以焊接到焊盘)或其他连接方法而端接于PCB中。图13B中所示的插孔1312是V形，以在经历如上所述的振动时帮助保持连接。引脚1312可以被包覆模制到塑料引导件中，塑料引导件保持引脚的分离并防止其变形。如上所述，该插座通常被模制到PCB中，并且然后连接到传感器、GPU/CPU或其他设备/部件，或者以其他方式连接到传感器、GPU/CPU或其他设备/部件。插座可以使用上述的自对准元件连接到连接器。在某些实施例中，代替引脚，连接器和插座具有条带(即金属指)、垫、导线/导体本身、插口或其他连接方法。
为了使结构电缆与连接器之间进行连接，在某些实施例中，主体410必须端接于延伸穿过主体的导线/导体。在某些实施例中，连接器被布置以接收结构元件，在这种情况下其还可以延伸穿过主体(沿着导线/导体)。第一和第二连接器502、504中的每个连接器中的每个引脚可以与被包括在结构电缆400中的一个或多个导线/导体耦合。
结构电缆的任一端上的连接器502和504在需要时优选地允许被更换。也就是说，连接器502和504可从结构电缆400被移除。根据某些实施例，当连接器与任一侧上的主电缆结构配合时，所得电缆是根据IEC标准60529规定的IPX7等级。也就是说，该结构电缆可以优选地承受一米水中的意外浸入至多三十分钟。可以使用边缘结构、一个或多个O形环、液体垫圈、就地固化、或就地成形垫圈或端面密封或者其他结构，以实现IPX7等级。在其他实施例中，该结构电缆是针对水下连续使用的IPX8等级。
在某些实施例中，每个连接器502/504到结构电缆的配合具有锁定和钥匙机构(例如，在插头连接器中的缺口和在主电缆结构中位于缺口处的结构，反之亦然)只允许插头连接器与电缆结构之间的单个配合取向。在某些实施例中，在包覆模制区域上制作机械特性，诸如钥匙或缺口，使得只能在一个(正交)取向上配合。该锁定和钥匙机构可能与上文提到的连接器主体的自对准或保持特性共存，也可能不共存。
在前100个循环中，该配合优选地要求施加10N或更小的力，并且一旦配合，配合的插头连接器和主电缆结构可以针对前100个循环优选地承受至多75N的拉力。然而，可能需要更多或更少的力以将插头连接器与主电缆结构相配合。在其它实施例中，匹配的插头连接器和主电缆结构能够优选承受的拉力大于或小于75N。结构电缆400优选承受至少75N的拉力，使得当施加至少75N的拉力一分钟并同时夹紧结构电缆400的一端时，不会发生物理损伤。
在某些实施例中，当旋转时，结构电缆具有对旋转变形的阻力，即，沿着结构电缆的中心轴线旋转产生最终形式的扭转较小。例如，沿着结构电缆扭转中心轴线旋转90°，只产生了45°冷绞或冷弯(45°恢复，45°采用新形式)。类似的，180°扭转产生了与之前的形式偏移90°的一个新形式。在其他实施例中，旋转时的旋转变形量可以更多或更少。在其他实施例中，低于某个阈值(例如，20°)的低水平旋转不会引起新的形式，但是超过此阈值时就会发生定义的成形。在其他实施例中，结构电缆沿着结构电缆的长度具有对旋转变形的不同阻力。
结构电缆还可以具有旋转完整性。也就是说，在上述旋转运动(诸如90°扭转)中，将既不会改变结构电缆平面上导线/导体的距离，也不会影响结构元件相对于导线/导体的相对位置。由于导线/导体与结构元件之间的相对几何形状保持不变，因此信号完整性以及功率和数据传输能力也得以保持。此外，结构电缆优选具有旋转回弹(spring-back)，使得即时回弹和延时回弹都不超过旋转输入的10％，例如，引起45°的新形式偏移的90°旋转输入应当回弹不超过新45°形式状态的9°。
针对高速对的差分阻抗在配合的连接器窗口上可以为90欧姆+/-5％，在电缆本体窗口上可以为45欧姆+/-3欧姆。针对TDR测量的上升时间对于20％到80％可以为30ps。此外，带有连接器502和504的结构电缆400优选承受根据USCAR-21修订版3规范的抗热震性并且具有根据USCAR-2修订版6规范的抗振动性。抗热震性和抗振动性在汽车应用中尤为重要，因为在汽车应用中，由于环境温度波动和操作(例如，电动汽车电池放电期间产生的热量或内燃机汽车发动机操作时产生的热量)可能会导致较大的温差。
图6是根据本发明的某些实施例的连接到结构电缆400的该对连接器502、504的示意图。如图6所示，连接器之一，例如，连接器502可以有24个引脚，每个引脚可以与来自结构电缆400的至少一个导线401/402相对应。在图6所示的实施例中，连接器502的引脚A1、A4、A9、A12、B1、B4、B9和B12是接地引脚。这些引脚连接到接地导线。类似地，连接器502的引脚A5和B5是电源引脚，电源引脚连接到电源导线。有时，可以省略某些引脚。例如，在图6所示的实施例中，引脚A6、A7、B6和B7可以被省略以不连接结构电缆400中存在的任何导线401/402。当引脚被省略时，它们可能稍后被分配并最终连接到导线。引脚的布置可以取决于特定的连接器和传输要求而改变。
在一个实施例中，存在利用图6所示的引脚配置连接到连接器502和504的十二个导线(401或402)。这十二个导线由四对用于数据传递的导线组成。这些导线对是高速导线对，其优选地聚合到用于三米电缆长度的32.4Gbps(原始)带宽。两个导线是电源导线和接地导线，它们承载至多1A的电流输送，并且导线和接地导线都具有DC电阻。最后两个导线用作辅助总线，其连接到SBUI和SBU2引脚(A8和B8)。这些辅助总线可以不加屏蔽并且是单端的。每个导线优选地通过两端上的金属壳体被屏蔽并端接至连接器中。
特别地，这些引脚根据表1映射到导线。
表1
Figure BDA0002228059560000191
所有的高速导线可以单独缠绕以形成同轴结构。目标阻抗可以为45欧姆+/-3欧姆。此外，线规28优选用于高速导线，以实现上文如图8所示的所需的插入损耗。电源导线和接地导线的尺寸通常满足所需的DC电阻和所需的环路电感。连接到SBU1和SBU2引脚的辅助总线通常未加屏蔽并且是单端的。表2指示了根据某些实施例的用于十二个导线的线规和目标阻抗。可以包括第十三个导线充当屏蔽件(但不具有目标线规或阻抗)。
表2
Figure BDA0002228059560000192
Figure BDA0002228059560000201
在某些实施例中，针对电源和接地路径的DC电阻应满足表3中指定的静止模式和振动/热(即，驱动)模式的特定需求，以确保电缆组件两端的IR降为700mV或更少，以用于1A功率输送。优选地，振动/热模式下的DC电阻对于每个高速信号<＝5欧姆，并且对于SBU信号<＝10欧姆。
表3
Figure BDA0002228059560000202
Figure BDA0002228059560000211
在某些实施例中，如图8所示，所有高速对应当满足以下参考归一化至90欧姆的差分的插入损耗要求。如图8所示，对于HBR、HBR2和HBR3速率的奈奎斯特频率的插入损耗应当分别不大于4dB@1.35GHz、7dB@2.7GHz以及10dB@4.05GHz。
在某些实施例中，如图9所示，所有高速对应当满足以下参考归一化至90欧姆的差分的回波损耗要求。如图9所示，对于至多4.05GHz的频率，回波损耗为-15dB或更好。
在某些实施例中，如图10所示，每个高速对应当满足以下参考归一化至90欧姆的差分的与其余高速对的串扰要求。对于至多4.05GHz的频率，两个高速对之间的远端串扰应当为-34dB或更小。
在某些实施例中，如图11所示，对于至多8.1GHz的频率，模式转换限制为-20dB。对于微同轴导线结构，模式转换与对内的偏斜度(intra-pair skews)(即差分对的P节与N节之间的长度差)成线性比例。优选地，15ps(即15ps/米)的单位长度偏斜度与20db的模式转换对齐。
在某些实施例中，VBUS与SBUx(x＝1和2)之间的单端串扰满足图12所示的要求，以抑制在涌入或负载释放事件中功率暂态噪声侵入SBU信号。
图7图示了根据本发明的某些实施例的用以连接汽车内的传感器部件的结构电缆的示例性用途。具有连接器502和504的结构电缆400将传感器702和704连接到汽车700内的GPU/CPU 706。传感器可以通过菊花链将传感器彼此连接并且然后连接到GPU/CPU、使用带有连接器的结构电缆而被连接到GPU和/或CPU。备选地，传感器可以直接连接到GPU和/或CPU，而没有被菊花链接到其它传感器。如图7所示，结构电缆可以被弯曲以实现期望的几何形状来将结构电缆布置在所需的位置，并且在操作的持续时间保持弯曲的几何形状。传感器可以是光学或红外相机。备选地，它们可以是雷达、LIDAR、超声波传感器、其他传感器或其他设备。由于带有端部连接器的结构电缆的布线更加精确(与传统的柔性电缆相比，柔性电缆需要大量的松弛来进行连接)，可以在预定的位置之间通过使用较短的电缆而提高信噪比。此外，结构刚度可以有效减少安装时间并增加如上所述的自动化。
上述公开并非旨在将本公开限制到所公开的精确形式或特定使用领域。由此，可以设想，对本公开的各种备选的实施例和/或修改是可能的，无论它们是否在本文中明确描述或暗示。因此，在描述了本公开的实施例之后，本领域的普通技术人员将认识到，可以在不背离本公开范围的情况下，在形式和细节上做出变更。例如，提到了“导线”或“多个导线”，但本领域的普通技术人员会理解，在某些实施例中，可以替换为一个或多个导体(例如，没有任何绝缘或外护套的金属)。因此，本公开仅通过权利要求限制。
在前述说明书中，已经参考具体实施例描述本公开。然而，本领域的普通技术人员会理解，在不背离本公开的精神和范围的情况下，本文所公开的各种实施例可以被修改或以其他各种方式实施。因此，本描述应被视为是说明性的，并且其目的是为了教导本领域的技术人员制作和使用本公开的结构电缆组件的各种实施例。需要理解的是，本文所展示和描述的公开形式将被视为具有代表性的实施例。等同的元件或材料可以代替本文代表性地说明和描述的元件或材料。此外，本公开的某些特征可以独立于其他特征的使用而加以利用，在从本公开的描述中获益后，所有这些特征对于本领域的普通技术人员来说将是显而易见的。诸如“包括”、“包含”、“整合”、“由...组成”、“具有”、“是”的表达用于描述并声称本公开旨在以非排他性的方式进行解释，即，允许没有明确描述的项目、部件或元件同样出现。对单数的引用也被解释为涉及复数。
此外，本文公开的各种实施例采用说明性和解释性的含义，并且不应被解释为对本公开的限制。所有的连接引用(例如，附接、贴附、耦合、连接，等等)仅用于帮助读者理解本公开，并不会产生限制，特别是对本文公开的位置、取向、或者系统和/或方法的使用的限制。因此，如果有连接引用，则该连接引用应该被广义地解释。此外，这样的连接引用并不必然推断两个元件彼此直接连接。
此外，所有数值术语，诸如但不限于，“第一”、“第二”、“第三”、“初级”、“次级”、“主要”或任何其他普通和/或数值术语，也应当仅采用为标识符，来帮助读者理解本公开的各种元件、实施例、变化和/或修改，并且不会创建任何限制，尤其是对任何元件、实施例、变化和/或修改相对于或超过另一元件、实施例、变化和/或修改的次序或优先级的限制。
此外，可以理解，附图/图中所描述的一个或多个元件可以以更独立或更整体的方式来实施，或者在某些情况下，如根据特定的应用需要，甚至被移除或使得不可操作。

Claims (12)

1.一种结构电缆，包括：
结构元件；
第一组导体，位于所述结构元件的第一侧上，所述第一组导体至少包括第一导体、第二导体和第三导体，其中所述第一导体、所述第二导体和所述第三导体彼此共线；
第二组导体，位于所述结构元件的第二侧上，所述第二组导体至少包括第四导体、第五导体和第六导体，其中所述第四导体、所述第五导体和所述第六导体彼此共线，其中所述第二侧与所述第一侧相对；
主体，所述主体在所述第一组导体、所述第二组导体和所述结构元件周围形成，其中所述主体由非导电材料制成并且包括第一端和第二端；
第一连接器，具有多个引脚，所述第一连接器布置在所述主体的所述第一端上，并且耦合至所述第一组导体和所述第二组导体；以及
第二连接器，具有多个引脚，所述第二连接器布置在所述主体的所述第二端上，并且耦合至所述第一组导体和所述第二组导体。
2.根据权利要求1所述的结构电缆，其中所述主体由挤出物模制，所述挤出物在挤压过程中被拉伸，以在所述第一导体、所述第二导体和所述第三导体的外表面和所述结构元件的外表面周围流动，并且在所述第一导体、所述第二导体和所述第三导体的所述外表面和所述结构元件的所述外表面上分别塑性地固化所述挤出物。
3.根据权利要求1所述的结构电缆，其中所述结构元件包括非导电材料。
4.根据权利要求1所述的结构电缆，其中所述主体通过层压过程形成。
5.根据权利要求1所述的结构电缆，其中所述第一导体与所述第二导体之间的距离是可重复的间距。
6.根据权利要求1所述的结构电缆，其中所述第一导体、所述第二导体和所述第三导体的相邻定位的每对导体之间的距离相等。
7.根据权利要求1所述的结构电缆，其中所述第一连接器的所述多个引脚是V形或开口三角形。
8.根据权利要求1所述的结构电缆，其中所述第一连接器的所述多个引脚包括第一组引脚和第二组引脚，所述第一组引脚和所述第二组引脚被布置在所述结构元件的相对侧上。
9.根据权利要求1所述的结构电缆，其中所述第一连接器的所述多个引脚的一个或多个引脚被连接到接地导体，并且所述第一连接器的所述多个引脚的一个或多个引脚被连接到能够承载高速数据通信的导体。
10.根据权利要求1所述的结构电缆，其中所述第一连接器的所述多个引脚包括：被连接到用于数据传输的导体的引脚、被连接到用于功率传输的导体的引脚、以及被连接到用作辅助总线的导体的引脚。
11.根据权利要求1所述的结构电缆，其中所述第一导体和所述第二导体具有在40欧姆与50欧姆之间的阻抗。
12.一种结构电缆，包括：
结构元件；
第一导体；
第二导体，所述第一导体和所述第二导体能够承载高速数据通信；
第三导体，能够承载功率，其中所述第一导体、所述第二导体、所述第三导体位于所述结构元件的第一侧上；
第四导体、第五导体、第六导体位于所述结构元件的第二侧上，其中所述第二侧与所述第一侧相对；
主体，所述主体在所述第一导体、所述第二导体、所述第三导体、所述第四导体、所述第五导体、所述第六导体和所述结构元件周围形成，其中所述主体由非导电材料制成并且包括第一端和第二端；
第一连接器，具有多个引脚，所述第一连接器布置在所述主体的所述第一端上，并且耦合至所述第一导体、所述第二导体、所述第三导体、所述第四导体、所述第五导体和所述第六导体；以及
第二连接器，布置在所述主体的所述第二端上，并且耦合至所述第一导体、所述第二导体、所述第三导体、所述第四导体、所述第五导体和所述第六导体。
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