EA007750B1 - Провод для кабеля связи - Google Patents

Abstract

Настоящее изобретение относится к улучшенному изолированному проводнику с низкой диэлектрической постоянной и сниженной затратой исходных материалов. Проводник (12) проходит по продольной оси и окружен изоляцией (14, 14'). По меньшей мере один канал (16, 16') в изоляции (14, 14') проходит, в основном, по продольной оси, чтобы сформировать изолированный проводник. В изобретении также раскрыты устройства и способы производства улучшенных изолированных проводников.

Description

Перекрестная ссылка к родственной заявке

Настоящая заявка является частичным продолжением заявки США № 10/389,254, зарегистрированной 14 марта 2003 года, которая, в свою очередь, является частичным продолжением заявки США № 10/321,296, зарегистрированной 16 декабря 2002 года, которая, в свою очередь, является частичным продолжением заявки США № 10/253, 212, зарегистрированной 24 сентября 2002 года, и полный тест этих заявок включен здесь в качестве ссылки.

Область техники

Настоящее изобретение относится к улучшенному проводу и способам изготовления провода.

Предпосылки создания изобретения

Один из способов передачи данных и других сигналов состоит в использовании для этой цели витых пар. Витая пара включает по меньшей мере одну пару изолированных проводов, скрученных друг с другом, чтобы сформировать пару из двух проводников. Известно много способов упорядочивания и конфигурирования витых пар в различные высококачественные кабели связи. После того как витые пары сформированы в желательный сердечник, они, как правило, помещаются в пластиковую оболочку, которая поддерживает их конфигурацию и функционирует как защитный слой. Когда вместе скручено более одной группы витых пар, такая комбинация называется многопарным кабелем.

В кабельных конструкциях, в которых провода витых пар переплетены, в конфигурации кабеля могут присутствовать два различных, но интерактивных набора скруток. Во-первых, имеется скрутка проводов, которые составляют витую пару. Во-вторых, в каждом отдельном проводе витой пары имеются переплетенные жилы многожильного провода, которые образуют проводник. В сочетании оба набора скруток оказывают влияние на сигнал данных, передаваемый по витым парам.

При использовании многопарных кабелей сигналы, сформированные на одном конце кабеля, в идеале, должны прибыть на противоположный конец в одно и то же время, даже если они проходят по различным проводам витой пары. Измеренная в наносекундах разница во времени при передаче сигналов между витыми парами проводов в кабеле в ответ на сформированный сигнал обычно именуется как разница в задержке сигналов. Когда разница в задержке сигналов, переданных одной витой парой и другой парой, слишком велика, устройство, принимающее сигнал, не может должным образом собрать сигнал. Такая разница в задержке приводит к ошибкам в передаче или к потере данных.

Кроме того, поскольку скорость передачи данных в линии высокоскоростной передачи данных составляет значительную величину, проблемы разницы в задержке сигналов могут стать еще более заметными.

Даже если задержка сигнала должным образом скорректирована повторной сборкой, переданный сигнал из-за разницы во времени задержки сигнала может значительно снизить производительность линии передачи сигналов. Таким образом, поскольку в сетях связи используются все более сложные системы с целью увеличения скорости передачи данных, возникает потребность в повышении качества передачи данных. Такие системы с повышенной скоростью передачи требуют многопарных кабелей с более сильными сигналами и минимальной разницей в задержке.

Диэлектрическая постоянная (ДП) изоляции влияет на пропускную способность при передаче сигналов и на величины затухания провода. Иными словами, производительность передачи сигналов увеличивается с уменьшением ДП, и затухание уменьшается с уменьшением ДП. Низкая ДП означает, что более сильный сигнал приходит быстрее и с меньшими искажениями. Таким образом, провод с низкой ДП (приближающийся к единице) предпочтительно всегда пропускается по изолированному проводу с более высокой ДП, т.е. больше двух.

В случае применения витой пары, диэлектрическая постоянная изоляции влияет на разницу в задержке сигналов, передаваемых по витой паре. Общепринятая разница в задержке согласно правилам ΕΙΑ/ΤΙΑ 568-А-1 является такой, что оба сигнала должны прибыть с задержкой 45 наносекунд (нс) относительно друг друга на отрезке кабеля длиной 100 м. Такая величина разницы в задержке создает проблему, когда передаются сигналы высокой частоты (выше 100 МГц). На этих частотах разница в задержке менее 20 нс считается удовлетворительной и должна быть практически достигнута.

Кроме того, раньше единственный способ повлиять на разницу в задержке в конкретной витой паре или многопарном кабеле состоял в выборе длины проложенного кабеля или в степени скручивания изолированных проводов. Это, в свою очередь, требовало перерасчета изолированного провода, включая изменение диаметра провода и толщины изоляции для поддержания подходящих электрических свойств, т.е. полного сопротивления и затухания. Одна попытка улучшения изолированного провода включала использование ребер на внешней поверхности изоляции или каналов в изоляции, но в непосредственной близости от внешней поверхности изоляции. Однако ребристая изоляция практически была малопригодна, поскольку было трудно, если не невозможно, делать изоляцию с особыми поверхностными характеристиками.

Благодаря характеру используемого изоляционного материала и специфике используемого процесса внешние поверхности становятся нечеткими и плохо сформированными. Вместо ребер с острыми краями, ребра заканчиваются как бы округленными кромками. Такое округление является результатом использования материалов, которые не держат свою форму при формировании в экструзионной матрице. Сразу после выхода из матрицы изоляционный материал имеет тенденцию к волнистости и расширению.

- 1 007750

Эти волны заполняют пространства между ребрами.

Изолированные провода с ребристой изоляцией также приводят к тому, что изготовленные из них кабели имеют низкие электрические свойства. При их использовании промежутки между ребрами могут быть заполнены грязью и водой.

Эти загрязнители отрицательно влияют на ДП изолированного провода, потому что загрязнители имеют диэлектрические постоянные, которые изменяются в широких пределах и, как правило, намного выше, чем такой параметр для изоляционного материала. Изменение ДП загрязнителей приводит к тому, что величина ДП всего изолированного провода изменяется по его длине, что, в свою очередь, отрицательно влияет на скорость передачи сигнала. Аналогичным образом, загрязнители с высокой ДП повышают общую ДП изоляции, что также отрицательно влияет на скорость передачи сигнала.

Изолированные провода с ребристой и желобчатой изоляцией также приводят к производству кабеля с плохими физическими свойствами, которые, в свою очередь, обусловливают низкие электрические свойства.

Из-за ограниченного количества материала около внешней поверхности известной ребристой и желобчатой изоляции такие изолированные провода имеют неудовлетворительную прочность на раздавливание; настолько низкую, что изолированные провода даже не могут быть намотаны на барабан без повреждения ребер и каналов изоляции. С практической стороны это недопустимо, потому что это делает изготовление, хранение и прокладку такого изолированного провода почти невозможными.

Удары по ребрам и каналам или иное физическое воздействие на изоляцию изменяет форму этих элементов. Это отрицательно влияет на ДП изоляции. Один тип механического напряжения является неизбежным, и он заключается в скручивании пары изолированных проводов. Этого вида скручивающего напряжения нельзя избежать при производстве кабелей.

Таким образом, само создание витой пары должно идти на компромисс с электрическими свойствами этих изолированных проводов.

Другая проблемная область в отношении провода и кабеля заключается в обеспечении их огнестойкости. Национальная Ассоциация По Противопожарной Безопасности (ΝΡΡΑ) устанавливает стандарты на то, в какой степени огнеопасны материалы, используемые в жилых и коммерческих зданиях. В связанных с этим испытаниях, в основном, измеряются количество выделенного дыма, плотность дыма, скорость распространения огня и/или количества тепла, выделяемого при горении изолированных проводов. Успешное завершение этих испытаний состоит в создании кабеля, который считается безопасным в свете современных правил. Поскольку потребители предъявляют все большие требования в отношении противопожарной безопасности, успешное завершение таких испытаний будет также содействовать росту продаж.

Известные материалы для использования в изоляции проводов, типа фторполимеров, обеспечивают нужные электрические свойства, типа низкой диэлектрической постоянной. Однако фторполимеры сравнительно дороги. Другие составы менее дороги, но не сводят ДП к минимуму, и, таким образом, разница в задержке достигает той же величины, что при фторполимерах. Кроме того, нефторированные полимеры огнеопасны и выделяют дым с большей интенсивностью, чем фторполимеры, и, таким образом, представляют собой менее желательный материал для использования в производстве проводов.

Таким образом, возникает потребность в проводе, который свободен от недостатков известной области техники, чтобы эффективно свести к минимуму разницу в задержке прохождения сигналов и обеспечить высокую скорость передачи, при этом провод не должен выделять дыма при горении и обеспечить рентабельность производства.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - перспективный вид провода, частично в разрезе, согласно настоящему изобретению.

Фиг. 2 - поперечный разрез провода согласно настоящему изобретению.

Фиг. 3 - поперечное сечение другого провода согласно настоящему изобретению.

Фиг. 4 - перспективное изображение экструзионного наконечника для производства провода согласно настоящему изобретению.

Фиг. 5 - перспективное изображение другого экструзионного наконечника для производства провода согласно настоящему изобретению.

Фиг. 6 - поперечный разрез провода с канализированной оболочкой согласно настоящему изобретению.

Фиг. 7 - поперечный разрез провода с гофрированным проводником согласно настоящему изобретению.

Фиг. 8 - поперечное сечение витой пары проводов.

Описание предпочтительного варианта

Провод по настоящему изобретению рассчитан так, что он имеет минимальную диэлектрическую постоянную (ДП). Минимальная ДП дает существенные преимущества в отношении электрических свойств провода. Скорость передачи сигналов увеличена, в то время как затухание сигнала снижено. Кроме того, разница в задержке прохождения сигналов по витой паре сведена к минимуму. Минимальная диэлектрическая постоянная достигнута благодаря использованию улучшенного изолированного провода или изолированного сердечника, как описано ниже.

Провод 10 по настоящему изобретению имеет проводник 12, окруженный первичной изоляцией 14,

- 2 007750 как показано на фиг. 1. Изоляция 14 включает по меньшей мере один канал 16, который проходит по длине проводн ика. Вокруг проводника 12 может быть расположено множество каналов. Каналы отделены друг от друга выступами или участками изоляции 18. Отдельные провода 10 могут быть скручены вместе, чтобы сформировать витую пару, как показано на фиг. 8. Витые пары, в свою очередь, могут быть скручены для формирования многопарного кабеля.

В кабеле может быть использовано любое число витых пар. Альтернативно, коаксиальные, волоконно-оптические или другие виды кабелей могут быть снабжены канализированной изоляцией. Провод 10 может иметь внешнюю оболочку 20. Точно так же, внешняя оболочка может охватывать витую пару или кабель. Может быть использована дополнительная изоляция без каналов либо вокруг проводника, либо в других местах провода. Кроме того, в витых парах или в кабелях может быть использовано экранирование.

Поперечное сечение одного провода как варианта настоящего изобретения показано на фиг. 2. Провод 10 включает проводник 12, окруженный изоляцией 14. Изоляция 14 имеет множество каналов 16, расположенных по окружности проводника 12 и отделенных друг от друга выступами 18. Каналы 16 могут иметь одну сторону, в контакте с внешней поверхностью 19 проводника 12. Каналы 16 этого варианта, в основном, имеют прямоугольное поперечное сечение.

Поперечное сечение другого варианта настоящего изобретения показано на фиг. 3.

Изоляция 14' включает множество каналов 16', которые отличаются по форме от каналов 16 предыдущего варианта. Конкретно, каналы 16' имеют криволинейные стенки с плоским верхом. Подобно предыдущему варианту, каналы 16' расположены вокруг проводника 12 и разделены выступами 18'. Также в этом варианте изоляция 14' может включать второе множество каналов 22. Второе множество каналов 22 может быть окружено со всех сторон изоляцией 14'. Каналы 16' и 22 предпочтительно используются в сочетании друг с другом.

Канализированная изоляция защищает как сам проводник, так и сигнал, передаваемый по нему. Состав изоляции 14, 14' является важным фактором, поскольку ДП выбранной изоляции будет влиять на электрические свойства всего провода 10, Изоляция 14, 14' предпочтительно состоит из экструдированного полимера, который имеет множество каналов 16, 16', разделенных промежуточными выступами 18, 18' изоляции. Каналы 22 также предпочтительно изготовлены из слоя экструдированного полимера.

Изоляция 14, 14' может состоять из любого из обычных полимеров, используемых в проводной и кабельной промышленности, например из полиолефина или фторполимера.

Некоторые используемые для этой цели полиолефины включают полиэтилен и полипропилен. Однако, когда кабель должен быть размещен в служебном помещении, где требуются хорошая огнестойкость и малое выделение дыма, может оказаться желательным использовать фторполимер как изоляцию для одного или нескольких проводников, включенных в витую пару или кабель. Хотя можно использовать пенополимеры, твердый полимер предпочтительнее в силу лучших физических свойств и снятия необходимости использовать пенообразователь.

Кроме того, фторполимеры предпочтительнее, когда требуются высокие физические свойства, типа предела прочности или удлинения, или когда нужны хорошие электрические свойства, типа низкой ДП или малого затухания. Кроме того, фторполимеры увеличивают прочность на раздавливание изолированного провода при использовании изоляции, которая является стойкой к воздействию загрязнителей, включая воду.

Столь же важным, как химический состав изоляции 14, 14', являются структурные особенности изоляции 14, 14'. Каналы 16, 16' и 22 в изоляции, в основном, имеют такую структуру, в которой длина канала больше его ширины, глубины или диаметра. Каналы 16, 16' и 22 выполнены таким образом, что они создают поры в изоляции, которая проходит от одного конца проводника до другого его конца. Каналы 16, 16' и 22 предпочтительно параллельны оси, определяемой проводником 12.

В каналах предпочтительно используется воздух, однако, могут быть использованы и другие материалы. Например, могут быть использованы другие газы, как и другие полимеры. Каналы 16, 16' и 22 отличаются от других типов изоляции тем, что они могут содержать воздух. Например, канализированная изоляция отличается от пенной изоляции, которая имеет замкнутые воздушные ячейки в изоляции. Изоляция по настоящему изобретению также отличается от других типов изоляции, которая охватывает проводник и формирует воздушные пузырьки по длине провода, подобно четкам на шнурке.

Независимо от того, какой материал выбран для включения в каналы, он предпочтительно должен иметь ДП, отличную от ДП окружающей изоляции.

Предпочтительно, чтобы участки или выступы 18, 18' изоляции 14, 14' примыкали к внешней поверхности 19 проводника 12. Таким образом, внешняя поверхность 19 проводника 12 формирует одну поверхность канала, как показано на фиг. 1-3. На высоких частотах сигнал распространяется по поверхности проводника 12. Это называется «скин-эффектом». При наличии воздуха у поверхности проводника 12 сигнал может проходить через материал, который имеет ДП порядка единицы, т. е. воздух. Таким образом, площадь, которую выступы 18, 18' изоляции 14, 14' занимают на внешней поверхности 19 проводника 12, предпочтительно должна быть сведена к минимуму.

Может оказаться желательньм увеличить до максимума поперечное сечение каналов 16, 16' и, сле

- 3 007750 довательно, свести к минимуму размер участков 18, 18', используемых в изоляции 14, 14'.

Точно так же, форма каналов 16, 16' может быть выбрана с расчетом минимальной площади контакта участков 18, 18' с проводником 12 и увеличения прочности каналов.

Хороший пример максимального увеличения площади поперечного сечения и уменьшения занятой области представлен на фиг. 3, где используются каналы 16' с криволинейными стенками.

Стенки изгибаются таким образом, что каналы имеют почти трапецеидальную форму. Трапецеидальные каналы 16' имеют большую площадь поперечного сечения, чем, в основном, прямоугольные каналы 16.

Кроме того, криволинейные стенки соседних каналов взаимодействуют, чтобы свести к минимуму размер участка 18', который граничит с внешней поверхностью периферийного устройства 19 проводника 12.

При этом площадь, которую участки 18, 18' изоляции 14 занимают на внешней поверхности 19 проводника 12, может быть сведена к минимуму, сокращая количество используемых каналов 16, 16'. Например, вместо этих шести каналов 16, 16', показанных на фиг. 2-3, могут быть использованы четыре или пять каналов.

Предпочтительно, чтобы площадь, занятая участками 18, 18' на внешней поверхности 19 проводника 12, была меньше приблизительно на 75% площади с выступами, которые занимают меньше чем приблизительно 50%. Изоляция с выступами, которые занимают приблизительно 35% области внешней поверхности, наиболее предпочтительна, хотя подходит и площадь всего 15%. Таким образом, площадь внешней поверхности, где сигнал может проходить через воздух, имеет максимальную величину. Альтернативно, сведя к минимуму площадь, занятую выступами, можно увеличить скин-эффект.

Хорошим примером увеличения прочности благодаря форме канала является использование дуги. Дуга имеет присущую ей прочность, которая повышает сопротивление изолированного провода на раздавливание, как обсуждено ниже более подробно. Дугообразные каналы могут также иметь экономическую выгоду. Например, поскольку изоляция более прочная, можно затратить меньшее количество изоляционного материала, чтобы достичь необходимого сопротивления механическому воздействию. Каналы могут иметь другую форму, которая увеличивает прочность каналов.

Каналы 22 также сводят к минимуму общую ДП изоляции 14' путем включения воздуха в изоляцию 14'. Кроме того, каналы 22 могут использоваться без угрозы физической целостности провода 10.

Площадь поперечного сечения каналов должна быть выбрана с расчетом обеспечения физической целостности провода. При этом предпочтительно, чтобы любой канал не имел площади поперечного сечения приблизительно на 30% больше площади поперечного сечения изоляции.

Благодаря использованию провода 10 с канализированной изоляцией 14, 14' в витой паре или в многопарных кабелях может быть достигнута разница в задержке менее 20 нс, при этом предпочтительная разница в задержке составляет 15 нс. Разница в задержке всего 5 нс может быть достигнута, если подобрать и другие параметры, например длину канала и размер проводника, чтобы свести к минимуму разницу в задержке прохождения сигнала.

Точно так же, снижение диэлектрической постоянной изоляции 14, 14' выгодно, когда это относится к оболочке кабеля. Как правило, в кабелях с внешней оболочкой используется огнестойкий полихлорвинил (ПХВ). ПХВ имеет относительно высокую ДП, что отрицательно влияет на полное сопротивление и величину затухания кабеля с оболочкой, но зато такая оболочка является недорогой.

Изоляция 14, 14' с малой ДП помогает снизить отрицательные эффекты оболочки ПХВ. Фактически, кабель в оболочке может иметь величины полного сопротивления и затухания, характерные для кабеля без оболочки.

Фактически, низкая ДП, обеспечиваемая изоляцией 14, 14', увеличивает скорость передачи сигнала по проводнику, что, в свою очередь, увеличивает производительность линии связи. Получена скорость передачи сигналов на 100 м витой пары, равная по меньшей мере 450 нс, и возможны скорости передачи сигналов порядка 400 нс. Однако при увеличении скорости сигнала необходимо свести к минимуму разницу в задержке, чтобы предотвратить появление ошибок в передаче данных.

Кроме того, поскольку ДП канализированной изоляции пропорциональна площади поперечного сечения каналов, скорость сигнала в витой паре также пропорциональна площади поперечного сечения каналов и, таким образом, может легко корректироваться. Длина прокладки кабеля, диаметр проводника и толщина изоляции не должны изменяться. Скорее, площадь поперечного сечения каналов может регулироваться, чтобы получить желательную скорость полезного сигнала в балансе с другими физическими и электрическими свойствами витой пары. Это особенно важно для многопарного кабеля. Разница в задержке времени прохождения сигнала для кабеля может рассматриваться как разница в скорости сигнала между самой быстрой витой парой и самой медленной витой парой. Увеличивая площадь поперечного сечения каналов в изоляции самой медленной витой пары, можно увеличить скорость прохождения сигнала в этой паре и, таким образом, приблизиться к скорости прохождения сигнала в самой быстрой витой паре. Чем ближе эти величины, тем меньше разница в задержке.

По сравнению с изоляцией без каналов, канализированная изоляция имеет меньший коэффициент рассеяния. Коэффициент рассеяния отражает количество энергии, которая поглощена изоляцией по дли- 4 007750 не провода, и определяет скорость прохождения сигнала и прочность изоляции. Увеличение коэффициента рассеяния уменьшает скорость передачи сигнала и снижает прочность. Скин-эффект - это физическое явление, означающее, что сигнал проходит по проводу вблизи его поверхности. Это также имеет место там, где коэффициент рассеяния изоляции минимальный, так что скорость прохождения сигнала здесь самая высокая. По мере увеличения расстояния от проводника коэффициент рассеяния увеличивается, и скорость прохождения сигнала начинает замедляться. В изолированном проводе без каналов разница в коэффициенте рассеяния является номинальной. При увеличении числа каналов в изоляции коэффициент рассеяния изоляции резко снижается из-за низкой ДП среды, через которую проходит сигнал. Таким образом, объединение каналов создает ситуацию, при которой скорость прохождения сигнала в каналах значительно различается, т.е. она выше, чем скорость прохождения сигнала в остальной части изолированного провода. Фактически, изолированный провод имеет две различные скорости прохождения сигнала, когда скорости сигнала могут отличиться более чем на 10%.

Размещение каналов 16, 16' вблизи внешней поверхности 19 проводника 12 также не ставит под угрозу физические характеристики изолированного провода, который сохраняет электрические свойства изолированного проводника.

Если внешняя поверхность изолированного провода не повреждена, загрязнителям нет доступа в каналы. В результате диэлектрическая постоянная изоляции не изменяется по длине кабеля и загрязнители не оказывают влияния на эту постоянную.

Размещение каналов вблизи проводника не создает угрозы снижения прочности на раздавливание изолированного провода. Иначе говоря, в силу достаточной толщины изоляцию каналов не так легко разрушить. Кроме того, изоляция предотвращает искажение формы каналов, когда к изолированному проводу прикладывается скручивающее усилие. Следовательно, нормальные действия, такие как изготовление, хранение и прокладка, не оказывают неблагоприятного влияния на электрические свойства изолированного провода по настоящему изобретению.

Помимо оказания желательного эффекта на электрические свойства провода 10, изоляция 14, 14' имеет экономический эффект, поскольку она обладает огнестойкими свойствами. Каналы 16, 16' и 22 в изоляции 14, 14' снижают стоимость материалов при производстве провода 10.

Количество изоляционного материала, используемого для изоляции 14, 14', значительно меньше по сравнению с изоляцией без каналов, а стоимость газа-наполнителя можно не учитывать. Отметим, что из расчетного количества исходного материала можно получить изоляцию 14, 14' большей длины по сравнению с изоляцией без каналов.

Число и площадь поперечного сечения каналов 16, 16' и 22, в конечном счете, определяют материальные затраты.

Сокращение количества материала, используемого в изоляции 14, 14', также снижает так называемое топливное качество изоляции провода 10. Изоляция 14, 14' дает меньшее количество побочных продуктов разложения в силу сравнительно меньшего количества изоляционного материала на единицу длины. Со снижением топливного качества количество выделяемого дыма, и скорость распространения огня, и количество тепла, генерируемого при горении, значительно снижаются, и вероятность прохождения теста на правила противопожарной безопасности, выработанные Национальной Ассоциацией По Противопожарной Безопасности (ΝΕΡΑ), стандарты 255, 259 и 262, значительно увеличивается. Сравнение количества выделенного дыма и скорости распространения огня может быть сделано путем предоставления провода в Лабораторию Страховщиков (ЦЕ) ЦЕ910 для испытания на горение в туннеле. Испытание на горение в туннеле служит как основа для стандарта ΝΕΡΑ 255 и 262.

В любом случае, провод с канализированной изоляцией, в которой каналы содержат воздух, произведет по меньшей мере на 10% меньше дыма, чем провод с изоляцией без каналов. Аналогичным образом, скорость распространения огня в канализированной изоляции будет, по меньшей мере, меньше на 10%, чем таковая в изоляции без каналов.

Предпочтительный вариант настоящего изобретения представляет собой провод 10 с изоляцией 14, 14' из фторполимеров, где изоляция имеет толщину менее 0,010 дюйма, тогда как изолированный провод имеет диаметр меньше чем приблизительно 0,042 дюйма. Точно так же, общая ДП провода составляет предпочтительно менее 2,0, тогда как каналы имеют поперечное сечение по меньшей мере 2,0х10^-5 кв.дюймов.

Предпочтительный вариант был подвергнут ряду испытаний. При испытании на воздействие водой отрезок провода с канализированной изоляцией был помещен в воду, нагретую до 90°С, и выдерживался в воде в течение 30 дней. Даже при этих неблагоприятных условиях не было никаких признаков проникновения воды в каналы. В испытаниях на скручивание отрезок изолированного провода длиной 12 дюймов был скручен приблизительно на 180° по оси провода. Каналы сохранили более 95% своей нескрученной площади поперечного сечения. Аналогичные результаты были получены, когда два изолированных провода были скручены вместе. В испытании на сопротивление раздавливанию диэлектрическая постоянная отрезка провода с канализированной изоляцией была измерена до и после приложения усилия раздавливания. Диэлектрическая постоянная изолированного провода до и после приложения усилия различалась менее чем на 0,01.

Хотя изоляция, как правило, делается из материала одного цвета, могут оказаться желательными

- 5 007750 многоцветные материалы. Например, в изоляцию может быть включена полоса цветного материала. Цветная полоса, прежде всего, служит как визуальный индикатор с тем, чтобы можно было идентифицировать несколько изолированных проводов. Как правило, изоляционный материал однороден и имеет только разный цвет полос, хотя это не обязательно.

Предпочтительно полоса не смешивается с каналами.

Примерами некоторых приемлемых проводников 12 являются одножильные провода и несколько проводов, скрученных вместе. Провода 12 могут быть сделаны из меди, алюминия и стали с медным покрытием. Было найдено, что медь является оптимальным материалом для проводника. Кроме того, проводником может быть стеклянное или пластмассовое волокно, в частности волоконно-оптический кабель.

Провод может включать проводник 72, который имеет один или несколько каналов 74 на своей внешней поверхности 76, как показано на фиг. 7. В этом конкретном варианте изобретения канализированный провод 72 окружен изоляцией 78 для формирования изолированного канализированного проводника 80. Отдельные изолированные провода могут быть скручены вместе, формируя витую пару. Витые пары, в свою очередь, могут быть скручены вместе, чтобы создать многопарный кабель.

В кабеле может быть использовано любое число множественных витых пар.

Один или несколько каналов 74, в основном, проходят параллельно продольной оси провода, хотя это не является обязательным. Множеством каналов 74 составляют матрицу на внешней поверхности 76 проводника 72, создавая ряд ребер 82 и канавок 84 на проводнике.

Как показано на фиг. 7, канализированный проводник 72 может быть объединен с канализированной изоляцией 78, хотя это не обязательно. Выступы 86 канализированной изоляции 78 предпочтительно входят в контакт с канализированным проводником 72 в ребрах 82.

Это выравнивание эффективно объединяет каналы 88 с изоляцией 78 и с каналами 74 проводника, создавая значительно больший канал. Большой канал может привести к синергетическому эффекту, который расширяет провод за пределы, обеспечиваемые отдельно канализированной изоляцией или канализированным проводником.

Канализированной проводник имеет два существенных преимущества по сравнению с гладким проводником.

Во-первых, площадь поверхности проводника увеличивается без увеличения общего диаметра проводника. Увеличенная площадь поверхности важна для скин-эффекта, когда сигнал проходит около внешней поверхности проводника. При увеличенной площади поверхности проводника сигнал может проходить по большей площади, тогда как размер проводника остается тем же самым. В отличие от гладкого проводника, по канализированному проводнику могут проходить несколько сигналов. Кроме того, канализированный проводник имеет больше возможностей для передачи данных, чем гладкий проводник. Во-вторых, использование воздуха или другого материала с низкой ДП в каналах проводника снижает влияние ДП провода, включая канализированные проводники. Как обсуждено выше, при наличии канализированной изоляции общая низкая ДП провода выгодна по нескольким причинам, включая увеличенную скорость передачи сигнала, малое затухание и малую разницу в задержке. Кроме того, использование материала с низкой ДП, т.е. воздуха, в каналах проводника также увеличивает скин-эффект при прохождении сигнала. Это означает, что сигнал проходит быстрее и с меньшей величиной затухания. Вместе эти два преимущества канализированных проводников по сравнению с гладкими проводниками позволяют создать провод, который имеет большую емкость и высокую скорость прохождения сигнала.

Канализированные проводники также имеют другие явные преимущества по сравнению с гладкими проводниками, в частности меньшую стоимость материалов, поскольку из одного и того же количества исходного материала может быть изготовлено больше длин канального проводника по сравнению с гладким проводником. Количество и площадь поперечного сечения каналов, в конечном счете, определяют величину сокращения материальных затрат.

Внешняя оболочка 20 может быть сформирована по криволинейной поверхности пар проводов и может иметь экран из фольги, созданный любым обычным способом. Примеры некоторых обычных операций, которые могут быть использованы для формирования внешней оболочки, включают литье под давлением и экструзию.

Предпочтительно, чтобы оболочка состояла из пластмассы, типа фторполимеров, полихлорвинила (ПХВ) или эквивалента ПХВ, который является подходящим для использования в кабеле связи.

Как отмечено выше, провод по настоящему изобретению разработан с целью получить минимальную диэлектрическую постоянную (ДП). В дополнение к использованию канализированной изоляции и проводника, провод с минимальной ДП может быть получен благодаря использованию улучшенного изолированного сердечника. Подобно изоляции и проводнику, провод может включать внешнюю оболочку 50, которая имеет каналы 52, как показано на фиг. 6. В этом конкретном варианте изобретения канализированная оболочка 50 окружает основной элемент 54 и формирует изолированный сердечник 56. Элементом сердечника является по меньшей мере один изолированный проводник, как правило, элемент сердечника включает множество витых пар. Кроме того, элемент сердечника может включать любую комбинацию проводников, изоляции, экрана и сепараторов, как обсуждено выше. Например, на фиг. 6 показан изолированный сердечник 56 с четырьмя витыми парами 58, 60, 62 и 64, скрученными друг с

- 6 007750 другом и окруженными канализированной оболочкой 50.

В основном, приведенное выше обсуждение химических и структурных преимуществ канализированной изоляции относится также к канализированным оболочкам; то есть оболочка с низкой ДП желательна по тем же самым причинам, что и изоляция с низкой ДП. Низкая диэлектрическая постоянная оболочки придает проводу те же выгодные физические, электрические и передаточные свойства, что и свойства, придаваемые канализированной изоляции. Например, каналы в оболочке снижают общую диэлектрическую постоянную оболочки, что, в целом, увеличивает скорость передачи сигнала и уменьшает затухание для провода с оболочкой. Аналогичным образом, коэффициент рассеяния оболочки значительно уменьшается, увеличивая, таким образом, скорость передачи сигнала у элемента сердечника. Скорость прохождения сигнала на некотором расстоянии от сердечника не увеличивается в такой же степени, обеспечивая, таким образом, две различные скорости сигнала: внутреннюю скорость прохождения сигнала и внешнюю скорость прохождения сигнала. Разница в скорости прохождения сигнала может быть существенной: внутренняя скорость прохождения сигнала может быть более чем на 2% выше, чем внешняя скорость прохождения сигнала. Предпочтительно разница в скорости прохождения сигнала лежит в диапазоне 5-10% или более. Альтернативно, канализированная оболочка может иметь больше одной ДП, поскольку оболочка включает концентрические части, которые имеют различную диэлектрическую постоянную и, таким образом, различные скорости сигнала. В дополнение к различию в скорости, наблюдаемому в оболочке, разница в скорости прохождения сигнала может также наблюдаться между внутренними и внешними частями канализированной изоляции.

Коэффициент рассеяния оболочки или изоляции может быть отрегулирован при выборе составной плотности материалов для внутренней части и внешней части. Как предлагает само это название, составная плотность представляет собой вес материала, или изоляции, или оболочки для данного объема материала. Материал с меньшей составной плотностью будет иметь меньший коэффициент рассеяния по сравнению с более высокой составной плотностью. Например, канализированная оболочка, в которой каналы содержат воздух, будет иметь гораздо меньшую составную плотность, чем оболочка без каналов. В канализированной оболочке основные части материала оболочки заменены более легким воздухом, что уменьшает, таким образом, составную плотность оболочки, что, в свою очередь, снижает коэффициент рассеяния оболочки. Различия в составной плотности могут быть достигнуты при использовании средств, иных, чем каналы в оболочке или изоляции.

Как и в случае с канализированной изоляцией, желательно максимально увеличить площадь поперечного сечения каналов в оболочке и свести к минимуму площадь выступов оболочки, занимаемую на элементе сердечника, постоянно поддерживая физическую целостность провода. Огнестойкость и экономические преимущества также, в основном, больше присущи канализированным оболочкам по сравнению с оболочками без каналов.

В проводе с предпочтительным балансом свойств канализированная оболочка содержит множество каналов, но ни один из каналов не имеет площадь поперечного сечения приблизительно на 30% больше площади поперечного сечения оболочки. Кроме того, предпочтительный канал имеет площадь поперечного сечения по меньшей мере 2,0х10^-5 кв.дюймов. Один полезный провод имеет диаметр изолированного сердечника меньше чем приблизительно 0,25 дюйма, тогда как предпочтительная толщина канализированной оболочки меньше чем приблизительно 0,030 дюйма.

В предпочтительном варианте настоящего изобретения провод включает один или несколько компонентов с каналами, так что провод включает канализированной проводник и канализированную изоляцию или канализированную оболочку. В наиболее предпочтительном варианте провод включает комбинацию канализированных компонентов, включая те варианты, где все три элемента - проводник, изоляция и оболочка - имеют каналы. Когда канализированные компоненты используются в сочетании, мы получаем провод, ДП которого значительно меньше, чем ДП провода без каналов примерно того же размера.

Настоящее изобретение также включает способы и устройства для производства проводов с канализированной изоляцией. Изоляция предпочтительно экструдирована на проводник с использованием обычных процессов экструдирования, хотя могут быть использованы и другие подходящие технологические процессы. В типичном устройстве экструдирования изоляции изоляционный материал перед экструзионной головкой находится в виде полужидкой пластмассы.

Устройство включает наконечник, который определяет внутренний диаметр и физические особенности экструдируемой изоляции. Устройство также включает матрицу, которая определяет внешний диаметр экструдированной изоляции. Наконечник и матрица помогают разместить изоляционный материал вокруг проводника. Комбинация известного наконечника и матрицы только обеспечивает изоляционный материал с относительно равномерной толщиной по поперечному сечению с наконечником, который является неправильным цилиндром. Целью использования комбинации известного наконечника и матрицы является обеспечение изоляции с равномерной и постоянной толщиной. В настоящем изобретении наконечник обеспечивает изоляцию с нужными внутренними физическими особенностями, в частности с каналами. С другой стороны, матрица обеспечивает изоляцию относительно постоянного внешнего диаметра. Вместе комбинация наконечника и матрицы по настоящему изобретению обеспечит изоляцию, которая может иметь различную толщину.

- 7 007750

Изоляция 14, показанная на фиг. 2, получена с помощью экструзионного наконечника 30, как изображено на фиг. 4. Наконечник 30 имеет отверстие 32, через которое подается проводник в течение процесса экструзии. Площадка 34 на наконечнике 30 включает множество канавок 36. В процессе экструзии наконечник 30 в сочетании с матрицей создает изоляцию 14, которая затем может быть наложена на проводник 12. Конкретно, в этом варианте канавки 36 на площадке 34 создают выступы 18 изоляции 14 таким образом, что выступы 18 входят в контакт с проводником 12 (или со слоем изоляции без каналов). Выступы 38 между канавками 36 на площадке 34 эффективно блокируют изоляционный материал, создавая, таким образом, каналы 16 в материале изоляции.

Изоляция 14', показанная на фиг. 3, получена с помощью экструзионного наконечника, показанного на фиг. 5. Наконечник 30' включает отверстие 32, через которое подается проводник в течение процесса экструзии. Подобно наконечнику на фиг. 4, площадка 34 наконечника 30' включает множество канавок 36', разделенных выступами 38'. В этом варианте канавки 36' вогнутые, тогда как выступы 38' имеют плоский торец. Вместе канавки 36' и выступы 38' на площадке 34 формируют выпуклые выступы 18' и плоские каналы 16' в изоляции. Кроме того, наконечник 30' включает множество штырьков 40, отделенных от площадки 34. Штырьки 40 действуют подобно выступам 38' и эффективно блокируют изоляционный материал, создавая, таким образом, длинные каналы 22, окруженные изоляцией 14', как показано на фиг. 3.

В дополнение к снижению стоимости, веса и размера и улучшению рабочих характеристик, провод 10 имеет другие преимущества. Провод по настоящему изобретению также имеет более высокое сопротивление нагреву по сравнению с проводом, известным из данной области техники. Провод обеспечивает высокие рабочие характеристики, когда используется либо в среде с высокой температурой, либо когда сам проводник при работе генерирует значительное количество тепла. Хотя это явление типично для большинства кабелей связи, оно приобретает особое значение для других типов проводов, например в случае проводки для двигателя внутреннего сгорания или для провода, через который проходят большие токи и который должен быть изолирован. Использование каналов, включающих газ типа воздуха, увеличивает теплоотдачу проводника, обеспечивая в то же время хорошую теплоотдачу в окружающую среду от всего провода.

Кроме того, дополнительные преимущества настоящего изобретения включают увеличенную гибкость, позволяя изгибать провода под любым углом без опасности механического повреждения провода. Кроме того, присутствие газонаполненных каналов, расположенных между изоляцией и проводником, даже облегчает зачистку концов провода. Изоляция может быть легко отделена от конца провода, когда провод должен быть, например, соединен с разъемом в соединительной коробке.

Хотя изобретение было описано и показано на чертежах применительно к отдельному варианту, следует понимать, что это описание является иллюстративным, а не ограничивающим, и что его объем определяется приведенной ниже формулой изобретения.

Claims (27)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Витая пара проводов, каждый из которых содержит проводник, проходящий по продольной оси, полимерную изоляцию, окружающую проводник, и по меньшей мере один первый канал (16, 16', 52, 88), проходящий, в основном, по продольной оси, для создания изолированного проводника, в котором внешняя поверхность проводника (12, 58, 60, 62, 64, 72) формирует одну сторону по меньшей мере одного первого канала, при этом указанный канал содержит газ.
2. 2. Витая пара проводов по п.1, в котором по меньшей мере часть первого канала имеет изоляцию.
3. 3. Витая пара проводов по п.1, в котором по меньшей мере часть первого канала находится в проводнике.
4. 4. Витая пара проводов по п.1, в котором периферийная внешняя поверхность проводника формирует одну сторону по меньшей мере одного первого канала.
5. 5. Витая пара проводов по п.1, в котором газ находится в контакте с проводником.
6. 6. Витая пара проводов по п.1, в котором газ имеет диэлектрическую постоянную, которая отличается от диэлектрической постоянной изоляции.
7. 7. Витая пара проводов по п.6, в котором по меньшей мере один первый канал содержит воздух.
8. 8. Витая пара проводов по п.1, в котором газ не входит в газовые поры закрытой ячейки.
9. 9. Витая пара проводов по п.1, в котором газ имеет диэлектрическую постоянную, равную приблизительно единице.
10. 10. Витая пара проводов по п.1, в котором изолированный проводник имеет общую диэлектрическую постоянную ниже чем приблизительно 2,0.
11. 11. Витая пара проводов по п.1, в котором изоляция включает множество первых каналов.
12. 12. Витая пара проводов по п.11, в котором ни один из множества первых каналов не имеет площади поперечного сечения больше, чем приблизительно 30% площади поперечного сечения изоляции.
13. 13. Витая пара проводов по п.1, в котором изоляция полностью окружает по меньшей мере один второй канал, отделенный по меньшей мере от одного первого канала.
14. 14. Витая пара проводов по п.1, дополнительно включающий внешнюю оболочку, окружающую

    - 8 007750 изоляцию.
15. 15. Витая пара проводов по п.1, в котором два изолированных проводника скручены вместе, чтобы сформировать витую пару.
16. 16. Витая пара проводов по п.1, в которых площадь поперечного сечения канала для первого провода витой пары отличается от площади поперечного сечения канала для второго провода витой пары, чтобы уменьшить разницу в задержке прохождения сигнала между ними.
17. 17. Витая пара проводов по п.16, в котором разница в задержке прохождения сигнала между изолированными проводниками не превышает 15 нс.
18. 18. Витая пара проводов по п.1, в котором проводник изготовлен из меди.
19. 19. Витая пара проводов по п.1, дополнительно содержащий вторичную изоляцию, расположенную между проводником и изоляцией, в котором периферийная внешняя поверхность вторичной изоляции формирует одну сторону по меньшей мере одного первого канала.
20. 20. Витая пара проводов по п.1, в котором форма по меньшей мере одного первого канала выбрана из группы, включающей прямоугольную, трапецеидальную и аркообразную.
21. 21. Витая пара изолированных проводников, каждый из которых имеет определенную длину и изоляцию, окружающую проводник и имеющую, в основном, ту же длину, что и проводник, в котором изоляция имеет по меньшей мере один первый канал, который проходит, в основном, по длине проводника, и в котором периферийная внешняя поверхность проводника формирует одну сторону по меньшей мере одного первого канала, при этом материал канала включает газ в контакте с проводником.
22. 22. Провод связи для передачи данных и других сигналов, включающий множество витых пар, каждая из витых пар имеет проводник, проходящий по продольной оси, изоляцию, окружающую проводник, и по меньшей мере один первый канал в изоляции, проходящий, в основном, по продольной оси, чтобы сформировать изолированный проводник, в котором периферийная внешняя поверхность проводника формирует одну сторону по меньшей мере одного первого канала, причем площадь поперечного сечения канала первой из витых пар отличается от площади поперечного сечения канала для второй из витых пар, чтобы уменьшить разницу в задержке прохождения сигнала между ними.
23. 23. Провод, содержащий компонент, проходящий по продольной оси и включающий по меньшей мере один первый канал, проходящий, в основном, по продольной оси, в котором компонент выбран из проводника, изоляции, оболочки или их комбинации, чтобы сформировать компонент с каналами, содержащими газ, и по меньшей мере один проводник с изоляцией, сформированной по продольной вокруг проводника для формирования изолированного проводника с каналами, а также изоляцию с каналами, оболочку с каналами или их комбинацию, причем содержащий каналы компонент состоит из изоляции, а периферийная внешняя поверхность проводника формирует одну сторону по меньшей мере одного первого канала.
24. 24. Провод по п.23, в котором содержащий каналы компонент включает по меньшей мере одну оболочку с каналами.
25. 25. Провод по п.24, дополнительно содержащий элемент сердечника, проходящий по продольной оси, в котором оболочка с каналами окружает элемент сердечника, чтобы сформировать изолированный сердечник.
26. 26. Провод по п.25, в котором элемент сердечника выбран из группы, состоящей из медного проводника, изолированного проводника, витой пары, изоляции, экрана, сепаратора и их комбинации.
27. 27. Провод по п.25, в котором элемент сердечника включает изоляцию с каналами, проводник с каналами или их комбинации.