CN116615790A - 通信电缆及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供与高频数据传输对应且能够实现电缆的内部结构的简化的通信电缆。本发明公开了将多根由绝缘体16包覆导体14而成的绝缘电线12绞合而成的通信电缆1。在通信电缆1中，导体14包括剖面为圆形的单线、或剖面为圆形且曲率半径为0.06mm以下的压缩绞线。
Description
技术领域
本发明涉及与高频数据传输对应的通信电缆及其制造方法。
背景技术
近年来，汽车中的信息通信设备的高性能化、车载多媒体的多功能化不断发展，可以认为，今后也会以高级驾驶辅助系统(ADAS；Advanced Driver-Assistance Systems)、自动驾驶等为主题，高性能化和搭载设备的增加进一步推进。这样的进步带来了信息通信量的大容量化，因此要求高频下的数据传输。
最近，作为车载以太网(Ethernet)标准，制定了IEEE802.3ch Multi-GigAutomotive Ethernet PHY 10GBASE-T 1(以下简称为“Multi-Gig Automotive Ethernet(多G汽车以太网)标准”。)，可以认为，对于车载用的通信电缆，也要求要满足该Multi-GigAutomotive Ethernet标准。
不过，在高频数据传输中存在一些技术问题，例如可举出：对内延时差(对内的传输延迟时间之差)的抑制、高频带条件下的频带空段现象(信号衰减量的频率特性的急剧下降)的抑制。
专利文献1公开了试图解决上述有关高频数据传输的技术问题的多芯电缆。
在专利文献1的技术中，将8对的同轴电线对(11～18)收纳于多芯电缆(1)内。各同轴电线10中，中心导体(21)由绝缘体(22)包覆，其外周由外部导体(23)及外套(24)包覆。外部导体中，在绝缘体的周围横绕(螺旋缠绕)金属细线(M)作为内层部(23A)，在内层部的周围横绕金属树脂带(T)作为外层部(23B)。
在该技术中，特别地，使金属细线和金属树脂带的缠绕方向为相反方向，且以使两者的缠绕角度之差(角度θ3)在一定的范围内的方式进行设定，由此，抑制了频带空段现象(参照第0017-0027段、图1-2、实施例、图4等)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第6269718号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，如上所述，专利文献1的电线对中，在同轴电线内配置外部导体，该外部导体包括金属细线和金属树脂带，且需要设定金属细线和金属树脂带的缠绕方向、缠绕角度。专利文献1的技术即电缆的内部结构非常复杂，电缆的内部结构存在改进的余地。
因此，本发明的主要目的在于，提供与高频数据传输对应的(在Multi-GigAutomotive Ethernet标准中，至少在8GHz以上的高频带也满足该标准)且能够实现电缆的内部结构的简化的通信电缆。
解决问题的方案
本发明的发明人为了解决上述技术问题反复进行技术上的研究，发现了以下情况，由此完成了本发明，该情况为：尤其在是高频信号时，由于趋肤效应，在导体的表层电流密度较大，对于将多根线材绞合而成的绞线而言，这在高频传输方面是不利的，但对于剖面形状为圆形的单线或具有一定的曲率半径的压缩绞线那样的剖面形状接近圆形的电缆而言，剖面形状越接近圆形则高频传输时的阻抗越少。
即，根据本发明，提供一种通信电缆，其是将多根由绝缘体包覆导体而成的绝缘电线绞合而成的通信电缆，其特征在于，所述导体包括剖面为圆形的单线、或剖面为圆形且曲率半径为0.06mm以下的压缩绞线。
发明效果
根据本发明，能够不在外部导体增加复杂的结构，而是以将导体包括剖面为圆形的单线或剖面为圆形且曲率半径为0.06mm以下的压缩绞线这样的简单的结构，来提供与高频数据传输对应的(在Multi-Gig Automotive Ethernet标准中，至少在8GHz以上的高频带也满足该标准)的通信电缆。
附图说明
图1是表示通信电缆的概略结构的剖面图。
图2是示意性地表示压缩绞线的剖面形状的图。
图3是表示在实施例1的仿真中使用的导体剖面结构的图。
图4是对图3的导体剖面结构进行修正并进行网格分割后的图。
图5是将对于图3的导体剖面结构的交流的电流密度视觉化后的图。
图6是表示以简单绞线的交流阻抗值为基准的、单线及压缩绞线的交流阻抗比的图。
图7是表示实施例2的各样本的频率与插入损耗之间的关系的图。
具体实施方式
下面，对本发明的优选的实施方式的通信电缆进行说明。
在本说明书中，表示数值范围的“～”具有将下限值及上限值包含在该数值范围内的含义。
图1是表示通信电缆1的概略结构的剖面图。
如图1所示，通信电缆1具有：双绞体10、挤包件20、第一屏蔽层40、第二屏蔽层50及外套60，在双绞体10的外周将挤包件20、第一屏蔽层40、第二屏蔽层50及外套60按照第一屏蔽层40、第二屏蔽层50、外套60的顺序缠绕包覆。
双绞体10包括2芯的(2根的)绝缘电线12，将第一种线芯10A和第二种线芯10B成对使用。也可以作为第二双绞体而追加第三种线芯和第四种线芯，并将这些成对使用(可包括4芯)，还可以追加更多的线芯的对而使用。在追加线芯的对的情况下，将绝缘电线12进行四芯(Quad)绞合。
绝缘电线12包括导体14及绝缘体16，具有将导体14的外周用绝缘体16包覆而成的结构。
导体14包括剖面为圆形的单线或剖面为圆形且曲率半径为0.06mm以下的压缩绞线。
“剖面为圆形的单线”如字面意思所示，是指具有一定的直径的剖面为圆形的单一的导线。
“剖面为圆形且曲率半径为0.06mm以下的压缩绞线”是指如图2所示的、将多根线材15绞合压缩且曲率半径r为0.06mm以下的压缩绞线。优选曲率半径r为0.04mm以下。
“曲率半径r”是使用KEYENCE公司制DIGITAL MICROSCOPE(数码显微镜)VHX-6000对线材15的剖面的弯曲部进行观测而得到的值，执行测量/标度>平面测量>圆弧的命令，并选择接触点、反曲点、以及这两者的中点的共计3点，“曲率半径r”是指由该3点决定的圆弧的半径。
即，压缩绞线是使将多根线材15单纯地绞合而成的绞线(以下称为“简单绞线”。)在模头通过并进行压缩而形成的。在这样的情况下，如图2的放大部所示，在外周部的线材15A形成有弯曲部100，在弯曲部100存在：承受了通过模头时的影响的反曲点102、与相邻的线材15的接触点104、以及这两者间的中点106。曲率半径r是指由反曲点102、接触点104及中点106这3点决定的圆弧的半径。
弯曲部100根据外周部的线材15A的数量而存在多个。例如，如果是将7根线材15绞合而成的图2的形态，则存在共计12处，即，在除中心部的线材15B以外的、外周部的6根线材15A×各2处存在。在此，将多个对应于弯曲部100的圆弧中的、最小的圆弧的半径定义为“曲率半径r”。
导体14(包含线材15。)优选为软铜线，也可以由锡、镍、银中任意一种镀层(图示略)将外周包覆。
导体14的外径优选为0.4mm～0.6mm。
高频下的传输特性受到趋肤效应的影响，在导体14的表层中电流密度增大。
“趋肤效应”是指交流电流在导体14中流动时，电流密度在导体14的表层高，而若离开了表层则较低的现象。频率越高则电流越在表层集中，导体14的交流阻抗越变高。受这样的趋肤效应的影响的表层的深度，即电流密度高的表层的深度δ[μm]根据以下的趋肤深度计算式导出，其随着频率f[kHz]增高而减少。
下式中，“ρ”是导体14的体积阻抗率[Ω·m]，其为1.72×10-8Ω·m。“μ”是导体14的相对磁导率，其为1。
[数式1]
基于上式，在针对简单绞线、压缩绞线及单线的每个，单纯在视觉上比较高频下的导体14的表层时，简单绞线中，电流密度较高的区域仅限于导体14的配置于外周部的线材15中的一部分区域。在将其置换为压缩绞线时，该区域在导体14的圆周方向上稍微增大，在置换为单线时，该区域遍及导体14的圆周整体地进一步增大(参照图5)。
在本实施方式中，着眼于这样的趋肤效应，对于导体14的形态(简单绞线、压缩绞线及单线)对于高频的传输特性存在怎样程度的影响，通过以下的实施例进行了研究，并发现，在导体14是剖面为圆形的单线，或是剖面为圆形且曲率半径r为0.06mm以下的压缩绞线的情况下，高频的传输特性优异。
绝缘体16是通过将绝缘性树脂从挤压机的模头挤出而形成的。该绝缘性树脂优选为交联聚乙烯(XLPE；Cross-linked polyethylene)或聚丙烯(PP：Polypropylene)。
绝缘体16的厚度优选为0.2mm～0.4mm。
挤包件20是将带状的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET；Polyethyleneterephthalate)叠绕而形成的。挤包件20也可以用带状的无纺布形成。挤包件20也可以用带状的聚丙烯形成。
挤包件20的厚度优选为0.02mm～0.1mm。
此外，挤包件20不是必须的部件，也可将其省略。
第一屏蔽层40是将金属带叠绕而形成的。
该金属带是将金属箔与树脂带贴合而形成的带，优选将铝箔与聚对苯二甲酸乙二醇酯带(PET带)贴合而形成。在第一屏蔽层40中，以使金属箔向外周露出的方式叠绕。
该金属带的厚度优选为0.02mm～0.05mm。
另外，第二屏蔽层50是将多根金属线编织而形成的。可以是，将多根金属线以一定值以下的节距横绕而形成第二屏蔽层50。该各金属线优选是将软铜线用锡的镀层包覆而成的、被称为镀锡软铜线(TA；Tinned Annealed copper)的金属线。
该金属线的外径优选为3.0mm～3.5mm。
外套60是被称为护套(sheath)的外皮，是将外套用树脂从挤压机的模头挤出而形成的。该外套用树脂优选包括聚氯乙烯(PVC；PolyVinyl Chloride)或热塑性弹性体(TPE；Thermoplastic Elastomers)。
外套60的厚度优选为0.2mm～0.6mm。
此外，双绞体10如上所述包括2芯的(2根的)绝缘电线12，具有将2根的绝缘电线12以一定的节距绞合而成的结构。
从对内延时差和插入损耗(IL)的观点考虑，来设定绝缘电线12的双绞节距的上限值及下限值。
对于双绞节距的下限值，从能否抑制对内延时差、以及能否实现稳定的制造的观点考虑，实际可行的该下限值为7.0mm，优选为7.9mm。绝缘电线12的双绞节距越短则双绞越过密，绝缘电线12彼此的绞合平衡不稳定。其结果是，在绝缘电线12彼此之间产生物理上的长度之差(长度不齐)，从而难以抑制对内延时差。
对于双绞节距的上限值，从在高频(例如直至超过10GHz)下抑制频带空段现象的观点考虑而导出。本发明的发明人在反复进行通信电缆1的试制和插入损耗的测定过程中，发现双绞节距的上限值与绝缘体16的材质(介电常数)之间存在相关，可根据与绝缘体16的介电常数相关的以下的关系式导出。具体而言，发现了以下情况：一般情况下，波长由波长＝波的速度/频率来表达，而双绞节距的上限值近似于将该波长除以绝缘体16的介电常数所得的值。
据此，作为技术常识，在将光的速度设为100时，在电缆对内传递的信号的速度为大约70％(NVP：Nominal Velocity of Propagation，标称传播速度)。如果将频率设定为10GHz，在理论上，双绞节距的该上限值由下式导出。
双绞节距的上限值[mm]
＝(波长)×(1/绝缘体16的介电常数)
＝(光速×NVP/频率)×(1/绝缘体16的介电常数)
＝300,000,000[m/s]＝0.7/10×109[Hz]×(1/绝缘体16的介电常数)×1,000[mm]
当在电缆对内传递的信号的波长与绝缘电线12的双绞节距同步而共振时，会产生频带空段现象，如表1所示，(i)在绝缘体16由交联聚乙烯构成的情况下，在绝缘电线12的双绞节距的上限值为约9.55mm，若超过该值，则会在10GHz以下的低频形成共振点，容易产生频带空段现象；(ii)在绝缘体16由聚丙烯构成的情况下，在绝缘电线12的双绞节距的上限值为约10.00mm，若超过该值，则会在10GHz以下的低频形成共振点，容易产生频带空段现象。
[表1]
此外，也可以是，在挤包件20与第一屏蔽层40之间形成内套。在这样的情况下，优选通过将内套用树脂从挤压机的模头挤出来形成内套。该内套用树脂优选包括聚氯乙烯(PVC；PolyVinyl Chloride)或热塑性弹性体(TPE；Thermoplastic Elastomers)。
内套的厚度优选为2.3mm～2.9mm。
接着，对通信电缆1的制造方法进行说明。
首先，作为导体14，准备剖面为圆形的单线或剖面为圆形且曲率半径r为v.06mm以下的压缩绞线。在准备压缩绞线来作为导体14的情况下，将简单绞线沿其长度方向输送的同时使其在模头中通过来将其压缩即可，以模头的开口径来控制曲率半径r。
之后，向导体14挤出绝缘性树脂并包覆，对其照射电子射线使其交联，形成绝缘体16，制造绝缘电线12。
之后，以一定的节距将2根绝缘电线12绞合(双绞)。
之后，对双绞体10叠绕聚对苯二甲酸乙二醇酯带(PET带)，形成挤包件20。
之后，对挤包件20叠绕金属带，形成第一屏蔽层40，将多根的金属线进行编织，形成第二屏蔽层50。
最后，向第二屏蔽层50挤出外套用树脂并包覆，形成外套60，由此，能够制造通信电缆1。
根据以上的通信电缆1，仅利用导体14包括剖面为圆形的单线或剖面为圆形且曲率半径r为0.06mm以下的压缩绞线这样的简单的结构，就能够提供与高频数据传输对应的(在Multi-Gig Automotive Ethernet标准中，至少在8GHz以上的高频带也满足该标准)的通信电缆(参照下述实施例)。
此外，通信电缆1只要是通信用途，则可用于任何用途，优选用于车载用途，更优选用于车载相机的图像或影像信号的传输。即，优选将通信电缆1设为按照ISO-6722标准或ISO-19642标准的电缆。
[实施例1]
在本实施例1中，在单线、压缩绞线及简单绞线的3种导体中，对针对导体剖面的交流的电流密度进行仿真，确认了趋肤效应与高频的传输特性之间的相关。
(1)评价对象及评价方法
如图3所示，将评价对象大致设为单线、压缩绞线及简单绞线这3种，制作各导体的剖面形状，对其进行网格分割，并进行了电磁场分析(动态磁场分析)。关于分析软件，分别地，作为制作导体剖面的形状的建模器使用GAMBIT，作为进行网格分割的网格化器使用GAMBIT，作为进行电磁场分析的解算器使用Photonjω。作为网格分割上的注意点，随着从导体剖面的中心向表层靠近而将网格尺寸细微化，并且将导体的表层的网格厚度设为2.7×10-6mm，作为电磁场分析时的注意点，将收敛精度设为1×10-9以下。
但是，在对图3的结构进行网格分割的情况下，由于导体内部的间隙的影响而在网格质量上产生不同，可以认为该不同为使评价结果产生偏差的主要原因。另一方面，在高频带条件下，流动交流电流的区域被限于导体的表层，因此，导体内部的形状不对评价结果带来影响。考虑这些，在本实施例1中，设为以将导体内部填满的图4的形状进行评价。
(2)评价结果
如图5所示，可知在单线、压缩绞线及简单绞线的各导体剖面中，在表层，电流密度高。
如图6所示，以简单绞线的交流阻抗值为基准，计算出单线及压缩绞线相对于简单绞线的交流阻抗比，从而可知：单线及压缩绞线与简单绞线相比，交流阻抗比更小，高频带条件下的传输特性优异。
[实施例2]
在本实施例2中，基于实施例1的仿真结果，实测了实际的通信电缆的传输特性与Multi-Gig Automotive Ethernet标准值的关系。
(1)样本的制作
(1.1)样本1
首先，将7根直径0.16mm的软铜线绞合，形成了外径0.48mm的导体。该导体是简单绞线。
之后，向该导体挤出聚乙烯并包覆，对其照射电子射线使其交联，形成由交联聚乙烯(XLPE)构成的厚度0.2mm的绝缘体，从而形成了外径1mm的绝缘电线。
之后，将2根绝缘电线以节距8mm绞合(双绞)，形成了双绞体。
之后，针对双绞体将作为挤包件的厚度0.025mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯带(PET带)进行了1/2叠绕(一边将PET带的宽度的1/2重叠一边缠绕)。
之后，作为第一屏蔽层准备将厚度0.01mm的铝箔和厚度0.025mm的聚对苯二甲酸乙二醇酯带(PET带)贴合而成的厚度0.04mm的金属带，针对挤包件将该金属带进行1/4叠绕，形成了外径2.6mm的第一屏蔽层。
之后，作为第二屏蔽层准备86根直径0.1mm的镀锡软铜线(TA)，针对第一屏蔽层将该镀锡软铜线编织，形成了外径3.1mm的第二屏蔽层。
最后，向该第二屏蔽层挤出聚氯乙烯(PVC)并包覆，制作了外径4mm的通信电缆。
(1.2)样本2
与样本1相比，主要进行了以下变更，即，将样本1中的导体变更为直径0.45mm的单线。
(1.3)样本3
与样本1相比，主要进行了以下变更，即，将样本1中的导体变更为曲率半径r为0.02mm的压缩绞线。
(1.4)样本4
与样本1相比，主要进行了以下变更，即，将样本1中的导体变更为曲率半径r为0.04mm的压缩绞线。
(1.5)样本5
与样本1相比，主要进行了以下变更，即，将样本1中的导体变更为曲率半径r为0.06mm的压缩绞线。
(2)样本的评价
将各样本切出5m，并对其测定了高频带下的插入损耗(IL；Insertion Loss)。将测定结果示于图7。
此外，在Multi-Gig Automotive Ethernet标准中，标准值只制定到最大4GHz的高频带。在图7中，基于Multi-Gig Automotive Ethernet标准所记载的插入损耗(IL)的标准值的下述计算式，计算出4GHz以后的阈值，将其作为参考标准值。
[数式2]
IL≤0.68·f0.45+0.002·f[dB]
(3)总结
如图7所示，样本1中，导体是简单绞线，在5GHz前后的带域中，传输特性低于参考标准值。相对于此，样本2～样本5中，导体是单线或曲率半径r为0.06mm以下的压缩绞线，在超过4GHz的带域中，传输特性满足参考标准值。尤其是，样本2～样本4即使在10GHz的带域，传输特性也满足参考标准值。
根据以上可知，在提供与高频数据传输对应的通信电缆方面，作为导体，应用剖面为圆形的单线或剖面为圆形且曲率半径r为0.06mm以下的压缩绞线是有用的，并且可知，尤其在10GHz的带域，应用曲率半径r为0.04mm以下的压缩绞线是有用的。
本申请主张在2020年12月15日提出的日本专利申请特愿2020-207472的优先权。上述申请的说明书、权利要求书及附图中记载的事项全部引用于本申请。
工业实用性
本申请的发明涉及通信电缆及其制造方法，对于提供与高频数据传输对应的通信电缆是有用的。
附图标记说明
1通信电缆
10双绞体
10A～10B第一种线芯～第二种线芯
12绝缘电线
14导体
15线材
15A外周部的线材
15B中心部的线材
16绝缘体
20挤包件
40第一屏蔽层
50第二屏蔽层
60外套
100弯曲部
102反曲点
104接触点
106中点
Claims (4)
1.一种通信电缆，是将多根由绝缘体包覆导体而成的绝缘电线绞合而成的通信电缆，其特征在于，
所述导体包括剖面为圆形的单线、或剖面为圆形且曲率半径为0.06mm以下的压缩绞线。
2.如权利要求1所述的通信电缆，其特征在于，
所述导体包括剖面为圆形且曲率半径为0.04mm以下的压缩绞线。
3.如权利要求1或2所述的通信电缆，其特征在于，
该通信电缆用于车载用途。
4.一种通信电缆的制造方法，其特征在于，包括以下工序：
作为导体，准备剖面为圆形的单线或剖面为圆形且曲率半径为0.06mm以下的压缩绞线的工序；以及
利用绝缘体包覆所述导体而形成绝缘电线的工序。
Applications Claiming Priority (3)
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|---|---|---|---|
| JP2020207472 | 2020-12-15 | ||
| JP2020-207472 | 2020-12-15 | ||
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116615790A true CN116615790A (zh) | 2023-08-18 |
Family
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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