DE102016003134A1

DE102016003134A1 - Kabel zum Übertragen von elektrischen Signalen

Info

Publication number: DE102016003134A1
Application number: DE102016003134.4A
Authority: DE
Inventors: Gunnar ARMBRECHT; Thomas Schmid; Stephan Kunz
Original assignee: Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2016-03-15
Filing date: 2016-03-15
Publication date: 2017-09-21
Also published as: CN108885925B; JP2019508858A; US10347397B2; WO2017157521A1; CN108885925A; TW201805959A; US20190080823A1; KR20180121535A; EP3430633B1; EP3430633A1

Abstract

Kabel (10) zum Übertragen von elektrischen Signalen mit einem Außenmantel (12) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff und mindestens N Leitungen n mit N ≥ 2 und N ∊ N, welche innerhalb des Außenmantels (12) angeordnet sind, wobei jede Leitung m insgesamt M Adern (16, 18, 20, 22) aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff mit M ≥ 1 und M ∊ N, aufweist, wobei die Ader m (16, 18, 20, 22) mit m ∊ [1, M], m ∊ N der Leitung n mit n ∊ [1, N], n ∊ N von einem Dielektrikum (24, 26, 28, 30) mit einem vorbestimmten Wert für die relative Permittivität εr(m, n) > 1 umgeben ist. Hierbei gilt für mindestens zwei verschiedene Leitungen n = j und n = (j + s) εr(m, j) = εr(m, j + s) – k(s) mit m ∊ [1, M], m ∊ N, j ∊ [1, N – 1], j ∊ N, s ∊ [1, N – j], s ∊ N, wobei k(s) ∊ R und k(s) ∊ [–2.0, –0,01] und k(s) ∊ [0.01, 2.0].

Description

Die Erfindung betrifft ein Kabel zum Übertragen von elektrischen Signalen mit einem Außenmantel aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff und mindestens N Leitungen n mit N ≥ 2 und N ∊ N, welche innerhalb des Außenmantels angeordnet sind, wobei jede Leitung m insgesamt M Adern aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff mit M ≥ 1 und M ∊ N, aufweist, wobei die Ader m mit m ∊ [1, M], m ∊ N der Leitung n mit n ∊ [1, N], n ∊ N von einem Dielektrikum mit einem vorbestimmten Wert für die relative Permittivität ε_r(m, n) > 1 umgeben ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Kabel zum Übertragen von elektrischen Signalen beinhaltet Adern aus einem leitfähigen Werkstoff, die zum Zwecke der gegenseitigen elektrischen Isolation jeweils von einem elektrischen Isolator umgeben sind. Elektrische Isolatoren haben dielektrische Eigenschaften und bestimmen maßgeblich die Ausbreitungs- bzw. Leitungseigenschaften des Kabels für elektrische Signale, die im Wesentlichen elektromagnetische Wellen sind. Eine wesentliche Eigenschaft von dielektrischen Werkstoffen bzw. eines Dielektrikums ist deren Permittivität ε.
Die Permittivität ε (von lat. permittere: erlauben, überlassen, durchlassen), auch ”dielektrische Leitfähigkeit” oder ”dielektrische Funktion” genannt, gibt die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder an. Auch dem Vakuum ist eine Permittivität zugewiesen, da sich auch im Vakuum elektrische Felder einstellen oder elektromagnetische Felder ausbreiten können.
Die relative Permittivität ε_r eines Mediums, auch Permittivitäts- oder Dielektrizitätszahl genannt, ist das Verhältnis seiner Permittivität ε zu der des Vakuums (elektrische Feldkonstante ε₀):
Sie ist ein Maß für die feldschwächenden Effekte der dielektrischen Polarisation des Mediums und hängt eng mit der elektrischen Suszeptibilität X_e = ε_r – 1 zusammen. In der englischsprachigen Literatur und in der Halbleitertechnik wird die relative Permittivität auch mit κ (kappa) oder – wie etwa bei den Low-k-Dielektrika – mit k bezeichnet. Als Synonym für die relative Permittivität ist auch noch die frühere Bezeichnung ”Dielektrizitätszahl” gebräuchlich.
Zur elektromagnetischen Abschirmung eines Kabels zum Übertragen von elektrischen Signalen ist es üblich, das Kabel mit einem Schirmmantel aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff zu umgeben. Dies reduziert ein ungehindertes Austreten von elektrischen bzw. elektromagnetischen Signalen, die über das Kabel übertragen werden, aus dem Kabel heraus und gleichzeitig wird auch ein Eintreten von elektromagnetischen Signalen von außen in die Leitungen des Kabels hinein reduziert. Beim Übertragen von mehreren elektrischen Signalen über verschiedene Leitungen eines Kabels ergibt sich neben steigendem Durchmesser und Gewicht des Kabels zusätzlich das Problem, dass in unerwünschter Weise elektrische Signale von einer Leitung des Kabels in eine andere Leitung des Kabels übersprechen. Um dies zu verhindern ist es bekannt, auch die einzelnen Leitungen des Kabels mit einem Schirmmantel aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff zu versehen. Dies macht die Kabel jedoch teuer sowie unflexibel in der Verlegung, da das Kabel insgesamt sehr starr wird und gewisse Biegeradien nicht unterschritten werden dürfen, um die Schirmmantel der Leitungen nicht zu beschädigen.
Um das Übersprechen von elektrischen Signalen von einer Leitung in eine andere Leitung innerhalb eines Kabels zu reduzieren, ohne dass hierfür notwendigerweise ein zusätzlicher Schirmmantel für jede Leitung in dem Kabel vorhanden sein muss, ist das sogenannte Sternvierer-Kabel vorgeschlagen worden (engl.: Twisted/Star Quad (TQ); dt.: verseiltes Sternvierer-Kabel; nachfolgend auch kurz ”Sternvierer” genannt). Das Sternvierer-Kabel gehört wie das STP-Kabel (Shielded Twisted Pair; dt.: geschirmtes verdrilltes Leitungspaar) und das UTP-Kabel (Unshielded Twisted Pair; ungeschirmtes verdrilltes Leitungspaar) zu den symmetrischen Kupferkabeln. Beim Sternvierer-Kabel sind zwei Leitungen mit je zwei Adern aus jeweils einem elektrisch leitfähigen Werkstoff zu einem Kabel zusammen gefasst. Jede Ader ist von einem Dielektrikum umgeben und die vier Adern sind miteinander kreuzförmig verseilt, wobei im Querschnitt des Sternvierer-Kabels gegenüberliegende Adern jeweils ein Adernpaar bilden, so dass das Sternvierer-Kabel zwei Adernpaare bzw. Leitungen aufweist. Die miteinander verseilten vier Adern werden von einem gemeinsamen Schutzmantel umgeben, der eine Geflecht- oder Folienschirmung umfassen kann. Dieser mechanische Aufbau bestimmt die übertragungstechnischen Parameter wie das Nah- und Fernnebensprechen. Dieser Kabeltyp zeichnet sich vor allem durch den geringen Durchmesser aus und den daraus resultierenden geringen Biegeradius. Ein weiterer Vorteil der Sternviererverseilung ist neben der mechanischen Stabilisierung der Anordnung der Leiter bzw. Adern relativ zueinander die höhere Packdichte als bei einer Paarverseilung.
Das Sternvierer-Kabel entspricht im Wesentlichen dem UTP- und STP-Kabel und kann entsprechend klassifiziert werden: Sternvierer-Kabel in nichtgeschirmter Ausführung werden als Twisted Quad (UTQ) bezeichnet.
Bei dem Sternvierer-Kabel bildet eine Ader mit einem darum angeordneten Mantel aus isolierendem Werkstoff einen Leiter und zwei Adern bzw. Leiter bilden jeweils eine Leitung. Es sind zwei Paare von Leitern bzw. zwei Leitungen miteinander verdrillt und bilden dann zwei kreuzförmig verseilte Doppelleiter (ein Doppelleiter entspricht einer Leitung). Zwei im Querschnitt des Sternviererkabels gegenüberliegende Leiter bzw. Adern bilden ein Paar, wobei auf einem Paar jeweils ein elektrisches Signal übertragen wird. Mit anderen Worten sind die vier Leiter bzw. Adern im Querschnitt des Sternvierers an den Ecken eines Quadrates angeordnet, wobei die Leiter bzw. Adern eines Paares an diagonal gegenüberliegenden Ecken angeordnet sind. Durch die hierdurch senkrecht zueinander stehenden Leiterpaare bzw. Aderpaare ergibt sich eine gewünschte hohe Übersprechdämpfung von einem Paar zu dem anderen Paar bzw. findet nur sehr geringes Übersprechen von einem Paar zu dem anderen Paar statt. Mit dem Ausdruck ”senkrecht zueinander stehende Leiterpaare bzw. Aderpaare” ist gemeint, dass im Querschnitt des Kabels gesehen eine erste Gerade, welche durch die Mittelpunkte der Leiter bzw. Adern eines Paares verläuft, senkrecht auf einer zweiten Geraden steht, welche durch die Mittelpunkte der Leiter bzw. Adern des anderen Paares verläuft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kabel der o. g. Art hinsichtlich des Übersprechens zwischen zwei Leitungen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kabel der o. g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben.
Dazu ist es bei einem Kabel der o. g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass für mindestens zwei verschiedene Leitungen gilt ε_r(m, j) = ε_r(m, j + s) – k(s) mit m ∊ [1, M], m ∊ N, j ∊ [1, N – 1], j ∊ N, s ∊ [1, N – j], s ∊ N, wobei k(s) ∊ R und k(s) ∊ [–2.0, –0,01] und k(s) ∊ [0.01, 2.0]. Mit anderen Worten weisen die Dielektrikas der Adern einer Leitung im Vergleich zu den Adern einer anderen Leitung einen um |k(s)| zwischen 0.01 bis 2.0 unterschiedlichen Wert für die relative Permittivität ε_r der jeweiligen die Adern umgebenden Dielektrika auf. Dies hat unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten für elektrische Signale auf diesen Leitungen mit unterschiedlichen Dielektrika um die Adern zur Folge. Der Wert für k(s) ist für unterschieldiche Werte für s beispielsweise unterschiedlich (k(1) ≠ k(2) ... ≠ k(N – j)), jedoch können alternativ die Werte für k(s) für einige oder alle Werte für s auch identisch sein (k(1) = k(2) = ... = k(N – j)). Die Werte von k(s) können auch für mehrere Teilmengen von Werten für s im Bereich von 1 bis (N – j) identisch sein, so dass beispielsweise drei oder mehr identische Werte für k(s) innerhalb eines Kabels vorliegen (wenn N größer oder gleich 4), wobei die Werte für k(s) für unterschiedliche Teilmengen unterschiedlich sind. In einem Kabel können verschiedene Leitungen n ggf. eine unterschiedliche Anzahl M von Adern haben. Hierbei wäre dann der Wert für M eine Funktion von n: M(n).
Dies hat den Vorteil, dass sich in überraschender Weise durch die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektrischen Signale in den beiden Leitungen mit unterschiedlichem Wert der Permittivität der Dielektrikas der jeweiligen Adern ein geringeres Übersprechen von Signalen der einen Leitung in die andere Leitung ergibt.
Eine zuverlässige Signalübertragung innerhalb einer Leitung erzielt man dadurch, dass für jede Leitung n der Wert der relativen Permittivität der Dielektrikas der Adern dieser Leitung n bis auf herstellungsbedingte Abweichungen identisch ist, so dass gilt ε_r(p, n) = ε_r(p + q, n), wobei p ∊ [1, M – 1], p ∊ N, q ∊ [1, M – p], q ∊ N.
Eine weiter reduziertes Übersprechen von Signalen zwischen verschiedenen Leitungen erzielt man dadurch, dass das Kabel ein Sternviererkabel mit M = 2 und N = 2 ist, bei dem die vier Adern der zwei Leitungen kreuzförmig miteinander verdrillt bzw. verseilt sind.
Einen unterschiedlichen Wert für die relative Permittivität ε_r(m, n) des Dielektrikums der Adern verschiedener Leitungen mit einem Wert |k| von etwa 0.3 erzielt man auf besonders einfache und kostengünstig herstellbare Weise dadurch, dass das Dielektrikum der Adern mindestens einer Leitung aus dem Werkstoff Polypropylen (PP; ε_r ≈ 2.1) und das Dielektrikum der Adern mindestens einer anderen Leitung aus dem Werkstoff Polyethylen (PE, ε_r ≈ 2.4) hergestellt ist.
Ein in Summe abweichender Wert für die relative Permittivität ε_r des Dielektrikums der Adern einer Leitung mit gezielter Einstellung eines Wertes für k für die Abweichung des Wertes für die relative Permittivität ε_r des Dielektrikums der Adern einer anderen Leitung erzielt man auf einfache Weise dadurch, dass das Dielektrikum der Adern mindestens einer Leitung aus einem konzentrischen Schichtaufbau von zwei oder mehr dielektrischen Werkstoffen mit unterschiedlichem Wert für die relative Permittivität ε_r aufgebaut ist.
Eine besonders vorteilhafte Einstellung des Wertes für die relative Permittivität ε_r des Dielektrikums der Adern einer Leitung mit hoher Wirksamkeit, erzielt man dadurch, dass bei den Adern mindestens einer Leitung ein Zwischenraum zwischen den Adern dieser Leitung und dem den Adern dieser Leitung zugewandten Außenmantel mit einem zusätzlichen dielektrischen Werkstoff gefüllt ist, welcher einen abweichenden Wert für die relative Permittivität ε_r aufweist als das die Adern dieser Leitung umgebende Dielektrikum. Hierbei befindet sich das auffüllende Dielektrikum im Bereich hoher Feldstärkedichten und ist deshalb besonders wirksam.
Eine alternative Möglichkeit der Veränderung der relativen Permittivität ε_r der Adern einzelner Leitungen, ohne hierfür den mechanischen Aufbau der einzelnen Adern verändern zu müssen, erzielt man dadurch, dass an einer Innenseite des Außenmantels, welche den Adern einer Leitung zugewandt ist, eine Beschichtung mit einem zusätzlichen Dielektrikum vorgesehen ist, welches einen abweichenden Wert für die relative Permittivität ε_r aufweist als das die Adern dieser Leitung umgebende Dielektrikum.
Eine besonders starke Beeinflussung der resultierenden relativen Permittivität ε_r für einzelne Adern erzielt man dadurch, dass das zusätzliche Dielektrikum als Schichtfolge von dielektrischen Werkstoffen mit jeweils unterschiedlichem Wert für die relativen Permittivität ε_r aufgebaut ist.
Eine hohe Wirkung des Dielektrikums erzielt man dadurch, dass das Dielektrikum mindestens einer Ader in einem Raum zwischen der Ader und dem Außenmantel derart angeordnet ist, dass dieser Raum im Querschnitt des Kabels parabelförmig von den benachbarten Adern abgegrenzt ist. Hierdurch füllt das Dielektrikum einen Raum mit hoher Feldliniendichte.
Bevorzugt ist für mögliche Wertebereiche von k(s) folgendes: k(s) ∊ [–u, –w] und k(s) ∊ [w, u], wobei w = 0.01, 0.03, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.2, 1.4 oder 1.6 ist und u = 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6 oder 1.8 und |w| < |u| ist. Beispielsweise 0.01 < k(s) < 1.0; 0.03 < k(s) < 0.3 oder 0.1 < k(s) < 0.2.
Eine zusätzliche elektromagnetische Abschirmung erzielt man dadurch, dass zusätzlich ein Schirmmantel aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff vorgesehen ist, innerhalb dessen die Leitungen angeordnet sind. Dieser Schirmmantel ist beispielsweise radial außerhalb oder innerhalb des Schirmmantels angeordnet oder in den Schirmmantels (12) integriert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels in perspektivischer Schnittansicht;
2 ein erfindungsgemäßes Kabel als Vier-Tor.;
3 eine graphische Darstellung der rechnerischen Ermittlung des Übersprechens eines elektrischen Signals von einer Leitung in eine andere Leitung mit verschiedenen Werten für k(s) auf Basis eines Kabelmodells;
4 eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels in Schnittansicht;
5 eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels in Schnittansicht;
6 eine vierte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels in Schnittansicht;
7 eine fünfte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels in Schnittansicht und
8 eine sechste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels in Schnittansicht.
Bei der Signalübertragung in Mehrleiter-Kabeln bzw. Kabeln mit mehreren Adern kommt für eine schnelle Datenübertragung bevorzugt die Signalübertragung mit differentiellen Paaren von Leitungen bzw. differentiellen Leiterpaaren zum Einsatz. Ein typisches Kabel für eine derartige Anwendung ist das Sternvierer-Kabel.
Allgemein weist ein Kabel zur elektrischen Signalübertragung einen schlauchförmigen Außenmantel aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff auf. Weiterhin ist beispielsweise ein Schirmmantel aus einem elektrisch leitenden Werkstoff vorgesehen, wobei dieser von dem Außenmantel koaxial umgeben ist. Alternativ ist der Schirmmantel in den Außenmantel integriert. Radial innerhalb des Schirmmantels sind N Leitungen mit N ≥ 2 und N ∊ N angeordnet, wobei jede Leitung m insgesamt M Adern aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff mit M ≥ 1 und M ∊ N, aufweist. Die Ader m mit m ∊ [1, M], m ∊ N der Leitung n mit n ∊ [1, N], n ∊ N ist von einem Dielektrikum mit einem vorbestimmten Wert für die relative Permittivität ε_r(m, n) > 1 umgeben. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Dielektrikas der verschiedenen Adern mit unterschiedlichen Farben ausgeführt sind, so dass man die Adern an jedem Ende des Kabels eineindeutig identifizieren kann. Die M Adern einer Leitung n sind dabei jeweils von einem Dielektrikum umgeben, wobei alle Dielektrikas der M Adern einer Leitung n einen im Wesentlichen identischen Wert für die relative Permittivität ε_r(m, n) mit m = 1, ... M aufweisen sollen. Durch herstellungsbedingte Abweichungen und auch durch die Einfärbung ergeben sich jedoch für die Werte der relativen Permittivität ε_r(m, n) der Dielektrikas der M Adern einer Leitung n etwas unterschiedliche Werte. Diese Abweichungen bewegen sich üblicherweise im Bereich von 5/1000 und sind eigentlich unerwünscht, jedoch unvermeidlich.
Mit anderen Worten soll für jede Leitung n der Wert der relativen Permittivität ε_r der Dielektrikas der M Adern dieser Leitung n bis auf herstellungsbedingte Abweichungen identisch sein, so dass gilt ε_r(p, n) = ε_r(p + q, n), wobei p ∊ [1, M – 1], p ∊ N und q ∊ [1, M – p], q ∊ N ist. Mit anderen Worten läuft der Laufindex p von 1 bis (M – 1) und ist eine ganze Zahl größer Null und der Laufindex q läuft von 1 bis (M – p) und ist eine ganze Zahl größer Null. Dies ergibt jeweils für jede Leitung n mit n = 1 bis N:
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Wert für die relative Permittivität ε_r der Dielektrikas der insgesamt M Adern einer Leitung j um einen Wert k(s) abweichend ist von einem Wert für die relative Permittivität ε_r der Dielektrikas der M Adern mindestens einer anderen Leitung (j + s), beispielsweise der Leitung (j + 1). Für mindestens zwei verschiedene Leitungen gilt dabei ε_r(m, j) = ε_r(m, j + s) – k(s) mit m ∊ [1, M], m ∊ N, j ∊ [1, N – 1], j ∊ N, s ∊ [1, N – j], s ∊ N, wobei k(s) ∊ R und k(s) ∊ [–2.0, –0,01] und k(s) ∊ [0.01, 2.0], bzw. der Index m für die Ader läuft von 1 bis M und ist eine ganze Zahl größer Null, der Index j für die Leitung j läuft von 1 bis (N – 1) und ist eine ganze Zahl größer Null, der Index s für die Leitung (j + s) läuft von 1 bis (N – j) und ist eine ganze Zahl größer Null. Ausgeschrieben ergibt sich beispielsweise für die Leitungen 1 und 2 (j = 1; s = 1) für die M Adern mit m = 1 bis M:
Der Wert k(1) ist hierbei eine Zahl, deren Betrag |k(1)| größer ist als die oben erwähnte unerwünschte Abweichung von beispielsweise 5/1000 zwischen den Werten von relativen Permittivitäten ε_r die im Wesentlichen identisch sein sollen. Gleichzeitig kann der Wert von k(s) für zwei andere Leitungen (anderer Wert für s) unterschiedlich oder identisch sein. Bevorzugte Werte für |k(s)| sind beispielsweise 0.01, 0.03, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2.0.
1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Kabel 10 mit N = 2 und M = 2 in Form einer Sternvierer-Anordnung, wobei die vier Adern der zwei Leitungen kreuzförmig miteinander verseilt sind. Das Kabel 10 weist einen Außenmantel 12 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, einen Schirmmantel 14 aus einem elektrischen leitenden Werkstoff sowie eine erste Ader 16 aus einem elektrisch leitenden Werkstoff einer ersten Leitung (m = 1, n = 1), eine zweite Ader 18 aus einem elektrisch leitenden Werkstoff der ersten Leitung (m = 2, n = 1), eine erste Ader 20 aus einem elektrisch leitenden Werkstoff einer zweiten Leitung (m = 1, n = 2) und eine zweite Ader 22 aus einem elektrisch leitenden Werkstoff der zweiten Leitung (m = 2, n = 2) auf. Die erste Ader 16 (m = 1) der ersten Leitung (n = 1) ist von einem ersten Dielektrikum 24 mit einer relative Permittivität ε_r(1, 1) ummantelt, wobei hier und nachfolgend die Zahlen in Klammern nach dem Ausdruck ”ε_r” Indizes wiedergeben, hier die Indizes m und n. Die zweite Ader 18 (m = 2) der ersten Leitung (n = 1) ist von einem zweiten Dielektrikum 26 mit einer relative Permittivität ε_r(2, 1) ummantelt. Die erste Ader 20 (m = 1) der zweiten Leitung (n = 2) ist von einem dritten Dielektrikum 28 mit einer relative Permittivität ε_r(1, 2) ummantelt. Die zweite Ader 22 (m = 2) der zweiten Leitung (n = 2) ist von einem vierten Dielektrikum 30 mit einer relative Permittivität ε_r(2, 2) ummantelt.
Die Adern 16, 18 bilden also ein erstes Leiterpaar bzw. die erste Leitung und die Adern 20, 22 bilden ein zweites Leiterpaar bzw. die zweite Leitung.
Im Querschnitt des Kabels betrachtet verläuft eine erste Gerade 32 durch die Mittelpunkte der Adern 16 und 18 der ersten Leitung und eine zweite Gerade 34 durch Mittelpunkte der Adern 20, 22 der zweiten Leitung. Die beiden Geraden 32, 34 stehen an jedem Ort in einer Schnittebene parallel zu der Darstellung bzw. der Zeichnungsebene in 1 senkrecht aufeinander.
Jede Ader 16, 18, 20, 22 bildet mit dem dazugehörigen Dielektrikum 24, 26, 28, 30 je einen Leiter. Die Leiter 16/24, 18/26, 20/28, 22/30 sind in axialer Richtung kreuzförmig miteinander derart verseilt bzw. verdrillt, dass sich die bekannte Sternvierer-Anordnung ergibt. Die Leiter 16/24, 18/26, 20/28, 22/30 sind um einen zentralen Kern 36 miteinander verseilt.
Für dieses Beispiel des Sternvierer-Kabels (M = 2, N = 2) lauten die obigen Gleichungen für die relative Permittivität ε_r(m, n) der Dielektrika 24, 26, 28, 30 der Adern 16, 18, 20, 22 mit m = 1, 2 und n = 1, 2 und j = 1 und s = 1 wie folgt:
n = 1: ε_r(1, 1) = ε_r(2, 1)
n = 2: ε_r(1, 2) = ε_r(2, 2)
und
m = 1: ε_r(1, 1) = ε_r(1, 2) – k(1)
m = 2: ε_r(2, 1) = ε_r(2, 2) – k(1)
2 zeigt das Sternvierer-Kabel als 4-Tor mit einem ersten Ende 38 und einem zweiten Ende 40. Die erste Leitung mit den Adern 16, 18 und den Dielektrika 24, 26 (1) bildet an dem ersten Ende 38 ein erstes differentielles Tor 42 und an dem zweiten Ende ein drittes differentielles Tor 46 aus. Die zweite Leitung mit den Adern 20, 22 und den Dielektrika 28, 30 (1) bildet an dem ersten Ende 38 ein zweites differentielles Tor 44 und an dem zweiten Ende ein viertes differentielles Tor 48 aus.
Wird nun am ersten Ende 38 am ersten Tor 42 der ersten Leitung mit den Adern 16, 18 eine Welle eingespeist, so ist an dem zweiten, dritten und vierten Tor 44, 46, 48 ein Teil der Welle messbar. Der am dritten Tor 46 messbare Wellenanteil ist eine Transmission. Der am zweiten Tor 44 messbare Wellenanteil ist ein sogenannter ”crosstalk” am nahen Ende 38 ”NEXT” (Near End Crosstalk) d. h. es handelt sich um ein Übersprechen (crosstalk) von der ersten Leitung mit den Adern 16, 18 auf die zweite Leitung mit den Adern 20, 22 welches zum ersten Ende 38 zurück reflektiert wird. Der am vierten Tor messbare Wellenanteil ist ein sogenannter ”crosstalk” am fernen Ende 40 ”FEXT” (Far End Crosstalk) d. h. es handelt sich um ein Übersprechen (crosstalk) von der ersten Leitung mit den Adern 16, 18 auf die zweite Leitung mit den Adern 20, 22 welche zum zweiten Ende 40 übertragen wird. Dieser ”FEXT” ist ein unerwünschter Effekt, der vermieden werden soll. Dementsprechend verbessert eine Verringerung dieses Wellenanteils ”FEXT” am zweiten Ende 40 die Übertragungseigenschaften des Kabels 10.
Um nun zu prüfen, ob die Differenz der relativen Permittivitäten ε_r(m, n) eine Verbesserung bezüglich des FEXT bringt, wurde mit einem Kabelmodell dieses FEXT für ein erfindungsgemäß ausgebildetes Sternvierer-Kabel, wie zuvor beschrieben, berechnet. Das Ergebnis ist in 3 dargestellt. In 3 bezeichnet 50 eine vertikale Achse, auf der der FEXT in [dB] aufgetragen ist. Mit 52 ist eine horizontale Achse bezeichnet, auf der eine Frequenz f des Eingangssignals am ersten Tor 42 (2) in [MHz] aufgetragen ist.
Ein erster Graph 54 zeigt den Verlauf des FEXT über die Frequenz bei einem herkömmlichen Sternvierer-Kabel, wie ε_r real gemessen wurde.
Ein zweiter Graph 56 zeigt den Verlauf des FEXT über die Frequenz bei einem herkömmlichen Sternvierer-Kabel, wie er aus dem Kabelmodell mit k(1) = 0 berechnet wurde. Hierbei wurde bei der Berechnung mittels des Kabelmodells von folgenden Werten für die relativen Permittivitäten ε_r(m, n) der Dielektrikas 24, 26, 28. 30 ausgegangen:
ε_r(1, 1) = 2.235
ε_r(2, 1) = 2.240
ε_r(1, 2) = 2.235
ε_r(2, 2) = 2.240
Für die relativen Permittivitäten ε_r(m, n) der Dielektrikas 24, 26, 28. 30 wurde hierbei von einer Streuung der Werte aufgrund Ungenauigkeiten bei der Herstellung und Einflüsse der Einfärbung der Dielektrika mit einer Abweichung von 5/1000 ausgegangen. Hierbei bestätigt der Verlauf des zweiten Graphen 56 nahe am ersten Graphen 54, dass das Kabelmodell brauchbar ist.
Ein dritter Graph 58 zeigt den Verlauf des FEXT über die Frequenz bei einem erfindungsgemäßen Sternvierer-Kabel, wie er aus dem Kabelmodell mit k(1) = 0.1 berechnet wurde. Hierbei wurde bei der Berechnung mittels des Kabelmodells von folgenden Werten für die relative Permittivität ε_r(m, n) der Dielektrikas 24, 26, 28. 30 ausgegangen:
ε_r(1, 1) = 2.235
ε_r(2, 1) = 2.240
ε_r(1, 2) = 2.135
ε_r(2, 2) = 2.140
Ein vierter Graph 60 zeigt den Verlauf des FEXT über die Frequenz bei einem erfindungsgemäßen Sternvierer-Kabel, wie er aus dem Kabelmodell mit k(1) = 0.3 berechnet wurde. Hierbei wurde bei der Berechnung mittels des Kabelmodells von folgenden Werten für die relative Permittivität ε_r(m, n) der Dielektrikas 24, 26, 28. 30 ausgegangen:
ε_r(1, 1) = 2.235
ε_r(2, 1) = 2.240
ε_r(1, 2) = 1.935
ε_r(2, 2) = 1.940
Ein fünfter Graph 62 zeigt den Verlauf des FEXT über die Frequenz bei einem erfindungsgemäßen Sternvierer-Kabel, wie er aus dem Kabelmodell mit k(1) = 0.5 berechnet wurde. Hierbei wurde bei der Berechnung mittels des Kabelmodells von folgenden Werten für die relative Permittivität ε_r(m, n) der Dielektrikas 24, 26, 28. 30 ausgegangen:
ε_r(1, 1) = 2.235
ε_r(2, 1) = 2.240
ε_r(1, 2) = 1.735
ε_r(2, 2) = 1.740
Ein sechster Graph 64 zeigt den Verlauf des FEXT über die Frequenz bei einem erfindungsgemäßen Sternvierer-Kabel, wie er aus dem Kabelmodell mit k(1) = 0.7 berechnet wurde. Hierbei wurde bei der Berechnung mittels des Kabelmodells von folgenden Werten für die relative Permittivität ε_r(m, n) der Dielektrikas 24, 26, 28. 30 ausgegangen:
ε_r(1, 1) = 2.235
ε_r(2, 1) = 2.240
ε_r(1, 2) = 1.535
ε_r(2, 2) = 1.540
Ein siebter Graph 66 zeigt den Verlauf des FEXT über die Frequenz bei einem erfindungsgemäßen Sternvierer-Kabel, wie er aus dem Kabelmodell mit k(1) = 0.9 berechnet wurde. Hierbei wurde bei der Berechnung mittels des Kabelmodells von folgenden Werten für die relative Permittivität ε_r(m, n) der Dielektrikas 24, 26, 28. 30 ausgegangen:
ε_r(1, 1) = 2.235
ε_r(2, 1) = 2.240
ε_r(1, 2) = 1.335
ε_r(2, 2) = 1.340
Je stärker der nominelle Wert der relativen Permittivität ε_r(m, n) zwischen den beiden Leitungen voneinander abweicht, desto geringer ist das Übersprechen (FEXT) in die jeweils andere Leitung. Somit kann also in überraschender Weise durch eine Differenz k(s) der relativen Permittivität ε_r(m, n) der Dielektrika 24, 26, 28. 30 die Übertragungseigenschaft des Kabels 10 verbessert werden, ohne dass hierfür ein zusätzlicher Schirmmantel für jedes einzelne Leiterpaar 16, 18 und 20, 22 notwendig ist.
4 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels 10, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen, wie in 1, bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 verwiesen wird. In 4 zeigen unterschiedliche Schraffuren bzw. Füllungen der Dielektrika 24, 26, 28, 30 unterschiedliche Werte für die relative Permittivität ε_r(m, n). Ein Außenmantel ist in 4 nicht dargestellt. So ist erkennbar, dass die Dielektrika 24, 26, 28, 30 grundsätzlich mit demselben Wert für die relative Permittivität ε_r(m, n) ausgebildet sind, jedoch sind die Dielektrika 24 und 26 zweiteilig mit je zwei Werkstoffen mit unterschiedlicher relativer Permittivität ε_r aufgebaut. Ein erster Werkstoff mit der gleichen relativen Permittivität ε_r, wie die Dielektrika 28 und 30, ummantelt die Ader 16, 18, jedoch ist zusätzlich ein zweiter Werkstoff 70 mit einem anderen Wert für die relative Permittivität ε_r radial zwischen der Ader 16, 18 und dem ersten Werkstoff vorgesehen, so dass die Dielektrika 24, 26 effektiv einen anderen Wert für die relative Permittivität ε_r aufweisen als die Dielektrika 28 und 30. Erster und zweiter dielektrischer Werkstoff sind konzentrisch zueinander und zu den jeweiligen Adern 16, 18 angeordnet.
5 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels 10, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen, wie in 1 und 4, bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1 und 4 verwiesen wird. In 5 zeigen unterschiedliche Schraffuren bzw. Füllungen unterschiedliche Werte für die relative Permittivität ε_r. Ein Außenmantel ist in 5 nicht dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Adern 16, 18, 20, 22 mit identischem Dielektrikum umgeben, so dass deren relative Permittivität ε_r im Wesentlichen identisch ist. Jedoch ist zusätzliche ein jeweiliger Zwischenraum zwischen den Leitern 16/24, 18/26, 20/28 und 22/30 und dem Schirmmantel 14 mit einem weiteren ersten Dielektrikum 72 und einem weiteren zweiten Dielektrikum 74 aufgefüllt, die jeweils von den Dielektrika 24, 26, 28, 30 und auch voneinander andere Werte für die relative Permittivität ε_r aufweisen. Auf diese Weise unterscheidet sich der effektive Werte für die relative Permittivität ε_r(m, n) der Leitung mit Adern 16, 18 von demjenigen Wert für die relative Permittivität ε_r(m, n) der Leitung mit Adern 20, 22. Die Auffüllung mit den weiteren ersten und zweiten Dielektrika 72 und 74 ist derart, dass diese im Querschnitt einen Bereich ausfüllen, der parabelförmig von den jeweils benachbarten Leitern 16/24, 18/26, 20/28 und 22/30 abgegrenzt ist. Auf diese Weise befinden sich die weiteren Dielektrika 72 und 74 genau in Bereichen mit erhöhter Feldliniendichte und haben so eine große Wirkung.
6 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels 10, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen, wie in 1, 4 und 5, bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1, 4 und 5 verwiesen wird. In 6 zeigen unterschiedliche Schraffuren bzw. Füllungen unterschiedliche Werte für die relative Permittivität ε_r. Ein Außenmantel ist in 6 nicht dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Adern 16, 18, 20, 22 mit identischem Dielektrikum 24, 26, 28, 30 umgeben, so dass deren relative Permittivität ε_r im Wesentlichen identisch ist. Die zusätzlichen Dielektrika 72 und 74 sind an der Innenseite des Schirmmantels 14 angeordnet und zwar jeweils derart, dass diese sich jeweils zwischen einem Dielektrikum 24, 26, 28, 30 der Adern 16, 18, 20, 22 und dem Schirmmantel 14 befinden. Auf diese Weise unterscheidet sich der effektive Werte für die relative Permittivität ε_r(m, n) der Leitung mit Adern 16, 18 von demjenigen Wert für die relative Permittivität ε_r(m, n) der Leitung mit Adern 20, 22.
7 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels 10, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen, wie in 1, 4, 5 und 6, bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1, 4, 5 und 6 verwiesen wird. In 7 zeigen unterschiedliche Schraffuren bzw. Füllungen unterschiedliche Werte für die relative Permittivität ε_r. Ein Außenmantel ist in 7 nicht dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Adern 16, 18, 20, 22 mit identischem Dielektrikum 24, 26, 28, 30 umgeben, so dass deren relative Permittivität ε_r im Wesentlichen identisch ist. Die zusätzlichen Dielektrika 72 und 74 sind an der Innenseite des Schirmmantels 14 angeordnet und zwar jeweils derart, dass diese sich jeweils zwischen einem Dielektrikum 24, 26, 28, 30 der Adern 16, 18, 20, 22 und dem Schirmmantel 14 befinden. Im Unterschied zur vierten Ausführungsform gemäß 6 sind die zusätzlichen Dielektrika 72 und 74 schichtförmig mit dem weiteren Dielektrikum 70 aufgebaut. Auf diese Weise unterscheidet sich der effektive Werte für die relative Permittivität ε_r(m, n) der Leitung mit Adern 16, 18 von demjenigen Wert für die relative Permittivität ε_r(m, n) der Leitung mit Adern 20, 22.
8 zeigt eine sechste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels 10, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen, wie in 1, 4, 5, 6 und 7, bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der 1, 4, 5, 6 und 7 verwiesen wird. In 8 zeigen unterschiedliche Schraffuren bzw. Füllungen unterschiedliche Werte für die relative Permittivität ε_r. Ein Außenmantel ist in 8 nicht dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Adern 16, 18, 20, 22 ausschließlich mit dem weiteren Dielektrikum 72 bis 74 umgeben und das Dielektrikum 72, 74 erstreckt sich jeweils analog zur zweiten Ausführungsform gemäß 4 von den Adern 16, 18, 20, 22 bis zum Schirmmantel 14 und füllt dabei jeweils einen im Querschnitt parabelförmig abgegrenzten Raum aus. Auf diese Weise unterscheidet sich der effektive Werte für die relative Permittivität ε_r(m, n) der Leitung mit Adern 16, 18 von demjenigen Wert für die relative Permittivität ε_r(m, n) der Leitung mit Adern 20, 22 und die Dielektrika 72, 74 füllen genau denjenigen Raum innerhalb des Schirmmantels 14, in dem die höchste Feldliniendichte auftritt.
Mit der Erfindung sind sämtliche Kombinationen der in der Beschreibung jeweils offenbarten Merkmale, der in den Patentansprüchen jeweils beanspruchten Merkmale und der in der Fig. der Zeichnung jeweils dargestellten Merkmale abgedeckt, soweit sie technisch sinnvoll sind.

Claims

Kabel (10) zum Übertragen von elektrischen Signalen mit einem Außenmantel (12) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff und mindestens N Leitungen n mit N ≥ 2 und N ∊ N, welche innerhalb des Außenmantels (12) angeordnet sind, wobei jede Leitung m insgesamt M Adern (16, 18, 20, 22) aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff mit M ≥ 1 und M ∊ N, aufweist, wobei die Ader m (16, 18, 20, 22) mit m ∊ [1, M], m ∊ N der Leitung n mit n ∊ [1, N], n ∊ N von einem Dielektrikum (24, 26, 28, 30) mit einem vorbestimmten Wert für die relative Permittivität ε_r(m, n) > 1 umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass für mindestens zwei verschiedene Leitungen n = j und n = (j + s) gilt ε_r(m, j) = ε_r(m, j + s) – k(s) mit m ∊ [1, M], m ∊ N, j ∊ [1, N – 1], j ∊ N, s ∊ [1, N – j], s ∊ N, wobei k(s) ∊ R und k(s) ∊ [–2.0, –0,01] und k(s) ∊ [0.01, 2.0].
Kabel (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Leitung n der Wert der relativen Permittivität der Dielektrikas (24, 26, 28, 30) der Adern (16, 18, 20, 22) dieser Leitung n bis auf herstellungsbedingte Abweichungen identisch ist, so dass gilt ε_r(p, n) = ε_r(p + q, n), wobei q ∊ [1, M – p], q ∊ N, p ∊ [1, M – 1], p ∊ N.
Kabel (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabel (10) ein Sternviererkabel mit M = 2 und N = 2 ist, bei dem die vier Adern (16, 18, 20, 22) der zwei Leitungen kreuzförmig miteinander verdrillt sind.
Kabel (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (24, 26, 28, 30) der Adern (16, 18, 20, 22) mindestens einer Leitung aus dem Werkstoff Polypropylen (PP) und das Dielektrikum (24, 26, 28, 30) der Adern (16, 18, 20, 22) mindestens einer anderen Leitung aus dem Werkstoff Polyethylen (PE) hergestellt ist.
Kabel (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (24, 26, 28, 30) der Adern (16, 18, 20, 22) mindestens einer Leitung aus einem konzentrischen Schichtaufbau von zwei oder mehr dielektrischen Werkstoffen (70) mit unterschiedlichem Wert für die relative Permittivität ε_r aufgebaut ist.
Kabel (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Adern (16, 18, 20, 22) mindestens einer Leitung ein Zwischenraum zwischen den Adern (16, 18, 20, 22) dieser Leitung und dem den Adern (16, 18, 20, 22) dieser Leitung zugewandten Außenmantel (12) mit einem dielektrischen Werkstoff (72, 74) gefüllt ist, welcher einen abweichenden Wert für die relative Permittivität ε_r aufweist als das die Adern (16, 18, 20, 22) dieser Leitung umgebende Dielektrikum (24, 26, 28, 30).
Kabel (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Innenseite des Außenmantels (12), welche den Adern (16, 18, 20, 22) einer Leitung zugewandt ist, eine Beschichtung mit einem zusätzlichen Dielektrikum (70, 72, 74) vorgesehen ist, welches einen abweichenden Wert für die relative Permittivität ε_r aufweist als das die Adern (16, 18, 20, 22) dieser Leitung umgebende Dielektrikum (24, 26, 28, 30).
Kabel (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Dielektrikum als Schichtfolge von dielektrischen Werkstoffen (70, 72, 74) mit jeweils unterschiedlichem Wert für die relativen Permittivität ε_r aufgebaut ist.
Kabel (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (24, 26, 28, 30) mindestens einer Ader (16, 18, 20, 22) in einem Raum zwischen der Ader (16, 18, 20, 22) und dem Außenmantel (12) derart angeordnet ist, dass dieser Raum im Querschnitt des Kabels (10) parabelförmig von den benachbarten Adern (16, 18, 20, 22) abgegrenzt ist.
Kabel (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass k ∊ [–u, –w] und k ∊ [w, u], wobei w = 0.01, 0.03, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.2, 1.4 oder 1.6 und u = 0.03, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6 oder 1.8 und |w| < |u| ist.
Kabel (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Schirmmantel (14) aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff vorgesehen ist, innerhalb dessen die Leitungen angeordnet sind.
Kabel (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirmmantel (14) radial außerhalb oder innerhalb des Schirmmantels (12) angeordnet ist.
Kabel (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Schirmmantel (14) in den Schirmmantels (12) integriert ist.