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Diese
Erfindung betrifft elektrische Kabel und deren Herstellung und insbesondere
ein elektrisches Kabel mit einem koaxialen mittleren Leiteraufbau
und spiralförmigen
Leiteraufbauten, die in einer identitätsbasierten Organisation angeordnet
sind und sich spiralförmig über den
mittleren Leiteraufbau winden.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein
elektrisches Signal, das über
einen Draht transportiert wird, erzeugt elektrische und magnetische
Felder in der Nähe
des Drahts entlang seiner gesamten Länge. Diese Felder verlaufen über den Kupferleiter
des Drahts hinaus und durch dessen Isolierung in den umgebenden
Raum. Falls andere Drähte
nahe des die Felder erzeugenden Drahts sind, werden diese Felder
durch deren Isolierungen ebenfalls hindurchgehen und in Kontakt
mit deren Leitern kommen. Elektrische und magnetische Interaktion
wird auftreten und neue Ströme
in den anderen Drähten
erzeugen. Dieses Phänomen
wird als „Übersprechen" bezeichnet und wird
normalerweise als störend
auf den Betrieb der beeinflussten Schaltungen betrachtet. Bei niederen
Pegeln oder spezifischen elektrischen Frequenzen bleibt das Übersprechen
jedoch häufig
ohne Folge abhängig
von der Natur des „Opfer"-Signals.
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Eine
Abschirmung für
einzelne Drähte
oder Drahtpaare wird häufig
in Kabel eingebaut, um ein Übersprechen
zu reduzieren und zu steuern. Drähte, die
für empfindliche
Signale verwendet werden, sind üblicherweise
abgeschirmt, und rauschbehaftete Schaltungen sind nicht abgeschirmt
im Gegensatz zu der Abschirmung beider, was unnötigerweise das Gewicht und
die Kosten erhöhen
würde, über die
Anforderungen für
die Abschirmung der empfindlichen Leitungen.
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DE 296 18 744 offenbart
mehrere Ausführungsformen
eines zusammengesetzten Kabels mit einem inneren Leiter, der von
einem dielektrischen Material umgeben ist, einem metallisierten
Kunststofffilm, einem feinen Metallnetz und einer Anzahl von nicht
abgeschirmten ummantelten Leitungen. Die verschiedenen Vorkehrungen
der Ausführungsformen
ermöglichen
ein zusammengesetztes Kabel mit verbesserten Eigenschaften, wie
beispielsweise dass es dünner
ist, flexibler ist und leichter.
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Schaltungen
sind empfindlich gegenüber
einer Bedrohung durch andere Schaltungen in einer gestaffelten Art
und Weise. Es ist deshalb möglich, Schaltungen
beispielsweise in einer flachen bandförmigen Anordnung anzuordnen
und spezifischen Schaltungen spezifische Positionen zuzuordnen (ein gutes
Verfahren ist von höchster
Leistung zu niedrigster Leistung), um die mittlere Kopplung der
Schaltungen zu minimieren. Die Anzahl der Drahtpositionen, die Schaltungen
trennen, beeinflusst direkt ihr Übersprechen.
Je mehr Abstand zwischen den Drähten
ist, desto geringer ist das Übersprechen.
Unter den richtigen Schaltungsparametern kann die Organisation ebenfalls
eine Übersprechsituation
herbeiführen,
gegenüber
der alle Schaltungen tolerant sind, um einen sicheren und geordneten
Betrieb der elektrischen Geräte
zu ermöglichen,
die an den Drähten hängen, ohne
eine Abschirmung von einem der Drähte oder Drahtpaare zu benutzen.
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Dieses
Organisieren von Schaltungen auf flachen Bändern ohne den Einsatz von
abgeschirmten Drähten
ist eine der technischen Hauptpraktiken der „Ribbonized Organized Integrated
(ROI)" Verdrahtung,
eine „Organized
Wiring"(organisierte
Verdrahtungs-)Methode, die in vielen militärischen und einigen kommerziellen
Flugzeugverdrahtungssystemen eingesetzt wird. ROI-Band-Verdrahtungen
benutzen bis zu sechs oder sogar mehr gewebte Drahtbänder, die
zu einem Paket gestapelt sind, über
elektrisch mit Masse verbundenen Kupferfolien getrennt sind, und
normalerweise von einer geflochtenen Abschirmung bedeckt sind. Die
Folien zwischen den Bändern
reduzieren die Kopplung von Band zu Band, und die umflochtene Abschirmung
verhindert Interferenzquellen außerhalb der Verdrahtung, die Übersprechwirkungen
verursachen könnten.
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Einige
Typen von elektrischen Kabeln enthalten eine Anzahl von getrennten
Leitern, die eine Anzahl von unterschiedlichen Typen elektrischer
Signale übertragen.
(Ein „Kabel" hat in der hier
verwendeten Terminologie einen im Allgemeinen runden Querschnitt
im Unterschied zu einem flachen Querschnitt des Bandes.) In einem
Beispiel von Interesse besitzt ein In-Flight-Entertainment(IFE)-System
in einem Flugzeug beispielsweise an jedem Sitz einen Fernseher mit
Kopfhörerverbindungen,
eine elektrische Verbindung, eine Telefonverbindung und einen Datenanschluss.
Ein solches In-Flight-Entertainment-System benötigt ein Videosignal, ein Audiosignal,
ein Spannungsversorgungssignal, ein Telefonsignal, Datensignale
und Steuerungssignale an jeder Sitzlehne. Einige dieser Signale
können
gemultiplext sein und die gleichen Übertragungsdrähte bzw.
Leitungen teilen. All diese elektrischen Signale werden über Drähte transportiert,
die zu einem elektrischen IFE-Kabel gebündelt sind, um es kompakt,
gefällig und
günstig
hinsichtlich der Installation und der Wartung zu machen.
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Einige
der gebündelten
Drähte
in dem elektrischen Kabel transportieren elektrische Signale, die miteinander
oder mit den anderen elektrischen Funktionalitäten des Flugzeugs interferieren
können,
oder die mit anderen elektrischen Signalen in dem Flugzeug interferieren
können.
Um eine solche Interferenz zu verhindern, sind einige der Drähte mit
einer geerdeten metallischen Abschirmung abgeschirmt, und das Äußere des
gesamten Kabels kann mit einer anderen geerdeten metallischen Abschirmung
abgeschirmt sein. Solche Abschirmungen führen Gewicht, Umfang und Kosten
dem elektrischen Kabel hinzu. Die physischen Räume, die von dem elektrischen
Kabel belegt werden, sind stark eingeschränkt. In einigen Fällen müssen die
Größen der
elektrischen Leiter innerhalb des elektrischen Kabels kleiner gemacht werden
als gewünscht,
um in den belegten Raum zu passen unter Berücksichtigung einer vorhandenen
Abschirmung und Isolation, oder die Abschirmung ist begrenzt oder
entfernt. Das Ergebnis besteht darin, dass die Leistung des IFE-Systems
beeinträchtigt
wird. Diese Diskussion des Standes der Technik wurde auf IFE-Systeme
fokussiert, allerdings tauchen diese Probleme bei anderen Typen
von Flugzeug-Systemen
und anderen elektrischen Systemen auf.
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Es
gibt einen Bedarf nach einer verbesserten Lösung für elektrische Kabel, die unterschiedliche Typen
von elektrischen Signalen transportieren müssen und die hinsichtlich Gewicht
und/oder Größe Zwängen unterworfen
sind. Die vorliegende Erfindung erfüllt diesen Bedarf und stellt
ferner zugehörige
Vorteile bereit.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein elektrisches Kabel mit einer
lokalen Längsachse
und weist auf:
einen mittleren Leiteraufbau mit
einem
elektrisch leitfähigen
mittleren Leiter,
einer Lage einer mittleren Leiterisolierung,
die über dem
mittleren Leiter liegt,
und einer elektrisch leitenden mittleren
Leiterabschirmung, die über
der Lage der mittleren Leiterisolierung liegt;
eine Vielzahl
von spiralförmigen
Leiterstrukturen, die auf dem mittleren Leiteraufbau liegen und
sich um diesen spiralförmig
wickeln, wobei jede spiralförmige Leiterstruktur
ein gleiches Paar von in Umfangsrichtung benachbarten, spiralförmigen Leiterstrukturen entlang
der Länge
des elektrischen Kabels hält,
wobei jede der spiralförmigen
Leiterstrukturen aufweist
einen elektrisch leitenden spiralförmigen Leiter,
und
eine spiralförmige
Leiterisolierung, die auf dem spiralförmigen Leiter liegt, wobei
die die spiralförmigen Leiterstrukturen
keine elektrisch leitende Abschirmung haben, wobei zumindest einige
der spiralförmigen
Leiterstrukturen unterschiedliche signaltragende Kennungen haben,
und wobei zumindest einige der spiralförmigen Leiterstrukturen, die
unterschiedliche signaltragende Kennungen haben, abhängig von
einer Übersprechgefahr
zwischen den verschieden spiralförmigen
Leiterstrukturen angeordnet sind;
eine elektrisch leitende äußere Abschirmung,
die auf der Vielzahl von spiralförmigen
Leitern liegt; und
eine äußere Isolierung,
die über
der elektrischen leitenden äußeren Abschirmung
liegt.
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Es
ist ebenfalls ein Verfahren zum Bereitstellen eines elektrischen
Kabels vorgesehen mit den Schritten
Bereitstellen eines mittleren
Leiteraufbaus mit
einem elektrisch leitenden, mittleren Leiter,
einer
Lage einer mittleren Leiterisolierung, die auf dem mittleren Leiter
liegt, und
einer elektrisch leitenden, mittleren Leiterabschirmung,
die auf der Lage der mittleren Leiterisolierung liegt;
Bereitstellen
einer Vielzahl von spiralförmigen
Leiterstrukturen, deren jede eine zugeordnete Signalträgerkennung
besitzt und aufweist
einen elektrisch leitenden, spiralförmigen Leiter,
und
eine spiralförmige
Leiterisolierung, die auf dem spiralförmigen Leiter liegt, wobei
jede spiralförmige
Leiterstruktur keine elektrisch leitende Abschirmung darauf aufweist;
Auswählen einer
Umfangsanordnung jeder spiralförmigen
Leiterstruktur abhängig
von der zugeordneten Kennung und der zugeordneten Kennung jedes Paars
von in Umfangsrichtung benachbarten, spiralförmigen Leiterstrukturen, wobei
der Schritt des Auswählens
den Schritt der Anordnung der spiralförmigen Leiterstrukturen abhängig von
einer Leistung beinhaltet, die jede spiralförmige Leiterstruktur übertragen
soll, und eine abhängig
von der Leistung, die von dem in Umfangsrichtung benachbarten Paar
von spiralförmigen
Leiterstrukturen übertragen
werden soll;
Wickeln der spiralförmigen Leiterstrukturen um
den mittleren Leiteraufbau in einer spiralförmigen Weise, wobei jede spiralförmige Leiterstruktur
das gleiche Paar von in Umfangsrichtung benachbarten spiralförmigen Leiterstrukturen
entlang der Länge
des elektrischen Kabels hält;
Platzieren
einer elektrisch leitenden, äußeren Abschirmung,
die über
den spiralförmigen
Leiterstrukturen liegt, die um den mittleren Leiteraufbau gewickelt sind;
und
Platzieren einer äußeren Isolierung,
die auf der äußeren Abschirmung
liegt, um ein elektrisches Kabel mit einer lokalen Längsachse
zu bilden.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Seitenansicht eines elektrischen Kabels entsprechend
der Erfindung;
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2 ist
eine vergrößerte schematische Schnittdarstellung
des elektrischen Kabels von 1, wobei
der Schnitt entlang 2-2 genommen ist;
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3 ist
eine schematische Schnittansicht ähnlich zu der von 2 einer
zweiten Ausführungsform
des elektrischen Kabels; und
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4 ist
ein Blockflussdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung bzw. Bereitstellung
des elektrischen Kabels.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 zeigt
einen elektrischen Kabelaufbau 20 mit einem elektrischen
Kabel 22, das eine lokale Längsachse 24 hat. Die „Längsachse" ist die Achse durch
die Mitte des elektrischen Kabels 22 und erstreckt sich
parallel zu dessen Erstreckungsrichtung. Sie wird als „lokale" Längsachse
bezeichnet, da das elektrische Kabel 22 gebogen sein kann
oder in anderer Weise nicht linear sein kann, und die lokale Längsachse 24 wird
bestimmt an jeder lokalen Position entlang der Länge des elektrischen Kabels 22. Elektrische
Verbinder 26 sind an jedem Ende des elektrischen Kabels 22 für einige
Anwendungen angebracht. Für
andere Anwendungen können
keine elektrischen Verbinder vorgesehen sein, und die elektrischen
Kabel sind fest an ihren Enden verdrahtet, oder sie können an
einem Ende hart verdrahtet und an dem anderen Ende mit dem Verbinder 26 versehen
sein.
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Es
wird nun auf die Schnittansicht von 2 Bezug
genommen, die rechtwinklig zu der lokalen Längsachse 24 genommen
ist und in der der elektrische Kabelaufbau 20 im Allgemeinen
einen runden Querschnitt hat. Im Vergleich dazu ist ein bandförmiger elektrischer
Leiter in seinem Querschnitt flach mit einer breiten Abmessung,
die sehr viel größer ist
als die Dicke. Dieses runde Kabel kann in zwei orthogonalen Ebenen
gebogen sein, die die Längsachse 24 enthalten,
während
das Band nur in einer Ebene gebogen werden kann. Diese runde Geometrie
des Kabels hat wichtige Vorteile in Bezug auf die Positionierung
der elektrischen Leiter, wie nachfolgend erläutert werden wird.
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Das
elektrische Kabel 22 hat einen mittleren Leiteraufbau 28 mit
einem elektrisch leitenden mittleren Leiter 30, einer Lage
bzw. einer Schicht einer mittleren Leiterisolierung 32,
die über
dem mittleren Leiter 30 liegt, eine elektrisch leitende
mittlere Leiterabschirmung 34, die über der Lage der mittleren
Leiterisolierung aus dielektrischem Material 32 liegt,
und einer optionalen Lage einer äußeren mittleren
Leiterisolierung 35, die über der mittleren Leiterabschirmung 34 liegt.
Der mittlere Leiter 30 ist vorzugsweise aus einer Vielzahl
von einzelnen mittleren Leiterdrähten 36 hergestellt,
die als ein koaxialer Leiter angeordnet sind, der sich parallel
zu der lokalen Längsachse 24 erstreckt.
Die mittleren Leiterdrähte 36 sind typischerweise
nicht einzeln isoliert. In einem In-Flight-Entertainment-System
(Entertainmentsystem in einem Flugzeug) trägt der mittlere Leiter 30 typischerweise
ein analoges Videosignal, ein digitales Videosignal oder ein gemultiplextes
Hochfrequenzsignal.
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Eine
Vielzahl von spiralförmigen
Leiterstrukturen 38 liegt über dem mittleren Leiteraufbau 28 und ist
spiralförmig
mit diesem gewickelt. Das spiralförmige Wickeln der spiralförmigen Leiterstrukturen 38 des
mittleren Leiteraufbaus 28 ist in 1 durch
die gestrichelten Linien dargestellt. In der Darstellung von 2 gibt
es neun solcher spiralförmiger
Leiterstrukturen 38a, 38b, 38c, 38d, 38e, 38f, 38g, 38h und 38i,
obgleich es weniger oder mehr spiralförmige Leiterstrukturen in dem
elektrischen Kabel 22 geben kann. Jede der spiralförmigen Leiterstrukturen 38 umfasst
einen elektrisch leitenden Leiter 40. Jeder der spiralförmigen Leiter 40 ist
als eine Vielzahl von elektrisch leitenden spiralförmigen Leiterdrähten 42 dargestellt.
Die spiralförmigen
Leiterdrähte 42 sind typischerweise
nicht einzeln isoliert. Eine spiralförmige Leiterisolierung 44 liegt über dem
spiralförmigen Leiter 38.
Jede spiralförmige
Leiterstruktur 36 besitzt keine elektrisch leitende Abschirmung
darauf. Bei dieser Ausführungsform
sind die mehreren spiralförmigen
Leiteraufbauten 28 jeweils rund, wenn sie im Querschnitt
von 2 rechtwinklig zu der lokalen Längsachse 24 betrachtet
werden und haben im Wesentlichen den gleichen Durchmesser.
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Eine
Lage bzw. eine Schicht einer äußeren Isolierung 45 liegt
auf der Vielzahl von spiralförmigen Leitern 38.
Die Lage der äußeren Isolierung 45 kann eine
Bandwicklung eines Isolierungsbandes sein, falls gewünscht. Eine
elektrisch leitende äußere Abschirmung 46 liegt
auf der äußeren Isolierung 45. Eine äußere Isolierung 48 liegt über der
elektrisch leitenden äußeren Abschirmung 46.
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Ein
wünschenswertes
Merkmal des elektrischen Kabels 22 besteht darin, dass
es im Wesentlichen rund sein soll, wenn es im Querschnitt von 2 rechtwinklig
zu der lokalen Längsachse 24 betrachtet
wird. Durch ein kreisförmiges
elektrisches Kabel 22, die Vielzahl von mittleren Leiterdrähten 36 und
die Vielzahl von spiralförmigen
Leiterdrähten 42 kann
das elektrische Kabel 22 sehr flexibel gemacht werden.
Die Flexibilität
hilft bei der Installation des elektrischen Kabels 22 in
beschränkten
Räumen.
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Bei
der bevorzugten Ausführungsform
hält jede
spiralförmige
Leiterstruktur 38 ein gleiches Paar von in Umfangsrichtung
benachbarten spiralförmigen Leiterstrukturen
entlang einer Länge
des elektrischen Kabels 22. Jede der spiralförmigen Leiterstrukturen hat
auf beiden Seiten um den Umfang des elektrischen Kabels 22 herum
die gleichen benachbarten spiralförmigen Leiterstrukturen an
allen Orten entlang der Länge
des elektrischen Kabels 22. Als erläuterndes Beispiel hat in der
Querschnittsansicht von 2 die spiralförmige Leiterstruktur 38d zwei
in Umfangsrichtung benachbarte spiralförmige Leiterstrukturen 38c und 38e,
und zwar eine auf beiden Umfangsseiten der spiralförmigen Leiterstruktur 38d. (Eine
Umfangsrichtung 50 ist in 2 dargestellt.) Falls
die Schnittansichten wie in 2 an einem
anderen Ort, wie beispielsweise der Ort A, B, C oder D von 1,
genommen würden,
würde die
spiralförmige
Leiterstruktur 38d in Umfangsrichtung zwischen den spiralförmigen Leiterstrukturen 38c und 38e liegen
(obgleich die gesamte Anordnung um die lokale Längsachse 24 gedreht
werden müsste).
Das gleiche relative in Umfangsrichtung benachbarte Verhältnis wird
für jede
der spiralförmigen
Leiterstrukturen 38a, 38b, 38c, 38d, 38e, 38f, 38g, 38h und 38i aufrechterhalten,
und deren jeweilige in Umfangsrichtung benachbarten spiralförmigen Leiterstrukturen
entlang der Länge
des elektrischen Kabels 22. Jede der spiralförmigen Leiterstrukturen 38a, 38b, 38c, 38d, 38e, 38f, 38g, 38h und 38i haben
eine zugewiesene Kennung bzw. Identität bezüglich des Typs von elektrischen
Signalen, die sie transportieren, und ein spezifisches Beispiel
wird nachfolgend diskutiert werden. Die spiralförmige Leiterisolierung 44 jeder
spiralförmigen
Leiterstruktur 38 kann farbkodiert sein, um die Wartung
bzw. die Aufrechterhaltung der gleichen Verhältnisse zwischen benachbarten
spiralförmigen
Leiterstrukturen längs
der Länge
des elektrischen Kabels 22 zu erleichtern.
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Eine
Umfangsanordnung jeder spiralförmigen
Leiterstruktur wird abhängig
von dessen Kennung und abhängig
von den zugewiesenen Kennungen jedes Paars von in Umfangsrichtung
benachbarten spiralförmigen
Leiterstrukturen ausgewählt.
Da jede der spiralförmigen
Leiterstrukturen 38 radial zwischen den elektrisch geerdeten
Abschirmungen 34 und 46 liegt, wird ein Übersprechen
und andere elektrische Interferenzen hauptsächlich durch die in Umfangsrichtung
benachbarten spiralförmigen
Leiterstrukturen bestimmt. Setzt man das zuvor angegebene Beispiel
fort, wird die Umfangsanordnung jeder spiralförmigen Leiterstruktur 38d unter
Berücksichtigung
der zugewiesenen Identität
bzw. Kennung und jener der in Umfangsrichtung benachbarten spiralförmigen Leiterstrukturen 38c und 38e ausgewählt.
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Das
Organisieren von Schaltungen in ein rundes Kabel folgt einem systematischen
Prozess aus Regeln und Verhältnissen,
um elektrische Interaktionen zwischen den verschiedenen spiralförmigen Leiterstrukturen 38 zu
minimieren. Das elektrische Übersprechen
zwischen Drähten
ist zu einem Punkt vorhersagbar, dass, falls die Geometrie der Drahtpositionierung
bekannt und kontrolliert ist, und die elektrischen Parameter der
Signale auf den Drähten
bekannt sind, dann die Regeln formuliert werden können, um
die Schaltungen spezifischen Positionen zuzuordnen, wo eine störende Kopplung
zwischen spezifischen Schaltungen nicht auftreten wird oder zumindest
minimal und akzeptierbar klein sein werden. Diese Regeln basieren
auf empirischen Testdaten, wo generische Schaltanordnungen flacher
Bandgeometrien unter Testbedingungen benutzt wurden, um die elektrische
Kopplung zwischen zwei Schaltungen zu messen, die auf den Drähten laufen
und an verschiedenen Orten in der Verdrahtung platziert sind. Messungen
wurden mit Schaltungen auf Leitern direkt benachbart zueinander,
in einem Leiter-Abstand, in einem zwei Leiter-Abstand usw. vorgenommen. Diese
Tests wurden über
den nutzbaren Frequenzbereich und mit verschiedenen Schaltungsimpedanzwerten
ausgeführt.
Das Testen führt
zu Design-Verhältnissen
des Betrags von Leistung, die von einem Leiter zum anderen gekoppelt
wird bei verschiedenen Frequenzen und für Leiter, die benachbart zueinander
positioniert sind, einen Abstand von einem Leiter haben, einen Abstand
von zwei Leitern haben usw.
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Runde
Kabel, die diesen Lösungsweg
nutzen, halten das Verhältnis
zwischen den Leitern entlang der gesamten Länge des elektrischen Kabels 22.
Die verschiedenen individuellen Leiter wechseln niemals ihre Positionen
relativ zueinander. Sobald die erfolgversprechende Organisation
identifiziert ist, ist sie als Ergebnis konsistent und verändert sich nicht.
Der Entwicklungsprozess für
runde Kabel unterscheidet sich signifikant von dem für flache
Bänder derart,
dass es keine zwei seitlichen Seiten der Struktur gibt, wohingegen
die Signale mit der größten Möglichkeit
der Interferenz voneinander getrennt sind über alle anderen Leiter. In
einem runden Kabel müssen
die Leiter in einer runden Anordnung für minimale Interferenz angeordnet
werden.
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Nachfolgend
kommen die Hauptdesignparameter, die sich aus dem Testen ergeben.
Erstens, basiert die Empfindlichkeit eines Leiters gegenüber Übersprechen
hauptsächlich
auf der elektrischen Energie, die von dem Leiter transportiert wird,
relativ zu der elektrischen Energie der benachbarten Leiter. Zweitens
steigt das Koppeln der Leiter, wenn die Frequenz des Signals steigt.
Drittens ist die Schaltungs kopplung geringer wenn sie weiter weg
entlang des Umfangs des Kabels positioniert sind.
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Basierend
auf diesen Designparametern wurden die nachfolgenden Basisregeln
der Organisation entwickelt. Erstens gibt es bei Leitern, die bei niederen
Frequenzen arbeiten, kein Übersprechen zu
anderen Leitern. Die meisten Schaltungen fallen in diese Kategorie.
Allerdings können
sie Opfer von Übersprechen
durch andere Schaltungen sein und deshalb sind die anderen Organisationsregeln
notwendig.
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Zweitens
werden Schaltungen mit gleichen Leistungswerten am besten zusammen
in benachbarten Positionen gruppiert. Ein praktisches Gruppieren
von Leistungswerten für
Schaltungen basiert auf den Leistungsdekaden in Watt, wie 0,1–1 Watt,
1–10 Watt,
10–100
Watt und so weiter. Schaltungen gleicher Leistung, die in der gleichen
Leistungsdekade liegen, werden zusammen getrennt von Schaltungen,
die sehr viel größere Leistung
tragen und deshalb bezüglich
ausgehendem Übersprechen
eine potentielle Gefahr darstellen. Leiter, die klassifiziert sind als „nächst höhere" oder „nächst niedrigere" Leistungsdekade,
können
benachbart zu einem ersten Leiter platziert werden, aber Leiter
der Gruppen zwei Dekaden höher
oder zwei Dekaden tiefer müssen von
dem ersten Leiter über
einen „Schutzdraht" getrennt werden.
Schutzdrähte
sind Leiter, die elektrisch geerdet sind, um eine Koppelbarriere
zwischen den Leitern zu bilden.
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Drittens
werden Schaltungen, die über
einer Entwurfsfrequenz arbeiten, mit Schutzdrähten auf beiden Seiten des
Hochfrequenzleiters isoliert. Die Schutzdrähte bilden eine Barriere für die erzeugten Hochfrequenzfelder.
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Viertens,
wenn Schaltungen weiter weg in der Position platziert werden, verlieren
sie schnell ihre Fähigkeit,
zu koppeln aufgrund von zwei Faktoren. Der erste Faktor ist der
vergrößerte Trennungsabstand,
da die Feldstärke
umgekehrt proportional zu dem Quadrat des Abstands von dem Leiter
ist. Der zweite Faktor ist die Menge von leitendem Material zwischen
nicht benachbarten Drähten,
die das Feld auf Massepotential bringen. Für alle praktischen Zwecke sind
die Leiter, die durch 3–4
andere Leiter von einer möglichen Übersprechquelle
getrennt sind, vollständig
gegenüber
diesem Übersprechen
bei nützlichen
Frequenzen isoliert. Ferner dient die mittlere Leiterabschirmung 34 und
die äußere Abschirmung 46 als
Teil der Isolierungsstruktur.
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Diese
Prinzipien wurden als Beispiele verwendet, um den elektrischen Kabelaufbau 20 zu
entwerfen, der in einem In-Flight-Entertainment(IFE)-System basierend
auf dem elektrischen Kabel 22 von 2 benutzt
wird. Bei diesem Entwurf trägt
die spiralförmige
Leiterstruktur 38a, 115 Volt Wechselspannung;
die spiralförmige
Leiterstruktur 38b 115 Volt Wechselspannung zurück (neutral);
die spiralförmige
Leiterstruktur 38c ist Datenauswahl, die unempfindlich
ist gegenüber
der Wechselspannung zurück
in der spiralförmigen
Leiterstruktur 38b, ist unempfindlich gegenüber dem
Signal (als Nächstes
diskutiert) in der spiralförmigen
Leiterstruktur 38d und beeinflusst nicht negativ die Signale
in den spiralförmigen
Leiterstrukturen 38b und 38d; die spiralförmige Leiterstruktur 38d ist
der Datenbus 1 LO; die spiralförmige
Leiterstruktur 38e ist Datenbus 1 HI; die spiralförmige Leiterstruktur 38f ist
der geerdete Schutzdraht, um die Signale in den spiralförmigen Leiterstrukturen 38e und 38g zu
trennen; die spiralförmige
Leiterstruktur 38g ist der Datenbus 2 HI; die spiralförmige Leiterstruktur 38h ist
der Datenbus 2 LO, und die spiralförmige Leiterstruktur 38i ist
das geerdete Signal, das immun gegenüber Signalen ist, das in den
Datenbusleitern transportiert wird und ebenso gegenüber der
115 Volt-Spannung in der benachbarten spiralförmigen Leiterstruktur 38a,
und wird deren Betrieb nicht stören.
Das heißt,
die spiralförmige
Leiterstruktur 38i ist benachbart zu und kompatibel mit
der spiralförmigen
Leiterstruktur 38a angeordnet und vervollständigt die
Kreisanordnung der spiralförmigen
Leiterstruktur 38. Der mittlere Leiter 30 transportiert
das Videosignal in analoger oder digitaler Form.
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Diese
organisierte Konfiguration des IFE-Kabels wird als Beispiel dargestellt
und soll die Erfindung nicht begrenzen. Andere Mehrleiteranwendungen,
die Signale mit anderen Leistungspegeln und Frequenzen transportieren,
werden andere Konfigurationen entsprechend den Organisationsregeln
aufweisen, die zuvor erläutert wurden,
oder anderen Organisationsregeln, die entwickelt werden können und/oder
speziell auf die Anwendungen angewendet werden können. Beispielsweise erhöhen sehr
hohe Frequenzen und schnelle Anstiegszeiten in den Signalen, die
von einem Leiter übertragen
werden, die möglichen
negativen Auswirkungen auf benachbarte Leiter. Zusätzlich können andere
Konfigurationen zwei oder mehr übereinander
liegende Lagen spiralförmiger
Leiterstrukturen haben. Diese Lagen würden alternativ links, dann
rechts spiralförmig
verlaufen, um sowohl eine hohe Konzentrizität und auch eine Flexibilität zu erhalten.
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Eine
andere Ausführungsform
des elektrischen Kabels 22 ist in 3 dargestellt.
Diese Ausführungsform
benutzt viele der gleichen Elemente und Merkmale wie zuvor diskutiert,
und diese Diskussion wird hier für
die erweiterte Anwendung mit aufgenommen. Die Diskussion von 3 wird
die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen von 2 und 3 hervorheben.
In 3 sind einige der anwendbaren Referenz- bzw. Bezugszeichen
weggelassen, um Verwirrung zu vermeiden.
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Die
Ausführungsform
von 3 weist spiralförmige Leiterstrukturen 38j, 38k, 38l, 38m, 38n, 38o, 38p, 38q und 38r auf.
Anders als die Ausführungsform
von 2, bei der alle spiralförmigen Leiterstrukturen 38 den
gleichen Durchmesser haben, besitzen in der Ausführungsform von 3 einige der
spiralförmigen
Leiterstrukturen 38 unterschiedliche Durchmesser. Die unterschiedlichen
Durchmesser werden bei einigen Anwendungen erwartet, beispielsweise,
wird eine spiralförmige
Leiterstruktur, die ein Leistungssignal transportiert, typischerweise einen
größer dimensionierten
spiralförmigen
Leiter benötigen
als eine spiralförmige
Leiterstruktur, die ein Niederspannungssteuerungssignal transportiert. Allerdings
bleibt durch geschickte Anordnung der spiralförmigen Leiterstrukturen 38,
so dass die größeren zusammen
auf einer Seite des elektrischen Kabels 22 gruppiert werden
und die kleineren spiralförmigen Leiterstrukturen 38 auf
der anderen Seite des elektrischen Kabels gruppiert werden, das
elektrische Kabel 22 im Wesentlichen kreisförmig, wenn
man es im Querschnitt betrachtet, und besitzt einen kleineren Durchmesser
als ein Kabel, bei dem alle die gleichen spiralförmigen Leiterstrukturen haben.
Ein Aufrecht erhalten des im Allgemeinen kreisförmigen Querschnitts ist höchst wünschenswert,
um die Flexibilität in
orthogonaler Richtung zu dem elektrischen Kabel aufrechtzuerhalten.
Dieser Anordnungstyp der Leiterstrukturen verschiedener unterschiedlicher
Größen kann
nicht teilweise hergestellt werden, indem flache bandförmige Strukturen
verwendet werden.
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Falls
die Kabelanordnung vorgibt, dass es unzureichend viele spiralförmige Leiterstrukturen 38 gibt,
um den gesamten Raum auszufüllen,
der in dieser Anordnung benötigt
wird, können
die spiralförmigen
Abstandsstrukturen 52 des benötigten Durchmessers benachbart
zu den spiralförmigen
Leiterstrukturen 38 an den passenden Orten positioniert werden.
Die spiralförmige
Abstandsstruktur 52 ist ein längliches elektrisch nicht leitendes
Material. Die spiralförmige
Abstandsstruktur 52 kann aus jedem nichtleitenden Material
sein, das spiralförmig
gewickelt werden kann in einer Weise, die vergleichbar ist mit der
der spiralförmigen
Leiterstrukturen 38. In gemischten Kabelsystemen, bei denen
zumindest einige der Elemente des Kabels optische Leiter sind, wie beispielsweise
optische Fasern, die gegenüber
elektrischen Übersprechinterferenzen
nicht anfällig
sind und keine elektrischen Übersprechinterferenzen
erzeugen, können
diese als spiralförmige
Abstandstruktur 52 verwendet werden. Eine spiralförmige Abstandsstruktur 54 kann
zwischen zwei spiralförmigen Leiterstrukturen 38 (als
spiralförmige
Leiterstrukturen 38p und 38Q dargestellt) Seite
an Seite für
elektrische Isolationszwecke liegen. In jedem Fall ist die spiralförmige Abstandsstruktur 52 oder 54 um
die mittlere Kernstruktur 28 gewickelt in der gleichen Weise,
wie zuvor für
die spiralförmigen
Leiterstrukturen 38 beschrieben, mit der Ausnahme, dass
die spiralförmige
Abstandsstruktur tatsächlich
eine der spiralförmigen
Leiterstrukturen mit einem elektrisch nicht leitenden Material ersetzt.
Spiralförmige
Abstandsstrukturen können
auch bei der Ausführungsform
von 2 benutzt werden.
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In
einem typischen Fall eines elektrischen Kabels 22 mit dem
Durchmesser von etwa 0,35 Inch (1 Inch = 25,4 mm) umfasst der mittlere
Leiter 30 mittlere Leiterdrähte 36, die aus einem
silberplattierten Kupfer bestehen und jeweils einen Durchmesser
von 0,008 Inch bei einem Gesamtdurchmesser des mittleren Leiters 30 von etwa
0,04 Inch (20 AWG) haben. Die mittlere Leiterisolation 32 ist
aus einem Fluorpolymer mit einem Außendurchmesser von etwa 0,1 Inch.
Die mittlere Leiterabschirmung 34 ist ein silberplattiertes
Kupfer mit einem Außendurchmesser
von etwa 0,12 Inch. Der mittlere Leiteraufbau 28 hat einen
Außendurchmesser
von etwa 0,132 Inch. Bei der Ausführungsform in 2 gibt
es neun spiralförmige Leiterstrukturen 38 mit
dem gleichen Durchmesser. Der spiralförmige Leiter 40 besteht
aus spiralförmigen
Leiterdrähten 42,
die aus einem zinnplattierten Kupfer hergestellt sind und jeweils
einen Durchmesser von etwa 0,010 Inch (30a WG) haben bei einem Gesamtdurchmesser
des spiralförmigen
Leiters 40 von etwa 0,05 Inch (18 AWG). Die spiralförmige Leiterisolierung 44 ist
ein Fluorpolymer mit einer Dicke von 0,008 Inch. Die äußere Abschirmung 46 ist
zinnplattiertes Kupfer mit einem äußeren Durchmesser von etwa
0,29 Inch. Die äußere Isolierung 48 ist
ein Fluorpolymer mit einem äußeren Durchmesser
von etwa 0,35 Inch. Die äußeren Isolierungslagen
sind auch vorzugsweise aus einem Fluorpolymer, wie beispielsweise
Polytetrafluorethylen. Die spiralförmigen Abstandsstrukturen 52 und 54 sind
aus einem Fluorpolymer mit dem erforderlichen Durchmesser.
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4 zeigt
einen Lösungsweg
zur Herstellung eines elektrischen Kabels 22 und einem
elektrischen Kabelaufbau 20. Der mittlere Leiteraufbau 28 wird
vorbereitet und bereitgestellt, Bezugszeichen 70. Die spiralförmigen Leiterstrukturen 38 werden vorbereitet
und bereitgestellt, Bezugszeichen 72. Die spiralförmigen Abstandsstrukturen 52, 54 werden ebenfalls
bereitgestellt. Jede der spiralförmigen
Leiterstrukturen 38 hat eine zugewiesene Kennung. Die Umfangsanordnung
der spiralförmigen
Leiterstrukturen 38 (oder spiralförmigen Abstandsstruktur 52, 54) wird
abhängig
von ihrer zugeordneten Kennung und abhängig von den zugeordneten Kennungen
jedes Paars von in Umfangsrichtung benachbarten spiralförmigen Leiterstrukturen
ausgewählt,
Bezugszeichen 74, in dem die zuvor erläuterten Techniken benutzt werden.
Die spiralförmigen
Leiterstrukturen 38 (und die spiralförmigen Abstandsstrukturen 52, 54, wo
eingesetzt) werden spiralförmig
um den mittleren Leiteraufbau 28 gewickelt, Bezugszeichen 76.
Die äußere Isolierung 45 wird
aufgebracht. Die äußere Abschirmung 46 wird über die
gewickelte Struktur gesetzt, Bezugszeichen 78, und die äußere Isolierung 48 wird über die äußere Abschirmung 46 gesetzt. Das
elektrische Kabel 22 ist fertig. Wo elektrische Verbinder 26 verwendet
werden, werden alle Verbinder bzw. Stecker angebracht, Bezugszeichen 82,
typischerweise indem die Drähte
des elektrischen Kabels mit den Steckerelementen (beispielsweise
Stifte) des Steckers/der Stecker 26 angebracht werden.
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Obgleich
eine bestimmte Ausführungsform der
Erfindung im Detail zum Zwecke der Erläuterung beschrieben wurde,
können
verschiedene Modifikationen und Verbesserungen vorgenommen werden, ohne
den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Entsprechend soll die Erfindung
auf die angehängten Ansprüche beschränkt werden.