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Die
Erfindung stellt eine allgemeine Anforderung an jedes symmetrisch
aufgebaute Elektrokabel mit optimierter Propagationszeit zur Signalübertragung
im Nieder- oder Hochfrequenzbereich angesichts seiner gesamten Kabelinduktivität im „Closed-Loop"(kurz CL)-Betrieb.
Die Anforderung, nämlich
dass die CL-Induktivität
gemessen an einem der beiden Kabelenden, während die Anschlüsse an dem übrig gebliebenen
Kabelende elektrisch kurz geschlossen sind und die Induktivität jedes
einzelnen Signalleiters (während
der andere offen bleibt), erfindungsgemäß alle untereinander gleich
sind. Anhaltspunkte für
die Designvorgabe sind aus der allgemeinen Leitungstheorie unter
der Berücksichtigung
der Propagationszeit hergeleitet. Eine der wohl bekanntesten symmetrischen
Anordnungen des Elektrokabels ist eine verdrillte Zweidrahtleitung,
ein "Twisted-Pair"-Kabel. Folgende
Druckschriften beschreiben diverse flachbandförmige Ausführungen des Kabels: In den
Druckschriften
DE 3930060
A1 und
JP05-120928 sind
die Signalleiter in Form von Leiterbahnen auf verschiedene Seiten
eines flachbandförmigen
Trägers
und in den Druckschriften
DE 3930060
A1 ,
DE 69401258
T2 ,
FR 2838234
A1 ,
JP06-111
642 A und
WO
2006/048041 A1 auf je eine Seite eines einzelnen flachbandförmigen isolierenden
Trägers
angeordnet. Die wellenförmigen
Signalleiter werden anschließend
parallel möglichst
genau in eine Gegenphase-Position zueinander gebracht und fixiert.
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Im
Beispiel eines Elektrokabels mit optimierter Propagationszeit zur
Signalübertragung
wird als Hin- und Rückleiter
identische einseitige flexible Leiterplatte in Form eines schmalen
Streifen eingesetzt (dann sind die Signalleiter fast absolut symmetrisch), wobei
die CL-Induktivität
erfindungsgemäß durch eine
justierbare magnetische Kopplung zwischen den Signalleitern exakt
eingestellt werden soll. Zwar bewirkt erfindungsgemäß eine entsprechende
Verschiebung eines Signalleiters in Längsrichtung in Bezug auf die
Position des anderen Signalleiters eine Änderung der von den beiden
magnetischen Feldern durchsetzten Fläche. Die derart positionierten
Signalleiter werden dann mit einem Klebstoff so fixiert, dass ein
Flach-Kabel entsteht, wobei primäre
Leitungskonstanten, nämlich
seine Leitungsbeläge
C' und L', und damit seine
Wellenimpedanz in Hinblick auf jeweilige Anwendung exakt bestimmt
werden können. Die
Erfindung findet Anwendung bei hochwertigen Signalübertragungskabeln,
wenn eine möglichst
präzise
Anpassung zwischen einem Signalgenerator und elektrischer Last und
eine unverfälschte
Signalübertragung
speziell von Signaltransienten im Vordergrund stehen.
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Nähere Betrachtung
des Propagationszeit-Problems wird anhand eines „Twisted-Pair"-Kabels in der 1 vorgenommen.
Die Kupferadern für
den Hinleiter (Lh) und für
den Rückleiter
(Lr) sind gleichwertig ausgeführt,
so dass die daraus hergestellten Leitungen im Idealfall als symmetrisch
betrachtet werden können.
Speist man am Anfang dieser Leitung (Anschlüsse Lh1–Lr1) ein Signal ein, so breitet
es sich über
die Leitung aus. Im Falle einer Anpassung (die Leitung ist beidseitig
reflexionsfrei abgeschlossen) werden keine störenden Wellenreflektionen erzeugt.
Es existiert also nur eine hinlaufende Welle, die komplett vom angepassten
Abschlußwiderstand
(Anschlüsse
Lh2–Lr2)
absorbiert wird. Die beiden Signalleiter, Lh und Lr, können als
zwei „Primärspulen" betrachten werden,
die vom Strom "i" durchflossen und
magnetisch gekoppelt sind. 2 zeigt ein
Zweitor-Ersatzschaltbild eines Leitungsstücks mit der Länge ΔKl. Die Leitungsbeläge, R', L'cl, G' und C', sind auf die Kabellänge bezogene Größe, also
hätte im
Ersatzschaltbild stehen müssen:
R' ΔKl usw. Um
die Notation möglichst
einfacher zu gestalten, wird im weiteren Text ΔKl weggelassen. Die Leitungsbeläge können durch
Messung an einem kurzen Leitungsstück ermittelt werden: R' durch Kurzschluss
am Leitungsende (Lh'2–Lr'2) und Messung des
Ohmschen Widerstandes in diesem Fall. G' durch Leerlauf am Leitungsende und
Messung des Ohmschen Widerstandes (Leitwertes). L'cl(closed-loop) durch
Kurzschluss am Leitungsende (Lh'2–Lr'2) und Messung der
Impedanz (Wirkung wie eine verlustbehaftete Spule, von der man dann
R' bereits kennt
und somit L'cl berechnen
kann). C' durch
Leerlauf am Leitungsende und Messung der Impedanz oder Kapazität (Wirkung
wie ein verlustbehafteter Kondensator, von dem man G' bereits kennt und
somit C' bestimmen
kann). Der "Closed-Loop"(kurz CL-)-Induktivitätsbelag,
L'cl, erklärt sich
aus der Tatsache, dass jeder stromdurchflossene Leiter ein Magnetfeld
außerhalb
und innerhalb des Leiters aufbaut und somit auch eine Induktivität besitzt.
Der CL-Induktivitätsbelag,
L'cl, setzt sich aus
Schleifen und Koppelinduktivitäten
zusammen. Unter der Annahme also, dass die beiden Signalleiter mit
gleichem Strom durchflossen sind, wird der Wert L'cl gemessen. Der
Grundgedanke der Erfindung beruht auf der Tatsache, dass die Ströme in den
Hin- und Rückleiter
aufgrund einer Propagatioszeit verschieden sind, so dass der CL-Induktivitätsbelag
genau betrachtet einmal allein aus Schleifeninduktivität (Induktivität des Signalleiters
zwischen Lh'1 und
Lh'2) besteht, und
sich in nächstem
Moment als Folge der Wellenausbreitung aus Schleifen- und Koppelinduktivität (Induktivität zwischen
den Anschlüssen
Lh'1 und Lr'1 während die
Anschlüsse
Lh'2 und Lr'2 elektrisch kurz
geschlossen sind) zusammensetzt. Gemäß der Erfindung wird mit L'ol (offene Leitung)
der OL-Induktivitätsbelag
des einzelnen Signalleiters bezeichnet, der zwischen den Anschlüssen Lh'1 und Lh'2 oder Lr'1 und Lr'2 gemessen wird (infolge
eines symmetrischen Kabelaufbau sind die beiden Werte untereinander
gleich). Wenn man nun die Kirchhoffsche Stromregel auf das Model
in 2 anwendet, erhält man bekanntlich ein System
gekoppelter partiellen Differentialgleichungen-aber erst nach dem
Grenzübergang ΔK1 → 0 (ein
infinitesimal kleiner Leitungsstück).
Je mehr also der Leitungsstück
im Grenzübergangsprozess
verkürzt
wird, desto ausgeprägter steht
die These einer identischen Stromintensität in den beiden Signalleitern
im Widerspruch, insbesondere unter der Berücksichtigung einer frequenzabhängigen Signalausbreitungsgeschwindigkeit
v(f) in Längsrichtung
des Kabels sowie einer von der Oberfläche (0 Grad) zum Leiterinnern
linear zunehmenden Phasendrehung des Signals. Damit scheint der auf
herkömmliche
Art gemessene CL-Induktivitätsbelag
mit seinem Wert nur in einem stationären, jedoch nicht in einem
in der Natur des Problems liegenden dynamischen Prozess, geeignet
gewesen zu sein.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, die Propagationszeit im Model in der 2 zu
berücksichtigen
sowie eine konkrete Ausführung
des Elektrokabels gemäß der Desognvorgabe
in der 5 zu definieren. Die Aufgabe wird durch die im
Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs angegebenen gegenständlichen
Merkmale gelöst.
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Um
die Widersprüche
mit der Propagationszeit zu „mildern", wird gemäß dem Patentanspruch
1 vorgeschlagen, dass bei jedem Elektrokabel mit optimierter Propagationszeit
zur Signalübertragung
der CL-Induktivitätsbelag,
L'cl, und der OL-Induktivitätsbeläg, L'ol, jedes einzelnen
Signalleiters im Leerlauf, also die Induktivitäten gemessen an den Kabelanschlüssen Lh'1–Lh'2 oder an den Kabelanschlüssen Lr'1–Lr'2, alle untereinander den gleichen Wert
haben. Angewendet auf ein „Twisted-Pair"-Kabel in der 1 wird
jedoch offensichtlich, dass die Anforderung für diese Kabelanordnung nicht
erfüllt
wird. Zwar sind die Induktivitäten
der Kabelstrecke Lh1–Lh2
und der Kabelstrecke Lr1–Lr2
aufgrund des symmetrischen Kabelaufbau denkbar untereinander gleich, aber
die Induktivität
des Kabels im „Closed-Loop"-Betrieb nimmt in
der Regel einen geringeren Wert an. Das liegt darin, dass fair den
Kopplungsfaktor k nahezu gilt: k = –1. Die Ersatzinduktivität der Reihenschaltung
von zwei gekoppelten Spulen beträgt
in diesem Fall null. Als die Lösung
der Aufgabe, die „Closed-Loop"-Induktivität auf einen „richtigen" Wert einstellen
zu können,
wird gemäß der Erfindung
folgende Kabelanordnung vorgeschlagen: Als Signalleiter werden zwei
identisch hergestellte und einseitig meist mit Cu-Schicht überzogene
flexible Leiterplatte in Form eines Streifens benutzt, wobei die
Leiterbahnen (aus Kupfer) eine sinusförmige Form in Längsrichtung
aufweisen. Wenn diese Streifen aufeinander gelegt werden, kann erfindungsgemäß die induktive
Kopplung zwischen den Signalleitern durch eine Verschiebung eines
der beiden Streifen in Längsrichtung
des Kabels eingestellt werden. Wenn einmal eine optimale „Phasenverschiebung” festgelegt
ist, werden alle Kabel in einer Serie durch das Zusammenkleben der
beiden Streifen hergestellt. Diese Ausführung bietet auch den Vorteil,
dass die beiden Signalleiter gleichartig aufgebaut sind, während eine
sinusförmige
Leiterbahnform, zum einen, eine notwendige Krümmung gewährleistet, die für magnetische
Kopplung der beiden Signalleiter notwendig ist, und zum anderen,
ein günstige
Verhalten in Bezug auf EMV-Problematik zeigt. Außerdem kommt diese relativ
einfache mathematische Beschreibung der Einstellung von primären Leitungskonstanten
zugute, wobei durch die Amplitude, A, die Wellenlänge, L,
die Breite der Leiterbahn, B1, die Basisfoliendicke, Db, sowie die
Art des Zusammenklebens, 4 unter a), b) und c), sowohl
der Kopplungsfaktor als auch der Induktivitäts- und Kapazitätsbelag
des Kabels mit optimierter Propagationszeit zur Signalübertragung
exakt definiert werden kann.
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Vorgeschlagene
Ausführung
erfüllt
die Designvorgabe (5) eines Elektrokabels mit optimierter
Propagationzeit zur Signalübertragung
und ermöglicht,
eine enge durch die Herstellung bedingte Parametertoleranz des Kabels
einzuhalten. Außerdem
lässt sich
ein Optimum der elektrische Leitungsparameter für jeweilige Anwendung durch
einfaches Anordnen von zwei Signalleitern in vielen Varianten in
einem Versuch relativ einfach experimentell feststellen. Denn eine
exakte Analyse ist bekanntlich relativ komplex.
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Der
Aufbau des Elektrokabels mit optimierter Propagationszeit zur Signalübertragung
ist in 3 dargestellt. Als Hin- und Rückleiter werden zwei identisch
hergestellte flexible Leiterplatte eingesetzt. Flexible Leiterplatten
bestehen üblich
aus einer Polyamid-, PET- oder
PEN-Basisfolie, Bf, (deren Dicke, Db, etwa 25 μm, 50 μm oder 70 μm beträgt) und aus einer Matallschicht
(meist aus Kupfer in Stärke
18 μm, 35 μ oder 70 μm). Diese
Metallschicht wird durch ein chemisches Verfahren in eine bestimmte
Form der Leiterbahn, Lb, mit der Breite, B1, verarbeitet. Die Form
der Leiterbahn ist mit einer Sinus-Funktion, nämlich Lb = Asin[(2π/L)x], definiert,
wobei gilt: A = Amplitude, L = Wellenlänge der Leiterbahn und x = Kabellänge (Längsrichtung-Achse).
Durch die Parameter A und L ist die gesamte Induktivität des einzelnen
Signalleiters bestimmt. Dadurch wird auch der OL-Induktivitätsbelag,
L'ol, festgelegt.
Gemäß der Erfindung
ist es vorgesehen, dass die beiden „Signalstreifen" zueinander um einen „Phasenwert", ψ = kL, in
Längsrichtung
verschoben werden PA(1). Dabei nimmt der Koeffizient |k| die Werte
zwischen null und maximal eins an, also abhängig von der gewünschten
magnetischen Kopplung zwischen den beiden Signalleitern, d. h. abhängig von
der Gegeninduktivität M
= (+/–)k·Lol (mit
Vorzeichen – oder
+). Unter der Berücksichtigung
der Amplitude A im Vergleich zu dem Signalleiterabstand (Basisfoliendicke)
kann angenommen werden, dass der maximale magnetische Kopplungsfaktor
|k| nahezu gleich eins ist. Für
den Fall also, k = +1, sind die beiden Signalleiter „in Phase", so dass sich die
magnetischen Felder der beiden Signalleiter substrahieren. Für k = –1 sind
die Signalleiter „in
Gegenphase", also
die beiden magnetischen Felder werden addiert. Erfindungsgemäß kann je
nach Lage der Signalleiter zueinander der CL-Indukitivitätsbelag
gemäß dem PA(1)
eingestellt werden. Die beiden Signalleiter werden dann mit einem Klebstoff,
Ks, zusammengehalten. Der maximale Kopplungsfaktor von k kann durch
den Abstand zwischen den Signalleitern bestimmt werden. Es ist vorgesehen,
diesen Abstand durch die Art des Zusammenklebens der Streifen zu
verieren. In der 4 sind drei verschiedene Möglichkeiten
hierfür
gezeigt: a) Basisfolie-an-Leiterbahn, b) Basisfolie-an-Basisfolie,
und c) Leiterbahn-an-Leiterbahn, wobei als Dielektrikum zwischen
den Signalleitern allein der Klebstoff dient. Zu diesem Zweck kann
der Klebstoff in Form einer beiderseitig beschichteten Klebefolie
verwendet werden. Durch die Festlegung des Abstandes wird zugleich
der Kapazitätsbelag,
C', wesentlich beeinflusst.