JP2010129294A - 高速信号伝送用ケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】高周波における伝送損失増加を抑制する高速信号伝送用ケーブルを提供する。
【解決手段】第１の接地用導体２と、第１の接地用導体２の周囲を覆う第１の絶縁体３と、第１の絶縁体３の周囲を覆う信号用導体４と、信号用導体４の周囲を覆う第２の絶縁体５と、第２の絶縁体５の周囲を覆う第２の接地用導体６と、第２の接地用導体６の周囲を覆うジャケット７とを備え、第１の絶縁体３の外径ｄが第１の接地用導体２の外径ｄ＊の２倍以上、かつ、第２の絶縁体５の外径Ｄが第１の絶縁体の外径ｄの１．３〜２．３倍である。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波における伝送損失増加を抑制する高速信号伝送用ケーブルに関する。

サーバ、ルータ、ストレージなどの電子機器では、伝送速度が数Ｇｂｐｓ以上の高速デジタル信号を扱う。この種の電子機器において、装置間、装置内のシャーシ間、装置内の基板間などの信号伝送には、信号波形劣化が少なく、高速伝送特性が優れたインタフェースが要求される。そのインタフェースのひとつに、高速信号伝送用ケーブルがある。

従来、高速信号伝送用ケーブルには同軸ケーブルが用いられる。図９に示されるように、同軸ケーブル１０１は、芯線（内部導体、中心導体とも言う）１０２と、芯線１０２の外周を覆う絶縁体１０３と、絶縁体１０３の外周を覆う外導体（外部導体ともいう）１０４と、外導体１０４の外周を覆うジャケット１０５とからなる。

芯線１０２には電子機器の信号ラインを接続し、外導体１０４には電子機器のグランドを接続して、芯線１０２により伝送信号を伝送する。しかし、同軸ケーブル１０１では、伝送する信号の周波数が高い（＝伝送速度が大きい）と、芯線１０２に生じる表皮効果の影響で伝送損失が大きくなる。この傾向はケーブル長が長いほど顕著に現れる。その結果、高速信号を長距離伝送すると、もともと矩形であったデジタル信号波形がなまってしまい、伝送信号が劣化して正常な信号伝送ができなくなる。伝送信号の劣化は、伝送信号を観測機で観測したとき、アイパターンの開口が小さくなることで分かる。

そこで、従来より、同軸ケーブル１０１には、表皮効果による伝送損失の増加を抑えるための工夫がなされている。

同軸ケーブル１０１のケーブル構造パラメータ（各部寸法のこと）に関しては、伝送損失を小さくするように、同軸ケーブル１０１の特性インピーダンスが５０Ωにされている。図９の同軸ケーブル１０１の単位長あたりの伝送損失αは、表皮効果のみによる伝送損失のみ考慮すると、

で表される。

ここで、Ｄｐは外導体１０４の内径、ｄｐは芯線１０２の外径、σは導体（芯線１０２及び外導体１０４）の導電率、δは表皮効果における表皮厚さ、εは絶縁体１０３の誘電率、μは絶縁体１０３の透磁率である。なお、
１［Np］＝２０／ln１０［dB］
≒８．６８６［dB］
と換算できる。

式（１）より、表皮効果による伝送損失が最も小さい同軸ケーブル１０１は、外導体１０４の内径／芯線１０２の外径（＝Ｄｐ／ｄｐ）＝３．５９となる同軸ケーブル１０１である。絶縁体１０３の誘電率を２〜３としたとき、同軸ケーブル１０１の特性インピーダンスが約５０Ωになる。

また、同軸ケーブル１０１では、表皮効果により、伝送信号の周波数が高いほど伝送損失が大きいという周波数特性を持つため、この周波数特性を平坦化するよう、芯線１０２を中空にするか、あるいは芯線１０２の中心部を導電率の小さい材料で構成する。これにより、表皮効果による伝送損失が抑えられ、長距離のデジタル信号伝送が可能になっている。

さらに同軸ケーブル１０１の周辺回路に関しては、同軸ケーブル１０１の両端末に電気的に接続される送信デバイスと受信デバイスとして、高周波での減衰を補償する機能を備えたＩＣや信号波形を整形する機能を備えたＩＣを実装することで、高周波での減衰を補償したり信号波形を整形したりする。これにより、長距離のデジタル信号伝送が可能になっている。例えば、プレエンファシスＩＣは、送信する伝送信号の矩形波の立ち上がり側をあらかじめ増幅しておくＩＣである。

特開２００４−２６５７６９号公報

既に述べたように高速信号伝送用ケーブルとして用いる同軸ケーブル１０１では、特性インピーダンスが５０Ωとなるように構造パラメータが決められた。差動線路では、同軸ケーブル１０１を２本用いて特性インピーダンスが１００Ωとなるように構造パラメータが決められた。

これに対し、高速信号伝送用ケーブルの両端末には、ＩＣ等により構成される送信デバイス、受信デバイスが電気的に接続されるが、送信デバイスの出力インピーダンス又は受信デバイスの入力インピーダンスが５０Ωや１００Ωより小さい場合、高速信号伝送用ケーブルの特性インピーダンスもこれに合わせて小さくするのが望ましい。

しかし、同軸ケーブル１０１においては、外導体１０４の内径／芯線１０２の外径（＝Ｄ／ｄ）を小さくすることで特性インピーダンスを小さくすることはできるが、芯線１０２に生じる表皮効果によって、伝送損失が急激に増加する。

一方、絶縁体１０３の誘電率εを大きくすれば、同軸ケーブル１０１の特性インピーダンスを小さくすることができる。しかし、誘電率εが小さく、かつ、ポリエチレン等のようにケーブル製造に適した材料が従来は見当たらない。

以上の理由で、従来の同軸ケーブル１０１において、特性インピーダンスを小さくすると、伝送損失が大きい。その結果、従来の同軸ケーブル１０１を高速信号伝送用ケーブルに用いると、信号波形の劣化が大きく、長距離のデジタル信号伝送ができない。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、高周波における伝送損失増加を抑制する高速信号伝送用ケーブルを提供することにある。

上記目的を達成するために本発明は、第１の接地用導体と、該第１の接地用導体の周囲を覆う第１の絶縁体と、該第１の絶縁体の周囲を覆う信号用導体と、該信号用導体の周囲を覆う第２の絶縁体と、該第２の絶縁体の周囲を覆う第２の接地用導体とを備え、前記第１の絶縁体の外径は、前記第１の接地用導体の外径の２倍以上であり、かつ、前記第２の絶縁体の外径は、前記第１の絶縁体の外径の１．３〜２．３倍であるものである。

前記信号用導体は、テープ状導体が巻かれて形成されてもよい。

前記信号用導体は、複数の素線が撚り合わされて形成されてもよい。

前記第１の接地用導体と該第１の接地用導体の周囲を覆う第１の絶縁体と該第１の絶縁体の周囲を覆う信号用導体と該信号用導体の周囲を覆う第２の絶縁体とからなる複数本の同軸線が、１つの前記第２の接地用導体によって一括被覆されていてもよい。

前記第１の接地用導体と前記第２の接地用導体とが端末で電気的に接続されてもよい。

特性インピーダンスが２０Ω以下であってもよい。

本発明は次の如き優れた効果を発揮する。

（１）高周波における伝送損失増加を抑制することができる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１に示されるように、本発明の第一実施形態に係る高速信号伝送用ケーブル１は、第１の接地用導体２と、第１の接地用導体２の周囲を覆う第１の絶縁体３と、第１の絶縁体３の周囲を覆う信号用導体４と、信号用導体４の周囲を覆う第２の絶縁体５と、第２の絶縁体５の周囲を覆う第２の接地用導体６と、第２の接地用導体６の周囲を覆うジャケット７とを備える。

図示のように、第１の絶縁体３の外径ｄは、第１の接地用導体２の外径ｄ＊の２倍以上である。第２の絶縁体５の外径Ｄは、第１の絶縁体の外径ｄの１．３〜２．３倍である。

第１の接地用導体２は、外径ｄ＊が０．１２ｍｍの銅線にて作製する。第１の接地用導体２の周囲を覆う第１の絶縁体３は、ポリエチレンで作製する。第１の絶縁体３の厚さは、第１の絶縁体３の外径ｄが０．３５ｍｍとなるようにする。よって、第１の絶縁体３の外径ｄが第１の接地用導体２の外径ｄ＊の２倍以上となる。

第１の絶縁体３の周囲を覆う信号用導体４は、銅・銀等の導電率の大きい材料を用い、数μｍの導体皮膜として形成する。信号用導体４の周囲を覆う第２の絶縁体５は、ポリエチレンで作製する。第２の絶縁体５の厚さは、第２の絶縁体５の外径Ｄが０．７ｍｍとなるようにする。よって、第２の絶縁体５の外径Ｄが第１の絶縁体の外径ｄの２倍となる。

第２の絶縁体５の周囲を覆う第２の接地用導体６は、銅を用い、導体皮膜として形成する。第２の接地用導体６の周囲を覆うジャケット７は、適当な絶縁体材料を用いて作製する。

図２と図３により、本発明の第一実施形態に係る高速信号伝送用ケーブル１における構造パラメータと伝送損失と特性インピーダンスとの関係を説明する。図２は、特性インピーダンスを横軸に取り、伝送損失を縦軸に取り、第１の絶縁体３の外径ｄと第１の接地用導体２の外径ｄ＊との比ｄ／ｄ＊をパラメータとして描いた特性インピーダンス対伝送損失特性図である。比較のため、図２には、従来の同軸ケーブルにおける伝送損失と特性インピーダンスとの関係も示してある。図３は、第２の絶縁体５の外径Ｄと第１の絶縁体３の外径ｄとの比Ｄ／ｄを横軸に取り、伝送損失を縦軸に取り、第１の絶縁体３の外径ｄと第１の接地用導体２の外径ｄ＊との比ｄ／ｄ＊をパラメータとして描いた特性図である。第１の絶縁体３と第２の絶縁体５の比誘電率は、いずれもポリエチレンの比誘電率２．２５とした。

従来の同軸ケーブルでは、外導体１０４の内径Ｄｐを固定し、外導体１０４の内径Ｄｐと芯線１０２の外径ｄｐの比Ｄｐ／ｄｐを変えていくと、伝送損失と特性インピーダンスが変化する。Ｄｐ／ｄｐ＝３．５９のところで、伝送損失が最低になる。図２に示されるように、伝送損失が最低のとき特性インピーダンスは約５０Ωとなる。特性インピーダンスが５０Ωより大きいところでは、伝送損失の増加は小さいが、特性インピーダンスが５０Ωより小さいところでは、特性インピーダンスが小さくなると伝送損失が急激に増加する。

本発明による高速信号伝送用ケーブル１は、導体が３層構造となっているので、高速信号伝送用ケーブル１の伝送損失αは、

で表される。

また、高速信号伝送用ケーブル１のインピーダンスＺは、

で表される。

式（２）、式（３）を実際に計算した結果が図２、図３に示される。本発明による高速信号伝送用ケーブル１は、図示のように特性インピーダンスが２０Ω以下のところで、伝送損失が最小となる。また、本発明による高速信号伝送用ケーブル１は、特性インピーダンスが２０Ω以下のところでは、従来の同軸ケーブルよりも伝送損失が下回る領域がある。

以上より、本発明による高速信号伝送用ケーブル１は、特性インピーダンスが２０Ω以下であれば、従来の同軸ケーブルよりも伝送損失が小さいものを作製することができる。これにより、本発明の高速信号伝送用ケーブル１は、従来の同軸ケーブルよりも長距離伝送に好適となる。

また、図３によれば、第１の絶縁体３の外径ｄと第１の接地用導体２の外径ｄ＊との比ｄ／ｄ＊が２以上、より好ましくは３以上のとき、伝送損失が特に小さくできる。そして、第１の絶縁体３の外径ｄと第１の接地用導体２の外径ｄ＊との比ｄ／ｄ＊が２以上であれば、第２の絶縁体５の外径Ｄと第１の絶縁体３の外径ｄとの比Ｄ／ｄが１．３〜２．３、より好ましくは２のとき、伝送損失が最も小さくできる。従って、伝送損失を小さくする効果は、ｄ／ｄ＊が３以上でＤ／ｄが２のとき最も優れている。

以上説明したように、本発明によれば、信号用導体４の内側と外側の両方に接地用導体２，６を有するので、表皮効果による大幅な伝送損失がなく、特性インピーダンスが小さい。そして、第１の絶縁体３の外径ｄが第１の接地用導体２の外径ｄ＊の２倍以上であり、かつ、第２の絶縁体５の外径Ｄが第１の絶縁体の外径ｄの１．３〜２．３倍であることにより、特性インピーダンスが２０Ω以下のところで、伝送損失が顕著に小さくなる。

図４に示されるように、本発明の高速信号伝送用ケーブル１は、電子機器のプリント基板に電気的に接続される際に、第１の接地用導体２の端末と第２の接地用導体６の端末とが電気的に接続される。すなわち、高速信号伝送用ケーブル１は、中心より順に、第１の接地用導体２、第１の絶縁体３、信号用導体４、第２の絶縁体５、第２の接地用導体６、ジャケット７を有し、これら各層が端末において段剥き加工される。プリント基板上には第１の接地用ランド４１と信号用ランド４２と第２の接地用ランド４３とが設けられている。第１の接地用導体２を第１の接地用ランド４１にはんだ付けして電気的に接続し、信号用導体４を信号用ランド４２にはんだ付けして電気的に接続し、第２の接地用導体６を第２の接地用ランド４３にはんだ付けして電気的に接続する。このとき、第１の接地用ランド４１と第２の接地用ランド４３は、プリント基板上の距離がなるべく短くなるようパターンが繋がっているため、第１の接地用導体２の端末と第２の接地用導体６の端末とが、短い距離の導体を介して電気的に接続される。これにより、高速信号伝送用ケーブル１の特性インピーダンスが安定し、不要な反射が起きず、安定した通信が可能となる。

次に、本発明の第二の実施形態を説明する。

図５に示されるように、本発明の第二実施形態に係る高速信号伝送用ケーブル５１は、既に説明した高速信号伝送用ケーブル１と同様に、第１の接地用導体２、第１の絶縁体３、信号用導体４、第２の絶縁体５、第２の接地用導体６、ジャケット７を有する。また、第１の絶縁体３の外径ｄは第１の接地用導体２の外径ｄ＊の２倍以上であり、第２の絶縁体５の外径Ｄは第１の絶縁体の外径ｄの１．３〜２．３倍である。

高速信号伝送用ケーブル５１では、第１の接地用導体２は銅線にて作製し、第１の接地用導体２の周囲を覆う第１の絶縁体３はポリエチレンで作製する。信号用導体４は、厚さ数μｍのテープ状銅箔フィルム５２を第１の絶縁体３の外周に巻き付けて皮膜する。第２の絶縁体５は、ポリエチレンで作製する。第２の接地用導体６は、テープ状銅箔フィルム５３を第２の絶縁体５の外周に巻き付けて形成する。ジャケット７は、適当な絶縁体材料を用いて皮膜を形成する。

高速信号伝送用ケーブル５１は、信号用導体４と第２の接地用導体６がテープ状銅箔フィルム５２，５３を巻き付けて形成されるので、製造が容易である。また、テープ状銅箔フィルム５２を用いることにより、信号用導体４を薄く作製することができる。信号用導体４が薄いため、低周波領域における伝送損失が大きい。これにより、低周波領域から高周波領域にわたる広域での伝送損失を平坦化することができ、デジタル信号伝送における信号波形の劣化を小さくすることができる。

次に、本発明の第三の実施形態を説明する。

図６に示されるように、本発明の第三実施形態に係る高速信号伝送用ケーブル６１は、既に説明した高速信号伝送用ケーブル１と同様に、第１の接地用導体２、第１の絶縁体３、信号用導体４、第２の絶縁体５、第２の接地用導体６、ジャケット７を有する。また、第１の絶縁体３の外径ｄは第１の接地用導体２の外径ｄ＊の２倍以上であり、第２の絶縁体５の外径Ｄは第１の絶縁体の外径ｄの１．３〜２．３倍である。

高速信号伝送用ケーブル６１では、第１の接地用導体２は複数本の銅の素線６２を撚り合わせて作製し、第１の接地用導体２の周囲を覆う第１の絶縁体３はポリエチレンで作製する。信号用導体４は複数本の銅の素線６３を撚り合わせて作製し、第２の絶縁体５はポリエチレンで作製する。第２の接地用導体６は銅の素線６４を撚り合わせて作製し、ジャケット７は適当な絶縁体材料を用いて皮膜を形成する。

高速信号伝送用ケーブル６１は、信号用導体２が複数の素線６３を撚り合わせて形成され、さらに、第１の接地用導体２、第２の接地用導体６がそれぞれ複数の素線６２，６４を撚り合わさせて形成されるため、よりいっそう可撓性の向上が期待できる。また、高速信号伝送用ケーブル６１は、従来の同軸ケーブル製造工程とほぼ同じ製造工程を用いて作製することができるため、製造が容易である。

次に、本発明の第四の実施形態を説明する。

図７に示されるように、本発明の第四実施形態に係る高速信号伝送用ケーブル７１は、第１の接地用導体２、第１の絶縁体３、信号用導体４、第２の絶縁体５からなる複数本の同軸線が、１つの第２の接地用導体６によって一括被覆されたものである。すなわち、高速信号伝送用ケーブル７１では、第１の接地用導体２は複数本の銅の素線７２を撚り合わせて作製し、第１の接地用導体２の周囲を覆う第１の絶縁体３はポリエチレンで作製する。信号用導体４は複数本の銅の素線７３を撚り合わせて作製し、第２の絶縁体５はポリエチレンで作製する。このようにして、第１の接地用導体２、第１の絶縁体３、信号用導体４、第２の絶縁体５からなる同軸線７４が形成される。

この同軸線７４を２本平行に並べて配置する。２本の同軸線７４の外周に複数本の銅の素線７５を撚り合わせた第２の接地用導体６により導体皮膜を形成する。ジャケット７は適当な絶縁体材料を用いて皮膜を形成する。

高速信号伝送用ケーブル７１は、信号用導体４が２本並列に整列した構成であるため、差動伝送線路としても使用することができる。高周波において、伝送損失が増加することを抑制できるので、図９に示す単線の同軸ケーブルと同じく、低インピーダンスの伝送線路回路として用いることができる。また、高速信号伝送用ケーブル７１は、従来の同軸ケーブル製造工程とほぼ同じ製造工程を用いて作製することができるため、製造が容易である。

図８に示されるように、本発明の高速信号伝送用ケーブル７１は、電子機器のプリント基板に電気的に接続される際に、第１の接地用導体２の端末と第２の接地用導体６の端末とが電気的に接続される。すなわち、高速信号伝送用ケーブル７１は、同軸線７４が中心より順に、第１の接地用導体２、第１の絶縁体３、信号用導体４、第２の絶縁体５を有し、さらに２本の同軸線７４の外周に、第２の接地用導体６、ジャケット７を有する。各同軸線７４の各層が端末において段剥き加工され、さらに第２の接地用導体６、ジャケット７が段剥き加工される。プリント基板上には第１の接地用ランド８１，８２と信号用ランド８３，８４と第２の接地用ランド８５とが設けられている。各同軸線７４の第１の接地用導体２，２を第１の接地用ランド８１，８２にはんだ付けして電気的に接続し、各同軸線７４の信号用導体４，４を信号用ランド８３，８４にはんだ付けして電気的に接続し、第２の接地用導体６を第２の接地用ランド８５にはんだ付けして電気的に接続する。このとき、第１の接地用ランド８１，８２と第２の接地用ランド８５は、プリント基板上の距離がなるべく短くなるようパターンが繋がっているため、第１の接地用導体２，２の端末と第２の接地用導体６の端末とが、短い距離の導体を介して電気的に接続される。これにより、高速信号伝送用ケーブル１の特性インピーダンスが安定し、不要な反射が起きず、安定した通信が可能となる。

本発明の第一実施形態を示す高速信号伝送用ケーブルの断面図である。 本発明の高速信号伝送用ケーブル及び従来の同軸ケーブルの特性インピーダンス対伝送損失特性図である。 本発明の高速信号伝送用ケーブルにおけるＤ／ｄ対伝送損失特性図である。 本発明の高速信号伝送用ケーブルとプリント基板の接続を説明する図である。 本発明の第二実施形態を示す高速信号伝送用ケーブルの断面図である。 本発明の第三実施形態を示す高速信号伝送用ケーブルの断面図である。 本発明の第四実施形態を示す高速信号伝送用ケーブルの断面図である。 本発明の高速信号伝送用ケーブルとプリント基板の接続を説明する図である。 従来の同軸ケーブルの断面図である。

符号の説明

１，５１，６１，７１ 高速信号伝送用ケーブル
２ 第１の接地用導体
３ 第１の絶縁体
４ 信号用導体
５ 第２の絶縁体
６ 第２の接地用導体
７ ジャケット

Claims (6)

1. 第１の接地用導体と、該第１の接地用導体の周囲を覆う第１の絶縁体と、該第１の絶縁体の周囲を覆う信号用導体と、該信号用導体の周囲を覆う第２の絶縁体と、該第２の絶縁体の周囲を覆う第２の接地用導体とを備え、
   前記第１の絶縁体の外径は、前記第１の接地用導体の外径の２倍以上であり、かつ、前記第２の絶縁体の外径は、前記第１の絶縁体の外径の１．３〜２．３倍であることを特徴とする高速信号伝送用ケーブル。
2. 前記信号用導体は、テープ状導体が巻かれて形成されたことを特徴とする請求項１記載の高速信号伝送用ケーブル。
3. 前記信号用導体は、複数の素線が撚り合わされて形成されたことを特徴とする請求項１記載の高速信号伝送用ケーブル。
4. 前記第１の接地用導体と該第１の接地用導体の周囲を覆う第１の絶縁体と該第１の絶縁体の周囲を覆う信号用導体と該信号用導体の周囲を覆う第２の絶縁体とからなる複数本の同軸線が、１つの前記第２の接地用導体によって一括被覆されていることを特徴とする請求項１〜３いずれか記載の高速信号伝送用ケーブル。
5. 前記第１の接地用導体と前記第２の接地用導体とが端末で電気的に接続されたことを特徴とする請求項１〜４いずれか記載の高速信号伝送用ケーブル。
6. 特性インピーダンスが２０Ω以下であることを特徴とする請求項１〜５いずれか記載の高速信号伝送用ケーブル。

Images