CN1308966C - 双绞线电缆 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种发泡双绞线电缆(23)，它特别适合于高频信号传输。一个实施方案中的双绞线在沿着305米(1000英尺)长电缆的任意一点上，导线中心到中心间隔的变化在±0.03倍平均中心距离以内。另一个实施方案中，双绞线的阻抗为90到110欧姆，其公差为平均阻抗的±5%。优选双绞线的电介质在整个长度上都被接合起来。

Description

双绞线电缆
发明所属的领域
本发明涉及可用于高频场合的双绞线电缆，更具体地说，本发明涉及一种高频双绞线电缆，这种电缆有一对绝缘导线，每一根绝缘导线都有包裹着这一导线的第一个发泡绝缘层，以及包裹着该第一层的第二个绝缘层。
发明的背景
在过去，双绞线电缆应用在数据速率达到上限大约20千比特每秒这种场合。导线技术和硬件设备的最新发展已经将双绞线电缆应用的这一上限提高到了大约几百兆比特每秒。
双绞线技术的发展主要是解决近端串扰问题。美国专利3102160和美国专利4873393都说明了使用绞合在一起的线对的重要性，这些线对的绞距长度不同于电缆内构成一个整体的多根其它成对导线的绞距长度。这样做是为了最大限度地减少成对导线之间的电耦合。
美国专利5015800主要针对的是在整个传输线上维持一个受到控制的阻抗的另外一个重要方面。它说明如何利用双电介质消除双绞线周围的空气间隙，从而稳定阻抗，在绝缘导线被绞起来以后，这种双电介质的外层被粘结在一起。
当两根或者多根不同平均阻抗的双绞线连接在一起构成一条传输线(常常叫做一个通道)的时候，一部分信号会在连接点被反射回去。源于阻抗失配的反射最终会导致信号能量损失和跟踪误差(信号不稳定)这样的问题。
已经进行过的控制导线间隙的尝试全部都是为了稳定一根电缆内的电容。在工业上大家都知道，使用导线对之间电容均匀的电缆，具有减少串扰的优点。美国专利3102160说明了如何能够同时在两根导线上挤压电介质，在传输线上实现相等和均匀的电容。
然而，美国专利3102160没有认识到在很高的频率下阻抗不匹配所带来的问题。假如电缆内每一对导线的电容相对而言是均匀的，电缆的阻抗将不太重要。问题是不同的电缆在它们相应的导线对之间会有均匀的电容，却仍然具有不同的平均阻抗。
美国专利3102160的另一个问题是跟如何分开绝缘导线有关的。为了将所述电缆的导线对用于目前的LAN系统和连接硬件，接合在一起的导线必须能够在沿着导线对长度的方向互相分开至少2.5厘米(1英寸)。现有技术没有提供任何手段，用来将两根接合在一起的绝缘导线分开。
发明概述
因此，对于第一层电介质是发泡电介质这种情况，本发明的一个目的是提供一种双绞线电缆，它有两根导线，至少两层电介质包裹在每一导线周围，这些导线和对应的电介质层基本上沿着电缆的长度方向被绞起来，使这一双绞线电缆中绞在一起的两根导线之间的中心距离在超过1000英尺的长度上变化量不超过±0.03倍平均中心距离，这一平均中心距离是至少20个距离测量结果的平均值，这20个距离测量结果是以至少6.1米(20英尺)的间隔，对随机选择的三根1000英尺长相同尺寸的双绞线进行同一轮测量或者连续三轮测量得到的。
本发明的另一个目的是提供一种双绞线电缆，它有两根导线，每一根导线都有一层电介质包裹，导线和相应的电介质层被基本上沿着电缆的长度方向绞起来，使这一双绞线电缆在长度超过305米(1000英尺)的情况下，在大约10MHz到大约200MHz的频率上进行测量，其阻抗为大约90到110欧姆，这一阻抗相对于平均阻抗而言在±5％的阻抗公差以内，这一平均阻抗是：
a.对相同尺寸的20段至少1000英尺双绞线电缆的阻抗进行同一轮测量所得至少一个阻抗测量结果的平均值，或者
b.对20段随机选择的305米(1000英尺)相同尺寸双绞线电缆进行连续三轮独立测量所得的至少一个阻抗测量结果的平均，这三轮测量之间至少相隔24小时，或者
c.选择一段长度为91.4米~305米(300~1000英尺)的双绞线电缆，对这一段双绞线电缆进行至少200次阻抗测量，这至少200次阻抗测量是在10MHz和200MHz之间，间隔小于0.5MHz的频率点上进行的。
通过以下详细说明，同时参考附图，会更加了解本发明及其优点。
附图的简要说明
图1是本发明一个优选实施方案中一根双绞线电缆的一个侧视图。
图2是放大了的图1中沿直线2-2的截面图。
图3是本发明另一个实施方案中，类似于图2的一个截面图。
图4是双绞线电缆另一个实施方案的放大了的截面图。
发明详述
图1和图2说明了本发明的可以应用在高频场合的双绞线电缆10的一个实施方案。电缆10有两根实心、多股或者空心的铜线12和13。这些导线是实心金属、多股金属、一根合适的玻璃纤维导线、一层金属或者它们的组合。
每一根导线12和13都用相应的圆柱体电介质或者绝缘体14和15包裹。每一根导线12和13都放在正中心，从而跟相应的绝缘体14和15同心。如果需要，导线12和13可以用任何合适的方式跟对应绝缘层的内壁粘合到任意程度，比方说通过压焊、热压或者粘合剂，以防止导线和绝缘层之间出现相对转动。如图2所示，绝缘层14有一个内层也就是第一层发泡电介质14a，包裹在导线12上，以及一个外层也就是第二层电介质14b，包裹在第一层电介质14a上。绝缘层15有一个内层也就是第一层发泡电介质15a，包裹在导线13上，以及一个外层也就是第二层电介质15b，包裹在第一层电介质15a上。
电缆10中的导线12和13有一个共用的绝缘层，如图2所示，其中绝缘层14a和15a以及绝缘层14b和15b是一个整体，并且在它们的长度方向上用任意合适的方式接合在一起。如图所示，接合装置是一个整体的编织网18，该编织网18沿着每一根绝缘层的直径方向延伸。编织网的宽度19处于大约6.35×10-4厘米(0.00025英寸)到大约0.381厘米(0.150英寸)的范围内。编织网的厚度也在大约6.35×10-4厘米(0.00025英寸)到大约0.381厘米(0.150英寸)的范围内。编织网的厚度最好小于两层电介质的厚度22。编织网的宽度最好小于电介质层的厚度22。
每一根导线12和13的直径(传统上用AWG尺寸表示)最好在大约18到大约40AWG之间。
导线12和13最好是金属导线，可以用任何合适的金属材料制作，比方说实心铜或者多股铜线、金属涂敷的基底、银、铝、钢、合金或者它们的组合。电介质可以是用于电缆绝缘的合适材料，比方说发泡和不发泡的聚氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或者氟共聚物(比方说特氟隆，它是DuPont的注册商标)、含氟聚合物(比方说HALAR，它是Ausimont的一个商标)、交叉结合的聚乙烯、橡胶等等。许多绝缘材料都可以包含一种阻燃剂。
发泡电介质14a和15a的第一层跟第二层电介质14b和15b的材料最好相同，它可以是部分发泡或者不发泡的材料。
电介质层14和15的厚度22处于大约6.35×10-4厘米(0.00025英寸)到大约0.381厘米(0.150英寸)的范围内。
接合起来的电介质层14和15包裹的双导线被绞起来，形成双导线电缆。相邻导线中心之间的距离，以后叫做中心距离，沿着双绞线电缆方向的变化非常小。双绞线电缆上任意一点中心距离d的变化不会超过±0.03倍中心距离的平均值，这些中心距离是沿着双绞线电缆测量的，该平均值是通过随机地选择三段305米(1000英尺)相同尺寸的双绞线电缆，从同一轮测量，或者连续三轮测量中计算出来的，三轮测量中每一轮测量都是在不同的一天进行的，对每一段电缆每隔至少6.1米(20英尺)远测量20次，然后计算所有测量结果的平均值。
图3说明了本发明的另一个实施方案，其中的接合装置是一个实心的编织网整体18a，它由第二层14b和15b构成。由于尺寸是在前面给出的范围以内，因此采用了同样的编号方式。
图4给出了本发明的另一个实施方案。双绞线电缆23基本上沿着长度方向在24处用粘合剂接合或者压焊到一起，或者让材料相互接触，同时将电介质的温度升高，然后再冷却下来，将接邻的第二层电介质压焊在一起，从而不用任何粘合剂就获得接合起来的电缆。不用粘合剂的压焊为两根导线25和26提供了一种构成公共整体的第二层电介质。导线25和26的AWG尺寸从大约18到大约40。组合到一起的电介质绝缘层27a和27b或者28a和28b的厚度是6.35×10-4厘米(0.00025英寸)到大约0.381厘米(0.150英寸)。电介质27b和28b之间的接触使得这一接触的厚度最好小于这两层电介质中一层的厚度。电介质层27a是跟电介质14a和15a的材料相同的发泡电介质，电介质层27b和28b的材料跟电介质层14b和15b的材料相同。
位置24处的压焊或者编织网18和18a使得这些电介质层能够分开，并以不大于5磅的力维持完好无损。我们让这些电介质之间保持0.1到5磅的力，最好是0.11到1.13公斤的力(0.25到2.5磅的力)。
用于接线板、冲压块(punch down blocks)和连接器的时候，就需要将这两根绝缘的导线互相分开。分开的距离可以到一英寸或者更大。对于平行双线类型的技术这两根导线不能均匀地分开——跟我们的发明比较，这是一个明显的缺点。还应当注意，许多连接器，比方说常用的RJ-45插头，都要求每一个绝缘导线都是圆得很均匀。对于我们的发明，一旦两根导线分开了，它们就会自己成为圆导线，而不会相互影响。
可以用任意数量的双绞线电缆组成一根套装或者未套装的电缆，在套子下面有一个可选的金属屏蔽层，或者套在每一对双绞线上，或者套在成组的双绞线上。
在LAN系统使用的多数频率上，电缆10、10a和23能够提供相对而言没有差错的传输。电缆的阻抗由两个主要因素决定：导线间隔和导线之间的电介质。导线间隔和电介质越均匀，阻抗就越均匀。
本发明一个重要的特征就是我们的双绞线电缆10、10a和23中每一根电缆相邻导线中心之间的中心距离d都是±0.03倍d的平均值，305米(1000英尺)长的双绞线电缆上的任意一点上，它的变化都不超过这一值。
为了测量我们的双绞线电缆的d的平均值，我们随机地选择了至少3根，最好是20根305米(1000英尺)长相同尺寸的电缆样本，选择同一轮，或者至少三轮连续测量结果，这三轮连续测量结果中的轮与论之间相隔至少24小时长。d的平均值是通过计算在每一段305米(1000英尺)长的电缆上至少20个测量结果，每两次测量之间至少相隔6.1米(20英尺)，将所有这些测量结果加起来，用加起来的测量结果除以所进行的测量总次数而得到的。d的所有测量结果都在±0.03倍平均d的公差范围内。如果它们不在这一公差范围内，就将这一双绞线从中剔除。
下面给出了我们准备和测量过的4根双绞线24 AWG电缆的实例，它们没有本发明所要求的中心距离d。这些电缆的平均导线间隔中心距离为0.089厘米(0.0353英寸)。以英寸为单位的这一个平均d是通过对三根随机选取的305米(1000英尺)长的电缆在不同的三天进行连续三轮测量获得的，每一根电缆以至少20英尺的间隔至少测量20次。测量结果在下表中给出，其中所有测量结果的单位都是英寸。
取样         电缆1(d)          电缆2(d)        电缆3(d)
厘米 ″ 厘米 ″ 厘米 ″
1 .0902 (.0355) .924 (.0364) .0874 (.0344)
2 .0894 (.0352) .0935 (.0368) .0864 (.0340)
3 .0909 (.0358) .0925 (.0364) .0866 (.0341)
4 .0897 (.0353) .0907 (.0357) .0879 (.0346)
5 .0884 (.0346) .0890 (.0352) .0874 (.0344)
6 .0864 (.0340) .0904 (.0356) .0884 (.0348)
7 .0881 (.0347) .0904 (.0356) .0894 (.0352)
8 .0886 (.0349) .0912 (.0359) .0876 (.0345)
9 .0902 (.0355) .0932 (.0367) .0866 (.0341)
10 .0919 (.0362) .0919 (.0362) .0881 (.0347)
11 .0932 (.0367) .0930 (.0366) .0894 (.0352)
12 .0922 (.0363) .0922 (.0363) .0889 (.0350)
13 .0899 (.0354) .0904 (.0356) .0904 (.0356)
14 .0844 (.0348) .0881 (.0347) .0899 (.0354)
15 .0876 (.0345) .0902 (.0355) .0891 (.0351)
16 .0874 (.0344) .0894 (.0352) .0876 (.0345)
17 .0891 (.0351) .0912 (.0359) .0874 (.0344)
18 .0904 (.0356) .0922 (.0363) .0866 (.0341)
19 .0891 (.0351) .0930 (.0366) .0853 (.0336)
20 .0881 (.0347) .0935 (.0368) .0851 (.0335)
总计 1.7894 (.7045) 1.8273 (.7194) 1.7556 (.6912)
电缆总计1+2+3再除以60          .0897       (.0353″)
在这种情况下，可以接受的d的范围是.0869到.0924厘米(0.0342到0.00364英寸)，也就是.0897厘米(0.0353英寸)(平均值)±0.0279(0.0011英寸)0.03×.0897(0.0353))。既然在前面的实例中，在每一根电缆中都有测量值超出了这一公差范围，这些轮中的所有双绞线电缆都不能要。
测量电缆结构变化量的一种方法是沿着传输线(电缆路径)发送一个信号，测量朝测试设备反射回来的能量的大小。有些时候，反射回来的电能量在某些频率上达到最大(在电缆工业中常常将它叫做“尖峰信号”)。这是结构上圆柱形变化的结果，这种圆柱形变化正好跟沿着电缆传播的周期波(cyclical wave)(或者频率)匹配。反射回来的能量越多，在电缆另一端能够获得的能量就越小。
实际反射的能量可以利用传输线的阻抗不稳定性预测。如果信号从100欧姆特性阻抗的源发送到电缆上，电缆上不是精确地等于100欧姆的任何部分都会导致反射。
因此，我们的双绞线10、10a和23的另一个和/或组合特征是，用大约10MHz到大约200MHz的高频信号测量时，每一根双绞线电缆的阻抗都是从90到110欧姆，其公差不大于±5％。公差是用±0.05乘以平均阻抗来获得的。平均阻抗是通过对305米(1000英尺)相同尺寸的双绞线电缆在大约10MHz到大约200MHz的频率之间测量出阻抗而计算出来的，每一轮中有从305米(1000英尺)的双绞线电缆上至少二十(20)个随机取样中的至少一个阻抗值。
能够接受的另一个平均阻抗是从选定的至少二十根相同尺寸的305米(1000英尺)双绞线电缆上的至少一个阻抗测量结果计算出来的，这些测量结果是在不同的三天分别进行的三轮连续测量中得到的。在10MHz和200MHz之间的频率上测量时，评估这些305米(1000英尺)双绞线的阻抗是不是在大约90到大约110欧姆之间。如上所述，可以接受的305米(1000英尺)双绞线在10MHz到200MHz之间的任意频率上的阻抗，都不会大于±0.05倍平均阻抗。例如，如果平均阻抗是96.2欧姆，那么，在10MHz和200MHz之间的频率上没有一个阻抗测量结果会大于101.0欧姆(96.2+4.8[96.2×0.05])，也不会有一个阻抗测量结果会小于91.4欧姆(96.2-4.8[96.2×0.05])。
用于本发明的又一个平均阻抗是从一根91.4米~305米(300~1000英尺)的双绞线电缆上的至少200个阻抗测量值计算出来的，这至少200个阻抗测量值是以0.5MHz的间隔测量出来的。如果10MHz和200MHz之间的阻抗测量结果中有任何一个的变化量超出0.05倍平均阻抗范围，那么这一电缆就是不能接收的。
这一平均阻抗是用通常的方式计算出来的，也就是说，将所有的阻抗测量结果加起来，将总和除以阻抗测量结果的总数。
将双绞线电缆的两根导线分开至少1英寸，在分开的部分绝缘层14、15和27、28基本上完好无损，不会影响双绞线。电缆10、10a和23都可以分开，而不会导致双绞线被拆开和分开。
粘合强度是通过抓住一根绝缘导线并拉另一根绝缘导线来确定的。对于双绞线10、10a和23，在0.25和2.5磅力之间的最佳粘合强度使绝缘层14和15和27和28基本上维持完好无损(intact)。
双绞线电缆10、10a和23是通过同时挤压两根导线上的绝缘层，然后通过压焊、编织网或者其它合适的装置来制作好的。将接合好的绝缘导线绞起来，从而在每一双绞线电缆长度上获得所需要的扭转圈数。
双绞线电缆23最好是通过两根导线并排涂敷来制作，首先用发泡电介质，在发泡电介质的尺寸合适，达到所需要的直径以后，发泡电介质上再涂敷第二层电介质，然后在将电线绞起来之前将这两根绝缘导线接合起来，可以选择用一种粘合剂来粘接这两根涂敷过的导线，两根导线接合起来以后，将接合起来的绝缘线绞起来，得到所需要的双绞线。
以上介绍只是为了进行说明，而不是要限制本发明的保护范围。保护范围由以下权利要求决定，应当在本发明允许的尽可能广的范围内解释它。

Claims (19)

1.一种双绞线电缆，包括：
两根导线，
包裹每一根导线的第一和第二电介质层，
所述第一电介质层是发泡电介质，所述第二电介质层包裹所述第一电介质层，
所述导线和对应的电介质层沿着所述电缆长度的方向被扭绞，得到双绞线电缆，在任何超过305米即1000英尺的长度上，所述双绞线电缆两根绞起来的导线的中心距离变化范围在±0.03倍平均中心距离以内，所述平均中心距离是对三根随机选取的305米即1000英尺长、相同尺寸的双绞线电缆进行至少20次中心距离测量结果的平均值，所有测量点至少相隔6.1米即20英尺远，这些测量结果是同一轮测量的测量结果，或者是连续至少三轮不同测量的测量结果，这三轮测量中的每一轮测量都不是在同一天进行的。
2.根据权利要求1的电缆，其中所述第二电介质层是不发泡的电介质。
3.根据权利要求2的电缆，其中每一根导线的直径都是在18到40AWG的范围，每一根导线第一电介质层和第二电介质层的总厚度在6.35×10-4厘米即0.00025英寸到0.381厘米即0.150英寸的范围内，每一根导线的第二电介质层沿着第二电介质层的长度方向被接合到一起。
4.根据权利要求3的电缆，其中每一根导线上的电介质层被沿着每一根导线的长度方向延伸的编织网接合起来。
5.根据权利要求4的电缆，其中所述编织网沿着所述电介质层的直径方向延伸。
6.根据权利要求4的电缆，其中所述编织网的厚度和宽度小于第一介质层和第二介质层的总厚度。
7.根据权利要求6的电缆，其中每一根所述导线都在所述第一电介质层以内固定，这样，所述导线中的每一根都不能在第一层电介质内转动。
8.根据权利要求2的电缆，其中在10MHz到200MHz的频率上测量的时候，双绞线的阻抗为90到110欧姆，所述阻抗在一个平均阻抗±5％的阻抗公差范围以内，该平均阻抗是：
a.同一轮测量相同尺寸的至少20根305米即1000英尺长双绞线得到的至少一个阻抗测量结果的平均值，或者
b.三轮连续测量相同尺寸20根随机选择的305米即1000英尺长双绞线得到的至少一个阻抗测量结果的平均值，这三轮测量之间至少相隔24小时，或者
c.选择91.4米到305米即300到1000英尺长的一根双绞线，对这一根双绞线进行至少200次阻抗测量，这至少200次阻抗测量是在10MHz和200MHz之间以小于0.5MHz的间隔测量出来的。
9.根据权利要求8的电缆，其中每一导线的第二电介质层是沿着所述第二电介质层的长度方向接合到一起的。
10.根据权利要求2的电缆，其中每一导线的第二电介质层是沿着所述第二电介质层的长度方向接合到一起的。
11.一种双绞线电缆，包括
两根导线，
包裹每一根导线的第一和第二电介质层，第一电介质层是发泡电介质，第二电介质层包裹着第一电介质层，
所述导线和相应的电介质沿着所述电缆的长度方向被扭绞，得到双绞线电缆，所述双绞线电缆为305米即1000英尺长，在10MHz到200MHz的频率上测量的时候，所述双绞线电缆阻抗为90到110欧姆，所述阻抗在一个平均阻抗的±5％的阻抗公差以内，所述平均阻抗是：
a.对相同尺寸的至少20根305米即1000英尺长双绞线进行同一轮测量得到的至少一个阻抗测量结果的平均值，或者
b.三轮连续测量相同尺寸20根随机选择的305米即1000英尺长双绞线得到的至少一个阻抗测量结果的平均值，这三轮测量之间至少相隔24小时，或者
c.选择91.4米到305米即300到1000英尺长的一根双绞线，对这一根双绞线进行至少200次阻抗测量，这至少200次阻抗测量是在10MHz和200MHz之间以小于0.5MHz的间隔测量出来的。
12.根据权利要求11的电缆，其中：
所述平均阻抗是通过从20根连续305米即1000英尺长双绞线中选择一根双绞线，并对所述双绞线进行至少200次阻抗测量而得到的，这至少200次阻抗测量是在10MHz和200MHz之间以小于0.5MHz的距离间隔测量出来的。
13.根据权利要求12的电缆，其中双绞线电缆上任意一点上所述双绞线电缆的中心距离的变化都不超过±0.03倍平均中心距离，所述平均中心距离是至少20个中心距离测量结果的平均值，这至少20个测量结果是对相同尺寸三根随机选择的305米即1000英尺长双绞线电缆中每一根的测量结果，所有测量点互相都相隔至少6.1米即20英尺远，都是同一轮测量的结果，或者是连续三天进行的三轮测量的结果。
14.根据权利要求12的电缆，其中所述第二层电介质是不发泡的电介质。
15.根据权利要求12的电缆，其中每一根导线的第二电介质层是沿着第二电介质层的长度方向接合到一起的。
16.根据权利要求11的电缆，其中每一根导线的直径都是从18到40AWG，每一根导线第一电介质层和第二电介质层总厚度的范围是6.35×10-4厘米到0.381厘米即0.00025英寸到0.150英寸。
17.根据权利要求16的电缆，其中每一根导线的电介质层都用沿着每一电介质层长度方向延伸的一个编织网接合到一起。
18.根据权利要求17的电缆，其中的编织网沿着所述电介质层的直径方向延伸。
19.根据权利要求18的电缆，其中所述导线中的每一根都固定在所述第一电介质层内，从而使每一根导线都不能在所述第一电介质层内转动。
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