JP3182612U - ブロードバンド・ツイスト・カプセル - Google Patents

Abstract

【課題】より高い帯域幅の信号の伝送を許容するツイスト・カプセルで使用するための進歩したフレックス・テープを提供する。
【解決手段】ツイスト・カプセル（１０）は、広義で、フレキシブル・テープ（１３）と、テープと協動して、表皮効果および／又は誘電損失に帰することのできる高周波デジタル波形成分の減衰を補償する高域補正回路（１１）とを含み、それによって前記テープ上を送信される信号の動作帯域幅は、増大する。等化回路（１４）は、テープの出力端に配置されて、動作帯域幅を更に拡張する。
【選択図】図５

Description

（技術分野）
本考案は、概してツイスト・カプセル（twist capsule）に関するものであって、更に詳細には、高速データ信号送信能力を毎秒１０．０ギガ・ビット（「Gbps」）を超えるまでに拡張する高域補正回路 およびオプションとしての等化回路を使用することによって、高周波応答および信号処理能力を拡張された進歩したブロードバンド・ツイスト・カプセルに関する。

（背景技術）
ツイスト・カプセルは、不連続に回転又は振動する境界を横切って、信号およびパワーを伝達するために、シャフトに巻きつけられたフレキシブル回路を使用する装置である。このような装置は、典型的には、何らかの限定された範囲にわたる角回転を許容する。典型例として、振動運動をする遊動環部材において信号およびパワーを伝えるために使用されるツイスト・カプセルが含まれる。各種ツイスト・カプセルが米国特許第４，６９３，５２７Ａ号および第４，７１０，１３１Ａ号に示され、述べられている。ツイスト・カプセルに使用する高周波リボン・ケーブルについては、米国特許第６，２９６，７２５Ｂ１号に示され、述べられている。これら３つの特許の各々の開示は、まとめてここに引用によって取り込まれる。

ツイスト・カプセルは、非常に長期間、しばしば３６０度までの全角度を１００万周期以上というサービス寿命を有すると言われる。そのような長期間のサービス寿命のために、カプセルの機械的運動に対して注意深い配慮が必要である。

米国特許第４，６９３，５２７Ａ号 米国特許第４，７１０，１３１Ａ号 米国特許第６，２９６，７２５Ｂ１号

Altera社の白書「Stratix GXへの高域補正および等化の使用(Using Pre-Emphasis and Equalization with Stratix GX)」 National Semiconductor社のJ.Goldie著「開眼促進が高速度インタフェースの限界を広げる(Eye Opening Enhancements Extend the Reach of High-Speed Interfaces）」

ほとんどのツイスト・カプセルにおいて一般にフレックス・テープである移動導体は、内部での応力を低く保つように注意深く監視されなければならない。ツイスト・カプセルの稼動における低ストレスと長期間寿命を確保するためには、高い柔軟性を持つ導体および誘電体材料の使用が必要である。ツイスト・カプセルの寿命を延ばすために必要な物理特性は、一方で特に高速データ伝送に関して送信を成功させることのできる信号タイプに関して重要な電気的制約を課す。主要な電気的制約は、インピーダンス整合および高周波損失である。これらの装置を通して中程度に高速なデジタル信号の送信を可能にする技術は、主としてマイクロ・ストリップおよびストリップ・ライン構成を利用した多層フレキシブル回路を、グラウンド・プレーン構造を利用することによる回路インピーダンスの最適化および電磁場制御という設計上の戦略と一緒に使用することで実現されてきた。これらの技術は、周波数の増大とともにより非効率的となり、１Gbpsを超えるデータ速度では、広い帯域幅と比較的高い伝送線路インピーダンスとを要求する送信形式において特に問題となっている。

薄い導体および誘電体を使用すればフレックス・テープの厚さは、最小化され、回転寿命は、延びるが、結果の伝送線路でのインピーダンスおよび損失に対して厳しい制約が生じる。特にLVDS、ファイバ・チャネル、XAUI、InfiniBand（インフィニバンド）など、例えば１００Ωがごく普通であるような比較的高い特性インピーダンス又は差動インピーダンスを持つ銅の伝送線路の周辺で使用するように設計されたような非常に高速のデータ伝送方式の場合に、問題は、深刻である。

長寿命のツイスト・カプセル・デザインにおける現在の技術は、柔軟性を実現するために薄いポリイミド誘電体を使用したフレックス・テープ構造を利用している。また、長寿命を促進する典型的な厚さにおいては、極端にまで狭いトレースを生み出すことなしに１００Ω・オーダーのインピーダンス値を実現することが実際上不可能である。例えば、０．０７５ｍｍ（３ミル）のポリイミド誘電体を使用したフレックス・テープで１００Ωの差動インピーダンスを実現するには、約０．０５ｍｍ（２ミル）以下（すなわち、約０．００２インチ又は約０．０５ｍｍ）の導体トレース幅が必要である。もしこの導体幅を再現性よく製造できれば、多くの一般的なツイスト・カプセルで回路抵抗は、極端に高く、約５から約１０Ωのオーダーになるはずである。

更に、数ギガヘルツ（「GHz」）の帯域幅を要求する高速データ形式では、高周波の高調波エネルギーを含む高速のエッジ速度のせいで、高周波損失も非常に重要になる。高インピーダンスのフレックス・テープにおける非常に狭い導体は、高周波キャリアを導体の薄い表層に閉じ込める表皮効果のために、高周波で高い損失を有する。加えて、ポリイミドなどの従来の誘電体材料は、１GHzを超える周波数で高い損失を示し、更に周波数に依存した分散を示すため、周波数が異なると伝播速度が異なってしまう。

約１．０Gbpsを超えるデータ伝送速度において従来のフレックス・テープ伝送線路構成を使用することの最終的な結果は、高周波成分の深刻な減衰と、分散によるデジタル・データ・エッジ遷移の不鮮明化である。そのような送信のアイ・パターン・テストによれば、ひどく閉じられた眼（の波形）又は全く眼のない結果が示される。高速データ信号送信の信号の完全性に対するこれら挑戦の各々について以下で議論する。

典型的なフレキシブル回路構成は、ポリイミド誘電体材料の層に挟まれたエッチングされた銅トレースを使用している。フレキシブル伝送線路の高周波性能に対する主要な制約である誘電損失が図１に示されている。注目すべきパラメータは、高周波損失の便利な尺度である損失係数（縦座標）である。図１が示すように、ツイスト・カプセルのフレックス・テープ構成で最も普通に使われている誘電体材料であるポリイミドは、特に高周波で損失が大きい。液晶ポリマ（「LCP」）やポリテトラフルオロエチレン（「PTFE」）などのその他の誘電体材料は、優れた高周波特性を有しているが、著しく高価で、製造がより難しい。誘電損失および表皮効果のせいで高周波エネルギーの損失が増大するなかで、高速データの矩形波のエッジ速度は、データの完全性が危うくなるまで劣化する。

これらの誘電体材料は、より低い誘電率およびより低い分散という動作上の利点を有するものの、フレックス・テープを通しての約１．０Gbpsおよびそれを超えるデータ・リンク用の高インピーダンスの伝送線路は、ツイスト・カプセル環境においてなお非常に困難な挑戦課題である。ツイスト・カプセルおよびフレックス・テープの運動の機械的な設計上の制約は、フレックス・テープ伝送線路の電気的設計に対しても実際上の制約を課し、より低インピーダンスのデザインを好む傾向がある。PTFEやLCPなどのより低誘電率の材料は、高インピーダンスの伝送線路を作製するために有利であるが、ツイスト・カプセルの長寿命サービスのために必要な物理的制約は、１００ΩのLVDSインタフェース用に必要とされるような高インピーダンス伝送線路構造を実現するための物理的要求としばしば相容れない。

従って、より高い帯域幅の信号の伝送を許容するツイスト・カプセルで使用するための進歩したフレックス・テープを提供することが一般に望まれる。

（考案の開示）
開示された実施の形態（単数又は複数）の対応するパーツ、部分又は表面を参照しながら説明すれば、単に例示として、そして限定的な意図なしに、本考案は、次のもの：フレックス・テープ（１３）と、テープと協同して、表皮効果および／又は誘電損失に帰することのできる高周波デジタル波形成分の減衰を補償する高域補正回路（１１）とを広義で含む進歩したツイスト・カプセル（１０）を広義で提供する。これによってテープ上を伝播する信号の帯域幅は、増大する。

高域補正回路は、ビットの遷移時間の間に付加的な出力電流を加える。

高域補正回路は、入力コネクタ、外部相互接続の場所に、あるいは、ツイスト・カプセルの内部に配置される（位置する）。

進歩したフレックス・テープは、更にツイスト・カプセル信号出力部分に等化回路（１４）を含む。この等化回路は、テープから出力されるデータに対して高域通過フィルタおよび増幅器として作用する。

進歩したフレックス・テープは、１．０Gbpsを超えるデータ速度でデータ・ストリームを伝送できる。テープの帯域幅は、２０GHzを超える。

テープは、インピーダンス制御された伝送線路を提供する。

テープのインピーダンスは、伝送線路のインピーダンスと整合される。

テープのインピーダンスは、テープ末端にある整合抵抗の関数として決まる。

従って、考案の大きな目的は、ツイスト・カプセルで使用するための進歩したフレックス・テープを提供することである。

別の１つの目的は、表皮効果と誘電損失の両者に帰すことのできる高周波デジタル波形成分の減衰を補償するための高域補正回路を有する進歩したツイスト・カプセル・フレックス・テープを提供することである。

別の１つの目的は、ツイスト・カプセル信号出力にあって、ツイスト・カプセルから出力され、また受信機の電子機器に入るデータに対して高域通過フィルタおよび増幅器として作用する等化回路を有する進歩したツイスト・カプセル・フレックス・テープを提供することである。

更に別の１つの目的は、３．０Gbpsを超えるマルチ・ギガビットのデータ速度を扱うことができ、また１０．０GHzを十分超える動作帯域幅を有する広帯域ツイスト・カプセル・フレックス・テープを提供することである。

これらおよびその他の目的および特徴は、上記および後述の明細書文面、図面および添付の請求項から明らかになろう。

各種誘電体材料についての損失係数（縦軸）対周波数（横軸）のプロット。 高域補正回路なしのツイスト・カプセル・フレックス・テープの出力のアイ・ダイヤグラム。 高域補正回路付の進歩したツイスト・カプセル・フレックス・テープの出力のアイ・ダイヤグラム。 高域補正回路と等化回路の両方を備えた進歩したツイスト・カプセル・フレックス・テープのアイ・ダイヤグラム。 SMPTE 424差動駆動信号で実施した考案を示す簡略化された模式図。

（好適な実施の形態の説明）
最初に、同様な参照符号は、いくつかの図面を通して同じ構造要素、部分又は表面を一貫して示すように意図されていることを明瞭に理解すべきである。それは、この詳細な説明がその一部を構成する明細書文面全体において、それらの要素、部分又は表面については、更に記述又は説明されるからである。特に断らない限り、図面は、明細と一緒に読まれることを意図しており（例えば、クロス・ハッチ、パーツの配置、比率、角度等）、本考案の明細書文面全体の一部であると考えられている。以下の説明で用いられる用語「水平」、「垂直」、「左」、「右」、「上」および「下」は、それらの形容詞的および副詞的派生語（例えば、「水平に」、「右方へ」、「上方へ」等）とともに、単純に特定の図示された形状が読者に面するときの図示された構造の方向を意味する。同様に、用語「内側へ」および「外側へ」は、一般に、それの伸長する軸又は回転軸に相対的な表面のそれぞれ見合った方向を意味する。

本考案は、低インピーダンス伝送線路の使用によってツイスト・カプセルのフレックス・テープ・デザインの問題を克服しようとしており、高域補正機能およびオプションとしての等化機能を備えることによって、フレックス・テープでこれまで可能であったものよりもずっと大きい帯域幅を実現する利得を提供する抵抗ネットワークおよび能動的電子回路を供給することができた。

本考案は、送信の高域補正およびオプションとしての受信の等化回路を使用することによって、ツイスト・カプセルの帯域幅を拡張する。信号高域補正回路は、従来の伝送線路の帯域幅を拡張するために使用される。この技術は、表皮効果と誘電損失の両方に帰すことのできる高周波デジタル波形成分への減衰を補償する。(例えば、カリフォルニア州、サンノゼ市、Altera社の白書「Stratix GXへの高域補正および等化の使用(Using Pre-Emphasis and Equalization with Stratix GX）」（２００３年）を参照)

高域補正回路は、ビットの遷移時間の間に付加的な出力電流を加える。これは、エッジ速度を加速させ、高調波エネルギーの増大を伴ってドライバ出力において信号に対して若干の行き過ぎ量を与える。この修正された波形は、更に相互接続（伝送線路）によってロードされるが、最終的な効果は、大きく異なり、改善される（例えば、カリフォルニア州、シリコン・バレー、National Semiconductor社のJ.Goldie著「開眼促進が高速度インタフェースの限界を広げる（Eye Opening Enhancements Extend the Reach of High-Speed Interfaces）」（２００８年）を参照）。

図２および３に示されたアイ・パターンは、約３Gbpsのデータ速度において、１つの高域補正を備えたツイスト・カプセル（図３）と高域補正なしのツイスト・カプセル（図２）とを示し、比較している。アイ・パターンは、使用に耐えない性能（図２）から適度に良好な性能（図３）へと変わっている。高域補正は、通常、信号がツイスト・カプセルのフレキシブル回路領域に入る前に実行され、高域補正の電子回路は、入力コネクタの場所、外部相互接続の中、又はツイスト・カプセルの内部に配置される。

信号の完全性に対する付加的な進歩は、ツイスト・カプセルの信号出力に等化回路を利用することで達成できる。等化回路は、高域通過フィルタおよび増幅器として働き、データがツイスト・カプセルを離れ、受信機の電子回路に入る前にデータに対する周波数依存性損失を補償する。図４が示すように、この信号処理は、約３Gbpsでフレックス・テープを通して大きく開いた眼（の波形）を生成する。等化電子回路もまたツイスト・カプセルの内部又は外部に配置できる。高域補正と等化回路との組合せによって、約１Gbps又はその付近という現状の技術レベルをはるかに超えたデータ速度でツイスト・カプセル部材を使用することを可能にする。これらの技術がツイスト・カプセルの高周波能力を１０Gbpsおよびそれ以上に拡張できないという本質的な理由は、存在しない。

ここで図面を参照すると、図１は、３つの異なる誘電体材料について、損失係数（縦軸）対周波数（横軸）のプロットである。（誘電）損失係数は、誘電体材料が印加された電場を熱に変換する程度の尺度、すなわち、誘電体媒質内での損失の尺度である。図１に示されたように、ポリイミドの損失係数は、周波数とともに増加し、他方、LCPの損失係数は、周波数の増加とともにわずかに減少し、PTFEの損失係数は、周波数が増大しても本質的に一定に留まる。

図２は、高域補正回路を使用せずに、約３Gbpsでフレキシブル・テープを横切るデータ転送のアイ・ダイヤグラム（すなわち、電圧（縦軸）対時間（横軸））である。

図３は、高域補正回路を使用した場合の、約３Gbpsでフレキシブル・テープを横切るデータ転送のアイ・ダイヤグラムである。

高域補正回路の追加および使用によって、ツイスト・カプセルは、利用に耐えない性能（図２）から適度に良好な性能（図３）に変わっている。高域補正は、通常、信号がツイスト・カプセルのフレキシブル回路領域に入る前に実行され、高域補正の電子回路は、入力コネクタの場所、外部相互接続の中、又はツイスト・カプセルの内部に配置できる。

付加的な進歩は、ツイスト・カプセルの信号出力に等化回路を追加することによって達成される。等化は、ツイスト・カプセルを離れるデータに対してそれが受信機の電子回路に入る前に高域通過フィルタおよび増幅器として作用する。図４が示すように、この組合せによってフレックス・テープを通して約３Gbpsで大きく開いた眼（の形をした波形）が得られる。等化電子回路もまたツイスト・カプセルの内部又は外部に配置できる。

図５は、一般に１０で示された進歩したツイスト・カプセルの１つの実施の形態の簡略化された模式図である。このケースで、LVDSドライバ１２および直列の終端抵抗Ｒ１、Ｒ２を含む高域補正回路１１に対して、約３．１２５Gbpsの差動駆動信号が供給される。回路１１の出力は、フレキシブル・テープ１３の入力端に供給される。テープの出力端では、出力信号が、直列の終端抵抗Ｒ３、Ｒ４とLVDSドライバ１５を含む等化回路１４に供給される。

高域補正および等化回路の追加によって、これまで実用的な上限とみなされてきた１Gbpsを十分超えるデータ速度でツイスト・カプセル部材を利用することが可能になる。実際、今や２０GHzを超えるオーダーの信号帯域幅が可能である。

そのような高域補正および等化回路の各種形式のものが市販されている。

（変形例）
本考案は、各種の変更および修正が可能であることを明確に意図する。

例えば、フレキシブル回路デザインにおいて代替となる誘電体材料を利用することが可能である。図１は、LCPおよびPTFEの両方が進歩した高周波特性を有する誘電体材料であることを示している。これらの材料は、フレキシブル回路の高周波帯域幅を（ポリイミド材料よりも）追加的に改善するのに有効であり、上で述べた高域補正および等化手順と一緒に使用するようになっている。

従って、進歩したブロードバンド・ツイスト・カプセルの好適な形態について示し、説明してきたし、それのいくつかの修正についても議論してきたが、当業者であれば、以下の請求項によって定義および差別化される考案の精神から外れることなしに、各種の追加的な変更および修正がなしうることを容易に理解されよう。

Claims (8)

1. ツイスト・カプセルであって、
   テープと、
   前記テープと協動して、表皮効果および／又は誘電損失に起因する高周波デジタル波形成分の減衰を補償する高域補正回路と、および
   前記テープの出力部分における等化回路と、
   を含み、
   それによって前記テープ上を伝送される信号の帯域幅が増大される、
   ツイスト・カプセル。
2. 請求項１に記載のツイスト・カプセルであって、前記高域補正回路は、ビットの遷移時間の間に付加的な出力電流を加える前記ツイスト・カプセル。
3. 請求項１に記載のツイスト・カプセルであって、前記高域補正回路は、入力コネクタ、外部相互接続部のうちの１つの中、又は前記ツイスト・カプセルの内部に配置される前記ツイスト・カプセル。
4. 請求項１に記載のツイスト・カプセルであって、前記等化回路は、前記テープから出力されるデータに対して高域通過フィルタおよび増幅器として作用する前記ツイスト・カプセル。
5. 請求項１に記載のツイスト・カプセルであって、前記テープは、１．０Gbpsを超えるデータ速度でデータ・ストリームを転送できる前記ツイスト・カプセル。
6. 請求項１に記載のツイスト・カプセルであって、前記テープの帯域幅は、１０GHzを超えている前記ツイスト・カプセル。
7. 請求項１に記載のツイスト・カプセルであって、前記テープは、インピーダンス制御された伝送線路である前記ツイスト・カプセル。
8. 請求項７に記載のツイスト・カプセルであって、前記テープのインピーダンスは、前記テープの末端にある整合抵抗の関数として決まる前記ツイスト・カプセル。
   

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