CN1269586A - 绝缘导体作有效旋转的同轴电缆 - Google Patents

Abstract

一条同轴电缆(10,50)包括一个内导体(11),它被一层绝缘材料(12)与一个外导体(13)隔开。外导体是一层薄金属箔,它将绝缘材料包围起来,且外导体沿电缆的纵向有一条缝(14)。在第一个实施例中,绝缘导体沿轴向相对于其自身的纵轴旋转(扭转)。在第二个实施例中,外导体缠绕在绝缘材料层上。在两个实施例中,绝缘导体和外导体之间都有相对旋转。这种做法被称为相对绝缘导体旋转,它在外导体沿电缆纵向存在不对称性(如一条缝)时,能明显的改善同轴电缆的结构回路损耗特性。在外导体和塑料外壳(16)之间装有一个发辫形导线屏(15),以给电缆提供环境保护。

Description

绝缘导体作有效旋转的同轴电缆

本发明涉及同轴电缆的设计，更具体地说，是与结构回路损耗有所改善的同轴电缆有关。

看来光学通信和电气通信系统正在展开一场相当激烈的竞争。如果电气系统要在高速传输信号方面站住脚，则电缆和连接器的传输特性必须改善，否则将被光学系统所替代。不过，由于几乎所有的消费和商业通信系统装备都只处理电信号，电气系统在目前仍占据着竞争的优势。但电气设备被光学设备所代替最终是不可避免的事，我们只能通过大量改善电气系统的性能来推迟这个时刻的到来。与光缆相比，电缆的带宽有限且更容易受到干扰。在带宽和抗干扰两方面最有效且使用最广的一种电缆，是大家都很熟悉的同轴电缆。

同轴电缆是由贝尔实验室的Lloyd Espenschied和Herman Aflel在1929年5月23日或这之前发明的(见美国专利1,835,031)，看来似乎不大可能在经过这么多年以后还能对其性能以任何合理的方式加以改进。但是人们的确在追寻这种改进。

同轴电缆包含一个电导体(下称“内”导体)，它由另一个电导体(下称“外”导体)完全包围着，内外导体之间为非导电层。非层电层的厚度理想上是均匀的，且可以是空气，但最常用的是电介质材料，如聚乙烯。同轴电缆以TEM(横电磁波)横式传输能量，且截止频率为0。此外，它构成一条双导体传输线，具有无限介质的波阻抗和传输常数，且能量相速度等于无限介质中的光速。同轴电缆还具有其它一些优点，为适于在电磁频谱的HF(高频)和UHF(特高频)段有效地工作。它是一条理想屏蔽线且辐射损耗很小。为增加其柔软性可采用发辫形的外导体，而且同轴电缆不受气候条件的影响。由于同轴电缆没有多大辐射损耗，且外导体用作内导体的屏蔽，因此附近的金属物体和电磁能量源对它的影响很小。

介质材料的轴对称性不好(如有椭园度)，导线截面不园(偏心)，及导线在介质材料中对中不良等缺陷使同轴电缆的高频特性受到限制。这些缺陷由于下述各种原因在制造过程中实际上是不可避免的：工具磨损，重力影响，挤压过程中介质的不均匀流动，公差等。由于这些非轴对称性缺陷，将产生各种传输上的问题，包括信号反射(即结构回路损耗)，失真及功率损耗。由内外导体间距离的微小变化而造成的沿同轴电缆长度上不同点的电阻抗的变化，会引起信号反射。这种反射将缩短信号无失真地沿同轴线传输的距离，同时限制了最大工作频率。

为改善同轴电缆的SRL(结构回路损耗)特性，制造商们已经采用了一些不同的方法，主要集中在改进处在介质绝缘体中的中心金属导体的同心度和偏心度方面。但这些措施还未在实际的制造环境中奏效，因此希望能有新的改善SRL的方法。

采用具有某一预定厚度的电绝缘层将内金属导体和外金属导体隔离的同轴电缆，已将上面存在的问题克服。特别需要注意的是，按照本发明，使绝缘的内导体以一个预定的回转速率相对于外导体绕其纵轴作有效的转动。这种ICR(绝缘的导体转动)大大地改善了最终电缆的结构回路损耗特性。

在本发明的一个实施例中，绝缘的导体在屏蔽箔装入之前就被绕其纵轴转动；而在本发明的另一个实施例中，是将屏蔽箔按螺旋线绕在一个非旋转的绝缘导体上。

虽然ICR已与导线对一起被用来降低结构回路损耗，但从来没有人认为它可以用到同轴电缆中，因为转动同轴电缆的绝缘导体不会改变内外导体之间的距离。可是直到本发明之前，人们一直忽视了这样一个事实，即外导体沿其长度方向常有一条缝。本发明的一个重要方面在于，我们发现这条缝使外导体结构形成一种不对称性，需要采用ICR来将它与绝缘内导体的任何非对称性加以抵销，以有效地降低结构回路损耗。令人惊奇的是，当使用ICR后结构回路损耗大为下降。如所预料，ICR并不能改善内导体精确地处于电缆中心轴线上的，或外导体沿电缆整个长度完全为圆形的同轴电缆。但因这种情况极少，ICR能使绝大多数同轴电缆得到相当程度的改善。

结合附图，阅读下面对几个特殊实施例的详细描述，可以更好地了解本发明的其它一些目标和特点，这些图中：

图1是按本发明第一个实施例的同轴电缆的透视图；

图2表示ICR对内导体相对于电缆中心轴线位置的影响；

图3为图1所示同轴电缆的端视图，表示内导体沿电缆在不同点上的位置。

图4表示ICR对内导体中心轴成的影响，这儿以电缆的中心轴线为基准；

图5为本发明的第二个实施例的同轴电缆透视图。

图1和图3的同轴电缆表示本发明的第一个实施例，它包括一个内导体11，外面被一层绝缘材料12包围着，绝缘层的外径约为75密耳(即1.9mm)，最好由泡沫型的高密度聚乙烯制成。导体11可用镀银的26号美国线规铜线，泡沫型的聚乙烯的介电常数约为1.2。依照本发明的原理，此绝缘导体结构11，12绕其中心轴线101-101按顺时针或逆时针方向以跨过导体某个长度“L”为周期而转动。L(也称为“旋转长度”或“绞距”)最好小于与导体所载最高频率相当的周期，虽然在旋转长度更长时也能改善结构回路损耗(SRL)。此后我们把这种旋转叫做绝缘导体旋转(ICR)，并在装上金属屏蔽13之前施于绝缘导体结构11，12，金属屏蔽构成同轴电缆10的外导体。本例中金属屏蔽13是用2密耳(0.05mm)的聚脂铝箔沿一条缝粘接而成。

过去曾经把绝缘导体旋转用于导线对(见美国专利5,767,441)，但从未用于同轴电缆。这是因为很难看出为何ICR对具有对称性的同轴电缆有用，也因为这种旋转不会改变内外导体之间的距离。但是，人们忽视了外导体13结构中存在一条缝14这个事实。这条缝引起了沿着同轴电缆纵向方向的不对称性，而且当它和绝缘导体结构的不对称性合在一起时，能使电缆的SRL特性变坏。虽然当同轴电缆的内导体基本上与电缆的中心轴线重合时，这种特性的变坏不明显，但对内导体沿电缆长度方向偏离中心轴线严重的同轴电缆，可使SRL改善6dB以上。

在本发明的一种优选实施例中，有一个金属编织件15包着外壳13。本例中这个编织件是用36号美国线规镀锡铜线或铝线编织而成，且处在外导体13和塑料保护套16之间，保护套用聚氯乙烯(PVC)或聚乙烯制造。另外，在本优选实施例中电缆10的外径比较小(小于15mm左右)，以使电缆较柔软而便于安装。

虽然上述电缆的总体结构可能与高性能通信电缆设计的很多方面有关，本发明较之原先的电缆所具有的特殊优点应归之于有意在装上外屏蔽之前旋转同轴电缆绝缘中心导体这一新技术。

ICR是消除或抵销被不均匀绝缘层包围的导体的偏心的一种有效方法，同时，仔细考虑一下在一个ICR周形内导体内部发生的变化可能很有用。因此我们来参看图2和图3，图中将一个被绝缘材料12包围且绕结构的中心轴线101作了旋转的导体11加以放大。导体11的中心轴线103偏离电缆的中心轴线101一个固定距离。当绝缘导体转动时，形成了一条绕着中心轴线101的点轨迹104。沿着电缆长度的不同位置上内导体11在绝缘材料12内的位置用虚线(11-1，11-2，11-3，11-4)表示，以显示ICR使得内导体围绕电缆中心轴线101移动。结果，沿经过旋转的导体长度方向传送的电信号，实际上就具有和完全同心的电缆一样的电性能。换句话说，按照本发明方法经过旋转的同轴电缆，实际上等同于完全同心或零偏心的同轴电缆。

图4说明ICR对内导体纵向轴线103相对于电缆纵向轴线101的位置的影响。图4实质上是只画出了各种纵向轴线的同轴电缆的侧视图。轴线102代表旋转前的内导体纵向轴线。注意102对电缆纵向轴线101有一个偏离量d。正是这个偏离与外导体的不对称性一起使得SRL变坏。将绝缘导体围绕其自身的纵向轴线在每个导体长度L内准时转动，则导体纵向轴线103和电缆纵向轴线101之间的平均距离变成零，因而SRL得以减小。这种转动是在安装外导体之前进行的，因此常把这个步骤称作“预扭绞”。应该说，ICR可以用于任何直径的同轴电缆；不过一些实际问题限制了L的最小值。对受到同样应力的绝缘导体，较小的导体可以使用较小的L值。自然小的L值将在较高频率下使SRL得以改善。但L值实际上是由设计来选择的。

依据本发明，ICR可通过几种方法来实现。一种方法是利用垂直绞扭器，这种器具一般是用来将两根绝缘导体绞成一对导体。更具体地说，为实现ICR，是用垂直绞扭器对单根绝缘导体按通常的方法进行处理。根据手头所有的特定绞扭器的特定加工装置的不同，可能需要进行一些机械调整，但任何此类调整对一般的内行人应该能完全胜任，因此就不在这儿专门讨论了。如上所述，还可采用其它现有的设备依照本发明来实施ICR，其中包括(但不限于)水平绞扭器。

对于上面所指的电缆尺寸，按实际考虑我们推荐ICR的长度L为5英寸左右(即12.7cm)。此外，当L长至1米时也能测到有所改善，因为通过同轴线传输的大量信息是在100MHZ或更低的频率。还有，可以沿着电缆的长度以不同的旋转率，并将旋转方向从顺时针变成逆时针来实施ICR。

从运行的角度来看，ICR至少可对现有的同轴电缆结构提供以下改善：(i)增大SRL范围(例如，约6dB)，这能使电缆满足更高的传输要求；(ii)增大介入损失范围(例如，约1％)；(iii)降低对绝缘材料在质量和(或)数量上的要求。

随着同轴电缆直径的加大，使绝缘导体本身旋转就变得困难起来。但是，由于SRL的改善只取决于绝缘导体对外导体的相对转动，因此限外导体绕着绝缘导体转动也能得到同样的结果。据此，图5中的同轴电缆50代表了本发明的第二个实施例，其中由薄金属箔做的外导体13按螺旋线缠绕在不旋转的绝缘导体结构11，12上。与图1类似，导体11是用镀银的26号美国线规铜导线做的，且绝缘材料层12的外径约为75密耳(1.9mm)。建议绝缘层12用泡沫状高密度聚乙烯制造。注意缝14造成外导体13的一种非对称性，且这条缝缠绕在绝缘层12上，产生与ICR同样的效果，即抵销处于非对称绝缘层内的导体11的偏心。编织屏蔽15和外壳16与图1讨论过的元件相同。建议外导体13每5寸(12.7mm)绕绝缘材料12一次。但当外导体的绞距长度L为一米或更长时，SRL仍有显著的改善。

除了上面所述的特定类型护套系统外，导体绝缘和(或)外壳可采用能阻止电缆起火及产生烟雾的材料，例如含氟的聚合物。Underwrilers实验所已实施了一种根据耐热性(例如由于建筑物火灾)来对通信电缆进行分类的测试标准。特别是，电缆可按冒口(riser)或增压(plenum)来分类。例如，UL910火焰测试规定了电缆在增压测定前应满足的条件。为了达到这个增压特性，可以将一切现有的技术应用到采用绝缘导体旋转的电缆中去。另外，根据电缆使用的特定环境，可以采用其它特殊的测试标准和(或)要求来考核具有本发明的属性的电缆。

虽然上述同轴电缆结构是作为描述本发明的实例，但应用本发明原理的业内人士可以设计出其它的结构。举例来说，对增压电缆可以采用其它的绝缘材料，例如氟化乙丙烯(FEP)；除了缝之外，外导体的不对称性还可以由别的原因造成(例如，存在于电缆中的加蔽线可能引起不对称性)；绝缘材料不必进行泡沫化处理；同时电缆的尺寸也可以不同于上述结构的尺寸。特别是，本发明的结构也可用于有线电视(CATV)中的同轴电缆(例如，RG-6)。

Claims (10)

1.一条具有长度和一纵向轴线[101-101]的同轴电缆[10，50]，此电缆包括：

一个内导体[11]，它大致沿着电缆的纵向轴线伸展；

一个绝缘件[12]，它围绕并封闭内导体，以形成一个绝缘的导体；

一个外导体[13]，它围绕并封闭该绝缘的导体；

一个绝缘材料的外壳[16]，它围绕并封闭外导体；

其特征在于，使该绝缘的导体沿轴向相对于外导体在电缆的每个长度L内至少转动一整圈。

2.如权利要求1所述的同轴电缆[10，50]，其中使绝缘的导体[11-12]围绕其自身纵轴旋转。

3.如权利要求2所述的同轴电缆，其中使绝缘导体[11，12]沿同轴电缆长度方向按一单一方向旋转。

4.如权利要求2所述的同轴电缆[10，50]，其中使绝缘的导体[11，12]沿同轴电缆的长度方向按顺时针或逆时针方向旋转。

5.如权利要求1所述的同轴电缆[10，50]，其中外导体[13]由一个金属箔构成，它按螺旋线缠绕在该绝缘的导体[11，12]上。

6.如权利要求1所述的同轴电缆[10，50]，其中外导体[13]有沿电缆的纵向延伸的不对称性。

7.如权利要求6所述的同轴电缆[10，50]，其中不对称性包括一条缝[14]。

8.如权利要求1所述的同轴电缆[10，50]，还包括一个编织的金属屏[15]，它处在外导体[13]和外壳[16]之间。

9.如权利要求1所述的同轴电缆[10，50]，其中L小于约一米。

10.如权利要求1所述的同轴电缆[10，50]，其中L小于约13cm。

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