JP2023512538A

JP2023512538A - フィルタケーブル

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Publication number: JP2023512538A
Application number: JP2022547317A
Authority: JP
Inventors: 宇南韓
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2020-04-13
Filing date: 2020-04-13
Publication date: 2023-03-27
Anticipated expiration: 2040-04-13
Also published as: CA3166507A1; US20220123448A1; WO2021207867A1; EP3916740C0; US11929536B2; JP7404551B2; CN113811960B; EP3916740A4; EP3916740B1; CN113811960A; EP3916740A1

Abstract

本出願は、関連技術における複雑な電磁環境の様々な問題によりうまく対処でき、構造がシンプルで合理的な装置がないという問題を解決するためのフィルタケーブルを開示し、フィルタケーブルは芯線を含み、前記芯線は絶縁基板と前記絶縁基板を囲む第１導体層を含み、前記第１導体層は第１エッチングパターンを有し、前記第１エッチングパターンは前記フィルタケーブルの軸方向に沿って分布し、前記第１エッチングパターンは前記フィルタケーブルを第１フィルタ回路と等価になり、フィルタ機能を実現するために使用される。

Description

本出願は、ケーブルの技術分野に関し、特にフィルタケーブルに関する。

ケーブルは産業の「血管・神経」と呼ばれ、情報技術からインテリジェンスに至るまで、軍事・民生用電子機器の発展が進む中で、電磁環境影響の分野で新たな問題や課題を抱えている。情報戦下の戦場は、次第に陸・海・空・宇宙・電気の５つの次元からなる複合戦場となり、「電気」には核ＥＭＰ、高出力マイクロ波兵器、ＥＭＰ爆弾、電子ジャミング、電子対策など、戦場を取り巻く複雑な電磁環境も含まれる。無線機器の急速な普及に伴い、民生用のインテリジェントな電子機器も、そのライフサイクルを通じて、より複雑な電磁環境に直面している。ケーブルは電子機器内や電子機器間の重要な相互接続部品であり、通電導体としてＥＭＩ（電磁妨害）を発生するだけでなく、周囲の電磁波を放射・受信し、電子機器のＥＭＣ（電磁両立性）の問題を引き起こす。これらの問題に対処するため、複雑な電磁環境下にある機器同士や機器内の接続には、シールドケーブルや集中型フィルタが使用されている。具体的には以下の例を挙げる。

シールドケーブルは、一般に単一または一体型のシールド層、機器のシェルグランドに接続されたコネクタを介してシールド層、そこにシールドがないフィルタリング機能である。

同軸ケーブルは、電磁波シールド性があるため、広い周波数帯域でインピーダンスが一定で位相が安定するが、フィルタリング機能はない。

光の全反射により低損失で信号を伝送し、干渉も大幅に低減する光ファイバーは、比較的複雑な光・光電変化デバイスのデバイス内・デバイス間の相互接続にまだあまり使われている。

フィルタ磁気リング、磁気リングを通したケーブルは、ラインの高周波干渉信号を抑制し、欠点はより重く、曲げることができず、使用環境要件が高いことである。

低温焼成セラミックスフィルタ、多層フィルタは、一般に移動体通信端末に使用され、利点は非常に小さいサイズであり、欠点は品質係数が低いことと挿入損失が大きいことである。

このことから分かるように、関連技術において、シールドケーブルや同軸線は、シールド性を持つがフィルタリングができず、ケーブルや機器の周囲には複雑な電磁環境が分布しているため、集中型フィルタリング方式による磁気リングや低温焼成セラミックフィルタなどの構造では、分散型干渉問題にうまく対処できず、集中型フィルタリング方式は、接続の両端での電磁波干渉の結合により、分散型の複雑な電磁環境効果におけるフィルタリングの効果を著しく低下させる可能性があり、集中型フィルタリング方式の構造の設置箇所では、両端の相互干渉を避けるために、両端を高度にアイソレートする必要があり、使用条件が厳しく、集中型フィルタリング構造の設置には大きなスペースと重量が必要であり、適用範囲が限定される。

以上のように、複雑な電磁環境におけるさまざまな問題にうまく対処し、シンプルで合理な構造設計を持つデバイスが、この関連技術には欠けている。

本出願の目的は、複雑な電磁環境の様々な問題によりうまく対処でき、構造設計がシンプルで合理的な装置がないという問題を解決するためのフィルタケーブルを提供することである。

本出願の目的は、以下の技術的解決手段によって実現され得る。
フィルタケーブルは、芯線を含み、前記芯線は、絶縁基板と前記絶縁基板を囲む第１導体層を含み、前記第１導体層は第１エッチングパターンを有し、前記第１エッチングパターンは前記フィルタケーブルの軸方向に沿って分布し、前記第１エッチングパターンは前記フィルタケーブルを第１フィルタ回路とになり、フィルタ機能を実現するために使用される。

可能な設計では、前記第１エッチングパターンは、前記フィルタケーブルの軸方向に沿って周期的または非周期的に分布する。

可能な設計では、前記第１エッチングパターンのエッチング領域はくり抜かれるか、または絶縁材料が充填される。

可能な設計では、前記第１導体層は前記絶縁基板にメッキされるか、または前記第１導体層は前記絶縁基板に包み込まれる。

可能な設計では、前記第１エッチングパターンは、複数組のカスケードパターンを含み、
各組の前記カスケードパターンはそれぞれ前記フィルタケーブルの軸方向に沿って開設された第１凹型パターン、第２凹型パターンおよび第３凹型パターンを有し、前記第３凹型パターンは前記第２凹型パターンの外側を囲み、前記第２凹型パターンは前記第１凹型パターンの外側を囲む。

可能な設計では、複数組のカスケードパターンの寸法が完全に同一に設定されていない。

可能な設計では、前記第１エッチングパターンは、ヒルベルトフラクタル構造を有するパターンを含む。

可能な設計では、前記芯線を囲む第１充填層、前記第１充填層を囲む第２導体層をさらに含み、前記第２導体層は第２エッチングパターンを有し、前記第２エッチングパターンは前記フィルタケーブルの軸方向に沿って分布し、前記第２エッチングパターンは前記フィルタケーブルを第２フィルタ回路と等価になり、フィルタ機能を実現するために使用される。

可能な設計では、前記第２エッチングパターンの形状は前記第１エッチングパターンの形状と完全に同じであり、または、前記第２エッチングパターンの形状は前記第１エッチングパターンの形状と完全に異なる。

可能な設計では、前記第２導体層を囲む第２充填層、前記第２充填層を囲むシールド層をさらに含み、前記シールド層に接地端子が設けられている。

本出願の一実施例によって提供されるフィルタケーブルの構造概略図である。本出願の別の実施例によって提供される第１エッチングパターンの構造概略図である。本出願の別の実施例によって提供される第１エッチングパターンの構造概略図である。本出願の別の実施例によって提供されるフィルタケーブルのフィルタリング効果の概略図である。本出願の別の実施例によって提供されるフィルタケーブルのフィルタリング効果の概略図である。

本出願の目的、技術的解決手段および利点をより明確にするために、以下、添付図面を参照して本出願をより詳細に説明する。

図１を参照すると、図１は本出願の一実施例によって提供されるフィルタケーブルの構造概略図である。

図１に示すように、本実施例によって提供されるフィルタケーブルは芯線を含み、芯線は絶縁基板１１と絶縁基板１１を囲む第１導体層１２を含み、第１導体層１２は第１エッチングパターンを有し、前記第１エッチングパターンは前記フィルタケーブルの軸方向に沿って分布し、前記第１エッチングパターンは前記フィルタケーブルを第１フィルタ回路とになり、フィルタ機能を実現するために使用される。

第１エッチングパターンはフィルタケーブルの軸方向に沿って絶縁基板全体に分散し、具体的に、第１エッチングパターンはフィルタケーブルの軸方向に沿って周期的または非周期的に分布している。

本出願の実施例は、複雑な電磁環境の様々な問題をよりうまく対処できるフィルタケーブルを提供し、このフィルタケーブルでは、従来の銅単線による芯線構造に代えて、絶縁基板を設け、絶縁基板に第１導体層を設け、該第１導体層は第１エッチングパターンを有し、該第１エッチングパターンはフィルタケーブルを必要なフィルタ回路と等価になり、フィルタ機能を実現し、第１側面によれば、ケーブル自身の構造芯線でフィルタリングを実現しているため、他の部品を追加する必要がなく、構造がシンプルで、体積が小さく、重量が軽く、ケーブル自身を自由に曲げることができ、設置が容易で、適用範囲がより広く、他の部品の使用による一連の問題を回避することもでき、第２側面によれば、第１エッチングパターンはケーブルに分布しているため、ケーブル全体は良好なフィルタリング特性を有し、分散した電磁波環境に対応する上で、より効果的であり、第３側面によれば、フィルタ回路の入力端と出力端がフィルタケーブルの両端に分散されているため、大きな結合がなく、フィルタリング効果がより良く、第４側面によれば、フィルタケーブル中の芯線は絶縁基板を採用しているため、導体材料を節約しながら軽量化を実現する。

本出願によって提供されるフィルタケーブルは、電子機器間の相互接続、電子機器と電源装置の相互接続、電子機器内のモジュール間の相互接続、知能ロボット内のモジュール間の相互接続、知能ＣＮＣ工作機械の内外の相互接続、その他電力や信号を有線で伝送する場合、特に電磁環境が複雑な環境で相互接続を必要とするシナリオに幅広く適用できる。

なお、フィルタケーブル中の芯線の数は実際のニーズに応じて設定され得、１つまたは複数を含んでもよい。

実際に適用する場合、芯線中の第１導体層は様々な方法で絶縁基板に設置することができ、例えば第１導体層は絶縁基板にメッキ(電気メッキなど)され得、また、第１導体層は絶縁基板に包み込まれてもよく、このような状況では、第１導体層は絶縁基板と同じ熱膨張係数を有し、曲がりにくく、環境温度の影響を受けにくく、安定性により優れている。また、絶縁基板の形状は中実の円筒形であってもよく、他の必要な形状であってもよい。

具体的に実施するとき、第１エッチングパターンは具体的に様々な構造を有し、以下２つの可能な構造を挙げるが、これらに限定されない。

構造１
本実施例では、図２に示すように、第１エッチングパターン１２０は複数組のカスケードパターン１２１を含み、各組のカスケードパターン１２１はそれぞれフィルタケーブルの軸方向に沿って開設された第１凹型パターン１２１１、第２凹型パターン１２１２および第３凹型パターン１２１３を含み、第３凹型パターン１２１３は第２凹型パターン１２１２の外側を囲み、第２凹型パターン１２１２は第１凹型パターン１２１１の外側を囲む。第３凹型パターン１２１３と第２凹型パターン１２１２は間隔を空けて、第２凹型パターン１２１２と第１凹型パターン１２１１は間隔を空けて配置されている。

図２から分かるように、凹型パターンは凹型開口に対向する底辺、および該底辺に隣接する２つの側辺を有し、底辺と２つの側辺はすべてエッチング領域であり、凹型パターンの寸法、つまり底辺と２つの側辺の寸法（辺の長さと幅）は、実際のニーズに応じて設定され得る。その中で、２つの側辺の長さは等しい。

図２から分かるように、各組のカスケードパターンは近接する３本の凹型折り線を有するため、各凹型の長さはストップバンドを構成し、複数の凹型は複数の周波数点を有するストップバンドを構成し、その数がある程度重畳してローパス効果を生み出す。各凹型の等価回路はインダクタＬ_ｉとコンデンサＣ_ｉが並列に接続された共振回路を形成し、抵抗機能を有する。インダクタとコンデンサの値の大きさは、凹型の合計長さ（つまり底辺と２つの側辺の長さの和）および幅（つまり各辺の幅）に比例し、複数の凹型の位置関係も各凹型の等価インダクタとコンデンサに影響を及ぼす。

図２に示すように、複数組のカスケードパターンの寸法は完全に同じではなく、実施するとき、実際のニーズに応じて各凹型パターンの寸法を調整して、所望のフィルタリング効果を得る。

なお、カスケードパターンの組の数も限定されず、フィルタのニーズに応じて設定すればよい。

構造２
本実施例では、図３に示すように、第１エッチングパターン１２０は、ヒルベルトフラクタル構造を有するパターンを含む。図３から分かるように、該パターンはある線幅のヒルベルト曲線で形成されたエッチングパターンである。第１エッチングパターンの寸法は、フィルタケーブル径方向の断面に沿ったパターン全体の幅、フィルタケーブルの軸方向の断面に沿ったヒルベルトフラクタル構造の線分の幅であり、所望のフィルタリング効果を得るために、該寸法は実際のニーズに応じて設定すればよい。

以上、２つの可能な第１エッチングパターンの具体的な構造を挙げるが、実施するとき、様々な所望のフィルタ回路の効果を得るために、必要に応じて様々な構造のパターンを設定してもよく、実現され得るフィルタ回路は、ローパスフィルタ回路、バンドパスフィルタ回路、抵抗フィルタ回路またはハイパスフィルタ回路などを含み得る。

具体的に実施するとき、フィルタケーブルのフィルタリング効果をさらに高めるために、可能な設計では、図１に示すように、フィルタケーブルは芯線を囲む第１充填層２１、第１充填層２１を囲む第２導体層２２をさらに含んでもよく、第２導体層２２は第２エッチングパターンを有し、第２エッチングパターンはフィルタケーブルの軸方向に沿って分布し、第２エッチングパターンはフィルタケーブルを第２フィルタ回路と等価になり、フィルタ機能を実現するように使用される。本実施例では、芯線外部に第２導体層２２がさらに設けられ、第２導体層２２にも第２エッチングパターンが設けられることで、フィルタリング効果をより高める。

実施するとき、第２エッチングパターンの形状は第１エッチングパターンの形状と完全に同じであり、または、第２エッチングパターンの形状は第１エッチングパターンの形状と完全に異なってもよく、実際のニーズに応じて柔軟に設定して、所望のフィルタリング効果を得ることができればよい。

なお、第２導体層は単層であってもよく、複数層のサブ導体層を設けてもよく、複数層のサブ導体層を設けると、各サブ導体層は互いに絶縁に配置され、例えば充填層によって絶縁を実現してもよい。

理解できるように、図１に示すように、上記のフィルタケーブルは、第２導体層２２を囲む第２充填層３１、第２充填層３１を囲むシールド層３２をさらに含んでもよく、シールド層３２に接地端子が設けられている。このように、フィルタケーブルのフィルタ機能とシールド機能を組み合わせて、複雑な電磁環境によりうまく対処でき、さらに性能を向上させることができる。

その中で、接地端子はフィルタケーブルの両端に設けてもよく、フィルタケーブルの両端にあるエアラインプラグで機器の筐体を接続することで接地され得、もちろん、フィルタケーブルの中間に複数の接地端子を設けてマルチポイント接地を実現してもよい。

同様に、シールド層は単層であってもよく、複数層のシールド層を設けてもよく、複数層のサブシールド層を設けると、各サブシールド層は互いに絶縁され、例えば充填層によって絶縁を実現してもよい。

もちろん、第２導体層を設けないと、シールド層を第１充填層に直接に設ければよい。

フィルタケーブルを保護するために、図１に示すように、フィルタケーブルに、シールド層３２の外部にある外部保護カバー４が設けられる。外部保護カバーはフィルタケーブルの最も外層でフィルタケーブルを物理的に保護し、フィルタケーブルの使用寿命を延長するための構造である。

なお、図１では例示的にフィルタケーブルの構造を示したが、ここに限定されず、他の構造であってもよい。

以下、フィルタケーブルの各層構造の材料を説明する。
具体的に実施するとき、芯線中の絶縁基板の材料はケブラー、テフロン（登録商標）などの絶縁材料であってもよく、これらの材料は従来の銅材料よりも軽く、ケーブルの軽量化に有利である。もちろん、他の材料であってもよいが、ここで詳細に記載されていない。第１導体層の材料は金属、金属合金、金属合金と金属メッキ層または導電性高分子、例えば純銅、銀でメッキした銅または銀でメッキしたスチールクラッド銅などを含むが、これらに限定されない。実施するとき、芯線の構造はケブラー線に銀をメッキし、銀メッキ層に第１エッチングパターンをエッチングしてもよく、ポリテトラフルオロエチレンの外側にポリイミド薄膜または液晶ポリマー（ＬｉｑｕｉｄＣｙｓｔａｌＰｏｌｙｍｅｒ、ＬＣＰ）薄膜などの柔軟な媒体を巻き付けて作製したフレキシブルプリント配線板などであってもよい。

第２導体層は第１導体層と同じ材料であってもよく、ここで詳細な説明を繰り返さない。

芯線と第２導体層の代表的な実施形態はポリイミド薄膜またはＬＣＰ薄膜などの柔軟な媒体で作成したフレキシブルプリント配線板である。フレキシブルプリント配線板は優れた電気性能と良好な加工性能を有するため、柔軟な媒体基板を使用して必要な芯線と第２導体層を設計及び作製でき、様々な特性のフィルタケーブルに適用され得る。

シールド層は銅銀メッキテープ、超軽量銀メッキ金属編組層、銅ニッケルメッキ編組層または銅銀メッキ編組メッシュを含むが、これらに限定されない。

各充填層の材料はポリテトラフルオロエチレンまたはポリエチレンであるが、これらに限定されない。実施するとき、第２充填層はポリテトラフルオロエチレンまたはポリエチレンなどの絶縁材料を巻き付けまたは発泡押し出しして第２導体層の外側に均一に設置すればよい。

外部保護カバーの材料はポリテトラフルオロエチレン、ポリエチレン、フッ素化エチレンプロピレンポリマー、シリコーンゴム、ポリウレタン、ステンレススチール、ＲＡＤＯＸ、ネオプレンまたは低煙ハロゲンフリー材などを含むが、これらに限定されない。

以下、具体的な適用シーンを例にして、本出願によって提供されるフィルタケーブルをより詳細に説明する。

シーン１では、ローパスフィルタを実現するために、図２に示される第１エッチングパターンを使用し、具体的には以下のとおりである。

ポリイミド薄膜基板に４組のカスケードパターンを有する銅層を第１導体層として設け、フィルタケーブルの絶縁基板に包み込まれ、フィルタケーブルのローパスフィルタ機能を実現する。また、第１導体層の外部にシールド層が包み込まれ、もちろん、シールド層と第１導体層は充填層を介して絶縁される。図２の１組のカスケードパターンを共振ユニットとする構造図が示す、構造パラメータの代表値は、ポリイミド薄膜基板の比誘電率ε_ｒ＝３．８、誘電損失正接値ｔａｎδ＝０．００８、基板寸法：長さＬ_ｃ×幅Ｗ_１×高さＨ_ｓｕｂ＝１５．５ｍｍ×４ｍｍ×０．０２５４ｍｍである。共振ユニットの寸法：各辺の幅ｗ＝０．２５ｍｍ、隣接する凹型パターンの間隔距離ｓ＝０．２ｍｍであり、凹型パターンの各辺長さ：第３凹型パターンの底辺の長さＬ_１＝３．４ｍｍ、第３凹型パターンの側辺の長さＬ_２＝２．５７ｍｍ、第２凹型パターンの底辺の長さＬ_３＝２．５ｍｍ、第２凹型パターンの側辺の長さＬ_４＝１．８７ｍｍ、第１凹型パターンの底辺の長さＬ_５＝１．６ｍｍ、第１凹型パターンの側辺の長さＬ_６＝１．７４ｍｍである。隣接するカスケードパターン間の間隔Ｌ_ｕ＝１．３３ｍｍである。フィルタケーブルの半径が小さいと、フィルタの共振周波数がより低くなり、効果がより良好になる。代表的な絶縁基板の半径は０．５３ｍｍ、シールド層の半径は２．４ｍｍである。本実施例の構造で実現されるフィルタケーブルは非常に強い遷移帯域（ＴＢ）、超広いストップバンド（ＳＢ）と非常に高いストップバンド性能を有し、本実施例で提出された４組のカスケード共振ユニットを有する第１導体層は、１５．５ｍｍ×０．４ｍｍ×０．０２５４ｍｍのコンパクトな寸法を有し、図４に示すように、本実施例のフィルタケーブルが実現する挿入損失（つまりインサーションロス）効果図から分かるように、本実施例のフィルタケーブルはローパスフィルタケーブルであり、長さが約０．１ｍのフィルタケーブルが実現する挿入損失効果が０～３ＧＨｚで挿入損失が０．５ｄＢ未満であり、３．５-１２ＧＨｚの挿入損失が１０ｄＢよりも大きい。図４では、横座標は周波数を示し、単位がＧＨｚ（つまりＧＨ）であり、縦座標は挿入損失を示し、単位がｄＢである。

シーン２では、実現するローパスフィルタは、図３に示される第１エッチングパターンを使用し、具体的には以下のとおりである。

本シーンでは、シーン１と異なり、図３に示されるパターンを使用し、Ｗ_１＝５．１９ｍｍであり、第１エッチングパターンはフィルタケーブル径方向の断面の長さＷ_ｈ＝４．８７５ｍｍ、Ｌ_ｃ＝２４．８ｍｍであり、フィルタケーブルの軸方向の断面に沿ったヒルベルトフラクタル構造の線分の幅Ｗ_Ｓ＝０．３２５ｍｍである。該構造のフィルタケーブルによって、図５に示されるフィルタリング効果が実現され得、図５では、周波数を周期として周期的損失を形成する。周波数が高くなると、減衰が徐々に大きくなる。実際に使用するとき、フラクタル構造はケーブルで直列に接続されるため、挿入損失がさらに増加し、より良好なローパスフィルタリング効果を得ることができる。

本明細書の説明において、「一実施例」、「いくつかの実施例」、「例示」、「具体的な例示」、または「いくつかの例示」などの参照用語は、該実施例または例示で説明された具体的な特徴、構造、材料または特性は本出願の少なくとも１つの実施例または例示に含まれることを意味する。本明細書では、上記の用語の例示的な説明は必ずしも同じ実施例または例示を示すものではない。そして、説明される具体的な特徴、構造、材料または特性を任意の１つまたは複数の実施例または例示で適切に組み合わせることができる。

以上、本出願の実施例を詳細に説明したが、上記実施例は例示であり、本出願を限定するものとして解釈されず、当業者は、本出願の範囲で上記実施例を変更、修正、置換および変形することができる。

Claims

フィルタケーブルであって、芯線を含み、前記芯線は、絶縁基板と前記絶縁基板を囲む第１導体層を含み、前記第１導体層は第１エッチングパターンを有し、前記第１エッチングパターンは前記フィルタケーブルの軸方向に沿って分布し、前記第１エッチングパターンは前記フィルタケーブルを第１フィルタ回路とになり、フィルタ機能を実現するために使用される、ことを特徴とするフィルタケーブル。
前記第１エッチングパターンは、前記フィルタケーブルの軸方向に沿って周期的または非周期的に分布する、ことを特徴とする請求項１に記載のフィルタケーブル。
前記第１エッチングパターンのエッチング領域はくり抜かれるか、または絶縁材料が充填される、ことを特徴とする請求項１に記載のフィルタケーブル。
前記第１導体層は前記絶縁基板にメッキされるか、または前記第１導体層は前記絶縁基板に包み込まれる、ことを特徴とする請求項１に記載のフィルタケーブル。
前記第１エッチングパターンは、複数組のカスケードパターンを含み、
各組の前記カスケードパターンはそれぞれ前記フィルタケーブルの軸方向に沿って開設された第１凹型パターン、第２凹型パターンおよび第３凹型パターンを有し、前記第３凹型パターンは前記第２凹型パターンの外側を囲み、前記第２凹型パターンは前記第１凹型パターンの外側を囲む、ことを特徴とする請求項１に記載のフィルタケーブル。
複数組のカスケードパターンの寸法が完全に同一に設定されていない、ことを特徴とする請求項５に記載のフィルタケーブル。
前記第１エッチングパターンは、ヒルベルトフラクタル構造を有するパターンを含む、ことを特徴とする請求項１に記載のフィルタケーブル。
前記芯線を囲む第１充填層、前記第１充填層を囲む第２導体層をさらに含み、前記第２導体層は第２エッチングパターンを有し、前記第２エッチングパターンは前記フィルタケーブルの軸方向に沿って分布し、前記第２エッチングパターンは前記フィルタケーブルを第２フィルタ回路と等価になり、フィルタ機能を実現するために使用される、ことを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載のフィルタケーブル。
前記第２エッチングパターンの形状は前記第１エッチングパターンの形状と完全に同じであり、または、前記第２エッチングパターンの形状は前記第１エッチングパターンの形状と完全に異なる、ことを特徴とする請求項８に記載のフィルタケーブル。
前記第２導体層を囲む第２充填層、前記第２充填層を囲むシールド層をさらに含み、前記シールド層に接地端子が設けられている、ことを特徴とする請求項８に記載のフィルタケーブル。