JP4722950B2 - 配線 - Google Patents

Description

本発明は、ギガヘルツ帯の高周波信号を伝送するのに好適な配線に関する。

ＴＥＭ波（Transverse Electro-Magnetic Wave）の伝送線路として、同軸線路やツイストペア線路等が知られている。
しかし、信号伝送線路には直流抵抗（Ｒ_０）や誘電損失（Ｇ_０）が存在するため、伝送中の信号は減衰する。特にギガヘルツ帯の高周波信号を伝送する場合には、直流抵抗と誘電損失を合成した特性インピーダンス（Ｚ_０）は周波数特性を持つため、信号は大きく減衰する。
また、高周波信号の伝送線路において電磁波伝送状態を精査すると、エバーネッセント波（Evanescent Wave）としてサイドローブ的な電磁放射が認められ、１００ｍ以上の線路になると、このエバーネッセント波による信号の減衰は直流抵抗や誘電損失による減衰と同程度となる。
さらに、信号を伝送する場合、当該信号伝送線路に外部からの電磁波が混入するクロストークが存在する。

そこで、特許文献１は、伝送線路に接続されるメモリ回路が備えるトランジスタの構造を変形することにより、クロストークを回避する技術を開示している。
また、特許文献２は、伝送線路をシールドすることにより、エバーネッセント波による信号の減衰を防ぐ技術を開示している。
特開２００３−２２４４６２号公報 特開２００５−２４４７３３号公報

しかしながら、特許文献１及び２に開示されている構成では、ＴＥＭ波とエバーネッセント波との２つの波の伝送時間がずれるため、信号として解像度が劣化するおそれがあった。従って、ギガヘルツ帯の高周波信号を伝送するのに好適な配線が求められている。

本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、ギガヘルツ帯の高周波信号を伝送するのに好適な配線を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の第１の観点に係る配線は、
ギガヘルツ帯の信号を伝送する配線であって、
互いに撚り合わされた一対の心線と、
各前記心線を被覆する一対の第１の絶縁性被覆材と、
前記一対の第１の絶縁性被覆材を被覆する第２の絶縁性被覆材と、
前記第２の絶縁性被覆材を覆い、前記一対の心線から放射されるエバーネッセント波を封じ込めるシールド材と、を備え、
前記一対の心線は、この配線の特性インピーダンスを１００Ωから２００Ωとし、かつ、前記一対の心線から放射されるＴＥＭ（Transverse Electro-Magnetic）波とエバーネッセント波との位相を整合させる、撚り合わせ回数と、直径と、間隔とを有する、
ことを特徴とする。

前記心線の撚り合わせ回数は、前記ＴＥＭ波の実効長が前記一対の心線の線路長の√２倍となるように設定されている、ことも可能である。

前記心線の撚り合わせピッチが１０．３ｍｍである、ことも可能である。

上記目的を達成するため、本発明の第２の観点に係る複合配線は、
前記配線を複数備えることを特徴とする。

本発明によれば、ギガヘルツ帯の高周波信号を伝送することができる。

本発明の実施形態に係るツイストペアケーブルについて図１を参照して説明する。

本実施形態のツイストペアケーブル１０は、図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、心線１１と、第１の被覆材１２と、第２の被覆材１３と、シールド材１４と、外皮材１５と、から構成される。本ツイストペアケーブル１０の特性インピーダンスは、約１３５Ω以上となるよう形成され、好ましくは２００Ωに形成される。

心線１１は、例えば、銅などの電気伝導性素材から構成され、２本の線を撚り合わせたツイスト状に形成される。心線の直径Ｄ１は、約０．２ｍｍ〜０．４ｍｍであり、好ましくは０．３ｍｍである。心線のピッチＤ２は、約９ｍｍ〜１１ｍｍであり、好ましくは１０．３ｍｍである。２本の心線の間隔Ｄ３は、約１．２ｍｍ〜１．４ｍｍであり、好ましくは１．３６ｍｍである。
なお、ツイストペアケーブル１０の長さが１００ｍ程度の場合には、心線のピッチＤ２は１０．３ｍｍ±０．４ｍｍとすることが好ましく、また、２００ｍ以上の場合には、１０．３ｍｍ±０．２ｍｍとすることが好ましい。

第１の被覆材１２は、例えば、ポリ塩化ビニル、フッ素樹脂、テフロン（登録商標）などの絶縁性素材から構成され、２本の心線１１をそれぞれ覆い、離間させるよう形成される。第１の被覆材１２の被誘電率は３以下であって、誘電体による伝送損失の低い素材であることが好ましい。第１の被覆材１２の厚さ（肉厚）を変化させて心線の間隔Ｄ３を広げることにより、ツイストペアケーブル１０の特性インピーダンスを高くすることができる。

第２の被覆材１３は、第１の被覆材１２と同様に絶縁性素材から構成され、心線１１を被覆した第１の被覆材１２を覆うように形成される。第２の被覆材１３による絶縁により、後述するＴＥＭモード伝送を維持することができる。また、第１の被覆材１２を形成せずに第２の被覆材１３のみによって心線の間隔Ｄ３を調節することにより、特性インピーダンスを高くすることもできる。なお、第２の被覆材１３と第１の被覆材１２とは同一の絶縁性素材であるが、異なる絶縁性素材とすることもできる。

シールド材１４は、例えば、銅などの電磁波を遮蔽する金属素材から構成され、第２の被覆材１３を覆うように形成される。シールド材１４は、心線１１から中空に放射されるエバーネッセント波を遮蔽することにより、当該エバーネッセント波のエネルギーをシールド材１４内に閉じ込め、伝送損失を減少させる。シールド材１４の厚さ（肉厚）は、エバーネッセント波を遮蔽することができれば、任意である。

外皮材１５は、例えば、ゴム、ガラス繊維などの可撓性を有する絶縁性素材から構成され、シールド材１４等を覆い保護するために形成される。外皮材１５の厚さ（肉厚）は任意である。また、外皮材１５は、水、油などが外皮材１５内に浸入するのを防ぐために、シールド材１４等を密閉する形状とすることもできる。

次に、ＴＥＭ波及びエバーネッセント波の発生原理について図２を参照して説明する。

ＴＥＭ波は、電磁波が信号の進行方向とその進行方向に垂直な方向とに同時に光速で進行するため、図２（ａ）に示すように、４５度の立体角を有するコーン状（円錐状）に発生し、進行する。また、ＴＥＭ波は、進行経路から絶え間なく発生するため、ＴＥＭ波の後続波も発生する。本実施形態において、信号の進行経路は心線１１であるため、ＴＥＭ波は心線１１から発生する。

エバーネッセント波は、図２（ｂ）に示すように、ＴＥＭ波とＴＥＭ波の後続波との位相がずれて干渉することにより発生する。エバーネッセント波は、ＴＥＭ波に直交する方向に発生する。つまり、エバーネッセント波は、信号の進行方向に対して立体角４５度で中空に放射される。エバーネッセント波はＴＥＭ波の進行工程において次々と発生するため、当該エバーネッセント波の累積エネルギーは、伝送中の信号の減衰に比べて無視できないものとなる。なお、エバーネッセント波は心線１１のカップリングが弱まることにより増幅される。

次に、伝送経路である通常のツイストペアケーブル（例えば、カテゴリ６の０．５ｍｍφの銅線ＬＡＮケーブル）と本実施形態のツイストペアケーブル１０におけるＴＥＭ波及びエバーネッセント波の進行工程を図３に示す。図３では、心線１１を簡易的に並行線路として示す。まず、伝送波（ＴＥＭ波）が進行するモード（状態）を説明する。

伝送線路周辺が空気で満たされた理想的なペア伝送線路では当該周辺の誘電率は均質となるため、発生する電磁界は伝送波の進行方向に対して直角方向に形成される。この場合、電磁界の広がりが崩れないため、伝送波は光速で進行する。この状態をＴＥＭモード伝送という。

一方、ペア伝送線路の間に比誘電率が１以上の絶縁物が挟まれた場合には、電磁界の広がりが崩れ、空気中に比べ伝送波の進行が遅れることにより遅延波が発生する。この状態を疑似ＴＥＭモード伝送という。ＴＥＭ波は疑似ＴＥＭモード伝送では大きく減衰する。

ＴＥＭ波は、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、心線１１に沿って進行する。
一方、ＴＥＭ波の進行方向に対して立体角４５度で中空に放射されたエバーネッセント波は、シールド効果によって４５度反射を繰り返しながら進行する。

通常のツイストペアケーブルの特性インピーダンスは１００Ω以下であり、心線１１の間のカップリングは強くなるため、図３（ａ）に示すように、エバーネッセント波は弱められる。また、通常のツイストペアケーブルには第２の被覆材１３がないため、疑似ＴＥＭモード伝送となる。疑似ＴＥＭモード伝送の場合、ＴＥＭ波とエバーネッセント波との位相がずれる原因となる。

一方、本実施形態のツイストペアケーブル１０の特性インピーダンスは１３５Ω以上であり、心線１１の間のカップリングを弱めることにより、図３（ｂ）に示すように、エバーネッセント波は強められる。また、ツイストペアケーブル１０は第２の被覆材１３を備えるため、ＴＥＭモード伝送となる。ＴＥＭモード伝送において、ＴＥＭ波とエバーネッセント波との実効長を一致させることにより、位相が整合する。

次に、伝送経路における入力波（入力信号）と受信波（受信信号）との関係について図４を参照して説明する。

まず、入力波（入力信号）が出発端から伝送経路に供給されることにより、ＴＥＭ波とエバーネッセント波とが発生する。波形の伝搬による一定の時間経過後、ＴＥＭ波とエバーネッセント波とが受信端で受信波（受信信号）として観測される。

ＴＥＭ波は伝送経路で減衰するため、受信波形の立ち上がりはなだらかとなる。
一方、エバーネッセント波はＴＥＭ波と位相が整合するか否かにより、受信端での波形は変化する。ＴＥＭ波が受信端に到達する時刻をＴ１とし、伝送線路の出発端で発生した最も到達の遅いエバーネッセント波が受信端に到達する時刻をＴ２ｍａｘとし、エバーネッセント波の受信端での電圧をＶ２とする。エバーネッセント波の累積電圧は、Ｖ２／（Ｔ２ｍａｘ−Ｔ１）となる。従って、Ｔ２ｍａｘが次の入力波形（入力信号）の立ち下がりのタイミング以降となると、エバーネッセント波は雑音源となる。
合成波は、ＴＥＭ波とエバーネッセント波との合成であるため、エバーネッセント波の減衰が少ない場合には、合成波の減衰も少なくなる。

通常のツイストペアケーブルにおいて発生したエバーネッセント波の受信波形は、図４（ａ）に示すように、シールド効果がないため累積（重畳）されず、受信端で低い矩形波として観測される。このため、ＴＥＭ波とエバーネッセント波との合成波形も減衰した波形となる。

一方、本実施形態のツイストペアケーブル１０において発生したエバーネッセント波は、図４（ｂ）に示すように、シールド材１４等によるシールド効果及びＴＥＭ波との位相整合により、通常のツイストペアケーブルに比べ減衰が少ない。つまり、エバーネッセント波の受信波形は、伝送経路の進行過程において積算され、ほとんど減衰しないで立ち上がる。このため、合成波の減衰も少ない。

以下に、ＴＥＭ波とエバーネッセント波との実効長を一致させる（位相を整合させる）方法について、具体例を示して説明する。

実効長Ｌと線路長Ｌ_０との関係式を以下の式（１）に示す。
Ｌ＝Ｌ_０（１＋（１／Ｄ２）×π×Ｄ３） （１）
ただし、長さの単位はｍ（メートル）とする。

通常のツイストペアケーブルにおいて、線路長（ケーブル長）Ｌ_０＝１００ｍ、心線の直径Ｄ１＝０．５ｍｍ、心線のピッチＤ２＝８．２５ｍｍから１２．８５ｍｍ、心線の間隔Ｄ３＝１ｍｍとする。式（１）よりＴＥＭ波の実効長Ｌは、１２４．４ｍから１３８ｍとなる。また、エバーネッセント波の実効長は、図３（ａ）に示すように４５度の多重反射を繰り返すため、１４１．４ｍ（＝１００ｍ×√２）となる。従って、通常のツイストペアケーブルでは、ＴＥＭ波とエバーネッセント波との実効長が異なるため位相は異なる。

さらに、絶縁物の比誘電率＝２．２とした場合、伝送速度＝２．０×１０^８ｍ／ｓ（＝３．０×１０^８／√２．２）となる。従って、発信端から受信端までのＴＥＭ波の伝送時間Ｔ１は、６２２ｎｓから６９０ｎｓとなる。また、エバーネッセント波の伝送時間Ｔ２は、Ｔ１から７０７ｎｓとなる。従って、ＴＥＭ波とエバーネッセント波との伝送時間の最小差は、１７ｎｓとなる。
つまり、ギガヘルツ帯の高周波信号を伝送する場合には、１００ｐｓ程度以内のスキューが問題となるため、通常のツイストペアケーブルではエバーネッセント波がノイズとなる。

一方、ツイストペアケーブル１０において、線路長（ケーブル長）Ｌ_０＝１００ｍ、心線の直径Ｄ１＝０．３ｍｍ、心線のピッチＤ２＝１０．３ｍｍ、心線の間隔Ｄ３＝１．３６ｍｍとする。式（１）よりＴＥＭ波の実効長Ｌは、１４１．４ｍなる。また、エバーネッセント波の実効長は、図３（ｂ）に示すように４５度の多重反射を繰り返すため、１４１．４ｍとなる。従って、本実施形態に係るツイストペアケーブル１０では、ＴＥＭ波とエバーネッセント波との実効長が一致するため、位相は整合する。
また、ＴＥＭ波とエバーネッセント波の実効長が一致するため、伝送時間も一致する。従って、本実施形態のツイストペアケーブル１０では、エバーネッセント波がノイズとなることはない。

なお、１ＧＨｚの信号を伝送する場合には１クロックは１ｎｓである。このためツイストペアケーブル１０が１００ｍの線路では、心線のピッチＤ２＝１０．３ｍｍ±０．４ｍｍとする必要がある。また、２００ｍの線路では、Ｄ２＝１０．３ｍｍ±０．２ｍｍとする必要がある。

以上説明したように、シールド効果によりエバーネッセント波の減衰を防ぎ、また、ＴＥＭ波とエバーネッセント波との位相を整合させることにより、伝送の減衰を減らし、ギガヘルツ帯の高周波信号を伝送することができる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々の変形及び応用が可能である。

ツイストペアケーブル１０の特性インピーダンスを約２００Ωに形成できれば、心線の直径Ｄ１等を任意に変更することができる。また、ツイストペアケーブル１０の特性インピーダンスは２００Ω以上とすることもできる。

外力からの緩衝を和らげるための緩衝材を外皮材１５の内側又は外側に設けることもできる。

ツイストペアケーブル１０を複数本撚り合わせることにより、２本より多い心線（銅線）を備えたケーブルとすることもできる。

（ａ）は本発明の実施形態に係るツイストペアケーブルにおける一対の心線のみの概略図であり、（ｂ）はツイストペアケーブルの断面を示す図である。 （ａ）はＴＥＭ波及びエバーネッセント波の発生を説明する図であり、（ｂ）は（ａ）の側面側から見た図である。 ＴＥＭ波及びエバーネッセント波の伝送工程を説明する図であり、（ａ）は従来のケーブルにおける伝送工程を説明する図であり、（ｂ）は本実施形態に係るツイストペアケーブルにおける伝送工程を説明する図である。 入力波形と受信波形との関係を説明する図であり、（ａ）は従来のケーブルにおける波形を説明する図であり、（ｂ）は本実施形態に係るツイストペアケーブルにおける波形を説明する図である。

符号の説明

１０ ツイストペアケーブル
１１ 心線
１２ 第１の被覆材
１３ 第２の被覆材
１４ シールド材
１５ 外皮材

Claims (4)

1. ギガヘルツ帯の信号を伝送する配線であって、
   互いに撚り合わされた一対の心線と、
   各前記心線を被覆する一対の第１の絶縁性被覆材と、
   前記一対の第１の絶縁性被覆材を被覆する第２の絶縁性被覆材と、
   前記第２の絶縁性被覆材を覆い、前記一対の心線から放射されるエバーネッセント波を封じ込めるシールド材と、を備え、
   前記一対の心線は、この配線の特性インピーダンスを１００Ωから２００Ωとし、かつ、前記一対の心線から放射されるＴＥＭ（Transverse Electro-Magnetic）波とエバーネッセント波との位相を整合させる、撚り合わせ回数と、直径と、間隔とを有する、
   ことを特徴とする配線。
2. 前記心線の撚り合わせ回数は、前記ＴＥＭ波の実効長が前記一対の心線の線路長の√２倍となるように設定されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の配線。
3. 前記心線の撚り合わせピッチが１０．３ｍｍである、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の配線。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の配線を複数備えることを特徴とする複合配線。

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