CN115104160A - 汽车通信线缆 - Google Patents

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丹尼尔·肯尼菲克
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Daikin Industries Ltd
Daikin America Inc
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Daikin Industries Ltd
Daikin America Inc
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Abstract

提供了一种通信线缆，所述通信线缆包括一对双绞线，每个双绞线涂覆有含氟聚合物绝缘件。双绞线被构造为承载诸如差分数据信号和/或差分功率信号之类的差分信号。含氟聚合物是高效绝缘体，并且即使在‑40℃至150℃的温度范围内操作时，也显著地降低内部电磁干扰的影响和外部电磁干扰的影响二者，同时保持低线缆衰减(插入损耗)。

Description

汽车通信线缆
技术领域
本公开涉及通信线缆，并且更具体地，涉及用于汽车工业的高温通信线缆。
背景技术
现代计算机系统对数据的需求已经持续增长。这些增长的数据需求正越来越多地出现在机动车辆中使用的计算机系统中。为了在机动车辆计算机系统中传输数据，机动车辆行业通常依赖于控制器局域网(CAN)总线线缆。不幸地是，CAN总线线缆无法处理现代和即将推出的机动车辆计算机系统所需的高带宽、低延迟应用(例如，自主驾驶)的数据需求。
如此，作为建筑物中所使用的计算机系统的通用网络标准的以太网正被用作汽车行业的网络协议。电气和电子工程师协会(IEEE)802.3以太网组、美国汽车工程师学会(SAE)和国际标准组织(ISO)已经在开发或正在开发高速机动车辆网络(包括物理层)标准。根据这些标准，汽车以太网网络将通过高性能单根双绞线缆互连。不幸地是，先前已知的汽车线缆中使用的材料在仍允许以太网线缆提供足够的数据吞吐量以满足现代机动车辆计算机系统的数据需求的同时不能承受机动车辆内的环境条件。
因此，需要能够在机动车辆中发现的高温条件下使用同时仍满足现代机动车辆计算机系统的高数据需求的新型通信线缆(例如，以太网线缆)。
发明内容
本公开总体上涉及一种在诸如机动车辆产业之类的对热有要求的环境中使用的通信线缆。在一个实施方式中，线缆包括各用FEP绝缘体绝缘的双绞线。进一步的实施方式可以包括围绕绝缘双绞线的保护性护套，该保护性护套保护双绞线免受环境条件的影响并赋予线缆结构完整性。
双绞线被构造为承载差分信号，诸如差分数据信号和/或差分功率信号。为此，每根线的芯由导体提供，以传播差分数据和/或功率信号。在双绞线的每根线中，提供覆盖并围绕线的导电芯的线绝缘件。在一个实施方式中，线绝缘件由氟化乙烯丙烯(FEP)形成。这些材料是高效绝缘体，并且即使承载在100MHz至10GHz的频率范围以及-40℃至150℃的温度范围内操作的差分信号时，也显著地降低内部电磁干扰和外部电磁干扰二者的影响，同时保持相对低的插入损耗。以此方式，线缆能够处置在机动车辆引擎盖下呈现的环境条件，同时满足现代机动车辆计算机系统的高数据需求。
以上给出了简化的发明内容，以便提供对所要求保护的主题的一些方面的基本理解。本发明内容不是广泛的概述。它非旨在识别关键或重要要素或描绘所要求保护的主题的范围。它的唯一目的是以简化的形式呈现一些概念，作为稍后呈现的更详细描述的序言。
附图说明
并入并构成本说明书的一部分的附图例示了本公开的若干个方面，并且与描述一起用于解释本公开的原理。
[图1]
图1例示了根据本公开的线缆100的实施方式的立体图。
[图2]
图2例示了图1所示的线缆100的实施方式的截面图。
[图3]
图3是行和列的表格，其绘制了FEP和交联聚乙烯(XLPE)在-40℃、23℃和105℃的温度和1GHz、2.5GHz、5GHz和10GHz的频率点下以及在2.5GHz处在150℃的温度的介电常数的测量结果。
[图4]
图4是绘制与图3相同的测量结果的条形图。
[图5]
图5例示了在2.5GHz的频率点以及150℃的温度下测量时，XLPE的介电常数随时间的变化。
[图6]
图6是行和列的表格，其绘制了FEP和XLPE在-40℃、23℃和105℃的温度和1GHz、2.5GHz、5GHz和10GHz的频率点下以及在2.5GHz处在150℃的温度下的耗散因数的测量结果。
[图7]
图7是绘制了与图6相同的测量结果的条形图。
[图8]
图8例示了当在2.5GHz的频率点以及150℃的温度下测量时，XLPE的耗散因数随时间的变化。
[图9]
图9是行和列的表格，其绘制了FEP和XLPE绝缘线缆基于在-40℃的温度的介电常数和耗散因数的测量结果以及线缆长度为15米的单对线缆衰减(插入损耗)的计算结果。
[图10]
图10是基于与图9相同计算的单对线缆衰减的线图。
[图11]
图11是行和列的表格，其绘制了FEP和XLPE绝缘线缆基于在23℃的温度下的介电常数和耗散因数的测量结果以及线缆长度为15米的单对线缆衰减的计算结果。
[图12]
图12是基于与图11相同计算的单对线缆衰减的线图。
[图13]
图13是行和列的表格，其绘制了FEP和XLPE绝缘线缆基于在105℃的温度下的介电常数和耗散因数的测量结果以及线缆长度为15米的单对线缆衰减的计算结果。
[图14]
图14是基于与图13相同计算的单对线缆衰减的线图。
[图15]
图15是行和列的表格，其绘制了FEP和XLPE基于在105℃的温度下的介电常数和耗散因数的测量结果以及线缆长度为100米的单对线缆衰减的计算结果。
[图16]
图16是基于与图15相同计算的衰减的线图。
[图17]
图17示意性地例示了根据实施方式的通信线缆。
[图18]
图18示意性地例示了示例性测试设备。
[图19]
图19是示出了代表性汽车通信线缆在不同温度和频率下的插入损耗(线缆衰减)的线图。
[图20]
图20是示出了根据一个实施方式的FEP绝缘线缆在各种温度和频率下的插入损耗的线图。
[图21]
图21是示出了根据一个实施方式的FEP绝缘线缆在各种温度和频率下测量到的插入损耗值的行和列的表格。
[图22]
图22是示出了具有不同绝缘件的15米长线缆在23℃下的插入损耗的线图。
[图23]
图23是示出了具有不同绝缘件的15米长线缆在125℃下保持3小时后的插入损耗的线图。
[图24]
图24是示出了具有不同绝缘件的15米长线缆在125℃下保持4小时后的插入损耗的线图。
[图25]
图25是示出了具有不同绝缘件的15米长线缆在23℃下和环境相对湿度下的插入损耗的线图。
[图26]
图26是示出了具有不同绝缘件的15米长线缆在85℃和85％的相对湿度下保持3小时后的插入损耗的线图。
[图27]
图27是示出了具有不同绝缘件的15米长线缆在85℃和85％的相对湿度下保持168小时后的插入损耗的线图。
[图28]
图28是示出了各种线缆在高温下在频率范围内的插入损耗值的行和列的表格。
[图29]
图29是示出了各种线缆在高温和高湿下在频率范围内的插入损耗值的行和列的表格。
具体实施方式
下面阐述的实施方式代表了使本领域技术人员能够实现本公开的必要信息并且例示了实践本公开的最佳模式。在根据附图阅读以下描述时，本领域技术人员将理解本公开的概念并且将认识到这些概念在本文中未具体提及的应用。应当理解，这些概念和应用落入本公开和所附权利要求的范围内。
除非另有定义，否则本文中使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本公开领域的普通技术人员通常理解的含义相同的含义。将进一步理解，诸如在常用字典中定义的术语之类的术语应被解释为具有与其在说明书上下文中的含义一致的含义，并且不应以理想化或过于形式的含义来解释，除非本文明确如此定义。为了简洁或清楚起见，可以无需详细地描述公知的功能或结构。
术语“大约”和“近似”一般应指对于给定测量结果的性质或精度而测量的量的可接受的误差或变化的程度。典型的、示例性的误差或变化的程度在给定值或范围值的20％(％)以内，优选地在10％以内，并且更优选在5％以内。除非另外提及，否则本说明书中给出的数字量是近似的，这意味着在没有明确提及时可以推断出术语“大约”或“近似”。除非另有说明，否则权利要求中的数值量是准确的。
将理解，当特征或元件被称为在另一特征或元件“上”时，它可以直接在另一特征或元件上，或者也可以存在居间的特征和/或元件。相反，当特征或元件被称为“直接在”另一特征或元件“上”时，不存在居间的特征或元件。还应理解，当特征或元件被称为“连接”、“附接”或“联接”至另一特征或元件时，它可以直接连接、附接或联接至另一特征或元件，或可能存在居间的特征或元件。相反，当特征或元件被称为“直接连接”、“直接附接”或“直接联接”至另一特征或元件时，不存在居间的特征或元件。尽管关于一个实施方式进行了描述或示出，但如此描述或示出的特征和元件可以应用于其它实施方式。
本文使用的术语仅出于描述特定实施方式的目的，而并非旨在进行限制。如本文所使用的，除非上下文另有明确指示，否则单数形式“一”、“一种”和“该”旨在也包括复数形式。
本文使用术语“第一”、“第二”等来描述各种特征或要素，但这些特征或要素不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个特征或要素与另一特征或元素区分开来。因此，在不脱离本公开的教导的情况下，下面讨论的第一特征或要素可以称为第二特征或要素，并且类似地，下面讨论的第二特征或要素可以称为第一特征或要素。
诸如“A和B中的至少一个”之类的术语应理解为“仅A、仅B、或者A和B二者”。相同的解释应适用于更长的列表(例如，“A、B和C中的至少一个”)。
术语“基本上由…组成”是指，除所列举的要素外，所宣称的内容还可以包含对于本公开中提及的其期望目的所宣称的内容的可操作性不会产生不利影响的其它要素(步骤、结构、成分、组分等)。该术语不包括对于本公开中提及的其期望目的所宣称的内容的可操作性不会产生不利影响的这种其它要素，即使这种其它要素可能会增强对于某些其它目的所宣称的内容的可操作性。
在一些地方提及了标准方法，诸如但不限于测量方法。要理解，此类标准会不时修订，并且除非另有显式地提及，否则本公开中对此类标准的引用必须解释为引用截至提交时最近发布的标准。
本公开描述了诸如以太网线缆之类的通信线缆的实施方式。该线缆特别适用于暴露于高温下但数据需求已经不断增加的机动车辆计算机系统。线缆的一个特定实施方式包括单根双绞线。这些线中的每根线的线绝缘件均由诸如FEP之类的高绝缘、低衰减和耐热材料提供。双绞线被构造为承载差分数据和/或功率信号。使用FEP作为线绝缘体允许线缆在高频范围(例如，100MHz-10GHz)内传输差分信号，同时能够处理由机动车辆所呈现的更极端的热条件。应当注意，线缆的其它实施方式可以包括若干对线，以为差分数据和/或功率信号提供多条路径。线缆的其它实施方式包括一根以上双绞线。线缆的具体实施方式包括至少1根、2根、3根或4根双绞线。线缆的更进一步的特定实施方式包括恰好1根、2根、3根或4根双绞线。这些对线可以插入线缆护套中，线缆护套为以太网线缆提供结构完整性。在一些实施方式中，具有一根以上双绞线的线缆在线缆内合并有分隔器。在一些实施方式中，具有恰好一根双绞线的实施方式在线缆内不合并分隔器。此外，在一些实施方式中，线缆可以被屏蔽以帮助保护线缆免受电磁干扰。
图1例示了根据本公开的线缆100的实施方式的立体图，而图2例示了图1中所示的线缆100的实施方式的截面图。线缆100包括一对线102、104，一对线102、104彼此绞合在一起以形成双绞线102、104。线102包括导体106(参见图2)，而线104包括导体108(参见图2)，导体106和导体108各自由导电材料形成。形成导体106、108的导电材料可以是包括元素金属、合金等的任何导电材料。在一个实施方式中，线102、104中的导体106、108各自由铜形成。在一些实现中可以使用一对导体106、108来传播差分信号，使得导体106、108承载相位相差大约180度的互补信号。因此，一对线102、104绞合在一起以帮助消除线102、104之间的电磁干扰并保持一对导体106、108平衡。在一个实现中，将使用一对线102、104来处理数据信令和功率传输。例如，可以利用一对线102、104向传感器和有源通信装置输送高达50瓦的功率。
如图1和图2所示，线102、104各自还包括线绝缘件110、112。线102的线绝缘件110围绕并覆盖导体106，而线104的线绝缘件112围绕并覆盖导体108。在一些实施方式中，线绝缘件在导体周围创建基本上气密的密封。在一些实施方式中，线绝缘件与导体直接接触并在绝缘件和导体之间形成基本上气密的密封。在一些实施方式中，绝缘件与导体的整个外周和长度直接接触。将理解，导体长度的一小部分可以插入连接器118中并且可以不与绝缘件直接接触。
线绝缘件110和线绝缘件112由具有低介电常数的绝缘材料形成，该绝缘材料具有低电容率，因此在存在高电荷和电流时抵抗电磁磁通线的集中。这允许一对线102、104传播高频信号。在一个实现中，线缆100是6A类以太网线缆，这种以太网线缆要求线缆100能够承载操作频率在10MHz和500MHz之间的信号并且系统吞吐量高达每秒10吉比特(Gbps)，同时最小化外部噪声影响和诸如近端串扰(NEXT)和远端串扰(FEXT)之类的内部串扰源。6A类线缆100的合适形式的示例包括非屏蔽双绞线缆(UTP)、分段屏蔽双绞线(SSTP)和屏蔽双绞线(STP)。STP的一种合适形式包括在一侧具有聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)而在另一侧具有铝的屏蔽件、以及放电线(drain line)。SSTP的一种合适形式包括在一侧具有聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)而在另一侧具有铝的屏蔽件，其中铝以规则的间隔被切割，而PET沿屏蔽件的长度是完整的，从而避免对放电线的需求。
在一些实施方式中，形成线绝缘件110和线绝缘件112的绝缘材料在现代汽车发动机的引擎盖下经历的温度下具有大约1.2至大约2.1之间的介电常数。通常，这些温度在-40℃到200℃之间变化。在另一实施方式中，形成线绝缘件110和线绝缘件112的绝缘材料在现代汽车发动机的引擎盖下经历的温度下具有大约1.5至大约2.1之间的介电常数。在又一实施方式中，形成线绝缘件110和线绝缘件112的绝缘材料在现代汽车发动机的引擎盖下经历的温度下具有大约1.7至大约2.1之间的介电常数。
FEP具有诸如以下一项或更多项的若干个优点：在很宽的温度范围内性能良好、熔点高、耐溶剂性高、耐酸性高、耐碱性高、耐水性高、耐油性高、摩擦低且稳定性高。合适FEP的示例是CAS注册号25067-11-2。FEP是六氟丙烯和四氟乙烯(TFE)的可熔融加工的共聚物。与PFA或其它一些含氟聚合物不同，FEP中的每个碳都被氟原子饱和。TFE子单元的通式为-(CF2CF2)-，而六氟丙烯子单元的通式为-(CF2CF(CF3))-。
上述含氟聚合物可以是发泡的或固体形式。在一个实施方式中，含氟聚合物具有发泡结构。在这方面，含氟聚合物还可以包括促进发泡的媒剂。例如，含氟聚合物可以包括成核剂。合适的添加剂包括但不限于氮化硼；无机盐，诸如四硼酸钙、四硼酸钠、四硼酸钾、碳酸钙、四硼酸锌和硝酸钡；滑石；以及金属氧化物，诸如氧化镁、氧化铝和二氧化硅。在一个实施方式中，含氟聚合物包括氮化硼。
本文所述的发泡含氟聚合物(诸如FEP)适于在形成线绝缘件110和线绝缘件112的绝缘材料中使用。在一个实施方式中，当绝缘材料由发泡含氟聚合物组成时，绝缘材料具有在大约1.2与大约1.7之间的介电常数。在另一实施方式中，当绝缘材料由发泡含氟聚合物组成时，绝缘材料具有在大约1.4与大约1.6之间的介电常数。在又一实施方式中，当绝缘材料由发泡含氟聚合物组成时，绝缘材料具有在大约1.4和大约1.5之间的介电常数。
每根导线的绝缘体可以是至少95％w/w的含氟聚合物。在另一实施方式中，每根导线可以是至少95％、96％、97％、98％、99％、99.9％或100％的含氟聚合物。
在一些实施方式中，绝缘材料可以包括添加剂、改性剂或增强剂。例如，绝缘材料可以被着色或包括用于识别目的的着色剂。在一些实施方式中，绝缘材料包括金属钝化剂、UV稳定剂和/或铜稳定剂。在一些实施方式中，绝缘材料不含极性添加剂和/或基本上不含所有添加剂。
应当注意，线缆100的其它实施方式可以提供为诸如5e类、6类、7类、7A类和8类之类的不同类型的以太网线缆。可以提供线缆100的替代实施方式，作为包括100BASE-T1线缆的其它类型的以太网线缆。线缆100的不同示例可以遵守的一些以太网标准包括IEEE802.3cg、IEEE 802.3bw、IEEE 802.3bp、IEEE 802.3ch、IEEE 802.3bu以太网标准。另外，一些线缆标准包括SAE J3117/1、SAE J3117/2和SAE J3117/3。
[示例]
图1和图2中所示的线缆100的实施方式包括屏蔽件114和线缆护套116，屏蔽件114和线缆护套116沿线缆100的长度围绕承载差分数据和/或功率信号的线102、104。在这个示例中，屏蔽件114设置在线102、104和线缆护套116之间。屏蔽件114被构造为反射EMI和/或将EMI安全地传导到地。在任何一种情况下，屏蔽件114都有助于防止EMI影响线102、104中的导体106、108。因此，即使一些EMI穿过屏蔽件114，它也被高度衰减并且不会显著地干扰正沿着线102、104的导体106、108传输的数据和/或功率信号。在一些实施方式中，屏蔽件114与线102、104直接接触并且在屏蔽件和线102、104之间形成基本上气密的密封。在一些实施方式中，屏蔽件114与线102、104的外周和长度直接接触。将理解，线102、104的长度的一小部分可以插入连接器118中并且可以不与屏蔽件114直接接触。
在该示例中，屏蔽件114被提供为编织物，其可以形成为诸如铜之类的金属的织网。因此，屏蔽件114可以提供到地的高导电路径。线缆100的该实施方式是屏蔽双绞线缆(STP)的示例。在一些实现中，线缆100长达40米，并且特别用于在大型卡车中使用。在另选示例中，屏蔽件114可以提供为箔屏蔽件，箔屏蔽件可以由诸如铝之类的金属薄层形成。箔屏蔽件可以附接到载体(可以由诸如聚酯之类的材料形成)以增加强度和坚固性。在其它示例中，线缆100可以包括多个同心屏蔽件，这在非常嘈杂的环境中特别有用。在其它示例中，线缆100可以是非屏蔽的，使得在护套116和线102、104之间没有屏蔽件114。这将是非屏蔽双绞线缆(UTP)的示例。在一些实现中，UTP线缆可以长达15米，并且在标准消费汽车中特别有用。
图1和图2所示的线缆100的实施方式还包括护套116，其形成线缆100的最外层并暴露于外部环境。在一些实施方式中，护套116围绕屏蔽件114和线102、104中的一者或两者。以这种方式，护套116被构造为保护屏蔽件114、绝缘件110、112和导体106、108免受EMI、外部物理力、热量和化学劣化影响。护套116可以由诸如以下的任何合适材料形成：聚氯乙烯(PVC)、聚氨酯(PUR)、氯化聚乙烯(CPE)、XLPE、乙丙橡胶(EPR)、FEP、PFA或乙烯四氟乙烯(ETFE)。在一些另选示例中，填料、增塑剂、活化剂和抑制剂可以被添加到护套116中，以增强护套116的特定物理、电学或化学特性。在一些实施方式中，护套116与屏蔽件114直接接触并且在护套116和屏蔽件114之间形成基本上气密的密封。在一些实施方式中，护套116与屏蔽件114的整个外周和长度直接接触。应当理解，屏蔽件114的长度的一小部分可以插入连接器118中并且可以不与护套116直接接触。
图1所示的线缆100的实施方式包括连接在线缆100的一端120处的连接器118。更具体地，连接器118包括一对导电构件122、124，其中线102的导体106的对应端部(未显示式地示出)连接到导电构件122，而线104的导体108的对应端部(未显式地示出)连接到导电构件124。导电构件122、124可以提供线缆100的差分输入/输出端口，使得通过线102、104传播的差分数据和/或功率信号可以输入到线缆100中和/或从线缆100中输出。连接器118还包括容纳一对导电构件122、124的连接器壳体126。屏蔽件114和护套116在壳体126内部端接并内部附接。壳体126还包括可插入部分128，可插入部分128围绕导电构件122、124并且可以插入到正相反的连接器(未显式地示出)中，使得数据和/或功率差分信号可以输入线缆100中和/或从线缆100中输出。
应当注意，在该示例中，连接器118是公差分连接器，因为一对导电构件122、124提供公连接以输入或输出数据和/或功率差分信号。在另选的实施方式中，连接器118可以是母连接器并且因此包括被构造为接纳公差分连接器的一对导电通道。另外，在线缆100的该实施方式中，在线缆100的另一端128处没有提供如连接器118的另一连接器。相反，可以在线缆100的该端部128处直接提供到导体106、108的连接。然而，在另选的实施方式中，另一个连接器(如连接器118)连接在线缆100的该端部128。
如下文进一步详细说明的，图3至图8例示了相对于汽车工业中使用的传统绝缘材料(诸如，例如XLPE或聚丙烯)，使用FEP作为绝缘件110、112的电气优势。
为了确定电测量结果，使用了谐振腔扰动技术。更具体地，在1GHz至10GHz之间的频率范围内执行被描述为ASTM D2520方法B的谐振腔扰动技术。提供谐振腔并且将谐振腔连接到示波器。为了确定材料的电特性，将材料放置在谐振腔中。当材料放置在谐振腔中时，谐振腔被材料引起的电容率或磁导率的变化而扰动。通过测量谐振腔在有无材料的情况下的频率响应，来检测电容率或磁导率的变化。然后可以确定由于材料引起的谐振腔的频率响应变化(例如，谐振频率变化)，以计算材料的电特性。
在一些示例中，在-40℃、23℃和105℃的温度和1GHz、2.5GHz、5GHz和10GHz的频率点下测量FEP和XLPE的介电常数和耗散因数。在150℃、2.5GHz的频率下测量FEP和XLPE的介电常数和耗散因数，因为很可能高于机动车引擎盖下经受的平均温度。除非另有说明，否则在每个频率下测试三个样品的平均，并在15分钟的材料稳定时段之后获取测试值。
图3和图4是绘制了FEP和XLPE在-40℃、23℃和105℃的温度和1GHz、2.5GHz、5GHz和10GHz的频率点下以及在2.5GHz处在150℃的温度下的介电常数的测量结果的图表。图3是文本的行和列的表格，而图4是示出介电常数的测量结果的条形图。介电常数是材料的绝对介电常数与真空的介电常数的比值。因此，介电常数越低，材料衰减电场的能力就越高。如图3和图4所示，FEP的介电常数在所有频率和温度下始终低于XLPE。此外，与XLPE的介电常数相比，FEP在所有频率和温度下的介电常数存在非常小的变化。
FEP的另一优点在于，即使在150℃下，FEP的介电常数随着时间的推移也保持相对一致。虽然XLPE的介电常数在105℃下随时间的推移保持相对一致，但XLPE的介电常数在150℃下随着时间的推移并不保持一致，如图5所示。更具体地，图5例示了当在2.5GHz的频率点以及150℃的温度下测量时XLPE的介电常数随着时间的推移的变化。如图5所示，在最初从大约2.14下降到2.12之后，XLPE的介电常数在仅超过4小时的跨度内增加到接近2.24。
图6和图7是FEP和XLPE在23℃、-40℃和105℃的温度和1GHz、2.5GHz、5GHz和10GHz的频率点以及在2.5GHz处在150℃的温度下的耗散因数的测量结果的图表。图6是文本的行和列的表单，而图7是显示耗散因数的测量结果的条形图。材料的耗散因数是其品质因数的倒数。品质因数等于电纳与电导的绝对值之比。因此，耗散因数是材料中振动模式的能量损失率的量度。因此，耗散因数越低，材料耗散能量振荡的能力就越高。如图6和图7所示，在所有频率和温度下，FEP的耗散因数总体低于XLPE的耗散因数。这表明当与XLPE相比时FEP的性能更优(例如，沿线的长度损失的信号或功率更少)。
FEP相对于XLPE的优点在于：与XLPE的耗散因数不同，FEP的耗散因数随着时间的推移保持相对一致。图8中例示了这一点。更具体地，图8例示了当在2.5GHz的频率点以及150℃的温度下测量时，XLPE的耗散因数随着时间的推移的变化。如图8所示，在最初下降到刚好高于零之后，耗散因数在近4小时的跨度内增加到超过0.01000。还在23℃下进行了如下实验，其中XLPE的耗散因数在实验前为0.000337，而在实验后为0.000505。这使耗散因数增加了50％，这在高频以太网线缆应用中是有意义的。
从上述关于图3至图8的测试数据可以看出，与XLPE相比，FEP在150℃是稳定的材料。
XLPE只是汽车工业中常用的线绝缘材料的一个示例。虽然XLPE在-40℃和23℃的介电性能良好，但XLPE的热稳定性和电稳定性不足以在105℃或更高温度下用作汽车应用的以太网线缆中的线的绝缘体。
给定介电常数和耗散因数的实验信息，可以用以下公式计算线102、104的单对线缆衰减(插入损耗)：
[公式1]
Figure BDA0003792626090000121
其中，A是衰减(分贝)，L是线缆100的长度(米)，f是频率(赫兹的倍数，即，MHz或GHz)，参数a、b和c可以从介电常数和耗散因数导出。
更具体地，“I/L”是针对不同于100m的线缆长度的长度校正因子或线性调整。例如，如果线缆为15m，则衰减值将是100m值的15/100或15％。参数“a”包括绝缘材料的介电常数(DC)加上来自2.75标准的调整因子(从多千兆以太网(IEEE802.3ch)的信道要求推导出的)和包括AWG、电导率和绞线因数的铜因数。出于本公开的目的，使用24AWG裸铜进行计算。参数“b”包括绝缘材料的耗散因数(DF)或损耗角正切(tanδ)加上来自0.005标准的调整因数。参数“c”影响低频的衰减。该项是考虑了诸如趋肤效应、电感和导体圆度之类的参数如何影响衰减计算的计算调整。在一些实施方式中，因为衰减是在高频(高达10GHz)下评估的，所以该项将具有最小的影响。
图9和图10是绘制了用FEP和XLPE绝缘的线缆基于在-40℃的温度的介电常数和耗散因数的测量结果以及线缆长度为15米的单对线缆衰减的计算结果的图表。图9是文本的行和列的表格，而图10是示出线缆衰减的计算结果的线图。图9中在1GHz和10GHz之间突出显示了线缆衰减值的频带，其中用方框突出FEP绝缘线缆的线缆衰减值。
计算结果表明，在1GHz至10GHz之间用FEP绝缘的线缆的单对线缆衰减比XLPE绝缘的线缆的线缆衰减值小0.4dB至1.5dB。在-40℃温度下的FEP绝缘线缆计算出的电气性能优势是由于在-40℃温度下FEP的介电常数和耗散因数低。
图11和图12是绘制了用FEP和XLPE绝缘的线缆基于在23℃的温度下的介电常数和耗散因数的测量结果以及线缆长度为15米的单对线缆衰减的计算结果的图表。图11是文本的行和列的表格，而图12是显示线缆衰减的计算结果的线图。图11在1GHz和10GHz之间突出显示了线缆衰减值的频带，其中用方框突出FEP绝缘线缆的线缆衰减值。
计算结果表明，在1GHz到10GHz之间用FEP绝缘的线缆的单对线缆衰减比XLPE绝缘线缆的线缆衰减要好0.4dB至1.5dB。在23℃温度下FEP绝缘线缆的计算出的电气性能优势是由于在23℃温度下FEP的介电常数和耗散因数低。
图13和图14是绘制了FEP和XLPE绝缘线缆基于在105℃的温度下的介电常数和耗散因数的测量结果以及线缆长度为15米的单对线缆衰减的计算结果的图表。图13是文本的行和列的表格，而图14是显示线缆衰减的计算结果的线图。图13在1GHz和10GHz之间突出显示了线缆衰减值的频带。在105℃的温度下，计算结果变得更具挑战性，因为XLPE的耗散因数不稳定。因此，使用已经经过了四小时的时间段后的耗散因数的测量值，因为这对应于最坏的场景。另一方面，交联FEP的介电常数是稳定的，因此它没有问题。
将针对FEP和XLPE二者在10GHz下测量的介电常数和耗散因数插入到上述衰减方程中。在1GHz至10GHz频带中，用FEP绝缘的线缆相对于XLPE的单对线缆衰减优势范围为0.4dB至1.6dB，这与在-40℃和23℃下观察到的FEP和XLPE的性能优势相似。
图15和图16是绘制了用FEP和XLPE绝缘的线缆基于在105℃的温度下的介电常数和耗散因数的测量结果以及线缆长度为100米的线缆衰减的计算结果的图表。图15是文本的行和列的表格，而图16是显示衰减的计算结果的线图。图15在1GHz和10GHz之间突出显示了线缆衰减值的频带。因此，可以将图15和图16中所示的结果与图13和图14中的结果进行比较，以证明线缆长度的影响。更具体地说，通过将图13和图14中的计算结果与图15和图16中的计算结果进行比较，可以看出用FEP绝缘的线缆相对于用XLPE绝缘的线缆的衰减优势在105℃的温度下，在1GHz增长到2.6dB，并且在10GHZ增加到10.8dB。因此，向线缆100的线102、104提供绝缘件106、108为机动车辆工业提供了优于先前已知的绝缘材料(例如，XLPE)的显著且有意义的线缆衰减优势。具体而言，图9至图16表明，当使用FEP来提供线102、104的绝缘件112、114时，FEP的介电特性在线缆100的单对线缆衰减特性中产生显著差异。
除了如上所述测试聚合物之外，根据所公开的发明的实施方式制造功能性线缆以允许附加分析。线缆每根长度为15米。
如图17中示意性例示的，使用一对22AWG铜线制造单根双绞线缆。每根铜线用FEP线绝缘件绝缘。FEP绝缘线被包含在FEP内护套、箔屏蔽件、编织铝屏蔽件和外护套内。
第二单根双绞线缆以基本相同的构造来制造，除了第二单根双绞线缆合并有XLPE来代替FEP以用于线绝缘件和内护套。XLPE绝缘的单根双绞线缆被认为是代表性的汽车以太网线缆。
如图18中示意性例示的，测试设备被构造为测量制造线缆的插入损耗。遵循开放联盟插入损耗(线缆衰减)测试执行该测试，方法包括用于1000BASE-T1链路分段类型Av2.0的开放联盟通道及组件要求-章节6.1.2线缆要求(SCC上下文)。所使用的插入损耗方程为，
[表1]
Figure BDA0003792626090000141
测试设备包括矢量网络分析仪(Rohde&Schwarz ZNB-8)和温度腔室(TenneyTJR)。
将测试夹具焊接到每根制造的线缆的端部，以将被测试的线缆与具有SMA接口的测量设备和测试设备相匹配。被测试的15米长的线缆以松散的线圈形式放置在温度腔室中，每端大约12英寸的线缆通过密封的侧接入端口暴露出来。暴露的端部连接到测试设备。FEP绝缘线缆和XLPE绝缘线缆二者使用相同的测试设备进行测试，以确定线缆在一定频率范围和温度范围内的插入损耗。
在测试过程期间，将线缆盘绕在温度腔室内，并在23℃(室温)下测量线缆的插入损耗。温度腔室内的温度经过一小时的过程升高到目标温度。然后将测试腔室内的温度保持在目标温度一小时，以确保线缆的温度已经等于目标温度。然后在目标温度下测量线缆的插入损耗。然后遵循相同的过程，将温度腔室内的温度升高到下一个目标温度。在这个特定示例中检查的三个目标温度是85℃、105℃和125℃。一旦在这三个目标温度下测量了插入损耗，温度腔室内的温度经过一小时的过程斜坡下降到23℃。然后将温度腔室内的温度保持在23℃达1小时，以确保线缆的温度已经等于23℃。在23℃下第二次测量线缆的插入损耗。比较加热过程之前和之后线缆在23℃下的插入损耗对于确保在线缆被加热之后线缆和/或绝缘件没有劣化和/或线缆的电性能没有劣化是有用的。
图19例示了代表性XLPE涂覆的汽车以太网线缆的插入损耗测试的结果。如图19所示，在85℃、105℃和125℃的测试条件下的插入损耗每个比在通常较低温度下的测试条件更差。
图20例示了上述FEP绝缘线缆的插入损耗测试的结果。如图20所示，在85℃、105℃和125℃的测试条件下的插入损耗通常与在较低温度下的插入损耗相似。附加地，与代表性的汽车线缆相比，FEP绝缘线缆的插入损耗随着信号频率的增加而降低。因此，FEP绝缘线缆在较高温度(例如，高于80℃的温度)下具有较小的插入损耗，并且与代表性的汽车线缆相比，在所有测试温度下具有更小的插入损耗。
代表性的汽车线缆用XLPE混合物进行绝缘。XLPE混合物含有旨在保护聚合物材料免受环境因素(包括例如与铜接触、溶解或腐蚀性流体、高温和低温、以及UV光等)影响的添加剂。这些添加剂中的至少一些在结构上是极性分子，并且随着添加剂分子和周围基质的温度升高而振动得更多。不受理论束缚，相信这些极性分子的振动增加影响XLPE的耗散因数，从而随着温度升高而降低代表性的汽车线缆的插入损耗性能。
FEP绝缘线缆用不含任何极性添加剂的FEP聚合物进行绝缘。FEP具有使其适于在无需极性添加剂的情况下在线和线缆应用中使用的物理和机械性能。不受理论束缚，相信FEP绝缘线缆的插入损耗性能通常在较高温度下被保持，部分原因是聚合物不含在较高温度下使耗散因数增加的极性添加剂。
图21是示出了在1MHz至600MHz频率范围与汽车以太网通道和组件的开放联盟TC9规范相比，FEP绝缘线缆在一定温度范围下测量到的插入损耗值的行和列的表格。从表格中可以看出，在所有频率和温度下测量到的FEP涂覆线缆中的插入损耗优于TC9标准。TC9标准和测量到的FEP涂覆线缆中的插入损耗之间的差异随着频率的增加而增加并且也随着温度的增加而增加。从表格中可以看出，FEP绝缘线缆中的插入损耗随着频率和温度的增加而增加，但从未超过8.5dB。该插入损耗低于温度调整的TC9阈值。
本文描述的测试揭示了与最初计算的插入损耗性能预期相比，XLPE绝缘线缆在实际生活模拟中比预期的更差。相反，相对于最初计算出的插入损耗性能预期，FEP绝缘线缆在上述示例中比预期的更好。不受理论的束缚，相信FEP绝缘线缆中插入损耗的主要原因是由于铜的电导率随着温度升高而固有地降低，而FEP几乎没有负面影响。
图22至图27例示了使用与图17所示线缆相似但是使用26AWG 7/34铜导体而不是22AWG 7/30铜导体而构造的线缆收集的数据。线绝缘件依据线缆为FEP、PP或XLPE，并且内护套由交联聚烯烃(XLPO)制成。所有线缆的长度均为15米。
图22至图24例示了针对由1000BASE-T1线缆的SAE J3117/2和ISO 19642-12草案规范所使用的TC9插入损耗限制对三种类似构造的线缆进行的测试。除了线绝缘件是FEP、XLPE或PP之外，被测试的线缆是相同的。最初在23℃下测试每根线缆的插入损耗。然后在125℃的温度下保持三个小时之后再次测试每根线缆的插入损耗。在125℃的温度下保持总共240小时后第三次测试每根线缆的插入损耗。如图22所示，当在1MHz至600MHz的频率范围内在23℃下测试线缆时，所有三种线缆最初都通过了TC9插入损耗性能标准。
从图23可以看出，在125℃已经保持线缆3小时之后，PP绝缘线缆的插入损耗低于TC9标准。FEP绝缘线缆和XLPE绝缘线缆二者在125℃已经保持3小时之后，在1MHz至600MHz频率范围内的插入损耗均通过了TC9标准。如图23所示，在这些测试条件下，FEP绝缘线缆具有比XLPE绝缘线缆更低的插入损耗。
从图24中可以看出，在125℃已经保持240小时之后，FEP绝缘线缆和XLPE绝缘线缆二者的电性能在1MHz至600MHz频率范围内均通过了TC9标准。如图24所示，随着频率的增加，FEP绝缘线缆相对于XLPE绝缘线缆表现出更小的插入损耗。
图25至图27例示了随着线缆经受高温和高湿对三个类似构造的线缆的插入损耗测试。被测试的线缆与关于图22至图24描述的线缆相同。在23℃和环境相对湿度下初始测试每根线缆的插入损耗。然后在85℃的温度和85％的相对湿度下保持3小时之后，再次测试每根线缆的插入损耗。在85℃的温度和85％的相对湿度下保持总共168小时之后，第三次测试每根线缆的插入损耗。如图25所示，当在1MHz至600MHz频率范围内在23℃和环境相对湿度下测试线缆时，所有三种线缆最初都超过了TC9插入损耗性能标准。
从图26可以看出。在85℃以及85％相对湿度下保持线缆3小时之后，PP绝缘线缆的插入损耗低于TC9标准。在85℃和85％相对湿度下保持3小时之后，在1MHz至600MHz频率范围内FEP绝缘线缆和XLPE绝缘线缆二者的插入损耗均通过了TC9标准。如图26所示，在这些测试条件下，FEP绝缘线缆的插入损耗低于XLPE绝缘线缆。
如图27所示，在85℃以及85％相对湿度下保持168小时之后，在1MHz至600MHz频率范围内FEP绝缘线缆和XLPE绝缘线缆二者的插入损耗均通过了TC9标准。
图28是示出了图22至图24中讨论的测量的插入损耗值的行和列的表格。图28示出了用PP、XLPE和FEP绝缘的15米线缆在23℃、125℃下3小时之后以及在125℃下240小时之后的测量到的插入损耗值。从图28可以看出，FEP绝缘线缆具有比其它线缆更低的插入损耗。这种差异在更高频率下增加。
图29是示出了在图25至图27中讨论的测量到的插入损耗值的行和列的表格。图29示出了用PP、XLPE和FEP绝缘的15米线缆的在23℃和环境湿度下、在85℃和85％相对湿度下三小时之后，以及在85℃和85％相对湿度下168小时之后的测量到的插入损耗值。从图29可以看出，FEP绝缘线缆具有比其它线缆更小的插入损耗，并且这种差异在较高频率时增加。
本领域技术人员将认识到对本公开的优选实施方式的改进和修改。所有这些改进和修改都被认为在本文公开的概念和所附权利要求的范围内。要理解，本发明公开的实施方式的任何给定元件可以实施为单一结构、单一步骤、单一物质等。类似地，所公开实施方式的给定元件可以实施为多个结构、步骤、物质等。
前述描述例示和描述了本公开的过程、机器、制造、物质组成和其它教导。附加地，本公开仅示出和描述了所公开的过程、机器、制造、物质组成和其它教导的某些实施方式，但是，如上所述，要理解，与相关领域普通技术人员的技能和/或知识相称的，本公开的教导能够用于各种其它组合、修改和环境中，并且能够在如本文所表达的教导的范围内进行改变或修改。以上描述的实施方式进一步旨在解释实践本公开的过程、机器、制造、物质组合和其它教导的已知的某些最佳模式，并使本领域的其它技术人员能够在此类或其它实施方式中利用本公开的教导，并且具有特定应用或用途所需的各种修改。因此，本公开的过程、机器、制造、物质组成和其它教导并非旨在限制本文公开的确切实施方式和示例。此处提供的任何章节标题仅是为了与37C.F.R.§1.77的建议保持一致或以其它方式提供组织队列。这些标题不应限制或表征本文所阐述的发明。

Claims (20)

1.一种汽车通信线缆，该汽车通信线缆包括：
单根双绞导体，该双绞导体包括由第一绝缘层绝缘的第一导体和由第二绝缘层绝缘的第二导体，其中，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层沿导体的整个外周与相关联的导体接触，并且其中，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层包含至少95％w/w的氟化乙烯丙烯FEP；以及
外护套，该外护套围绕所述双绞导体。
2.根据权利要求1所述的通信线缆，其中，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层中的至少一个与相关联的导体形成基本上气密的密封。
3.根据权利要求1所述的通信线缆，其中，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层基本上不含极性添加剂。
4.根据权利要求1所述的通信线缆，其中，所述第一绝缘层和所述第二绝缘层是至少99％w/w的FEP并且基本上不含添加剂。
5.根据权利要求1所述的通信线缆，该通信线缆还包括围绕所述单根双绞导体的所述第一绝缘层和所述第二绝缘层的屏蔽层。
6.根据权利要求1所述的通信线缆，其中，所述线缆是以太网线缆。
7.根据权利要求1所述的通信线缆，其中，所述线缆被构造为传输约10MHz至约10GHz范围内的差分信号。
8.根据权利要求1所述的通信线缆，其中，所述线缆在0℃至105℃的温度范围以及在1MHz至400MHz的频率范围内15米的插入损耗小于约10dB。
9.根据权利要求1所述的通信线缆，其中，所述线缆在-40℃至125℃的温度范围以及在10MHz至400MHz的频率范围内15米的插入损耗小于约7dB。
10.根据权利要求1所述的通信线缆，其中，所述线缆在-40℃至125℃的温度范围以及在10MHz至600MHz的频率范围内15米的插入损耗小于约10dB。
11.根据权利要求1所述的通信线缆，其中，所述线缆在-40℃至125℃的温度范围以及在10MHz至600MHz的频率范围内15米的插入损耗小于约8.5dB。
12.根据权利要求1所述的通信线缆，其中，所述线缆在105℃且400MHz下具有相对于开放联盟TC9标准小至少5dB的插入损耗。
13.根据权利要求1所述的通信线缆，其中，所述线缆在125℃且600MHz下具有相对于开放联盟TC9标准的允许插入损耗小至少8dB的插入损耗。
14.根据权利要求1所述的通信线缆，其中，所述线缆包括26AWG铜线，并且在从23℃至125℃的温度范围以及在100MHz至1GHz的频率范围内15米的插入损耗小于约17.5dB。
15.根据权利要求1所述的通信线缆，其中，所述线缆在从23℃至125℃的温度范围以及在100MHz至1GHz的频率范围内15米的插入损耗小于约16.5dB。
16.根据权利要求1所述的通信线缆，其中，所述线缆在从23℃至125℃的温度范围以及在100MHz至800MHz的频率范围内15米的插入损耗小于约14.5dB。
17.根据权利要求1所述的通信线缆，其中，所述线缆在从23℃至125℃的温度范围以及在100MHz至600MHz的频率范围内15米的插入损耗小于约12.5dB。
18.一种机动车辆，该机动车辆包括根据权利要求1至17中任一项所述的线缆。
19.一种艇或船，该艇或船包括根据权利要求1至17中任一项所述的线缆。
20.一种机械装置，该机械装置包括电机和根据权利要求1至17中任一项所述的线缆。
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