EP2989641A1 - Hochgeschwindigkeitsdatenkabel - Google Patents

Hochgeschwindigkeitsdatenkabel

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EP2989641A1
EP2989641A1 EP14720520.7A EP14720520A EP2989641A1 EP 2989641 A1 EP2989641 A1 EP 2989641A1 EP 14720520 A EP14720520 A EP 14720520A EP 2989641 A1 EP2989641 A1 EP 2989641A1
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EP
European Patent Office
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speed data
data cable
conductors
wire
wires
Prior art date
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Application number
EP14720520.7A
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English (en)
French (fr)
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EP2989641B1 (de
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Conrad ZERNA
Hans Adel
Norbert SCHUHMANN
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Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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Publication of EP2989641A1 publication Critical patent/EP2989641A1/de
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Publication of EP2989641B1 publication Critical patent/EP2989641B1/de
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    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/30—Insulated conductors or cables characterised by their form with arrangements for reducing conductor losses when carrying alternating current, e.g. due to skin effect
    • H01B7/303—Conductors comprising interwire insulation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B11/00—Communication cables or conductors
    • H01B11/02—Cables with twisted pairs or quads
    • H01B11/04—Cables with twisted pairs or quads with pairs or quads mutually positioned to reduce cross-talk
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    • H01B11/18—Coaxial cables; Analogous cables having more than one inner conductor within a common outer conductor
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    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B3/00—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties
    • H01B3/18—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances
    • H01B3/30—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes
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    • H01B—CABLES; CONDUCTORS; INSULATORS; SELECTION OF MATERIALS FOR THEIR CONDUCTIVE, INSULATING OR DIELECTRIC PROPERTIES
    • H01B7/00—Insulated conductors or cables characterised by their form
    • H01B7/02—Disposition of insulation

Definitions

  • the present invention relates to a high-speed data cable.
  • Typical cables for data transmission are, for example, more or less rigid coaxial cables, in which an inner conductor is surrounded by a cylindrical outer conductor, and, on the other hand, more flexible, differential (symmetrical) cables, in which positive and negative conductors are laid parallel to one another.
  • the wires can be a solid single conductor or strands of several conductors. The wires are separated from each other by an insulating material. In a strand, the conductors can be loosely next to each other or twisted.
  • the differential pair may itself (with sheath) form a cable or form a cable with several other different pairs in a bundle.
  • the object of the present invention is to provide an improved high-speed data cable, which allows a high-rate (high-frequency) data transmission.
  • the core idea of the present invention is to have realized that it is possible to more efficiently enable high-frequency data transmission in a high-speed data cable, resulting in lower attenuation, especially at high frequencies.
  • the high-speed Data cable includes at least one wire pair, with a conductive shield surrounding the wires.
  • the conductive shielding results in an increased immunity to interference of the cable, which, inter alia, a faster data transmission is possible.
  • An insulating cable sheath encloses the conductive shielding and protects the cable against mechanical stress and corrosion.
  • Each of the wires comprises at least three electrical conductors insulated from one another, wherein the conductors are arranged to extend in an equidistant manner to a longitudinal central axis of the respective core.
  • the skin effect refers to the narrowing of the signal current in ever smaller space (near or at the conductor surface) at higher frequencies. Effectively, the conductor cross-section available for the current transport decreases or the ohmic resistance increases with increasing frequency. The skin effect thus leads to a high signal attenuation, especially at high frequencies.
  • FIG. 2 shows a cross section of an embodiment of a wire of a high-speed data cable
  • 3A is a perspective view of one embodiment of a high-speed data cable; 3B is another perspective view of an embodiment of a
  • Fig. 4 is a cross-sectional view of another embodiment of a wire of a high-speed data cable with insulator core
  • FIG. 5 shows a cross section of a further embodiment of a high-speed data cable
  • FIG. 6A A first schematic representation of a star-quad strand of a high-speed data cable
  • FIG. 6B A second schematic representation of a star-quad stranding of a high-speed data cable.
  • 6C A third schematic representation of a star-quad stranding of a high-speed data cable.
  • the cable 100 comprises at least one wire pair 102. It is exemplarily designed as a differential (symmetrical) cable in which the two wires 104a, 104b of the wire pair 102 are parallel to each other in an axial direction.
  • the two cores 104a, 104b of the wire pair 102 have a differential push-pull Impedance and a common mode impedance.
  • the transmission of a useful signal takes place in that the difference between the two wires 104a, 104b represents the useful signal.
  • transmission takes place by means of a useful signal whose value changes with respect to a reference potential (ground).
  • the useful signal may have a voltage potential and / or a current strength.
  • the useful signal especially in the high frequency range, less prone to interference on a transmission link.
  • disturbances interfere more easily, because eg the screen attenuation decreases.
  • Asymmetric cables can not compensate for this.
  • the coupling of interference in practice is still reduced by the earth unbalance attenuation.
  • Earth imbalance damping indicates the deviation from the theoretically ideal equality of the positive and negative wires.
  • the disturbing influences for example due to capacitive or inductive couplings on the transmission path, are approximately equal in the case of the symmetrical signal transmission on both cores 104a, 104b, so that the disturbance almost disappears during the subtraction of the two signals of the cores 104a, 104b.
  • a conductive shield 108 longitudinally surrounds the wires 104a, 104b and forms a Faraday cage around the wires 104a, 104b.
  • the wires 104a, 104b may each be surrounded in pairs by a common conductive shield 108. Alternatively, an individual shield per vein or a plurality of veins would be possible together. Due to the Faraday cage, the cores 04a, 104b are protected against external alternating electromagnetic fields. That capacitive or inductive couplings of interference to the cable 100 are prevented or at least reduced.
  • the Faraday cage of the shielding 108 prevents the cores 104a, 104b from transmitting alternating electromagnetic fields, whereby further cores 104a, 04b of the cable 100 as well as the surroundings of the cable 100 are protected against electromagnetic emission.
  • the conductive shield 08 may be made of any conductive material.
  • the conductive shield 108 is metal-clad Plastic film or formed from non-insulated metal wires. Further, the conductive shield 108 may each at least one wire pair 102 in any form, for example. Wrapped or braided surrounded.
  • the conductive shield 108 is a wire mesh in which individual, mutually non-insulated metal wires are overlaid or a plastic-laminated metal foil which is wound around the wires 104a, 104b.
  • the conductive shield 108 is fabricated depending on the desired mechanical flexibility and / or the required electrical shielding characteristic of the cable 100.
  • the conductive screen 108 can be manufactured as a closed / solid jacket or as a combination of the previously described elements.
  • the wires 104a, 104b may be twisted together, i. the wires 104a, 104b are twisted in the longitudinal direction about a common axis.
  • the twisting of the wires 104a, 104b favors the symmetrical properties of the cable 100. Interferences which act on the wires 104a, 104b from a certain direction, for example, are impressed identically on both wires 104a, 104b of the wire pair 102.
  • the individual wire pairs 102 in the cable 100 can be twisted to different degrees with each other. As a result, coupling in of disturbances of the wire pairs 102 is reduced to one another.
  • An insulating sheath 106 encloses the conductive shield 108 and forms the surface of the cable 100.
  • the insulating sheath 106 may be made of, for example, polyvinyl chloride (PVC), polypropylene (PP), polyethylene (PE), or other insulating material.
  • the insulating sheathing 106 completely encloses the conductive shield 108 and prevents electrical connection between the conductive shield 108 and the environment of the cable 100.
  • the insulating sheath 106 protects the cable 100 from chemical or mechanical influences that may result in damage to the cable 100 , For example, the insulating sheath 106 may be extruded onto the conductive shield 108.
  • the conductor 1 shows a first implementation form of a wire 104a, 104b comprising three electrical conductors 110.
  • the conductors 1 10 may be made of any electrically conductive material.
  • the electrical conductors 110 are preferably made of metal, such as, for example, copper or aluminum, or of copper or aluminum alloys. Copper and aluminum have a low electrical resistivity, which makes them particularly suitable as electrical conductors. In addition, aluminum exhibits a low mass density and thus a low specific weight, whereby the weight of the cable 100 can be kept low.
  • the conductors 1 10 are arranged equidistant (with the same distance) to a longitudinal central axis 1 18 of the respective wire 104 a, 104 b extending.
  • a circular arrangement of the conductors 110 around a center of the wires 104a, 104b or the centers of the conductors 110 are arranged on a circle around the longitudinal central axis 118.
  • the conductors 1 10 are twisted in each strand 104a, 104b or arranged twisted about the longitudinal central axis 1 18. The twisting of the conductors 110 increases the flexibility of the wires 104a, 104b, i.
  • the same electrical (environmental) conditions are achieved for all conductors. However, a stronger twisting leads at the same time to a greater effective conductor length with the same outer length of the cable.
  • the individual conductors 1 10 of a wire are each short-circuited. This can e.g. done by soldering or crimping.
  • a plurality of conductors 110 may be arranged equidistantly in the wire 104a, 104b.
  • Each conductor 1 10 adjoins on its outer surface at least one insulating material in which the conductors 110 of the respective core 104a, 104b run separately from one another.
  • the insulating material surrounds the conductor 1 10 and prevents electrical currents between the conductors 1 10.
  • the effect of the skin effect is reduced by the insulating material between the conductors 1 10.
  • the skin effect occurs when an electrical conductor with a higher-frequency alternating current flows through it.
  • the current density inside the conductor is lower than at the surface.
  • the displacement of the current to the surface increases with increasing frequency. This leads to unwanted attenuation of an electrical cable.
  • the insulation of the individual conductors against each other increases the effective surface area while maintaining the same cross section. Instead of a single conductor are several small electrical conductors available, creating a larger surface. This leads to an effectively higher conductor cross section at high frequencies. This results in a lower damping in the respective wire 104a, 104b.
  • the conductors 110 of the wires 104a, 104b can adjoin various insulating materials.
  • the conductors 1 10 are at least partially embedded in insulating material.
  • the insulating material forms a wire jacket 1 16 and may for example consist of polyvinyl chloride (PVC), polypropylene (PP), polyethylene (PE) or other insulating material.
  • the materials may be solid or with a gas, e.g. Air, foamed substances are present.
  • the wire jacket 1 16 keeps the wire 104a, 104b mechanically stable.
  • the center of the wire 104a, 104b may be recessed from insulating material such that in the center, for example, air as an insulating material adjoins the outer surface of the conductors. Air isolates the conductors 1 10 against each other and keeps the weight of the wire 104a, 04b deep.
  • the conductors 1 10 of the wire 104a, 104b are arranged equidistant from the longitudinal center axis 1 18 of the wire 104a, 104b.
  • all the conductors 110 of the wires 104a, 104b have the same overall length. Due to the insulating material which surrounds the conductors 110, an exchange of the useful signal between the conductors 110 is not possible.
  • conductors can be twisted in multiple layers. This leads in particular for longer cables with insulated individual wires to runtime differences of the useful signal, whereby the maximum signal transmission of Nutzsignais and thus the maximum over- is limited.
  • FIG. 2 shows a cross-section of a wire 204 of a high speed data cable according to another embodiment of the present invention.
  • the wire 204 shown in Figure 2 differs from the wires 104a, 104b in Figure 1, among other things, by an insulating coating 212 which encloses each conductor 210 of the wire 204 as an insulating material. Insulating coating 212 is formed, each conductor 210 laterally, i. on the surface of the long side, completely enclose. The insulating coating 212 allows the conductors 210 and their insulating coating 212 to abut each other without short circuits occurring between the conductors 210.
  • the insulating coating 212 may be, for example, a lacquer layer or a plastic, as used, for example, for the core or the cable sheath.
  • the advantage of a lacquer layer is that a thin-walled and cost-effective insulating coating 212 is possible, wherein the wall thickness of the insulating coating 212 may preferably be in a range of less than 10 ⁇ m to 80 ⁇ m.
  • the ratio between the wall thickness of the insulating coating 212 and the radius of the conductor 210 is preferably in the range 0.015 to 0.42. Since the voltage potentials between the conductors 210 of the wires 202 are small, thin-walled insulation is sufficient.
  • the Durtschfesttechnik the paint layer insulation is eg in the range of 2kV / mm. This can be used 10um thin paint layers, the potential difference may be 40V. All conductors 210 of a wire 202 carry the same signal, so that, for example due to local differences in transit time, the potential differences remain very small. The thin-walled insulation results in a smaller volume and weight of the conductors 210. The conductors 210 with the insulating coating 212 are enclosed by the core jacket 216.
  • the core 204 shown in FIG. 2 differs from the cores 104a, 104b shown in FIG. 1 by an insulator core 214 which is arranged along the longitudinal central axis 118 of the core 204 and against which the conductors 210 of the core 204 can rest.
  • the conductors 210 are thus arranged in a circle around the insulator core 214.
  • the insulator core 214 holds the conductors 210 and the conductors 210 with the insulated coating 212 at a certain distance from the longitudinal central axis 118 of the core 204, the distance corresponding to the radius of the insulator core 214.
  • the conductor centers are at a distance, radius of the insulator core 214 + radius of the conductor 210 with insulating coating 212, from the longitudinal center axis 1 18 of the wire 204 away.
  • the insulator core 214 may be made of a more or less flexible material.
  • the insulator core 214 in the center of the core 204 and the insulated coating conductors 210 disposed about it have equal diameters.
  • the conductors 210 with an insulated coating rest both against one another and on the insulator core 214.
  • Other ratios may be selected between insulative conductor diameter 212 and insulator core 214.
  • the diameters of the conductors 210 and the insulator core 214 are selected so that the conductors 210 cover the surface of the insulator core 214 once. That is, the conductors 210 with the insulating coating 212 on the insulator core 214 and against each other. This feature keeps the arrangement mechanically stable.
  • the diameter of the insulator core 214 can be selected to be slightly larger, so that when stranded (if necessary) the insulated conductors 210 press into the insulator core 214 and thus forms a closed arrangement of the conductors 210 around the insulator core 214.
  • the material of the insulator core 214 is preferably softer than the material of the insulating coating 212.
  • the situation may arise that the conductors 210 to one small insulator core 214 are pressed against each other and the insulating coating 212 is damaged.
  • the insulator core 214 non-conductive core
  • the laminar surface of the insulator core surface (core surface) with conductor 210 with insulated coating 212 ensures that all conductors 210 are the same length, thus eliminating tread differences in the useful signal.
  • the insulator core 214 (non-conductor) inside the core 204 (assembly) and the insulating coating 212 also reduces the P roxi mity effect.
  • the proximity effect in electrical engineering refers to the effect of current confinement or current displacement between two closely adjacent conductors under the influence of alternating currents due to the stray magnetic flux between them caused by rectified currents in the conductors 210.
  • the insulator core 214 is preferably made of insulating material and thus Suitable materials for the insulator core 214 are, for example, plastics or rubber
  • the insulator core 214 is particularly preferably made of polypropylene, polyamide or polyethylene The material can be solid, foamed or monofi l are processed.
  • the weight of the cable is reduced by the replacement of conductors 210 by non-conductors as insulator core 214.
  • the insulating coating 212 shown in FIG. 2 as well as the insulator core 214 also shown are two independent features and may also be individually to theimportesbeispie shown in Figure 1! or transferred to other embodiments shown.
  • FIG. 3A shows a perspective view of a high-speed data cable 300 according to a further exemplary embodiment of the present invention.
  • the wires 304 may be just parallel to each other, twisted together or arranged as a star quad stranded or twisted.
  • the star quad stranding represents a special arrangement of the wires 304 or of two differentiating wire pairs 302a, 302b.
  • the star quad can in turn form a cable 300 together with other wire pairs and quads.
  • 4 wires 304 are stranded together, after which the diagonally opposite wires 304 are operated as differential pairs 302a and 302b.
  • a stabilizing film 309 surrounds and holds the two wire pairs 302a, 302b in position.
  • the stabilizing film 309 may, for example, be made of elastic material which fits snugly against the wires or be formed as a shrink tube, which is shrunk onto the wires 304.
  • the stabilizing film 309 can also have electrically conductive properties and thus form a conductive shield 308, for example as a metal-laminated plastic film, as described above.
  • a conductive shield 308 which is formed, for example, as a wire mesh. Furthermore, the conductive shield 308 may be enclosed by a cable sheath.
  • FIG. 3B shows another embodiment of a high-speed data cable 300.
  • the high-speed data cable 300 each has four wires 304 which are surrounded by a conductive shield 308. ben are.
  • the wires 304 may be twisted as shown in FIG. 3B.
  • An insulating cable sheath 306 encloses the conductive shield 308.
  • the individual electrical conductors of one of the cores 304 are shown graphically as a surface due to the low resolution of FIG. 3B.
  • the wires 304 are each enclosed by a core jacket 316.
  • the wires 304 each consist of six electrical conductors 310, which have on their outer surfaces an insulating coating 312 and embedded in a core jacket 316 consist.
  • the conductors 310 are twisted around the insulator core 314 which extends along the longitudinal central axis 1 18 so that each individual conductor 310 travels the same relative positions to the other other conductors 304 and to the conductive shield 308 along the length of the cable 300. Only then are the same electrical ratio and thus the same electrical parameters (especially signal propagation times) of each conductor 310 given.
  • Embodiments of the high speed data cable 100, 300, 500, 600 may be used in any high data rate application. These include all Ethernet standard cables, LVDS cables, HDMI cables, TV transmission cables and also USB cables. Further fields of application are possible.
  • the wave impedance of one wire pair 302a, 302b results from the inductance pad and capacitance pad and lies in the range between 50 ⁇ to 300 ⁇ , preferably a wave impedance of the high-speed data cable 100, 300, 500, 600 is in the range between 75 ⁇ to 160 ⁇ (differential).
  • the wave impedance can also be higher.
  • FIG. 4 shows a cross-section of a wire 404 of a high speed data cable according to another embodiment of the present invention.
  • the wire 404 shown in Figure 4 differs from the wire 204 shown in Figure 2 in that the eight at regular intervals around the insulator core 414 arranged conductors 410 have no insulating coating 212.
  • the insulating material to which each conductor adjoins is formed by the insulator core 414 as well as the core jacket.
  • the conductors 410 are embedded in the insulator core 414 and arranged equidistantly to the longitudinal center axis 1 18 of the core 404.
  • the insulator core 414 has on its surface recesses, which are preferably formed according to the radius of the conductors 410. On the side facing away from the insulator core 414, the conductors 410 are cast in the core jacket 416 or extruded. There is thus no electrical connection between the conductors 410. By the embodiment shown in Figure 4 costs and material for the insulating coating 212 can be saved.
  • FIG. 5 shows a cross section of a high-speed data cable 500 according to another embodiment of the present invention.
  • the exemplary embodiment shown in FIG. 5 has a plurality of wire pairs 502, specifically two wire pairs 502.
  • the cores 504 are each enclosed in pairs by the conductive shield 508 and an insulating cable sheath 506 surrounds the conductive shield 508.
  • each core pair 502 may be wrapped by a metal-laminated plastic film and in addition the entire bundle of wire pairs 502 of a conductive shield, for example.
  • Made of wire mesh made of wire mesh.
  • the two conductive shields 508 can have different shielding characteristics.
  • the wire mesh can improve the mechanical properties, such as abrasion or bending strength of the cable.
  • the wires 504 each have an insulator core 514, which is arranged along the longitudinal central axis 1 18 and around which ten conductors 510 with insulating coating 512 are arranged.
  • the core jacket 516 does not rest on the insulator core 514.
  • the core 516 in which the conductors 510 are embedded may also rest on the insulation core 514.
  • FIG. 6A shows a first schematic representation of a star-quad stranding.
  • the conductors can be enclosed with an insulating coating. Furthermore, the conductors are surrounded by the wire jacket 616 and form a single wire 604. In the center of the wire 604, an insulating core may be arranged.
  • the wires 604 may be twisted as a pair of wires 602 or star quad.
  • the conductive shield 608 surrounds the cores 604 and is enclosed by the insulating sheathing 606.
  • FIGS. 6B and 6C show further schematic representations of a star-quad stranding.
  • FIGS. 6B and 6C show four wires 604 without a wire jacket. As a result, the course of the individual wires 604 in a star-quad stranding is clearly visible.
  • the wires 604 are partially covered with an insulating cable sheath 606.
  • the individual electrical conductors of one of the cores 604 are shown graphically as a surface due to the low resolution of FIGS. 6A, 6B and 6C.
  • the embodiments shown in the figures show arrangement of electrically conductive and non-conductive elements in the cross-section of the wire 604 of the cable 600. This new arrangement reduces the attenuation up to the GHz range and also reduces the weight of the cable 600. Both will be re-used reached the usual materials.
  • a wire 304 denotes the conductor or conductors 310 with insulation (insulating coating 312 and wire jacket 316).
  • This disclosure describes a particular arrangement of the conductors 310 of a constant-loss attenuation-reducing core 304 with a focus on high-speed data transmission in which signal propagation times are involved. Furthermore, the structure of the high-speed data transmission cable 300 using this wire 304 will be described. The aim is a cable 300 with controlled impedance, low attenuation and small diameter.
  • enamel-insulated solid conductors 310 are stranded around an insulator core 14 (non-conductive core).
  • the "topmost metal layer" of the conductors of a conventional wire can be replaced with paint, ie, the diameter of the conductor 310 can be reduced to maintain the previous outer diameter of the wire 304 with the insulating coating 312. This reduces the weight per conductor.
  • the entire outer diameter of the cable can remain the same
  • the cable 300 is particularly suitable for high-speed data transfer in the gigahertz range, where runtime differences must also be considered.
  • Examples of the high-speed data cable can be used for symmetrical signal transmission
  • a system configured to transmit a balanced signal over the high-speed data cable may be used, for example, a system comprising a high-speed data cable may include a network having a plurality of computers or a communication snetztechnik be for example for voice transmission.
  • Computer here in the broadest sense includes active network nodes, at least contain a processor with memory and to which, for example, peripherals such as sensors, control units, monitors, cameras, etc. may be connected.
  • aspects have been described in the context of a device, it will be understood that these aspects also constitute a description of the corresponding method, so that a block or a component of a device is also to be understood as a corresponding method step or as a feature of a method step. Similarly, aspects described in connection with or as a method step also represent a description of a corresponding block or detail or feature of a corresponding device.
  • Some or all of the method steps may be performed by a hardware device (or using a hardware device). Apparatus), such as a microprocessor, a programmable computer or an electronic circuit. In some embodiments, some or more of the most important method steps may be performed by such an apparatus.

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Abstract

Ein Hochgeschwindigkeitsdatenkabel welches zumindest ein Adernpaar (102) umfasst, wobei eine leitende Abschirmung (108) die Adern (104) umgibt und ein isolierender Kabelmantel (106) die leitende Abschirmung (108) umschließt. Jede der Adern (104) umfasst mindestens drei elektrische Leiter (110) welche äquidistant zu einer Längsmittelachse (1 18) der jeweiligen Ader (104) verdrillt verlaufend angeordnet sind. Jeder der Leiter (110) grenzt an seiner Außenfläche an isolierenden Stoff an, wobei die Leiter (110) der jeweiligen Ader (104) durch den isolierenden Stoff getrennt voneinander verlaufen.

Description

Hochgeschwindigkeitsdatenkabel
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Hochgeschwindigkeitsdatenkabel.
Typische Kabel zur Datenübertragung sind zum einen mehr oder weniger steife Koaxialkabel, bei denen ein Innenleiter von einem zylindrischen Außenleiter um- geben ist, zum anderen flexiblere, differentielle (symmetrische) Kabel, bei denen positive und negative Adern parallel zueinander verlegt werden. Die Adern können dabei ein massiver Einzelleiter oder Litzen aus mehreren Leitern sein. Die Adern sind voneinander durch ein isolierendes Material getrennt. In einer Litze können die Leiter lose nebeneinander liegen oder verdrillt sein. Das differentielle Paar kann selbst (mit Mantel) ein Kabel bilden oder mit mehreren anderen differentiel- len Paaren in einem Bündel ein Kabel bilden.
Insbesondere bei hohen Datenraten treten Probleme auf, wie z.B. aufgrund von stärkeren ohmschen Leitungsverlusten bei höheren Frequenzen und Laufzeitun- terschieden (der Signale im Zeitbereich) zwischen den Leitern einer Ader (Mehrwegeausbreitung). Diese resultieren in einer reduzierten Signalqualität und daraus folgend in einer schlechteren Übertragungseffizienz, d.h. geringere Datenrate, geringere Reichweite, höhere notwendige Sendleistung oder dergleichen. Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Hochgeschwindigkeitsdatenkabel zu schaffen, welches eine hochratige (hochfrequente) Datenübertragung zulässt.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst.
Der Kerngedanke der vorliegenden Erfindung besteht darin, erkannt zu haben, dass es möglich ist, eine hochfrequente Datenübertragung in einem Hochgeschwindigkeitsdatenkabel effizienter zu ermöglichen, wobei insbesondere bei hohen Frequenzen eine geringere Dämpfung resultiert. Das Hochgeschwindigkeits- datenkabel umfasst dabei zumindest ein Aderpaar, wobei eine leitende Abschirmung die Adern umgibt. Durch die leitende Abschirmung ergibt sich eine erhöhte Störfestigkeit des Kabels, wodurch unteranderem eine schnellere Datenübertragung möglich ist. Ein isolierender Kabelmantel umschließt die leitende Abschir- mung und schützt das Kabel unter anderem vor mechanischen Belastungen und Korrosion. Jede der Adern umfasst mindestens drei voneinander isolierte elektrische Leiter, wobei die Leiter äquidistant zu einer Längsmittelachse der jeweiligen Ader verdrillt verlaufend angeordnet sind. Durch die äquidistante Anordnung der Leiter zu einer Längsmittelachse weisen alle Leiter einer jeweiligen Ader dieselbe Länge auf. Durch das Verdrillen durchläuft jeder Leiter mit einer gewissen Periodizität eine mögliche Störquelle bzw. ist innerhalb der Ader durch den Wechsel der Positionen der Leiter eine Angleichung der elektrischen Eigenschaften bzw. Umgebung der einzelnen Leiter in der Ader gegeben. Somit werden Signallaufzeitunterschiede innerhalb jeder Ader des Kabels aufgrund unterschiedlich langer Leiter verhindert. Die verschiedenen Wege bei dieser Mehrwegeausbreitung sind elektrisch gleich. Jeder der Leiter grenzt an seiner Außenfläche an mindestens einen isolierenden Stoff an. Die Leiter verlaufen in der jeweiligen Ader getrennt voneinander. Durch die elektrische Isolation der Leiter untereinander ergibt sich bei gleicher Materialmenge der elektrischen Leiter eine größere Oberfläche und somit eine größere effektive Querschnittsfläche der Ader bei hohen Frequenzen, da bei diesen der Strom vor allem nahe der Oberfläche geführt wird (Skin-Effekt). Der Skin-Effekt bezeichnet die Einengung des Signalstromes auf immer kleinerem Raum (nahe bzw. an der Leiteroberfläche) bei höheren Frequenzen. Effektiv sinkt damit der für den Stromtransport zur Verfügung stehende Leiterquerschnitt bzw. der ohmsche Widerstand steigt mit steigender Frequenz. Der Skin-Effekt führt damit insbesondere bei hohen Frequenzen zu einer hohen Signaldämpfung.
Vorteilhafte Implementierungen der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche. Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Hochgeschwindig- keitsdatenkabels;
Fig. 2 einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Ader eines Hochge- schwindigkeitsdatenkabels;
Fig. 3A eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines Hochge- schwindigkeitsdatenkabels; Fig. 3B eine weitere perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels eines
Hochgeschwindigkeitsdatenkabels;
Fig. 4 einen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Ader eines Hochgeschwindigkeitsdatenkabels mit isolatorkern;
Fig. 5 einen Querschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines Hochge- schwindigkeitsdatenkabels;
Fig. 6A Eine erste schematische Darstellung einer Stern-Vierer Verseilung eines Hochgeschwindigkeitsdatenkabels;
Fig. 6B Eine zweite schematische Darstellung einer Stern-Vierer Verseilung eines Hochgeschwindigkeitsdatenkabels. Fig. 6C Eine dritte schematische Darstellung einer Stern-Vierer Verseilung eines Hochgeschwindigkeitsdatenkabels.
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt eines Ausführungsbeispiels eines Hochgeschwin- digkeitsdatenkabels 100, im Folgenden auch als Kabel 00 bezeichnet. Das Kabel 100 umfasst zumindest ein Aderpaar 102. Es ist exemplarisch als ein differentiel- les (symmetrisches) Kabel ausgelegt, bei dem die zwei Adern 104a, 104b des Aderpaars 102 in einer axialen Richtung parallel zueinander verlaufen. Die beiden Adern 104a, 104b des Aderpaares 102 weisen eine differentielle Gegentakt- Impedanz und eine Gleichtakt-Impedanz auf. Die Übertragung eines Nutzsignals erfolgt, indem die Differenz zwischen den beiden Adern 104a, 104b das Nutzsignal darstellt. Im Gegensatz dazu erfolgt die Übertragung bei asymmetrischen Kabeln durch ein Nutzsignal, dessen Wert sich gegenüber einem Bezugspotential (Masse) ändert. Das Nutzsignal kann ein Spannungspotential und/oder eine Stromstärke aufweisen. Bei der symmetrischen Signalübertragung ist das Nutzsignal, insbesondere im Hochfrequenzbereich, weniger anfällig auf Störeinflüsse auf einer Übertragungsstrecke. Bei hohen Frequenzen koppeln Störungen leichter ein, weil z.B. die Schirmdämpfung abnimmt. Asymmetrische Kabel können das nicht weiter kompensieren. Bei symmetrischen Kabeln wird das Einkoppeln von Störungen in der Praxis noch durch die Erdunsymmetrie-Dämpfung verringert. Die Erdunsymmetrie-Dämpfung gibt die Abweichung von der theoretisch idealen Gleichheit der positiven und negativen Ader an. Die Störeinflüsse, beispielsweise durch kapazitive oder induktive Einkopplungen auf der Übertragungsstrecke, sind bei der symmetrischen Signalübertragung auf beiden Adern 104a, 104b annähernd gleich groß, so dass sich bei der Differenzbildung der beiden Signale der Adern 104a, 104b die Störung nahezu aufhebt.
Eine leitende Abschirmung 108 umgibt die Adern 104a, 104b in Längsrichtung und bildet einen Faradayschen Käfig um die Adern 104a, 104b. Die Adern 104a, 104b können jeweils paarweise von einer gemeinsamen leitenden Abschirmung 108 umgeben sein. Alternativ wäre auch eine individuelle Abschirmung pro Ader oder einer Mehrzahl von Adern gemeinsam möglich. Durch den Faradayschen Käfig sind die Adern 04a, 104b gegen äußere elektromagnetische Wechselfelder ge- schützt. D.h. kapazitive oder induktive Einkopplungen von Störungen auf das Kabel 100 werden verhindert oder zumindest reduziert. Zusätzlich verhindert der Fa- radaysche Käfig der Abschirmung 108, dass die Adern 104a, 104b elektromagnetische Wechselfelder aussenden, wodurch weitere Adern 104a, 04b des Kabels 100 sowie die Umgebung des Kabels 100 vor elektromagnetischen Emission ge- schützt sind.
Die leitende Abschirmung 08 kann aus einem beliebigen, leitenden Material gefertigt sein Beispielsweise ist die leitende Abschirmung 108 aus metallkaschierter Kunststofffolie oder aus nicht-isolierten Metalldrähten gebildet. Ferner kann die leitende Abschirmung 108 jeweils mindestens ein Aderpaar 102 in beliebiger Form bspw. gewickelt oder geflochten umgeben. Vorzugsweise ist die leitende Abschirmung 108 ein Drahtgeflecht, bei welchem einzelne, gegeneinander nicht-isolierte Metalldrähte übereinandergelegt werden oder eine kunststoffkaschierte Metallfolie welche um die Adern 104a, 104b gewickelt ist. Die leitende Abschirmung 108 wird abhängig von der gewünschten mechanischen Flexibilität bzw. Festigkeit und/oder der geforderten elektrischen Abschirmungscharakteristik des Kabels 100 gefertigt. Der leitende Schirm 108 kann als geschlossener/massiver Mantel oder als Kombi- nation der vorgängig beschriebenen Elemente gefertigt sein.
Die Adern 104a, 104b können miteinander verdrillt bzw. verseilt sein, d.h. die Adern 104a, 104b werden in Längsrichtung um eine gemeinsame Achse verdreht. Das Verdrillen der Adern 104a, 104b begünstigt die symmetrische Eigenschaften des Kabels 100. Störungen, welche beispielsweise aus einer bestimmten Richtung auf die Adern 104a, 104b einwirken, werden auf beide Adern 104a, 104b des Aderpaares 102 identisch aufgeprägt. Bei mehreren Aderpaaren 102 können die einzelnen Aderpaare 102 im Kabel 100 unterschiedlich stark miteinander verdrillt sein. Dadurch wird ein Einkoppeln von Störungen der Aderpaare 102 untereinan- der reduziert.
Ein isolierender Kabelmantel 106 umschließt die leitende Abschirmung 108 und bildet die Oberfläche des Kabels 100. Der isolierende Kabelmantel 106 kann beispielsweise aus Polyvinylchlorid (PVC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder einem anderen isolierenden Material bestehen. Der isolierende Kabelmantel 106 umschließt die leitende Abschirmung 108 vollständig und verhindert eine elektrische Verbindung zwischen der leitenden Abschirmung 108 und der Umgebung des Kabels 100. Zusätzlich schützt der isolierende Kabelmantel 106 das Kabel 100 vor chemischen oder mechanischen Einflüssen, welche zu Beschädigungen des Kabels 100 führen können. Der isolierende Kabelmantel 106 kann beispielsweise auf die leitende Abschirmung 108 extrudiert werden. Fig. 1 zeigt eine erste Implementierungsform einer Ader 104a, 104b, weiche drei elektrische Leiter 1 10 umfasst. Die Leiter 1 10 können aus einem beliebigen elektrisch leitenden Material bestehen. Bevorzugt sind die elektrischen Leiter 1 10 aus Metall, wie beispielsweise Kupfer oder Aluminium oder aus Kupfer- oder Alu- miniumlegierungen gefertigt. Kupfer und Aluminium weisen einen geringen spezifischen elektrischen Widerstand auf, wodurch sie sich als elektrische Leiter besonders gut eignen. Aluminium zeigt zusätzlich eine geringe Massendichte und damit ein geringes spezifisches Gewicht, wodurch das Gewicht des Kabels 100 niedrig gehalten werden kann.
Die Leiter 1 10 sind äquidistant (mit gleichem Abstand) zu einer Längsmittelachse 1 18 der jeweiligen Ader 104a, 104b verlaufend angeordnet. Somit ergibt sich bei der Betrachtung des Aderquerschnitts eine kreisförmige Anordnung der Leiter 1 10 um ein Zentrum der Ader 104a, 104b bzw. die Mitten der Leiter 1 10 sind auf einem Kreis um die Längsmittelachse 1 18 angeordnet. Die Leiter 1 10 sind in jeder Ader 104a, 104b verdrillt bzw. verdreht um die Längsmittelachse 1 18 angeordnet. Durch das Verdrillen der Leiter 1 10 erhöht sich die Flexibilität der Ader 104a, 104b, d.h. je stärker die Leiter 1 10 in der Ader 104a, 104b verdrillt sind, desto flexibler lässt sich die Ader 104a, 104b biegen, wodurch kleinere Biegeradien mit der Ader 104a, 104b möglich sind, ohne dass die Leiter 1 10 in der Ader 104a, 104b brechen. Zusätzlich werden für alle Leiter die gleichen elektrischen (Umgebungs- )Verhältnisse erreicht. Ein stärkeres Verdrillen führt aber gleichzeitig zu einer größeren effektiven Leiterlänge bei gleicher Außenlänge des Kabels. An den Enden des Kabels sind die einzelnen Leiter 1 10 einer Ader jeweils kurzgeschlossen. Dies kann z.B. durch Löten oder Crimpen geschehen.
In weiteren Implementierungen der Ader 104a, 104b können eine Vielzahl von Leiter 1 10 in der Ader 104a, 104b äquidistant angeordnet sein. Vorzugsweise umfasst eine Ader 3 bis 18 Leiter 1 10.
Jeder Leiter 1 10 grenzt an seiner Außenfläche an mindestens einen isolierenden Stoff an, in welchem die Leiter 1 10 der jeweiligen Ader 104a, 104b getrennt voneinander verlaufen. Der isolierende Stoff umschließt den Leiter 1 10 und verhindert elektrische Ströme zwischen den Leitern 1 10. Durch den isolierenden Stoff zwischen den Leitern 1 10 wird der Einfluß des Skin-Effekt reduziert. Der Skin-Effekt tritt auf, wenn ein elektrischer Leiter mit einem höherfrequenten Wechselstrom durchflössen wird. Dabei ist die Stromdichte im Inneren des Leiters niedriger als an dessen Oberfläche. Die Verdrängung des Stromes an die Oberfläche nimmt mit steigender Frequenz zu. Dies führt zu unerwünschten Dämpfungen eines elektrischen Kabels. Durch die Isolation der einzelnen Leiter gegeneinander wird die effektive Oberfläche bei gleichbleibendem Querschnitt erhöht. Anstelle eines einzelnen Leiters stehen mehrere kleine elektrische Leiter zur Verfügung, wodurch eine größere Oberfläche entsteht. Dies führt zu einem effektiv höheren Leiterquerschnitt bei hohen Frequenzen. Daraus resultiert eine geringere Dämpfung in der jeweiligen Ader 104a, 104b.
Wie in Fig. 1 gezeigt, können die Leiter 1 10 der Ader 104a, 104b an verschiede- nen isolierende Stoffe angrenzen. Zum einen sind die Leiter 1 10 mindestens teilweise in isolierendes Material eingebettet. Das Isolierende Material bildet einen Adermantel 1 16 und kann beispielsweise aus Polyvinylchlorid (PVC), Polypropylen (PP), Polyethylen (PE) oder einem anderen isolierenden Material bestehen. Dabei können die Materialien als massive oder mit einem Gas, z.B. Luft, aufgeschäumte Stoffe vorliegen. Der Adermantel 1 16 hält die Ader 104a, 104b mechanisch stabil. Das Zentrum der Ader 104a, 104b kann von isolierendem Material ausgespart sein, sodass im Zentrum beispielsweise Luft als isolierender Stoff an die Außenfläche der Leiter angrenzt. Luft isoliert die Leiter 1 10 gegeneinander und hält das Gewicht der Ader 104a, 04b tief.
Beim Ausführungsbeispiel von Figur 1 sind die Leiter 1 10 der Ader 104a, 104b äquidistant zur Längsmittelachse 1 18 der Ader 104a, 104b angeordnet. Somit weisen alle Leiter 1 10 der Ader 104a, 104b dieselbe Gesamtlänge auf. Durch den isolierenden Stoff, welcher die Leiter 1 10 umgibt, ist ein Austausch des Nutzsig- nals zwischen den Leitern 1 10 nicht möglich. Bei bekannten Kabeln können Leiter in mehreren Schichten verdrillt sein. Dies führt insbesondere bei längeren Kabeln mit isolierten Einzeldrähten zu Laufzeitunterschieden des Nutzsignals, wodurch die maximale Signalübertragung des Nutzsignais und damit die maximale Über- tragungsrate eingeschränkt wird. Bei der äquidistanten Anordnung der Leiter 1 10 zu der Längsmittelachse 1 18 der Ader 104a, 104b sind alle Leiter 1 10 unabhängig von der Gesamtlänge des Kabels 100 gleich lang, wodurch keine Laufzeitunterschiede des Nutzsignals in den einzelnen Leiter 1 10 entstehen.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer Ader 204 eines Hochgeschwindigkeitsdaten- kabels gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die in Figur 2 gezeigte Ader 204 unterscheidet sich von den Adern 104a, 104b in Figur 1 unteranderem durch einen isolierenden Überzug 212, welcher jeden Leiter 210 der Ader 204 als isolierenden Stoff umschließt. Der isolierenden Überzug 212 ist ausgebildet, jeden Leiter 210 seitlich, d.h. an der Oberfläche der Längsseite, vollständig zu umschließen. Durch den isolierenden Überzug 212 können die Leiter 210 bzw. deren isolierender Überzug 212 aneinander anliegen, ohne dass Kurzschlüsse zwischen den Leiter 210 auftreten. Es ist dadurch eine dichtere An- Ordnung der Leiter 210 in der Ader 204 möglich, wodurch insgesamt ein größerer Leiterquerschnitt für das Nutzsignal bereitsteht. Zusätzlich wird durch die aneinander anliegenden Leiter 210 die Stabilität des Kabels erhöht.
Der isolierende Überzug 212 kann bspw. eine Lackschicht oder ein Kunststoff, wie er bspw. für den Ader- oder den Kabelmantel verwendet wird, sein. Der Vorteil einer Lackschicht ist, dass ein dünnwandiger und kostengünstiger isolierender Überzug 212 möglich ist, wobei die Wandstärke des isolierenden Überzugs 212 vorzugsweise in einem Bereich von weniger als 10μιτι bis 80pm liegen kann. Das Verhältnis zwischen Wandstärke des isolierenden Überzugs 212 und Radius des Leiters 210 liegt vorzugsweise im Bereich 0,015 bis 0,42. Da die Spannungspotentiale zwischen den Leitern 210 der Ader 202 klein sind, ist eine dünnwandige Isolation ausreichend. Die Durschlagfestigkeit der Lackschichtisolation liegt z.B. im Bereich von 2kV/mm. Damit lassen sich 10um dünne Lackschichten benutzen, wobei die Potential-Differenz 40V betragen darf. Alle Leiter 210 einer Ader 202 führen das gleiche Signal, so dass, z.B. durch lokale Laufzeitunterschiede, die Potentialdifferenzen sehr klein bleiben. Durch die dünnwandige Isolation ergibt sich ein geringeres Volumen und Gewicht der Leiter 210. Die Leiter 210 mit dem isolierenden Überzug 212 werden vom Adermantel 216 umschlossen.
Ferner unterscheidet sich die in Figur 2 gezeigten Ader 204 von den in Figur 1 gezeigten Adern 104a, 104b durch einen Isolatorkern 214, welcher entlang der Längsmittelachse 1 18 der Ader 204 angeordnet ist und an den die Leiter 210 der Ader 204 anliegen können. Die Leiter 210 sind auf diese Weise kreisförmig um den Isolatorkern 214 angeordnet. Der Isolatorkern 214 hält die Leiter 210 bzw. die Leiter 210 mit dem isolierten Überzug 212 in einem bestimmten Abstand gegen- über der Längsmittelachse 1 18 der Ader 204, wobei der Abstand dem Radius des Isolatorkerns 214 entspricht. Die Leitermitten liegen im Abstand, Radius des Isolatorkerns 214 + Radius der Leiter 210 mit isolierendem Überzug 212, von der Längsmittelachse 1 18 der Ader 204 entfernt. Abhängig von der angestrebten Festigkeit der Ader 204, kann der Isolatorkern 214 aus einem mehr oder weniger fle- xiblen Material gefertigt sein.
Bei der in Figur 2 gezeigten Anordnung weisen der Isolatorkern 214 im Zentrum der Ader 204 und die darum angeordneten Leiter 210 mit isoliertem Überzug 212 gleiche Durchmesser auf. Bei gleichen Durchmesser liegen die Leiter 210 mit iso- liertem Überzug sowohl aneinander wie auch auf dem Isolatorkern 214 auf. Es können auch andere Verhältnisse zwischen Leiterdurchmesser mit isoliertem Überzug 212 und Isolatorkern 214 gewählt werden. Vorzugsweise sind der Durchmesser der Leiter 210 und des Isolatorkerns 214 so gewählt, dass die Leiter 210 die Oberfläche des Isolatorkerns 214 einmal abdecken. D.h. die Leiter 210 mit dem isolierenden Überzug 212 am Isolatorkern 214 sowie gegeneinander anliegen. Diese Eigenschaft hält die Anordnung mechanisch stabil. Dabei ist diese Eigenschaft unter den praktischen Toleranzbedingungen der Fertigung zu betrachten. Unter Umständen kann der Durchmesser des Isolatorkerns 214 etwas größer gewählt werden, so dass sich beim Verseilen (bei Bedarf) die isolierten Leiter 210 in den Isolatorkern 214 drücken und so eine geschlossene Anordnung der Leiter 210 um den Isolatorkern 214 ausbildet. Dabei ist das Material des Isolatorkerns 214 vorzugsweise weicher als das Material des isolierenden Überzugs 212. Im gegensätzlichen Fall kann die Situation auftreten, dass die Leiter 210 um einen zu kleinen Isolatorkern 214 gegeneinander gepresst werden und der isolierende Überzug 212 beschädigt wird.
Durch den Isolatorkern 214 (nicht-leitenden Kern) und die flächige Abdeckung der Isolatorkernoberfläche (Kernoberfläche) mit Leiter 210 mit isoliertem Überzug 212 wird sichergestellt, dass alle Leiter 210 die gleiche Länge haben und somit Laufzeltunterschiede des Nutzsignales ausgeschlossen sind.
Durch den Isolatorkern 214 (Nicht-Leiter) im Inneren der Ader 204 (Anordnung) und den isolierenden Überzug 212 wird außerdem der P roxi mity- Effekt reduziert. Der Proximity-Effekt bezeichnet in der Elektrotechnik die Wirkung der Stromeinschnürung oder Stromverdrängung zwischen zwei eng benachbarten Leitern unter dem Einfluss von Wechselströmen aufgrund des magnetischen Streuflusses zwischen ihnen, verursacht durch gleichgerichtete Ströme in den Leitern 210. Ähnlich wie beim Skin-Effekt hat der gleichgerichtete Strom im benachbarten Leiter den „Drang", den Stromfluß an der Oberfläche zu unterbinden. Die Strom wird in einen kleineren Querschnitt gezwungen. Indem der benachbarte Leiter auf Abstand gehalten wird, lässt sich dessen Einfluß verringern. Der Isolatorkern 214 ist vorzugsweise aus einem isolierenden und damit den elektrischen Strom nicht leitenden Material, gefertigt. Geeignete Materialien für den Isolatorkern 214 sind beispielsweise Kunststoffe oder Gummi. Besonders bevorzugt ist der Isolatorkern 214 aus Polypropylen, Polyamid oder Polyethylen gefertigt. Das Material kann dabei z.B. massiv, geschäumt oder auch als Monofil verarbeitet werden.
Gegenüber bekannten Kabel, bei welchem der Kern der Ader ebenfalls aus einem metallischen Leiter besteht, wird neben der Erhöhung der Datenrate das Gewicht des Kabels durch den Austausch von Leitern 210 durch Nicht-Leiter als Isolator- kern 214 reduziert.
Der in der Figur 2 gezeigten isolierende Überzug 212 sowie der ebenfalls gezeigte Isolatorkern 214 sind zwei voneinander unabhängige Merkmale und können auch einzeln auf das in Figur 1 gezeigte Ausführungsbeispie! oder auf weitere gezeigte Ausführungsbeispiele übertragen werden.
Figur 3A zeigt eine perspektivische Ansicht eines Hochgeschwindigkeitsdatenka- bels 300 gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Ausführungsbeispiel von Figur 3 sind vier Adern 304 gezeigt. Die Adern 304 können gerade parallel zueinander liegen, miteinander verdrillt oder als Sternvierer verseilt bzw. verdrillt angeordnet sein. Die Sternvierer-Verseilung stellt eine spezielle Anordnung der Adern 304 bzw. von zwei differenzierenden Aderpaaren 302a, 302b dar. Der Sternvierer kann wiederum mit anderen Aderpaaren und Vierern zusammengefasst ein Kabel 300 bilden. Bei der Stern-Vierer-Verseilung werden 4 Adern 304 zusammen verseilt, wobei danach die sich diagonal gegenüberliegenden Adern 304 als differentielle Paare 302a und 302b betrieben werden. Dies hat den Vorteil, dass durch die senkrecht zueinander stehenden Aderpaare 302a, 302b, sich eine hohe Übersprechdämpfung zwischen den Aderpaaren ergibt. Um die Adern 304 in ihrer symmetrischen Position zu halten, können zusätzliche Stütz- und Stabilisierungselemente verwendet werden.
Eine stabilisierende Folie 309 umgibt die zwei Aderpaare 302a, 302b, und hält diese in ihrer Position. Die stabilisierende Folie 309 kann bspw. aus elastischem Material gefertigt sein kann, welches eng an den Adern anliegt oder als ein Schrumpfschlauch ausgebildet sein, welcher auf die Adern 304 aufgeschrumpft wird. Die stabilisierende Folie 309 kann auch elektrisch leitende Eigenschaften aufweisen und damit eine, wie vorhergehend beschrieben, leitende Abschirmung 308 bspw. als metallkaschierter Kunststofffolie bilden.
Um die stabilisierende Folie 309 kann eine leitende Abschirmung 308 angeordnet sein, welche bspw. als Drahtgeflecht ausgebildet ist. Ferner kann die leitende Abschirmung 308 von einem Kabelmantel umschlossen sein.
Fig. 3B zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Hochgeschwindigkeitsdaten- kabels 300. In dem Ausführungsbeispiel umfasst das Hochgeschwindigkeitsdaten- kabel 300 je vier Adern 304, welche von einer leitenden Abschirmung 308 umge- ben sind. Die Adern 304 können wie in Figur 3B gezeigt verdrillt sein. Ein isolierender Kabelmantel 306 umschließt die leitende Abschirmung 308.
Die einzelnen elektrischen Leiter einer der Adern 304 sind aufgrund der geringen Auflösung der Figur 3B grafisch als eine Fläche dargestellt. Die Adern 304 sind je mit einem Adermantel 316 umschlossen.
Die Adern 304 können wie im Ausführungseispiel gezeigt, aus je sechs elektrischen Leitern 310, welche an ihren Außenflächen einen isolierenden Überzug 312 aufweisen und in einen Adermantel 316 eingebettet sind, bestehen. Die Leiter 310 sind um den Isolatorkern 314, welcher entlang der Längsmittelachse 1 18 verläuft, verdrillt sein, so dass jeder einzelne Leiter 310 über die Länge des Kabels 300 die gleichen relativen Positionen zu den weiteren anderen Adern 304 und zur leitenden Abschirmung 308 durchläuft. Nur so sind gleiche elektrische Verhältnis und damit gleiche elektrische Parameter (vor allem Signallaufzeiten) jedes Leiters 310 gegeben.
Ausführungsbeispiele des Hochgeschwindigkeitsdatenkabel 100, 300, 500, 600 können in jeder Anwendung mit hohe Datenraten Einsatz finden. Dazu gehören unter anderem alle Kabel der Ethernet-Standards, LVDS-Kabel, HDMI-Kabel, Fernseh-Übertragungskabel und auch USB-Kabel. Weitere Einsatzgebiete sind möglich. Bei Übertragungen in der Hochfrequenztechnik ist es allgemein notwendig die Wellenimpedanz des Kabels 100, 300, 500, 600 an die Quellen- und Abschlussimpedanz der Übertragungsstrecke anzupassen. Die Wellenimpedanz ei- nes Aderpaares 302a, 302b ergibt sich aus Induktivitätsbelag und Kapazitätsbelag und liegt im Bereich zwischen 50Ω bis 300Ω, bevorzugt ist eine Wellenimpedanz des Hochgeschwindigkeitsdatenkabels 100, 300, 500, 600 im Bereich zwischen 75Ω bis 160Ω (differentiell). Die Wellenimpedanz kann aber auch höher liegen. Figur 4 zeigt einen Querschnitt einer Ader 404 eines Hochgeschwindigkeitsdaten- kabels gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Die in Figur 4 gezeigte Ader 404 unterscheidet sich von der in Figur 2 gezeigten Ader 204 dadurch, dass die acht in regelmäßigen Abständen um den Isolatorkern 414 angeordnete Leiter 410 keinen isolierenden Überzug 212 aufweisen. Der isolierende Stoff, an welchen jeder Leiter angrenzt, wird durch den Isolatorkern 414 sowie den Adermantel gebildet. Die Leiter 410 sind in den Isolatorkern 414 eingelassen und äquidistant zu der Längsmittelachse 1 18 der Ader 404 verlaufend an- geordnet.
Der Isolatorkern 414 weist an seiner Oberfläche Vertiefungen auf, welche vorzugsweise dem Radius der Leiter 410 entsprechend ausgebildet sind. Auf der vom Isolatorkern 414 abgewandten Seite, sind die Leiter 410 in den Adermantel 416 eingegossen bzw. einextrudiert. Zwischen den Leiter 410 besteht somit keine elektrische Verbindung. Durch das in Figur 4 gezeigten Ausführungsbeispiel können Kosten und Material für den isolierenden Überzug 212 eingespart werden.
Fig. 5 zeigt einen Querschnitt eines Hochgeschwindigkeitsdatenkabels 500 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung. Das in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel weist eine Mehrzahl von Aderpaaren 502, konkret zwei Aderpaare 502, auf. Die Adern 504 sind je paarweise von der leitenden Abschirmung 508 umschlossen und ein isolierender Kabelmantel 506 umschließt die leitende Abschirmung 508. Ferner ist es auch möglich, jedoch in der Figur 5 nicht gezeigt, die Mehrzahl von Aderpaaren 502 zusätzlich mit einer leitenden Abschirmung zu umgeben. Beispielsweise kann jedes Aderpaare 502 von einer Metall kaschierter Kunststofffolie umwickelt sein und zusätzlich das gesamte Bündel von Aderpaaren 502 von einer leitende Abschirmung bspw. aus Drahtgeflecht. Die beiden leitenden Abschirmungen 508 können dabei unterschiedliche Abschir- mungscharakteristiken aufweisen. Zusätzlich kann das Drahtgeflecht die mechanische Eigenschaften, wie Abrieb- oder Biegefestigkeit des Kabels verbessern.
Die Ader 504 weisen je einen Isolatorkern 514 auf, welcher entlang der Längsmittelachse 1 18 angeordnet ist und um welchen je zehn Leiter 510 mit isolierendem Überzug 512 angeordnet sind.
Durch die aneinander anliegenden Leiter 510 liegt der Adermantel 516, wie schon in Figur 2 gezeigt, nicht bis auf den Isolatorkern 514 auf. Abhängig vom Herstel- lungsverfahren und den verwendeten Materialein kann der Adermantel 516 in weichen die Leiter 510 eingebettet sind auch auf dem Isoiatorkern 514 aufliegen.
Fig. 6A zeigt eine erste schematische Darstellung einer Stern-Vierer Verseilung. Die Leiter können mit einem isolierenden Überzug umschlossen sein. Ferner sind die Leiter mit dem Adermantel 616 umgeben und bilden eine einzelne Ader 604. Im Zentrum der Ader 604 kann ein isolierender Kern angeordnet sein. Die Adern 604 können als Aderpaar 602 oder Stern-Vierer verdrillt sein. Die leitende Abschirmung 608 umgibt die Adern 604 und wird von dem isolierenden Kabelmantel 606 umschlossen.
Fig. 6B und 6C zeigen weitere schematische Darstellungen einer Stern-Vierer Verseilung. In den Figuren 6B und 6C sind vier Adern 604 ohne Adermantel dargestellt. Dadurch ist der Verlauf der einzelnen Adern 604 bei einer Stern-Vierer Verseilung deutlich erkennbar. Die Adern 604 sind teilweise mit einem isolierenden Kabelmantel 606 überzogen.
Die einzelnen elektrischen Leiter einer der Adern 604 sind aufgrund der geringen Auflösung der Figuren 6A, 6B und 6C grafisch als eine Fläche dargestellt.
Die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele zeigen Anordnung von elektrisch leitenden und nicht-leitenden Elementen im Querschnitt der Ader 604 des Kabels 600. Diese neue Anordnung reduziert die Dämpfung bis in den GHz- Bereich und verringert außerdem das Gewicht des Kabels 600. Beides wird unter Weiterverwendung der bisher üblichen Materialien erreicht.
In anderen Worten ausgedrückt und dabei exemplarisch die Bezugszeichen von Figur 3 verwendend kann gesagt werden: Für die elektrische Übertragung von hohen Daten raten über mittlere Entfernung wird ein Kabel 300 benötigt, welches eine große Bandbreite bzw. niedrige Dämpfung bei hohen Frequenzen aufweist. Um praktische handhabbar zu sein, darf dieses Kabel 300 nicht zu steif oder schwer sein. Diese Eigenschaften ist/sind zwangsläufig auch für die Ader(n) 304 des Kabels 300 notwendig. Eine Ader 304 bezeichnet den oder die Leiter 310 mit Isolierung (isolierender Überzug 312 und Adermantel 316).
Diese Offenbarung beschreibt eine spezielle Anordnung der Leiter 310 einer Ader 304 zur Reduzierung der Dämpfung bei gleichbleibendem Querschnitt mit Fokus auf hochratiger Datenübertragung, bei der Signallaufzeiten eine Rolle spielen. Des Weiteren wird der Aufbau des Kabels 300 für hochratige Datenübertragung, welches diese Ader 304 verwendet, beschrieben. Ziel ist ein Kabel 300 mit kontrolliertem Wellenwiderstand, niedriger Dämpfung und kleinem Durchmesser.
Bei der Ader 304 werden vorzugsweise 3 bis 18 lackisolierte massive Leiter 310 um einen Isolatorkern 1 14 (nichtleitenden Kern) verseilt.
Durch das Kabel 300 wird bei gleichbleibendem Durchmesser und Materialien (ausgenommen der isolierende Überzug 312 (zusätzliche Lackschicht) der Leiter 310 (Einzeldrähte)) eine reduzierte Dämpfung ermöglicht. Auch kann die„oberste Metallschicht" der Leiter einer konventionellen Ader durch Lack ersetzt werden, d.h. der Durchmesser des Leiters 310 kann so reduziert werden, dass mit dem isolierenden Überzug 312 der vorherige Außendurchmesser der Ader 304erhalten bleibt. Dadurch wird das Gewicht pro Leiter geringer. Der gesamte Außendurchmesser des Kabels kann gleich bleiben. Das Kabel 300 ist besonders für hochratige Datenübertragung im Gigahertz-Bereich geeignet, wo auch Laufzeitunterschiede beachtet werden müssen. Ausführungsbeispiele des Hochgeschwindigkeitsdatenkabels können zur symmetrischen Signalübertragung verwendet werden. Dabei kann das Hochgeschwindig- keitsdatenkabel bspw. in einem System, welches ausgebildet ist, um ein symmetrisches Signal über das Hochgeschwindigkeitsdatenkabel zu übertragen, verwendet werden. Ein solches System, welches ein Hochgeschwindigkeitsdatenkabel umfasst, kann beispielsweise ein Netzwerk mit einer Mehrzahl von Computern oder ein Kommunikationsnetzwerk beispielsweise zur Sprachübertragung sein. Computer umfasst hier im weitesten Sinne aktive Netzwerkknoten, die zumindest einen Prozessor mit Speicher enthalten und an die auch beispielsweise Peripherie wie Sensoren, Steuergeräte, Monitore, Kameras, etc. angeschlossen sein kann.
Obwohl manche Aspekte im Zusammenhang mit einer Vorrichtung beschrieben wurden, versteht es sich, dass diese Aspekte auch eine Beschreibung des entsprechenden Verfahrens darstellen, sodass ein Block oder ein Bauelement einer Vorrichtung auch als ein entsprechender Verfahrensschritt oder als ein Merkmal eines Verfahrensschrittes zu verstehen ist. Analog dazu stellen Aspekte, die im Zusammenhang mit einem oder als ein Verfahrensschritt beschrieben wurden, auch eine Beschreibung eines entsprechenden Blocks oder Details oder Merkmals einer entsprechenden Vorrichtung dar. Einige oder alle der Verfahrensschritte können durch einen Hardware-Apparat (oder unter Verwendung eines Hardware- Apparats), wie zum Beispiel einen Mikroprozessor, einen programmierbaren Computer oder einer elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Bei einigen Ausführungsbeispielen können einige oder mehrere der wichtigsten Verfahrensschritte durch einen solchen Apparat ausgeführt werden.
Die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele stellen lediglich eine Veranschaulichung der Prinzipien der vorliegenden Erfindung dar. Es versteht sich, dass Modi- fikationen und Variationen der hierin beschriebenen Anordnungen und Einzelheiten anderen Fachleuten einleuchten werden. Deshalb ist beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch den Schutzumfang der nachstehenden Patentansprüche und nicht durch die spezifischen Einzelheiten, die anhand der Beschreibung und der Erläuterung der Ausführungsbeispiele hierin präsentiert wurden, beschränkt sei.

Claims

Patentansprüche
Hochgeschwindigkeitsdatenkabel umfassend: zumindest ein Adernpaar (102; 302a, 302b; 502), wobei
- eine leitende Abschirmung (108; 308; 508) die Adern (104a, 104b; 204;
304; 404; 504; 604) umgibt;
- ein isolierender Kabelmantel (106; 306; 506; 606) die leitende Abschirmung (108; 308; 508; 608) umschließt; und jede der Adern (104a, 104b; 204; 304; 404; 504; 604) mindestens drei elektrische Leiter (1 10; 210; 310; 410; 510; 610) umfasst, wobei
- die Leiter (1 10; 210; 310; 410; 510; 610) äquidistant zu einer Längsmittelachse (1 18) der jeweiligen Ader (104a, 1040b; 204; 304; 404; 504; 604) verdrillt verlaufend angeordnet sind; und
- jeder Leiter (1 10; 210; 310; 410; 510; 610) an seiner Außenfläche an mindestens einen isolierenden Stoff angrenzt, durch welche die Leiter (1 10; 210; 310; 410; 510; 610) der jeweiligen Ader (104a, 104b; 204; 304; 404; 504; 604) getrennt voneinander verlaufen.
2. Hochgeschwindigkeitsdatenkabel nach Anspruch 1 , wobei in jeder Ader (204; 304; 504; 604), jeder Leiter (210; 310; 510; 610) an seiner Außenfläche als isolierenden Stoff von einem isolierenden Überzug (212; 312; 512; 612) umschlossen ist.
3. Hochgeschwindigkeitsdatenkabel nach Anspruch 2, wobei der isolierende Überzug (212; 312; 512; 612) eine Lackschicht ist.
4. Hochgeschwindigkeitsdatenkabel nach Anspruch 2 oder 3, wobei in jeder Ader (104a, 104b; 204; 304; 404; 504; 604) die Leiter (1 10, 210, 310, 410, 510, 610) mindestens teilweise in isolierenden Stoff eingebettet sind.
5. Hochgeschwindigkeitsdatenkabel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei in jeder Ader (204; 304; 404; 504; 604) ein Isolatorkern (214; 314; 414; 514; 614) entlang der Längsmittelachs (1 18) angeordnet ist, an den die Leiter (210; 310; 410; 510; 610) der jeweiligen Ader (204; 304; 404; 504; 604) anliegen.
6. Hochgeschwindigkeitsdatenkabel nach Anspruch 5, wobei der Isolatorkern (214; 314; 414; 514; 614) aus Polypropylen, Polyamid oder Polyethylen (jeweils massiv, geschäumt oder als Monofil) gefertigt ist.
7. Hochgeschwindigkeitsdatenkabel nach Anspruch 5 bis 6, wobei in jeder Ader (204; 304; 504; 604) die elektrischen Leiter (210; 310; 510; 610) mit dem isolierenden Überzug (212; 312; 512; 612) am Isolatorkern (214; 314; 514; 614) sowie gegeneinander anliegen.
8. Hochgeschwindigkeitsdatenkabel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Adern (104; 204; 304: 404; 504; 604) gegeneinander verdrillt verlaufen.
9. Hochgeschwindigkeitsdatenkabel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die leitenden Abschirmung (108; 308; 508; 608) aus kunststoffkaschierter Metallfolie und/oder aus einem Drahtgeflecht ausgeführt ist.
10. Hochgeschwindigkeitsdatenkabel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Adern (104; 304; 504; 604) jeweils paarweise von der leitenden Abschirmung (108, 308, 508; 608) umgeben sind. 1. Hochgeschwindigkeitsdatenkabel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei vier Adern (304; 504; 604) als Sternvierer miteinander verdrillt angeordnet sind.
12. Hochgeschwindigkeitsdatenkabel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei jede Ader (104; 204; 304; 404; 504; 604) 3 bis 18 elektrische Leiter (1 10; 210; 310; 410; 510; 610) umfasst.
13. Hochgeschwindigkeitsdatenkabel nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zumindest ein Adernpaar (102, 302, 502, 602) eine differentielle Wellenimpedanz im Bereich zwischen 50Ω bis 300Ω aufweist.
14. Verwendung eines Hochgeschwindigkeitsdatenkabels nach Anspruch 1 zur symmetrischen Signalübertragung.
15. System umfassend:
Ein Hochgeschwindigkeitsdatenkabel nach Anspruch 1 wobei das System ausgebildet ist, ein symmetrischen Signal über das Hochgeschwindigkeitsdatenkabel zu übertragen.
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