DE10009809A1 - Daten- bzw. Steuerkabel sowie Verfahren zur Opitimierung eines derartgigen Kabels - Google Patents

Abstract

Weicht die Form der Leiter bei einem zweiadrigen Daten- bzw. Steuerkabel von der runden Form ab, so kann das Feld zwischen diesen Leitern derart komprimiert werden, dass ein Nebensprechen verringert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Daten- bzw. Steuerkabel mit wenigstens einem Hin- und einem Rückleiter. Ebenso betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Optimierung eines derartigen Steuerkabels.

Es gibt vielfältige Versuche, bei Daten- bzw. Steuerkabeln, deren Betriebsfrequenz in der Regel über 1 kHz liegt, ein Nebensprechen zu vermindern. Dieses geschieht beispielsweise durch ausgewählte Verseiltechniken oder eine aufwendige Isolation bzw. eine Abschirmung derartiger Leiter.

Es ist Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Daten- bzw. Steuerkabel bereitzustellen, welches darüber hinausgehend hinsichtlich eines Nebensprechens optimiert ist. Dementsprechend ist es Aufgabe vorliegender Erfindung, ein Optimierungsverfahren für ein derartiges Kabel anzugeben.

Als Lösung schlägt die Erfindung einerseits ein Daten- bzw. Steuerkabel mit wenigstens einem Hin- und einem Rückleiter vor, bei welchem wenigstens ein Leiter in seiner geometrischen Formgebung bezüglich einer Querschnittsschwerpunktsachse des Leiters asymmetrisch ausgebildet ist. Diesbezüglich beschreibt der Begriff "Querschnittsschwerpunktachse" eine Linie durch einen Leiter, welche durch die jeweiligen Schwerpunkte, insbesondere die geometrischen Schwerpunkte, eines jeden aneinander liegenden Querschnitts gebildet ist.

Bei einer derartigen Anordnung lässt sich ein zwischen dem Hin- und dem Rückleiter ausgebildetes Feld in einem gewünschten Bereich konzentrieren. Diese Konzentration führt dazu, dass das Feld in den übrigen Bereichen reduziert ist, so dass in diesen übrigen Bereichen die Gefahr eines Nebensprechens vermindert ist.

In vorliegendem Zusammenhang ist der Begriff "Feld" im wesentlichen auf ein elektrisches Feld gerichtet, welches sich bei einer Signalübertragung durch das Daten- bzw. Steuerkabel ausbildet. Es versteht sich jedoch, dass je nach gewählter Frequenz bzw. Anwendung auch magnetische Felder bzw. elektromagnetische Felder entsprechend vorteilhaft beeinflusst werden können. Insbesondere betrifft der Begriff "Feld" auch eine sich in dem Leiterpaar des Daten- bzw. Steuerkabels ausbreitenden Welle, welche durch die Betriebsfrequenz angeregt ein Signal trägt.

Vorzugsweise sind der Hin- und der Rückleiter einander gegenüberliegend spiegelsymmetrisch ausgebildet. Hinsichtlich eines Daten- bzw. Steuerkabels, welches genau zwei Adern trägt, ist diesbezüglich insbesondere eine Spiegelsymmetrie bezüglich einer zwischen den beiden Leitern angeordneten Symmetrieebene vorteilhaft. Es versteht sich, dass durch eine derartige Anordnung das Feld gleichmäßig in dem gewünschten Bereich, vorzugsweise zwischen den beiden Leitern, konzentriert wird.

Wenigstens ein erster Leiter kann im Querschnitt auf seiner dem anderen Leiter zugewandten Seite flacher als der mittlere Krümmungsradius des ersten Leiters ausgebildet sein. Auf diese Weise lässt sich der Oberflächenanteil dieser Leiteroberfläche, welcher dem anderem Leiter zugewandt ist, beträchtlich erhöhen. Da sich bekanntlich eine Stromführung bei Leitern in der Hauptsache in dem dem jeweils gegenüberliegenden Leiter am nächsten liegenden Oberflächenbereich abspielt, wird auf diese Weise ein größerer Bereich für die Stromführung zur Verfügung gestellt. Auf diese Weise wird somit die Dämpfung bzw. der ohmsche Widerstand eines derartigen Daten- bzw. Steuerkabels reduziert.

Als weitere Lösung schlägt die Erfindung ein Daten- bzw. Steuerkabel mit wenigstens einem Hin- und einem Rückleiter vor, bei welchem die Leiter derart ausgestaltet sind, dass die zweite Ortsableitung eines Feldes zwischen diesen Leitern entlang der kürzesten Verbindung zwischen diesen Leitern kleiner ist als die zweite Ortsableitung eines runden Leiterpaares mit jeweils identischer Querschnittsfläche.

Ebenso schlägt die Erfindung ein Daten- bzw. Steuerkabel mit wenigstens einem Hin- und einem Rückleiter vor, bei welchem die Leiter derart ausgestaltet sind, dass die zweite Ortsableitung eines Feldes zwischen diesen Leitern entlang der Oberflächenlinie wenigstens eines Leiters mehr als zwei Nullpunkte aufweist.

Darüber hinaus schlägt die Erfindung ein Daten- bzw. Steuerkabel mit wenigstens einem Hin- und einem Rückleiter vor, bei welchem die Leiter derart ausgestaltet sind, dass die zweite Ortsableitung eines Feldes zwischen diesen Leitern entlang einer Senkrechten zu der kürzesten Verbindung zwischen diesen Leitern durch einen Mittelpunkt dieser kürzesten Verbindung im Bereich des Mittelpunktes betragsmäßig kleiner ist als die zweite Ortsableitung eines runden Leiterpaares mit jeweils identischer Querschnittsfläche in genau diesem Bereich.

Hierbei wird unter einer Ortsableitung die funktionale mathematische Differenzierung des Feldes nach einer entsprechenden Raumrichtung verstanden.

Ein derartiger Feldverlauf lässt sich beispielsweise durch ein Optimierungsverfahren in erfindungsgemäßer Weise derart bereitstellen, dass von einem gegebenen Leiterquerschnitt eines Leiterpaares ausgehend eine Felddichte um das Leiterpaar herum bestimmt und anschließend die Oberflächenform wenigstens eines Leiters derart variiert wird, dass die Felddichte zwischen dem Hin- und dem Rückleiter vergrößert wird.

Ebenso kann ein derartiges Feld durch ein Optimierungsverfahren bereitgestellt werden, welches von einem gegebenen Leiterquerschnitt ausgehend die Felddichte um das Leiterpaar herum bestimmt und anschließend die Oberflächenform wenigstens eines Leiters derart variiert, dass die Felddichte an einem gewünschten Ort reduziert wird.

Eine derartige Verfahrensführung ist mit bekannten Feldberechnungs­ verfahren, insbesondere mit numerischen Feldberechnungsverfahren, ohne weiteres möglich.

Ein besonders kompakter Aufbau des erfindungsgemäßen Daten- bzw. Steuerkabels folgt, wenn das Leiterpaar von einer gemeinsamen Isolation umgeben ist, deren äußere Krümmung im Querschnitt lediglich eine Krümmungsrichtung aufweist. Insbesondere kann diese gemeinsame Isolation einen kreisförmigen Außenquerschnitt aufweisen. Bei einer derartigen Ausgestaltung präsentiert sich das Kabel nach außen hin äußerst formschön. Darüber hinaus ist die Isolation an den Bereichen seitlich neben der größten Feldstärke zwischen dem Leiterplan verhältnismäßig stark. Da die Isolation mit ihrer verhältnismäßig großen Dielektrizitätskonstante ε einem Feld entgegenwirkt, bedingt ein derartiger Aufbau, dass das Feld noch weiter in den Bereich zwischen dem Leiterpaar gedrängt wird. Es versteht sich, dass eine derartig ausgebildete Isolation auch unabhängig von den übrigen Merkmalen vorliegender Erfindung vorteilhaft ist.

Vorzugsweise umschließt die Isolation beide Leiter des Kabels eigenständig. Dieses bedingt einen besonders kompakten Aufbau und gewährleistet darüber hinaus, dass ein Abstand zwischen den beiden Leitern sehr präzise eingehalten wird. Eine derartige Isolation "aus einem Guss" ist auch unabhängig von den übrigen Merkmalen dementsprechend vorteilhaft.

Darüber hinaus kann zwischen dem Hin- und dem Rückleiter in einem Ausbreitungsbereich für eine zwischen den Leitern laufende Welle ein Wellenleiter, vorzugsweise mit einem ε < 1,5, angeordnet sein. Auf diese Weise kann die Dämpfung eines erfindungsgemäß Daten- bzw. Steuerkabel weiter reduziert werden. In diesem Zusammenhang bezeichnet der Begriff "Wellenleiter" jede konstruktive Ausgestaltung, die zwischen den Leitern vorgenommen wird, um ein Ausbreiten einer zwischen diesen Leitern wandernden Welle zu erleichtern.

Insbesondere ist es möglich, diesen Wellenleiter durch einen Leerraum zu bilden. Ein derartiger Leerraum hat in der Regel eine sehr niedrige Dielektrizitätskonstante und begünstigt somit ein Ausbreiten einer Welle. Ein derartiger Leerraum lässt sich besonders einfach bereitstellen, wenn der Wellenleiter sowie der Hin- und Rückleiter von einer gemeinsamen Isolation umschlossen sind. In diesem Falle kann in der Isolation einfach ein entsprechender Leerraum vorgesehen sein. Darüber hinaus kann ein derartiger Leerraum - je nach Bedarf - evakuiert bzw. mit einem Gas oder Luft befüllt sein.

Es versteht sich, dass das Vorhandensein eines derartigen Wellenleiters auch unabhängig von den übrigen Merkmalen der vorliegenden Erfindung vorteilhaft ist, um ein Ausbreiten einer Welle zwischen dem Hin- und dem Rückleiter eines Daten- bzw. Steuerkabels zu fördern.

Weitere Vorteile, Ziele und Eigenschaften vorliegender Erfindung werden anhand nachfolgender Beschreibung anliegender Zeichnung erläutert, in welcher beispielhaft diverse erfindungsgemäße Daten- bzw. Steuerkabel dargestellt sind. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein erstes erfindungsgemäßes Leiterpaar in schematischer Schnittdarstellung,

Fig. 2 ein zweites erfindungsgemäßes Leiterpaar in schematischer Schnittdarstellung,

Fig. 3 ein drittes erfindungsgemäßes Leiterpaar in schematischer Schnittdarstellung,

Fig. 4 ein viertes erfindungsgemäßes Leiterpaar in schematischer Schnittdarstellung,

Fig. 5 ein fünftes erfindungsgemäßes Leiterpaar mit einer gemeinsamen Isolation und einem Wellenleiter in schematischer Schnittdarstellung und

Fig. 6 ein sechstes erfindungsgemäßes Leiterpaar mit einer gemeinsamen Isolation und einem Wellenleiter in schematischer Schnittdarstellung.

Das in Fig. 1 schematische dargestellte Daten- bzw. Steuerkabel umfasst ein Leiterpaar 1 aus einem Hin- und einem Rückleiter, welches von einem schematisch angedeuteten Feld 2 umgeben ist. Wie unmittelbar ersichtlich, sind die Leiter 1 bezüglich ihrer Querschnitts­ schwerpunktachse unsymmetrisch ausgebildet. Hierbei ist die jeweils dem anderen Leiter 1 zugewandte Seite flacher als der mittlere Krümmungsradius gewählt.

Durch eine derartige Anordnung wird das Feld in den unmittelbaren Bereich zwischen dem Leiterpaar 1 komprimiert, wodurch sich das Feld im Übrigen Raum reduziert und somit ein Nebensprechen vermindert wird.

Wie unmittelbar ersichtlich sind die Leiter 1 bezüglich einer Symmetrieebene 3 spiegelsymmetrisch ausgestaltet.

Dadurch dass die Leiter 1 an Ihrer dem jeweils gegenüberliegendem Leiter zugewandten Seite einen verhältnismäßig großen Krümmungsradius aufweisen, steht für die Stromführung ein verhältnismäßig großer Leiterbereich zur Verfügung. Dieser Bereich ist insbesondere größer als dieses bei Leitern mit rundem Querschnitt und vergleichbarer Querschnittsfläche der Fall wäre.

Das durch diese Leiterform gebildete Feld ist auf dem Zwischenraum zwischen den Leitern 1 komprimiert. Entlang einer kürzesten Verbindung 4 zwischen den Leitern 1 ist das Feld gegenüber einem Feld mit Leitern, welche einen runden Leiterquerschnitt aufweisen, somit hinsichtlich der Feldstärke höher. Entlang dieser kürzesten Verbindung 4 laufend ist jedoch die Variation der Feldstärke reduziert. Dieses mündet unmittelbar darin, dass die zweite Ableitung dieses Feldes entlang der kürzesten Verbindung 4 zwischen diesen Leitern kleiner ist als die zweite Ableitung eines runden Leiterpaares mit identischer Querschnittsfläche.

Bei Betrachtung des Feldes entlang der Symmetrieebene 3, welche im Querschnitt einer Senkrechten 3 zu der kürzesten Verbindung 4 zwischen diesen Leitern 1 durch einen Mittelpunkt dieser kürzesten Verbindung 4 entspricht, ergibt sich, dass die zweite Ableitung des Feldes im Bereich des Mittelpunkts betragsmäßig kleiner ist als die zweite Ableitung eines runden Leiterpaares mit jeweils identischer Querschnittsfläche in genau diesem Bereich. Hierbei ist der Bereich um den Mittelpunkt in seiner Größenordnung auf die maximale Ausdehnung der Leiterquerschnitts­ fläche beschränkt.

Wird ein Leiter, beispielsweise vom Schnittpunkt der Linie 4 mit der Leiteroberfläche ausgehend, umrandet, so variiert die Feldstärke ungleichförmig an der Oberfläche. Dieses bedeutet, dass Wendepunkte in der Feldstärke vorliegen, die zu entsprechenden Nulldurchgängen in der zweiten Ableitung führen.

Weitere vorteilhafte Leiterformen sind in den Fig. 2 bis 4 anhand der Leiterpaare 5, 6 und 7 dargestellt. Hierbei wird die Form in Abhängigkeit von den gewünschten Feldeffekten sowie in Abhängigkeit von den für eine entsprechende Leiterform notwendigen Herstellungskosten gewählt.

Es versteht sich, dass im vorliegenden Zusammenhang die Leiterart eine nur untergeordnete Bedeutung spielt. Vorliegende Erfindung ist insbesondere auf Vollleiter und Litzenleiter anwendbar. Denkbar ist jedoch auch eine Anwendung auf Leiteranordnungen, bei welchen ein Leiter einen zweiten Leiter umschließt.

Es versteht sich darüber hinaus, dass die hier vorgestellten Feld- und Leiteroptimierungen bei der Verwendung von Daten- bzw. Steuerkabeln mit mehr als zwei Leitern in ihren konkreten Ausgestaltungen abweichend gewählt werden können. Gleichwohl sind die Verfahren, um die Felder zu optimieren und insbesondere um die Feldstärke an der Position eines Leiters, welcher möglichst unbeeinflusst belassen werden soll, zu reduzieren, identisch.

Die in Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsbeispiele weisen jeweils ein Leiterpaar 8 bzw. 9 auf, welches von einer gemeinsamen Isolation 10 bzw. 11 umgeben ist. Bei diesen Ausführungsbeispielen ist der Außenquerschnitt der gemeinsamen Isolationen 10 bzw. 11 rund gewählt. Es versteht sich, dass auch ovale bzw. elyptische Formen denkbar sind.

Die gemeinsamen Isolationen 10 bzw. 11 umschließen bei beiden Ausführungsbeispielen jeweils einen Wellenleiter 12 bzw. 13. Dieser Wellenleiter ist in demjenigen Raumbereich angeordnet, in welchem die größte Feldstärke ausgebildet ist und in welchem somit eine den zwischen Leitern 8 bzw. 9 sich bewegende Welle verläuft.

Bei vorliegenden Ausführungsbeispielen sind die Wellenleiter 12 bzw. 13 durch einen Leerraum in den Isolationen 10 bzw. 11 gebildet. Dieser Leerraum kann außer mit Luft auch mit einem anderen Gas befüllt oder aber evakuiert sein.

Während bei dem in Fig. 5 dargestelltem Ausführungsbeispiel ein gewisser Bereich des Leiters 8 offen in den Leerraum 12 weist, umschließt die Isolation 11 bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel die Leiter 9 zur Gänze.

Claims (13)

1. Daten- bzw. Steuerkabel mit wenigstens einem Hin- und einem Rückleiter, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Lei­ ter (1, 5, 6, 7, 8, 9) in seiner geometrischen Formgebung bezüg­ lich einer Querschnittsschwerpunktsachse des Leiters (1, 5, 6, 7, 8, 9) asymmetrisch ausgebildet ist.

2. Daten- bzw. Steuerkabel nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Hin- und der Rückleiter (1, 5, 6, 7, 8, 9) an­ einander gegenüberliegend spiegelsymmetrisch ausgebildet sind.

3. Daten- bzw. Steuerkabel nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass wenigstens ein erster Leiter (1, 5, 6, 7, 8, 9) im Querschnitt auf seiner dem anderen Leiter (1, 5, 6, 7, 8, 9) zugewandten Seite flacher als der mittlere Krümmungsradius des ersten Leiters (1, 5, 6, 7, 8, 9) ausgebildet ist.

4. Daten- bzw. Steuerkabel mit wenigstens einem Hin- und einem Rückleiter, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (1, 5, 6, 7, 8, 9) derart ausgestaltet sind, dass die zweite Ableitung eines Feldes zwischen diesen Leitern (1, 5, 6, 7, 8, 9) entlang der kürzesten Verbindung (4) zwischen diesen Leitern (1, 5, 6, 7, 8, 9) kleiner ist als die zweite Ableitung eines runden Leiterpaares mit jeweils identischer Querschnittsfläche.

5. Daten- bzw. Steuerkabel mit wenigstens einem Hin- und einem Rückleiter, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (1, 5, 6, 7, 8, 9) derart ausgestaltet sind, dass die zweite Ableitung eines Feldes zwischen diesen Leitern entlang der Oberflächenlinie wenigstens eines Leiters (1, 5, 6, 7, 8, 9) mehr als zwei Nullpunkte aufweist.

6. Daten- bzw. Steuerkabel mit wenigstens einem Hin- und einem Rückleiter, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (1, 5, 6, 7, 8, 9) derart ausgestaltet sind, dass die zweite Ableitung eines Feldes zwischen diesen Leitern (1, 5, 6, 7, 8, 9) entlang einer Senkrechten (3) zu der kürzesten Verbindung (4) zwischen die­ sen Leitern (1, 5, 6, 7, 8, 9) durch einen Mittelpunkt dieser kür­ zesten Verbindung (4) im Bereich des Mittelpunkts betragsmä­ ßig kleiner ist als die zweite Ableitung eines runden Leiterpaa­ res mit jeweils identischer Querschnittsfläche in genau diesem Bereich.

7. Daten- bzw. Steuerkabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine gemeinsame Isolation (10, 11) für den Hin- und den Rückleiter (1, 5, 6, 7, 8, 9), deren äußere Krümmung im Querschnitt lediglich eine Krümmungsrichtung aufweist.

8. Daten- bzw. Steuerkabel nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die gemeinsame Isolation (10, 11) einen kreis­ förmigen Außenquerschnitt aufweist.

9. Daten- bzw. Steuerkabel nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hin- und dem Rückleiter (1, 5, 6, 7, 8, 9) in einem Ausbreitungsbe­ reich ein Wellenleiter (12, 13), vorzugsweise mit einem ε < 1,5, angeordnet ist.

10. Daten- bzw. Steuerkabel nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Wellenleiter (12, 13) durch einen Leerraum gebildet ist.

11. Daten- bzw. Steuerkabel nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Wellenleiter (10, 11) sowie der Hin- und der Rückleiter (1, 5, 6, 7, 8, 9) von einer gemeinsamen Isolation (10, 11) umschlossen sind.

12. Verfahren zur Optimierung eines Daten- bzw. Steuerkabels mit wenigstens einem Hin- und einem Rückleiter, dadurch ge­ kennzeichnet, dass von einem gegebenen Leiterquerschnitt ausgehend eine Felddichte um das Leiterpaar herum bestimmt und anschließend die Oberflächenform wenigstens eines Leiters (1, 5, 6, 7, 8, 9) derart variiert wird, dass die Felddichte zwischen dem Hin- und dem Rückleiter (1, 5, 6, 7, 8, 9) vergrößert wird.

13. Verfahren zur Optimierung eines Daten- bzw. Steuerkabels mit wenigstens einem Hin- und einem Rückleiter, dadurch ge­ kennzeichnet, dass von einem gegebenen Leiterquerschnitt ausgehend eine Felddichte um das Leiterpaar herum bestimmt und anschließend die Oberflächenform wenigstens eines Leiters (1, 5, 6, 7, 8, 9) derart variiert wird, dass die Felddichte an ei­ nem gewünschten Ort reduziert wird.