CN1180440C - 在电缆外鞘上形成有吸收噪声的高损耗磁膜的信号传输电缆 - Google Patents
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Abstract
一种信号传输电缆(10)包括用于传输信号的导体部分和覆盖所述导体部分的绝缘体外鞘(14),形成在所述绝缘外鞘的至少部分外表面上的高损耗磁膜(15)。所述高损耗磁膜在0.1-10GHz的频率范围有最大的复磁导率μ”max。所述高损耗磁膜的磁性混合物是包括M、X和Y的M-X-Y磁性混合物,其中M是由Fe,Co和/或Ni组成的金属磁性材料,X是M和Y之外的元素,Y是F、N和/或O,所述M-X-Y磁性混合物中M的含量使得所述M-X-Y磁性混合物的饱和磁化强度是只包含M的磁性材料的体材料的饱和磁化强度的35-80%。
Description
技术领域
本发明涉及一种信号传输电缆,它包括用于传输电信号的导体部分和覆盖导体部分的绝缘体外鞘,更具体地涉及具有用于抑制噪声泄漏出电缆或侵入电缆的噪声吸收层的这样一种信号传输电缆。
背景技术
网络在电子设备之间或电子装置之间传输例如通信信号等电信号,使用了信号传输电缆,例如通信电缆。一种典型的传输电缆通常包括用于在其中传输信号的导体部分和包围导体部分的外层绝缘体外鞘。同轴型的信号传输电缆包括用于传输其中的信号的中心导体部分和接地的外层导体部分,插在中心导体部分和外层导体部分之间使其绝缘的绝缘层,和包围外层导体部分的外层绝缘体外鞘。众所周知所谓电磁干扰(EMI)的高频电噪声从有源电子元件、高频电路元件和高频电子设备产生,流过信号传输电缆并从电缆辐射出来。相反地,电噪声侵入信号传输电缆,影响这些有源电子元件、高频电路元件和高频电子设备。
本领域已知圆柱形铁氧体芯被用于电子设备例如计算机的电源接线以抑制高频噪声通过电源接线流入或流出计算机。铁氧体芯吸收流过电源接线的高频电流。与正在被小型化以在其中高密度安装电路元件的电子设备相比,铁氧体芯的体积很大。
本领域已知在电子设备的电源线路中安装集中的恒值电路例如解耦电容可以已知电源线的不希望的辐射。
另一个问题是高速操作的半导体器件或集成电路例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、微处理器(MPU)、中央处理单元(CPU)或图象处理器算法逻辑单元(IPALU)常常导致或造成高频噪声,因为流过其中的高速电路的电信号的电流或电压值变化很快。
而且,在小型的电子设备中高密度布置了电子元件和电缆。因此,这些元件和线路很近由此相互影响而产生EMI。
为了抑制这些半导体器件的高频噪声和小型电子设备中的EMI,不能使用普通的铁氧体芯,因为它的体积较大。
另一方面,使用集中的恒值电路不足以抑制使用了高速操作型电子元件的电路产生的高频噪声,因为噪声的频率增大了,使得电路的线路起到分布式恒值电路的作用。
日本未审专利说明书(JP-A)H11-185542公开了一种具有薄膜磁屏蔽的电缆。该电缆通常用作接口电缆以相互连接OA(办公自动化)设备例如个人计算机、游戏设备和通信设备和作为内部布线电缆以连接设备内的各种元件。
上述日本专利文献公开的带有薄膜磁屏蔽的第一常规电缆,包括作为导体部分布置在中心用于传输信号的多个信号导体、缠绕在导体部分上的绝缘带、缠绕在绝缘带上的叠层带和覆盖叠层带的绝缘体。叠层带由电导率高的金属叶片或箔和由高磁导率材料构成的至少一个高磁导率薄膜的叠层构成。
利用这种结构有效地屏蔽了辐射噪声。具体地,由于高电导率的金属叶片(通常是铜叶片)被高磁导率薄膜围绕,能够穿过金属叶片不被吸收的幸存的辐射噪声会被高磁导率薄膜屏蔽。因此辐射噪声首先被金属叶片屏蔽,然后被布置在周围的高磁导率薄膜屏蔽。结果,极大地提高了上述电缆的屏蔽效果,易于操作,外形小巧,因为电缆的尺寸没有明显提高。
在上述文献中还公开了带有薄膜磁屏蔽的第二常规电缆。该电缆的结构与上述第一常规电缆类似,除了绝缘带含有狭缝以外。利用这种结构,防止了电缆整体发生天线效应和抑制了高磁导率薄膜中涡流的影响。因此,可以在很宽的频率带上抑制辐射噪声。
然而,高频辐射噪声或高频电流含有谐波混合物。这时信号路径表现出分布式恒值电路的行为。因此,常规的防止噪声的对策失效,以外这种对策假设为集总的恒值电路。
在上述文献中,高磁导率薄膜通常是通过辊压坡莫合金(Fe-Ni合金)形成。这种磁性薄膜作为高磁导率薄膜存在以下问题。具体讲,其磁特性的频率特性(″f″特性)差,尤其是在高频端。另外电特性劣化了。
或者,可以使用Co基非晶材料如Co-Fe合金制造的高磁导率薄膜。然而,在这种情况下,其磁特性的频率特性(″f″特性)差,尤其是在高频端,同上述情况一样。此外尽管在实验室中可以制造Co基非晶材料,但成本高。因此这种材料在工业中并不实用。
发明内容
本发明的目的是提供一种能有效地只抑制高频噪声的信号传输电缆。
本发明的另一个目的是提供一种年获得上述效果而不需要额外空间的信号传输电缆。
本发明适用的信号传输电缆包括用于传输流过的信号的导体部分和覆盖所述导体部分的绝缘体外鞘。信号传输电缆的典型例子是同轴电缆,它还包括围绕所述导体部分的外层导体部分和在所述导体部分和所述外层导体部分之间的内层绝缘层,所述外层导体部分直接被所述绝缘外鞘覆盖。根据本发明,所述信号传输电缆带有形成在所述绝缘外鞘的至少一个区域上和覆盖所述外鞘的至少部分外表面的高损耗磁膜。所述高损耗磁膜在0.1-10GHz的频率范围有最大的复磁导率μ”max。
所述高损耗磁膜优选具有100μΩ·cm或更大的DC特征阻抗。
所述高损耗磁膜还优选具有0.3-20μm的厚度。
根据一个实施例,所述高损耗磁膜是通过溅射工艺或者气相淀积工艺形成的薄膜。
所述高损耗磁膜优选地被一个外层绝缘外鞘覆盖。
所述高损耗磁膜优选地由包括M、X和Y的M-X-Y磁性混合物制造,其中M是由Fe,Co和/或Ni组成的金属磁性材料,X是M和Y之外的元素,Y是F、N和/或O,所述M-X-Y磁性混合物中M的含量使得所述M-X-Y磁性混合物的饱和磁化强度是只包含M的磁性材料的饱和磁化强度的35-80%。
根据本发明的一个实施例,所述M-X-Y磁性混合物的饱和磁化强度是只包含M的磁性材料的饱和磁化强度的60-80%。所述M-X-Y磁性混合物具有相对窄带的复磁导率频率响应,其中相对带宽bwr是200%或更小。相对带宽bwr定义为在其复磁导率是最大值μ”max的一半μ”50的两个频率点到所述带宽中心频率之间带宽的百分比。所述M-X-Y磁性混合物的直流特征阻抗是100-700μΩ·cm。
根据本发明另一个实施例,所述M-X-Y磁性混合物的饱和磁化强度是只包含M的磁性材料的饱和磁化强度的35-60%。所述M-X-Y磁性混合物具有相对宽带的复磁导率频率响应,其中相对带宽bwr是150%或更大。相对带宽bwr定义为在其复磁导率是最大值μ”max的一半μ”50的两个频率点到所述带宽中心频率之间带宽的百分比。所述M-X-Y磁性混合物的直流特征阻抗是500μΩ·cm或更多。
所述M-X-Y磁性混合物是颗粒状磁性混合物,其中所述金属磁性材料M在由X和Y组成的基质混合物中作为粒状颗粒分布。所述颗粒优选具有1-40nm的平均颗粒尺寸。
典型地,X至少是选自以下元素组成的组中的一个:C,Bi,Si,Al,Mg,Ti,Zn,Hf,Sr,Nb,Ta和稀土金属。
根据一个实施例,所述M-X-Y磁性混合物是由化学式Feα-Alβ-Oγ表示的混合物。
附图说明
图1是表示根据本发明第一实施例的信号传输电缆的透视图;
图2是表示根据本发明第二实施例的信号传输电缆的透视图;
图3是表示例子中所用的溅射装置的结构的透视图;
图4是表示例1的膜样品1的复磁导率的频率响应的图;
图4A是表示例2的膜样品2的复磁导率的频率响应的图;
图5是用于测试磁样品的噪声抑制效果的测试装置的透视图;
图6是表示膜样品1的传输特性的图;
图7A是表示磁性材料作为噪声抑制器的长度l的分布式恒值电路;
图7B是表示图7A的单位长度Δl的分布式恒值电路的等效电路;
图7C是表示图7A的长度l的分布式恒值电路的等效电路;和
图8是表示例1的膜样品1的等效阻抗R的频率响应的图。
具体实施方式
现在,参照附图描述本发明的实施例。
首先参考图1,根据本发明第一实施例的信号传输电缆10是同轴电缆。电缆10包括中心导体11、在中心导体11周围并与其同心的圆筒型外层导体12和插在中心导体11和圆筒型外层导体12之间的绝缘体13。
中心导体11也可称为内层导体,由例如退火的铜线制造。绝缘体13由地介电损耗的材料制造,例如聚乙烯。图中示出的外层导体12是铜线做的网。不限于铜,外层导体12可以包括铝管或铝带。
在任一种情况下,中心导体11、外层导体12和绝缘体13结合构成用于传输信号的导体部分。用外鞘14覆盖所述导体部分。外鞘14由例如聚氯乙烯、聚乙烯、聚亚氨树脂等制造。
该实施例的信号传输电缆10包括具有复磁导率并形成在外鞘14的至少部分表面上的高损耗磁膜15。
参考图2,根据本发明第二实施例的信号传输电缆的结构与图1所示的结构类似,除了绝缘材料的第二或外层外鞘16形成在高损耗磁膜15周围之外。外层外鞘16覆盖上述外鞘14和高损耗磁膜15,外鞘14可被称为内层外鞘。绝缘体16用于使信号传输电缆10的表面绝缘。
对于上述的高损耗磁膜15,优选使用下述的磁性物质。
从近来的研究可知,使用具有磁损耗系数或复磁导率μ”的磁性物质被认为是加入到产生噪声的电路中使得噪声被抑制的有效阻抗。有效阻抗依赖于所用的磁性物质的复磁导率μ”。具体地讲,假设磁性物质具有恒定的面积,则有效阻抗依赖于磁性物质的复磁导率μ”和厚度。这表示较大的复磁导率可以用较小的体积形成高频噪声抑制器,即面积和厚度的尺寸较小。
因此,本发明的目的是提供一种具有较大的复磁导率或在高频处磁损耗高的磁性物质,优选地在0.1-10GHz的准微波范围内具有复磁导率的最大值,即使其厚度在2.0μm或更小。
作为一种具有低的磁损耗和高饱和磁场强度的磁性物质,本领域已知有M-X-Y磁性混合物(M:磁性金属元素,Y:O、N或F,X:与M和Y不同的元素),它这样通过溅射方法或气相淀积方法制造,并具有颗粒结构,其中磁性金属颗粒M散布在象陶瓷的非磁性基质(X和Y)中。
在寻找具有优异的磁导率的M-X-Y磁性混合物的精细结构时,本发明人发现在M的浓度高的区域可以实现高的饱和磁场强度,其中M-X-Y磁性混合物的饱和磁场强度是只由M构成的磁性材料的饱和磁场强度的80%或更高。
M-X-Y磁性混合物具有低的特征阻抗。因此在其形成为用于高频范围的厚度较大的部件时,该部件允许涡流流过。结果,该部件降低了磁导率。因此普通的具有较高饱和磁场强度的M-X-Y磁性混合物不能用作厚度较大的部件。
还发现,M浓度较低的M-X-Y磁性混合物在高频范围的复磁导率μ”较大。在其中M-X-Y磁性混合物的饱和磁场强度是只由M构成的磁性材料的饱和磁场强度的60-80%的M浓度较低的区域,M-X-Y磁性混合物的特征阻抗较高,达到100μΩ·cm或更高。因此,如果厚度为例如几微米(μm)的部件由M浓度较低的混合物形成,它的因涡流产生的损耗降低了。磁损耗或复磁导率是由于自然谐振产生的损耗。因此,复磁导率在频率轴上的分布很窄。这意味着M浓度较低的M-X-Y磁性混合物有利于在窄的频率范围内抑制噪声。
在其中M-X-Y磁性混合物的饱和磁场强度是只由M构成的磁性材料的饱和磁场强度的35-60%的M浓度进一步降低的区域,M-X-Y磁性混合物的特征阻抗更高,达到500μΩ·cm或更高。因此,在由该混合物形成的厚度为例如几微米(μm)的部件中,因涡流产生的损耗进一步降低了。在M颗粒之间磁性相互作用很小,使得回旋热涨落变大,导致在复磁导率产生自然谐振的那个频率处的的涨落。因此,复磁导率μ”在较宽的频率范围内有较大的值。这意味着M浓度进一步降低的M-X-Y磁性混合物有利于在宽的频率范围内抑制噪声。
在M浓度更进一步降低的情况下,M的颗粒相互之间没有磁性效应,使得M-X-Y磁性混合物表现出优异的顺磁性。
在设计邻近电路放置以抑制高频噪声的由磁性物质制作的部件时,要考虑磁性物质的复磁导率μ”和厚度δ的乘积(μ”·δ)的值。通常要求μ”·δ≥100μm以有效抑制百MHz的高频噪声。当所用的磁性混合物的复磁导率在约1000(μ”=1000)时,噪声抑制器要求具有1μm或以上的厚度。因此,不希望使用低特征阻抗的混合物,因为易产生涡流,但希望特征阻抗增大到例如100μΩ·cm或更高。
从以上观点来看,希望用于噪声抑制器的M-X-Y磁性混合物的M浓度较低,其中M-X-Y磁性混合物的饱和磁场强度是只由M构成的磁性材料的饱和磁场强度的35-80%。
因此,高损耗磁膜优选地由M浓度较低的M-X-Y磁性混合物形成,其中M-X-Y磁性混合物的饱和磁场强度是只由M构成的磁性材料的饱和磁场强度的35-80%。
在对应于2000年1月24日提交的日本专利申请No.2000-52507的2001年1月24日提交的国际专利申请No.PCT/JP01/00437中提出了具有较低浓度的M-X-Y磁性混合物,其中M-X-Y磁性混合物的饱和磁场强度是只由M构成的磁性材料的饱和磁场强度的35-80%,其被本说明书引用作为参考。
典型地,图1和2所示的高损耗磁膜15是M-X-Y磁性混合物的颗粒状磁膜。
参考图3,其中所示的溅射装置用于生产颗粒状磁膜的样品。溅射装置具有通常的结构,包括真空容器20、快门21、气源22、基底或玻璃片23、芯片24(X或X-Y)、靶25、RF电源和真空泵27。气源22和真空泵27连接到真空容器20。基底23面对25,其上放置芯片24。快门21放在基底23前面。RF电源26连接到靶25。
样品1
使用图3所示的溅射装置按如下的溅射条件在玻璃片上制造M-X-Y磁性混合物薄膜。
靶25是直径100mm的Fe盘,上面有120片Al2O3芯片。每个芯片的尺寸为5mm×5mm×2mm。然后使用真空泵27,将真空容器20保持在约1.33×10-4Pa的真空度,并用气源22供应Ar气。然后用RF电源施加RF能量。在此条件下,通过溅射方法在作为基底23的玻璃片上形成磁膜。之后,在真空磁场中在300℃的热条件下将所得的磁膜热处理2小时。结果获得了上述颗粒状磁膜的膜样品1。
所得的膜样品1通过荧光X射线光谱分析,确认是组分为Fe72Al11O17的膜。膜样品1的厚度为2μm,DC特征阻抗为530μΩ·cm,各向异性场强(Hk)为1422A/m,饱和磁场强度(Ms)为1.68T。
膜样品1的饱和磁场强度与金属M自己的饱和磁场强度的百分比,以{Ms(M-X-Y)/Ms(M)}表示,等于72.2%。
对于不同的偏置磁场值进行几次测量。从测量的响应于频率变化的阻抗变化,计算复磁导率频率响应(μ”-f响应)并示于图4。
从图4可见,发磁导率具有高的最大值(μ”max)峰值,并在峰值两侧迅速跌落。显示最大值的自然谐振频率(f(μ”max))为约700MHz。从μ”-f响应,可以确定相对带宽bwr,为在其复磁导率是最大值μ”max的一半μ”50的两个频率点到所述带宽中心频率之间带宽的百分比。相对带宽等于148%。
例2
在与例1类似的条件下,但使用150Al2O3芯片,在玻璃基底上形成膜样品2。
所得的膜样品2通过荧光X射线光谱分析,确认是组分为Fe44Al22O34的膜。膜样品2的厚度为1.2μm,DC特征阻抗为2400μΩ·cm,各向异性场强(Hk)为120Oe,饱和磁场强度(Ms)为9600高斯。
膜样品2的饱和磁场强度与金属M自己的饱和磁场强度的百分比,以{Ms(M-X-Y)/Ms(M)}表示,等于44.5%。
以与例1类似的方式获得膜样品2的μ”-f响应,示于图4A。注意,峰值具有类似于膜样品1的高值。然而,峰值的频率点,或自然谐振频率是约1GHz,且在峰值两侧复磁导率逐渐下降使得μ”-f响应具有宽带特征。
膜样品2的相对带宽bwr以与例1类似的方式确认为181%。
现在,描述与样品膜的噪声抑制效果有关的测试,使用图5所示的测试装置30进行测试。
参考图5,测试装置30包括具有两个端口的微条带线31、与所述两个端口相连的同轴电缆32和跨过两个端口连接的网络分析仪(未示出)。为条带线31的线长75mm,特征阻抗Zc为50欧姆。测试片33微条带线31的区域34上,测量传输特性S21。
在图5所示的测试装置30的情况下,通过向邻近高损耗磁膜测试片33的微条带线31附加等效阻抗值来抑制高频电流。在这种情况下,抑制高频电流的效果大约比例于磁性物质的复磁导率μ”和厚度δ的乘积(μ”·δ)的值。
参考图6,描述膜样品的频率响应S21。
对于膜样品的使用,需注意的是图6的S21(dB)在100MHz以上降低,在2GHz的频率处变为最小值-10dB,在2GHz以上增大。该结果说明S21的频率响应依赖于复磁导率μ”的频率分布和噪声抑制效果依赖于所述积(μ”max×δ)。
如图7A所示现在假设该磁样品形成长度l的分布式恒值电路,从传输特性S21计算单位长度Δl的等效电路,如图7B所示。然后,从用于单位长度Δl的等效电路获得长度l的等效电路,如图7C所示。磁样品的等效电路包括串联电感L和电阻R和并联电容C和电导G,如图7C所示。由此,可以知道由于高损耗磁膜在微条带线上的分布引起的微条带线传输特性的变化主要由串联添加的等效电阻R决定。
从上面所述,测量等效电阻R的频率响应。对于膜样品,测量的数据示于图8。注意,从图中,等效电阻在准微波范围内逐渐下降,在约3GHz为约几十欧姆。可以看到,等效电阻的频率依赖性与复磁导率μ”的频率依赖性不同,复磁导率μ”的最大值在约1GHz处。
因此,在准微波范围内表现出复磁导率μ”的频率分布的样品被用来抑制在约1GHz的高频宽带辐射噪声是有效的。
可以假定这种差异基于上述积和样品长度对波长的比率逐渐增大。
参考溅射方法和气相淀积方法描述了本发明的高损耗磁膜的制造方法,但不限于这种制造方法。其它的膜制造方法,例如离子束淀积和气相淀积方法,可以用于本发明的磁性物质的制造,如果它们能均匀地制造本发明的高损耗磁膜。
在实施例中,在真空磁场中进行膜制造之后的热处理。然而,在具有混合物的淀积膜或使用适于获得本发明性能的淀积方法制造的淀积膜的情况下,膜淀积之后的热处理不限于在实施例中描述的热处理。
虽然在实施例中描述了同轴电缆作为信号传输电路,本发明还可适用于其它各种屏蔽电缆。在上述实施例中,高损耗磁膜形成在部分外鞘上。然而,一片或几片磁膜可以覆盖外鞘的整个表面。
虽然描述了颗粒状磁膜作为高损耗磁膜,本发明还可适用于在几十MHz到几GHz的高频范围内磁损耗高的任何磁膜。
因此,在根据本发明的信号传输电路中,高损耗磁膜形成在至少部分外鞘表面上。因此,可以有效地只抑制高频泄漏电流,否则它将出现在信号传输电缆周围,而不需要明显增大空间。此外,高损耗磁膜还可适用于不平衡变压器(balum)或其附件。
Claims (17)
1、一种信号传输电缆,包括用于传输流过的信号的导体部分和覆盖所述导体部分的绝缘体外鞘,其特征在于提供了一个高损耗磁膜形成在所述绝缘外鞘的至少一个区域上并覆盖所述外鞘的至少部分外表面,所述高损耗磁膜在0.1-10GHz的频率范围有最大的复磁导率μ”max。
2、根据权利要求1的信号传输电缆,特征在于所述高损耗磁膜由包括M、X和Y的M-X-Y磁性混合物制造,其中M是由Fe,Co和/或Ni组成的金属磁性材料,X是M和Y之外的元素,Y是F、N和/或O,所述M-X-Y磁性混合物中M的含量使得所述M-X-Y磁性混合物的饱和磁化强度是只包含M的磁性材料的饱和磁化强度的35-80%。
3、根据权利要求2的信号传输电缆,特征在于所述M-X-Y磁性混合物具有相对窄带的复磁导率频率响应,其中相对带宽bwr是200%或更小,相对带宽bwr定义为在其复磁导率是最大值μ”max的一半μ”50的两个频率点到所述带宽中心频率之间带宽的百分比。
4、根据权利要求3的信号传输电缆,特征在于所述M-X-Y磁性混合物的饱和磁化强度是只包含M的磁性材料的饱和磁化强度的60-80%。
5、根据权利要求3或4的信号传输电缆,特征在于所述高损耗磁膜具有100-700μΩ·cm的DC特征阻抗。
6、根据权利要求2的信号传输电缆,特征在于所述M-X-Y磁性混合物具有相对宽带的复磁导率频率响应,其中相对带宽bwr是150%或更大,相对带宽bwr定义为在其复磁导率是最大值μ”max的一半μ”50的两个频率点到所述带宽中心频率之间带宽的百分比。
7、根据权利要求6的信号传输电缆,特征在于所述M-X-Y磁性混合物的饱和磁化强度是只包含M的磁性材料的饱和磁化强度的35-60%。
8、根据权利要求6或7的信号传输电缆,特征在于所述高损耗磁膜具有500μΩ·cm或更高的DC特征阻抗。
9、根据权利要求2的信号传输电缆,特征在于X是C、Bi、Si、Al、Mg、Ti、Zn、Hf、Sr、Nb、Ta和/或稀土金属。
10、根据权利要求2的信号传输电缆,特征在于所述金属磁性材料M在由X和Y组成的基质混合物中作为粒状颗粒分布。
11、根据权利要求10的信号传输电缆,特征在于所述颗粒具有1-40nm的平均颗粒尺寸。
12、根据权利要求2的信号传输电缆,特征在于所述M-X-Y磁性混合物是由化学式Feα-Alβ-Oγ表示的混合物。
13、根据权利要求1或2的信号传输电缆,特征在于所述高损耗磁膜是通过溅射工艺形成的薄膜。
14、根据权利要求1或2的信号传输电缆,特征在于所述高损耗磁膜是通过气相淀积工艺形成的薄膜。
15、根据权利要求1或2的信号传输电缆,特征在于所述高损耗磁膜具有0.3-20μm的厚度。
16、根据权利要求1或2的信号传输电缆,特征在于它是一个同轴电缆,还包括围绕所述导体部分的外层导体部分和在所述导体部分和所述外层导体部分之间的内层绝缘层,所述外层导体部分直接被所述绝缘外鞘覆盖。
17、根据权利要求1或2的信号传输电缆,特征在于还包括覆盖所述高损耗磁膜的一个外层绝缘外鞘。
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