JP5403548B2

JP5403548B2 - 差動信号用ハーネス

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Publication number: JP5403548B2
Application number: JP2009244778A
Authority: JP
Inventors: 剛博杉山; 秀樹南畝
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Hitachi Metals Ltd
Priority date: 2009-10-23
Filing date: 2009-10-23
Publication date: 2014-01-29
Anticipated expiration: 2029-10-23
Also published as: JP2011090959A

Description

本発明は、数Ｇｂｐｓ以上の高速デジタル信号を伝送させるために用いる差動信号用ハーネスに係り、特に、信号波形劣化の小さい差動信号用ハーネスに関するものである。

数Ｇｂｐｓ以上の高速デジタル信号を扱うサーバ、ルータ、ストレージ製品などにおいて、電子機器間あるいは電子機器内の基板間の信号伝送には、差動信号による信号伝送が用いられている。電子機器間あるいは電子機器内の基板間は、差動信号用ケーブルの両端にコネクタを設けた差動信号用ハーネスにより電気的に接続される。

差動信号による信号伝送では、位相を反転させた２つの信号を用い、受信側で２つの信号の差分を合成出力する。差動信号用ケーブルは、位相を反転させた２つの信号を伝送するための２本の信号用導体（導線、芯線）を備えている。

差動信号用ハーネスでは、差動信号用ケーブルにて２本の信号用導体に流れる電流が互いに逆方向を向いて流れることとなるため、外部に放射される電磁波が小さくなる。また、差動信号用ハーネスでは、差動信号用ケーブルにて外部から受けたノイズが２本の信号用導体に等しく重畳されるため、受信側で２つの信号の差分を合成出力することで、ノイズによる影響を打ち消すことができる。これらの理由から、高速デジタル信号の伝送には、差動信号による信号伝送が好適である。

従来の差動信号用ハーネスに用いる差動信号用ケーブルとして、信号用導体を絶縁体で被覆した２本の絶縁電線を撚り合わせて対にしたツイストペアケーブルがある。ツイストペアケーブルは、安価で平衡性に優れており、曲げも容易であるため、中距離の信号伝送に広く用いられている。

しかし、このツイストペアケーブルは、グランドに相当する導体が無いので、ケーブル近傍に置かれた金属の影響を受けやすく、特性インピーダンスが安定しない。そのため、ツイストペアケーブルでは、数ＧＨｚの高周波領域では信号波形が崩れやすいという問題がある。このような理由から、ツイストペアケーブルは、数Ｇｂｐｓ以上の伝送線路にはあまり用いられることがない。

一方、差動信号用ハーネスに用いる他の差動信号用ケーブルとして、２本の絶縁電線を撚らずに並行して配置し、これをシールド用導体で覆ったツイナックスケーブルがある。ツイナックスケーブルは、ツイストペアケーブルに比べて２本の導体間の物理長の差が少なく、また、シールド用導体が２本の絶縁電線を覆うように設けられるので、ケーブル近傍に金属を置いても、特性インピーダンスが不安定になることもなく、また、ノイズ耐性も高い。そのため、ツイナックスケーブルは、比較的高速で短距離（数ｍから数十ｍ）の信号伝送に用いられている。

ツイナックスケーブルのシールド用導体には、導体付きテープ（金属箔テープ）を用いたもの、編組状の素線を用いたもの、また接地用のドレイン線等を付け合わせたものなどがある。

一例として、特許文献１で開示されているツイナックスケーブルの横断面図を図１２に示す。

図１２に示すツイナックスケーブル１２１は、信号用導体１２２を絶縁体１２３で絶縁した２本の絶縁電線１２４の周囲に、ポリエチレンのテープにアルミニウム等の金属箔を貼り付けた金属箔テープからなるシールド用導体１２５を巻き付け、あるいは縦添えし、さらにそのシールド用導体１２５の周囲に、ケーブル内部を保護するためのジャケット１２６を被覆したものである。

シールド用導体１２５と絶縁電線１２４との間には、ドレイン線１２７がシールド用導体１２５の導電面（金属箔）と接触するように縦添えされ、このドレイン線１２７がグランド接続されるようになっている。

ところで、数Ｇｂｐｓ以上の高速信号を伝送するためには、２本の信号用導体における２つの信号の伝搬時間の差、すなわちスキューを低減する必要がある。これは、スキューが増加すると、受信側で２つの信号の差分を合成出力したデジタル信号の波形を崩してしまうためである。例えば、１０Ｇｂｐｓ相当の高速信号伝送においては、数ｐｓのスキューでも信号品質を劣化させてしまう。また、最近は、ＥＭＩ（Electromagnetic Interference；電磁波妨害）を低減する必要から、差動・同相変換量を低く抑えることも要求されている。

図１３に示すツイナックスケーブル１３１は、２本の信号用導体１３２を、絶縁体１３３で一度に被覆し、この絶縁体１３３の周囲に金属箔テープからなるシールド用導体１３４を巻き付け、あるいは縦添えし、さらにそのシールド用導体１３４の周囲に、ケーブル内部を保護するためのジャケット１３５を被覆したものである（特許文献２）。

このツイナックスケーブル１３１では、２本の信号用導体１３２をひとつの絶縁体１３３で一括被覆することで、絶縁体１３３の誘電率差を抑えて、スキューを低減している。

図１４に示すツイナックスケーブル１４１は、信号用導体１４２を絶縁体１４３により被覆した２本の絶縁電線１４４の周囲を発泡剤テープ１４５で覆い、その発泡剤テープ１４５の周囲に金属箔テープからなるシールド用導体１４６を被覆し、さらにその周囲にジャケット１４７を被覆したものである。発泡剤テープ１４５とシールド用導体１４６との間には、ドレイン線１４８が、シールド用導体１４６の導体面（金属箔）と接触するように縦添えされている（特許文献３）。

このツイナックスケーブル１４１では、２本の絶縁電線１４４をシールド用導体１４６で覆う前に、絶縁体である発泡剤テープ１４５を巻き付け、信号用導体１４２とシールド用導体１４６との距離を相対的に離すことで、両信号用導体１４２の電磁結合（電磁気的結合）を強くし、スキューを低減している。

図１５に示すツイナックスケーブル１５１は、信号用導体１５２を発泡体からなる絶縁体１５３で被覆した２本の絶縁電線１５４の周囲に、金属箔テープからなるシールド用導体１５５を巻き付け、あるいは縦添えし、さらにそのシールド用導体１５５の周囲にジャケット１５６を被覆したものである（特許文献４）。

このツイナックスケーブル１５１では、絶縁体１５３を発泡体で形成し、２本の絶縁電線１５４をテープ状のシールド用導体１５５で被覆する際、絶縁体１５３が少し潰れるくらいにきつく巻いて、信号用導体１５２同士の距離を小さくしている。これによって、両信号用導体１５２の電磁結合が強くなり、スキューが小さくなる。

このようなツイナックスケーブル１３１，１４１，１５１を差動信号用ハーネスの差動信号用ケーブルとして用いることで、信号用導体間の電磁結合を強くし、伝搬する電磁波を信号用導体間に閉じ込めることができ、スキューを低減させることができる。

特開２００２−２８９０４７号公報特開２００１−３５２７０号公報特開２００７−２６９０９号公報米国特許第５２８３３９０号明細書

しかしながら、差動信号用ハーネスの差動信号用ケーブルとして、上述のツイナックスケーブル１３１，１４１，１５１のように、信号用導体の間隔を相対的に狭めて信号用導体間の電磁結合を強くしたものを用いることで、伝搬する電磁波を信号用導体間に閉じ込めてスキューを低減することはできるものの、電磁放射による不要のノイズ（ＥＭＩ；Electromagnetic Interference）やクロストークが増加する問題が発生する。

より詳細には、信号用導体間の電磁結合を強くするとスキューは低減できるが、そのスキュー低減の効果は、差動モードのインピーダンス（以下、ディファレンシャルモードインピーダンスという）を１００Ωとすると、同相モードのインピーダンス（以下、コモンモードインピーダンスという）を４０Ω程度としたときに表れる。信号用導体間の電磁結合を強くしつつディファレンシャルモードインピーダンスを１００Ωとするためには、ケーブル外径を変更しない場合は必然的に信号用導体を細くしなければならず、コモンモードインピーダンスが大きくなることが避けられない。

一方、システム側の伝送線路では、プリント基板上に施されたマイクロストリップライン構造によって特性インピーダンスが決まっており、５０Ωのシングルエンド配線を２本並行していることが多い。つまり、システム側のコモンモードインピーダンスは、５０／２＝２５Ωであることが多く、差動信号用ハーネスのコモンモードインピーダンスが大きくなると、システム側のコモンモードインピーダンスとズレが生じ、差動成分では整合がとれていても同相成分に対しては不整合となり、僅かながら信号の反射等がおきる。

入力される伝送信号はほとんどが差動モードであるので、伝送信号の波形にはほとんど影響がないが、伝送信号には、ごく一部同相成分が含まれている。この伝送信号に含まれる同相成分、あるいは伝送の途中で生成してしまった同相成分が、差動信号用ハーネスの接続部におけるコモンモードインピーダンスの不整合の影響で、一部反射を引き起こし、その結果、クロストークやＥＭＩ等の問題が発生する。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、数Ｇｂｐｓ以上の高速伝送に用いられる差動信号用ハーネスにおいて、スキューを低減し、かつ、ＥＭＩやクロストークを低減した差動信号用ハーネスを提供することにある。

本発明は上記目的を達成するために創案されたものであり、差動信号を伝送するための少なくとも一対の信号用導体と、その信号用導体の両端部に設けられたコネクタ部とを備えた差動信号用ハーネスにおいて、前記コネクタ部に、前記信号用導体のコモンモードインピーダンスと、接続対象となるシステム側のコモンモードインピーダンスを整合させるためのコモンモードインピーダンス整合用伝送線路が設けられ、前記コモンモードインピーダンス整合用伝送線路は、その電気長が、伝送する前記差動信号の基本周波数あるいはその整数倍の周波数の１／４波長であり、そのディファレンシャルモードインピーダンスが、前記システム側のディファレンシャルモードインピーダンスと等しく、そのコモンモードインピーダンスが、前記システム側のコモンモードインピーダンスより大きく、かつ、前記信号用導体のコモンモードインピーダンスより小さい差動信号用ハーネスである。

前記信号用導体は、並行に配置された一対の単線または撚線の金属線からなり、前記一対の金属線の周囲が絶縁体で一括被覆され、前記絶縁体の周囲がシールド用導体で覆われたツイナックスケーブルを構成するものであり、前記コネクタ部は、前記ツイナックスケーブルの両端部に設けられ、前記一対の金属線と電気的に接続された接続用基板と、該接続用基板を収容するコネクタ筐体とからなり、前記コモンモードインピーダンス整合用伝送線路は、前記コネクタ部の前記接続用基板上に設けられたマイクロストリップ線路からなってもよい。

前記絶縁体と前記シールド用導体との間に縦添えに配置されると共に、前記一対の金属線と一直線状に並行に配置されたドレイン線を備え、前記ドレイン線は、前記シールド用導体と前記接続用基板のグランドパターンとに電気的に接続されてもよい。

また本発明は、差動信号を伝送するための少なくとも一対の信号用導体と、その信号用導体の両端部に設けられたコネクタ部とを備えた差動信号用ハーネスにおいて、前記コネクタ部に、前記信号用導体のコモンモードインピーダンスと、接続対象となるシステム側のコモンモードインピーダンスを整合させるためのコモンモードインピーダンス整合用伝送線路が設けられ、前記信号用導体は、フレキシブルプリント基板に設けられた信号用配線パターンからなり、前記コモンモードインピーダンス整合用伝送線路は、前記フレキシブルプリント基板の両端部の前記コネクタ部に設けられたマイクロストリップ線路からなる差動信号用ハーネスである。

前記フレキシブルプリント基板の前記信号用配線パターンが設けられた面と反対側の面には、グランドパターンが設けられてもよい。

また本発明は、差動信号を伝送するための少なくとも一対の信号用導体と、その信号用導体の両端部に設けられたコネクタ部とを備えた差動信号用ハーネスにおいて、前記コネクタ部に、前記信号用導体のコモンモードインピーダンスと、接続対象となるシステム側のコモンモードインピーダンスを整合させるためのコモンモードインピーダンス整合用伝送線路が設けられ、前記コモンモードインピーダンス整合用伝送線路の電気長は、伝送する前記差動信号の基本周波数あるいはその整数倍の周波数の１／４波長であり、前記コモンモードインピーダンス整合用伝送線路のコモンモードインピーダンスは、前記システム側のコモンモードインピーダンスをＺ_O、前記信号用導体のコモンモードインピーダンスをＺ_Cとすると、Ｚ_O・Ｚ_Cの２乗根に等しくされる差動信号用ハーネスである。

また本発明は、差動信号を伝送するための少なくとも一対の信号用導体と、その信号用導体の両端部に設けられたコネクタ部とを備えた差動信号用ハーネスにおいて、前記コネクタ部に、前記信号用導体のコモンモードインピーダンスと、接続対象となるシステム側のコモンモードインピーダンスを整合させるためのコモンモードインピーダンス整合用伝送線路が設けられ、前記コモンモードインピーダンス整合用伝送線路は、コモンモードインピーダンスが異なるｎ個の分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路を直列に接続してなり、各分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路の電気長は、伝送する前記差動信号の基本周波数あるいはその整数倍の周波数の１／４波長であり、前記システム側のコモンモードインピーダンスをＺ_O、前記信号用導体のコモンモードインピーダンスをＺ_Cとすると、前記信号用導体側からｋ番目の分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路のコモンモードインピーダンスは、Ｚ_O ^k・Ｚ_C ^n-k+1のｎ＋１乗根に等しくされる差動信号用ハーネスである。

本発明によれば、スキューを低減し、かつ、ＥＭＩやクロストークを低減した差動信号用ハーネスを提供できる。

本発明の一実施の形態に係る差動信号用ハーネスのコネクタ部の透視斜視図である。図１の差動信号用ハーネスの全体を示す斜視図である。図１の差動信号用ハーネスに用いるツイナックスケーブルを示す図であり、（ａ）は横断面図、（ｂ）はツイナックスケーブルを接続用基板に実装するときの斜視図である。図１の差動信号用ハーネスにおけるハーネス接続部のインピーダンスを説明する図である。図１の差動信号用ハーネスにおいて、伝送する差動信号の周波数に対するコモンモードにおける反射損失Ｓ_cc11の特性を表す図である。本発明の一実施の形態に係る差動信号用ハーネスのコネクタ部の透視斜視図である。図６の差動信号用ハーネスにおけるハーネス接続部のインピーダンスを説明する図である。図６の差動信号用ハーネスにおいて、伝送する差動信号の周波数に対するコモンモードにおける反射損失Ｓ_cc11の特性を表す図である。本発明の一実施の形態に係る差動信号用ハーネスの斜視図である。図９の差動信号用ハーネスのコネクタ部の拡大斜視図である。本発明において、コモンモードインピーダンス整合用伝送線路をシステム側基板上に形成したときの斜視図である。従来の差動信号用ハーネスに用いられる差動信号用ケーブルの横断面図である。従来の差動信号用ハーネスに用いられる差動信号用ケーブルの横断面図である。従来の差動信号用ハーネスに用いられる差動信号用ケーブルの横断面図である。従来の差動信号用ハーネスに用いられる差動信号用ケーブルの横断面図である。

以下、本発明の好適な実施の形態を添付図面にしたがって説明する。

図１は、本実施の形態に係る差動信号用ハーネスのコネクタ部の透視斜視図であり、図２は、その差動信号用ハーネスの全体を示す斜視図である。

図１，２に示すように、差動信号用ハーネス１は、差動信号を伝送するための差動信号用ケーブル１１と、その差動信号用ケーブル１１の両端部に設けられたコネクタ部１２とを備える。

ここでは、差動信号用ケーブル１１として、送信用に１本、受信用に１本の合計２本のツイナックスケーブル１３を用いる場合を説明する。２本のツイナックスケーブル１３は束ねられ、その周囲には両ツイナックスケーブル１３を保護するためのジャケット１１ａが設けられる。ツイナックスケーブル１３の本数はこれに限らず、１本あるいは３本以上であってもよい。

図３（ａ）に示すように、ツイナックスケーブル１３は、並行して配置された差動信号を伝送するための１対の信号用導体２と、両信号用導体２の周囲を一括して被覆する所定の誘電率を有する絶縁体３と、絶縁体３の外周に設けられたシールド用導体４と、絶縁体３とシールド用導体４の間に縦添えされたグランド接続用のドレイン線５と、シールド用導体４の外周に設けられたケーブル保護用のジャケット６とを備えている。

信号用導体２としては、銅等の電気良導体、または、電気良導体にメッキ等を施した単線または撚線の金属線を用いる。

絶縁体３は、押出機により供給される絶縁樹脂で両信号用導体２を一括被覆することで形成され、断面視で小判型、すなわち、略直線状の２つの辺と、この２つの辺を結ぶ曲線状の２辺とからなる形状に形成される。ここでは、絶縁体３を断面視で小判型に形成しているが、断面視で楕円形に形成してもよい。両信号用導体２は、絶縁体３の厚さ方向（図３（ａ）では上下方向）の中心に配置される。

本実施の形態では、ツイナックスケーブル１３を送信用と受信用の２本を１組で使用するため、２本合わせたときの断面を円形に近くするために、絶縁体３の幅と厚さの比は、２：１とすることが好ましい。絶縁体３に用いる絶縁樹脂としては、誘電率、誘電正接の小さいものが望ましく、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフロロアルコキシ（ＰＦＡ）、ポリエチレン等を用いるとよい。また、誘電率、誘電正接を小さくするため、絶縁体３に発泡絶縁樹脂を用いてもよい。

絶縁体３の幅方向（図３（ａ）では左右方向）の片側の端部（図３（ａ）では左側の端部）には、両信号用導体２と並行してドレイン線５が縦添え配置される。つまり、ドレイン線５と両信号用導体２は、絶縁体３の幅方向に沿って一直線状に配置される。ドレイン線５としては、信号用導体２と同様に、銅等の電気良導体、または、電気良導体にメッキ等を施した単線または撚線の金属線を用いる。

シールド用導体４としては、ポリエチレンテープにアルミニウム等の金属箔を貼り合わせた金属箔テープを用いる。シールド用導体４はこれに限らず、編組状の素線からなるものを用いてもよい。シールド用導体４は、シールド用導体４の導体面（金属箔）がドレイン線５に接触するように、絶縁体３とドレイン線５の周囲に巻き付けられる。

ツイナックスケーブル１３では、スキューを低減するため、信号用導体２を近接して配置し、両信号用導体２の電磁結合を強くしてある。具体的には、ツイナックスケーブル１３は、ディファレンシャルモードインピーダンス１００Ωに対して、コモンモードインピーダンスＺ_Cが４０Ω程度とされており、スキューは、１ｍあたり平均２ｐｓ程度に低減されている。

図１，２に戻り、ツイナックスケーブル１３の両端部には、コネクタ部１２がそれぞれ設けられる。コネクタ部１２は、システム側基板２１に備えられたレセプタクル２２に嵌合し、電気的に接続される。システム側（システム側基板２１側）のディファレンシャルモードインピーダンスは１００Ωとし、システム側のコモンモードインピーダンスＺ_Oは２５Ωとする。

コネクタ部１２は、ツイナックスケーブル１３の両端部に設けられ、信号用導体２と電気的に接続された接続用基板（内蔵基板）１４と、接続用基板１４を収容するコネクタ筐体１５とからなる。コネクタ部１２は、例えば、ＳＦＰ＋トランシーバ（光モジュール形状のコネクタ）からなる。

接続用基板１４は、リジッド基板からなり、例えば、ガラスエポキシ基板からなる。接続用基板１４の一端部（図１では左手前側）には、接点部分（電極）１６が形成され、システム側基板２１に設けられたレセプタクル２２と嵌合するカードエッジコネクタ１７とされており、他端部（図１では右奥側）には、両ツイナックスケーブル１３の端末をはんだ接続するためのランド１８が形成されている。

図１および図３（ｂ）に示すように、ツイナックスケーブル１３を接続用基板１４に実装する際には、ジャケット６、シールド用導体４、絶縁体３を順次段剥きしてツイナックスケーブル１３の端末処理を行い、ツイナックスケーブル１３の端末部にて信号用導体２とドレイン線５を露出させ、この状態で、信号用導体２をランド１８の信号用電極２３に、ドレイン線５をランド１８のグランド用電極（グランドパターン）２４に合わせて、はんだ付けで固定する。ツイナックスケーブル１３では、信号用導体２とドレイン線５を一直線状に配置しているため、信号用導体２の間隔が狭い場合であっても、ドレイン線５が邪魔することなく、信号用導体２とドレイン線５を露出させた状態でそのままランド１８にはんだ付けすることが可能である。

さて、上述のように、差動信号用ハーネス１では、そのツイナックスケーブル１３のディファレンシャルモードインピーダンスが、システム側のディファレンシャルモードインピーダンスと同じ１００Ωとされているため、差動成分においては不整合がない状態となっている。

しかし、ツイナックスケーブル１３のコモンモードインピーダンスＺ_Cは４０Ωであり、これに対して、システム側のコモンモードインピーダンスＺ_Oは２５Ωである。そのため、ツイナックスケーブル１３をシステム側基板２１に直接接続すると、コモンモードにおける反射損失Ｓ_cc11は−１２ｄＢ程度となり、同相成分の定在波、あるいはケーブル外皮からのＥＭＩの原因となる。

そこで、本実施の形態に係る差動信号用ハーネス１では、コネクタ部１２に、ツイナックスケーブル１３のコモンモードインピーダンス（信号用導体２側のコモンモードインピーダンス）Ｚ_Cと、接続対象となるシステム側のコモンモードインピーダンスＺ_Oを整合させるためのコモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９を形成している。

コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９は、コネクタ部１２の接続用基板１４上に形成されたマイクロストリップ線路からなり、システム側とツイナックスケーブル１３側で、差動・同相成分ともに不整合とならないような、特性インピーダンスと電気長に設定される。

具体的には、コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９は、その電気長が、伝送する差動信号の基本周波数の１／４波長、あるいは基本周波数の整数倍周波数の１／４波長とされる。例えば、伝送する差動信号の伝送レートを１０Ｇｂｐｓとすると、その基本周波数は５ＧＨｚとなるので、基本周波数の１／４波長は１５ｍｍとなる。なお、基本周波数の１／４波長である１５ｍｍの長さは、一般的なガラスエポキシ基板上で、１０ｍｍ程度に短縮されるので、例えば、ＳＦＰ＋トランシーバ等に用いる接続用基板１４であっても十分収めることが可能である。

また、コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９は、そのディファレンシャルモードインピーダンスが、システム側のディファレンシャルモードインピーダンス（１００Ω）と等しくされる。

さらに、コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９は、そのコモンモードインピーダンスＺ_Lが、システム側のコモンモードインピーダンスＺ_Oより大きく、かつ、ツイナックスケーブル１３のコモンモードインピーダンスＺ_Cより小さくされる。

より具体的には、図４に示すように、コモンモードインピーダンスＺ_Cのツイナックスケーブル１３に、コモンモードインピーダンスＺ_Lのコモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９を電気長ｌ接続すると、システム側からみたコモンモードインピーダンスＺ（ｌ）は、［数１］に示す式（１）

で表される。

式（１）において、電気長ｌが基本周波数（あるいはその整数倍の周波数）の１／４波長であれば、ｔａｎβｌ＝∞となり、式（１）は下式（２）
Ｚ（ｌ）＝Ｚ_L ²／Ｚ_C ・・・（２）
で表される。

式（２）より、Ｚ_L ²＝Ｚ_O・Ｚ_Cと選べば、システム側からみたコモンモードインピーダンス、すなわち差動信号用ハーネス１のコモンモードインピーダンスＺ（ｌ）を、システム側のコモンモードインピーダンスＺ_Oと一致させることができる。つまり、コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９のコモンモードインピーダンスＺ_Lを、Ｚ_O・Ｚ_Cの２乗根に等しくなるように設定することで、コモンモードインピーダンスを整合させることが可能となる。

本実施の形態では、Ｚ_O＝２５Ω、Ｚ_C＝４０Ωとしているので、コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９のコモンモードインピーダンスＺ_Lは、［数２］に示す式（３）

に設定される。

Ｚ_L＝３１．５Ωとした場合のコモンモードにおける反射損失Ｓ_cc11の計算結果を図５に示す。

図５に示すように、コモンモードにおける反射損失Ｓ_cc11は、基本周波数である周波数５ＧＨｚ付近で大きく低下し、その帯域幅は、おおよそ７００ＭＨｚ程度となる。つまり、コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９を形成することにより、伝送する差動信号の基本周波数付近における差動信号用ハーネス１のコモンモードインピーダンスを低減して、差動信号の基本周波数付近で同相成分の整合をとることが可能となる。

以上説明したように、本実施の形態に係る差動信号用ハーネス１では、コネクタ部１２に、ツイナックスケーブル１３のコモンモードインピーダンスＺ_Cと、接続対象となるシステム側のコモンモードインピーダンスＺ_Oを整合させるためのコモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９を形成しており、そのコモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９の電気長を、伝送する差動信号の基本周波数あるいはその整数倍の周波数の１／４波長に、ディファレンシャルモードインピーダンスを、システム側のディファレンシャルモードインピーダンスと等しく、かつ、コモンモードインピーダンスＺ_Lを、システム側のコモンモードインピーダンスＺ_Oより大きくツイナックスケーブル１３のコモンモードインピーダンスＺ_Cより小さくしている。

従来、信号用導体２の間隔を狭くしてスキューを低減すると、コモンモードインピーダンスが大きくなることが避けられず、同相成分の反射やＥＭＩ、クロストークの対策を別途実施しなければならなかった。

これに対して、差動信号用ハーネス１では、スキューを低減するために差動信号用ケーブル１１に信号用導体２間の電磁結合が強いタイプを選択した場合であっても、コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９により、伝送する差動信号の基本周波数付近でのコモンモードインピーダンスを低減して、システム側と差動信号用ハーネス１でコモンモードインピーダンスの整合をとることが可能となり、その結果、同相成分の反射等が小さくなり、ＥＭＩやクロストーク等の低減が可能となる。スキューが小さく、ＥＭＩやクロストーク等を低減できるため、電子機器間あるいは電子機器内で数Ｇｂｐｓ以上の高速信号の伝送を行うことが可能となり、電子機器の性能向上に寄与する。

また、差動信号用ハーネス１では、差動信号用ケーブル１１として、信号用導体２の周囲に押出成形により絶縁体３を一括被覆したツイナックスケーブル１３を用いているため、ケーブル長手方向の寸法変動を小さくでき、特性インピーダンスの変動を抑制できる。ツイナックスケーブル１３では、押出成形時に信号用導体２の間隔を変更することで容易に信号用導体２の電磁結合の強さを調整できるので、従来のように厚手の発泡剤テープを巻いたり、テープ状のシールド用導体をきつく巻いて絶縁体を潰したりといった製法上困難な方法をとる必要がなくなり、安定的な生産が可能となる。

また、差動信号用ハーネス１では、ドレイン線５を信号用導体２の横に配置したツイナックスケーブル１３を用いているため、信号用導体２の間隔が狭くても、接続用基板１４への実装が容易となり、さらには、シールド用導体４の剥き長が小さくて済むため、実装部分での電気特性劣化も小さい。

次に、本発明の他の実施の形態を説明する。

図６に示す差動信号用ハーネス６１は、図１の差動信号用ハーネス１において、コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９を、コモンモードインピーダンスが異なる２つの分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９ａ，１９ｂを直列に接続して形成したものである。

つまり、差動信号用ハーネス６１では、コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９を、ツイナックスケーブル１３側（信号用導体２側）の分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９ａと、システム側の分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９ｂとに分割して形成し、両分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９ａ，１９ｂで２段階でコモンモードインピーダンスを変化させるようにしている。

分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９ａ，１９ｂの電気長は、共に伝送する差動信号の基本周波数あるいはその整数倍の周波数の１／４波長とする。伝送する差動信号の伝送レートを１０Ｇｂｐｓとすると、その基本周波数は５ＧＨｚとなるので、基本周波数の１／４波長は１５ｍｍとなる。両分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９ａ，１９ｂを合わせた長さは、ガラスエポキシ基板上で１０ｍｍ×２＝２０ｍｍ程度に短縮されるで、例えば、ＳＦＰ＋トランシーバ等に用いる接続用基板１４であっても十分収めることが可能である。

図７に示すように、ツイナックスケーブル１３側の分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９ａのコモンモードインピーダンスＺ_Aは、Ｚ_O・Ｚ_C・Ｚ_Cの３乗根に等しくされる。また、システム側の分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９ｂのコモンモードインピーダンスＺ_Bは、Ｚ_O・Ｚ_O・Ｚ_Cの３乗根に等しくされる。

ここでは、Ｚ_O＝２５Ω、Ｚ_C＝４０Ωとしているので、ツイナックスケーブル１３側の分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９ａのコモンモードインピーダンスＺ_Aは、［数３］に示す式（４）、システム側の分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９ｂのコモンモードインピーダンスＺ_Bは、［数４］に示す式（５）に設定される。

式（４），（５）のように各分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９ａ，１９ｂのコモンモードインピーダンスＺ_A，Ｚ_Bを設定することで、図１の差動信号用ハーネス１と同様に、コモンモードインピーダンスの不整合が解消される。このときのコモンモードにおける反射損失Ｓ_cc11の計算結果を図８に示す。

図８に実線で示すように、差動信号用ハーネス６１のコモンモードにおける反射損失Ｓ_cc11は、基本周波数である周波数５ＧＨｚ付近で大きく低下し、その帯域幅は、おおよそ２．６ＧＨｚ程度である。

図８に破線で示すように、図１の差動信号用ハーネス１では、コモンモードが整合された帯域幅が７００ＭＨｚ程度と狭帯域であったが、２段の分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９ａ，１９ｂを備えた差動信号用ハーネス６１によれば、図１の差動信号用ハーネス１に比べて約４倍の帯域幅を確保することができ、より、同相成分の反射やＥＭＩ、クロストーク等の低減が可能である。

なお、ここでは、２段の分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路１９ａ，１９ｂを備えた場合を説明したが、これに限らず、３段以上の分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路を備えるようにしてもよい。例えば、ｎ段の分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路を備えた場合、ケーブル側からｋ番目の分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路のコモンインピーダンスＺ_kは、数５に示す式（６）に設定すればよい。

図９および図１０に示す差動信号用ハーネス９１は、フレキシブルプリント基板（ＦＰＣ）９２に、差動信号を伝送する信号用導体としての信号用配線パターン９３を形成し、その両端部の接点部分（電極）９４ａを形成してなるコネクタ部９４に、マイクロストリップ線路からなるコモンモードインピーダンス整合用伝送線路９５を形成したものである。なお、ここでは、フレキシブルプリント基板９２の両端からコモンモードインピーダンス整合用伝送線路９５と信号用配線パターン９３の接続部分までの領域をコネクタ部９４と呼称している。

フレキシブルプリント基板９２としては、信号用配線パターン９３の特性インピーダンスを制御するために、信号用配線パターン９３を形成した面と反対側の面にグランド面（グランドパターン）を形成する必要があるので、両面タイプ（表裏面の両面に配線パターンを形成可能なタイプ）を選択する。

フレキシブルプリント基板９２の信号用配線パターン９３を形成した面と反対側の面には、グランドパターン（図示せず）が形成される。これにより、信号用配線パターン９３のディファレンシャルモードインピーダンスは１００Ω、コモンモードインピーダンスＺ_Cは４０Ω程度に調整され、信号用配線パターン９３間の電磁結合が強められる。なお、システム側のディファレンシャルモードインピーダンスを１００Ω、コモンモードインピーダンスＺ_Oを２５Ωとする。

コモンモードインピーダンス整合用伝送線路９５のディファレンシャルモードインピーダンスは、システム側と同じ１００Ωに設定されており、差動成分においては不整合がない状態となっている。

コモンモードインピーダンス整合用伝送線路９５は、電磁結合が強められた信号用配線パターン９３（Ｚ_C＝４０Ω）、およびシステム側（Ｚ_O＝２５Ω）に接続された状態で、これらが不整合とならないようなの電気長とコモンモードインピーダンスＺ_Lに設定される。

具体的には、図１の差動信号用ハーネス１と同様に、コモンモードインピーダンス整合用伝送線路９５の電気長は、伝送する差動信号の基本周波数あるいはその整数倍の周波数の１／４波長とされ、コモンモードインピーダンスＺ_Lは、Ｚ_O・Ｚ_Cの２乗根に等しくなるように（Ｚ_L＝３１．５Ωに）設定される。

差動信号用ハーネス９１によれば、信号用配線パターン９３を形成したフレキシブルプリント基板９２に、コモンモードインピーダンス整合用伝送線路９５を一体化して組み込むことができるので、取り扱いが容易となり、かつ、製造コストを低減できる。また、電磁結合の強い信号用配線パターン９３を選択しても、基本周波数付近のコモンモードインピーダンス不整合を低減することができるため、同相成分の反射等は小さくなり、また、その影響で発生するＥＭＩやクロストーク等の低減が可能である。

上記実施の形態では、コネクタ部にコモンモードインピーダンス整合用伝送線路を形成したが、例えば、フレキシブルフラットケーブル等、一定のインピーダンスの伝送線路しか作製できない場合などは、図１１に示すように、フレキシブルフラットケーブル１１２側ではなく、システム側基板２１上にコモンモードインピーダンス整合用伝送線路１１１を形成するようにしても、同様の効果が得られる。

このように、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加え得ることは勿論である。

１差動信号用ハーネス
２信号用導体
３絶縁体
４シールド用導体
５ドレイン線
６ジャケット
１１差動信号用ケーブル
１２コネクタ部
１３ツイナックスケーブル
１４接続用基板
１５コネクタ筐体
１９コモンモードインピーダンス整合用伝送線路

Claims

差動信号を伝送するための少なくとも一対の信号用導体と、その信号用導体の両端部に設けられたコネクタ部とを備えた差動信号用ハーネスにおいて、
前記コネクタ部に、前記信号用導体のコモンモードインピーダンスと、接続対象となるシステム側のコモンモードインピーダンスを整合させるためのコモンモードインピーダンス整合用伝送線路が設けられ、
前記コモンモードインピーダンス整合用伝送線路は、
その電気長が、伝送する前記差動信号の基本周波数あるいはその整数倍の周波数の１／４波長であり、
そのディファレンシャルモードインピーダンスが、前記システム側のディファレンシャルモードインピーダンスと等しく、
そのコモンモードインピーダンスが、前記システム側のコモンモードインピーダンスより大きく、かつ、前記信号用導体のコモンモードインピーダンスより小さいことを特徴とする差動信号用ハーネス。
前記信号用導体は、並行に配置された一対の単線または撚線の金属線からなり、前記一対の金属線の周囲が絶縁体で一括被覆され、前記絶縁体の周囲がシールド用導体で覆われたツイナックスケーブルを構成するものであり、
前記コネクタ部は、前記ツイナックスケーブルの両端部に設けられ、前記一対の金属線と電気的に接続された接続用基板と、該接続用基板を収容するコネクタ筐体とからなり、
前記コモンモードインピーダンス整合用伝送線路は、前記コネクタ部の前記接続用基板上に設けられたマイクロストリップ線路からなる請求項１記載の差動信号用ハーネス。
前記絶縁体と前記シールド用導体との間に縦添えに配置されると共に、前記一対の金属線と一直線状に並行に配置されたドレイン線を備え、
前記ドレイン線は、前記シールド用導体と前記接続用基板のグランドパターンとに電気的に接続された請求項２記載の差動信号用ハーネス。
差動信号を伝送するための少なくとも一対の信号用導体と、その信号用導体の両端部に設けられたコネクタ部とを備えた差動信号用ハーネスにおいて、
前記コネクタ部に、前記信号用導体のコモンモードインピーダンスと、接続対象となるシステム側のコモンモードインピーダンスを整合させるためのコモンモードインピーダンス整合用伝送線路が設けられ、
前記信号用導体は、フレキシブルプリント基板に設けられた信号用配線パターンからなり、
前記コモンモードインピーダンス整合用伝送線路は、前記フレキシブルプリント基板の両端部の前記コネクタ部に設けられたマイクロストリップ線路からなる差動信号用ハーネス。
前記フレキシブルプリント基板の前記信号用配線パターンが設けられた面と反対側の面には、グランドパターンが設けられる請求項４記載の差動信号用ハーネス。
差動信号を伝送するための少なくとも一対の信号用導体と、その信号用導体の両端部に設けられたコネクタ部とを備えた差動信号用ハーネスにおいて、
前記コネクタ部に、前記信号用導体のコモンモードインピーダンスと、接続対象となるシステム側のコモンモードインピーダンスを整合させるためのコモンモードインピーダンス整合用伝送線路が設けられ、
前記コモンモードインピーダンス整合用伝送線路の電気長は、伝送する前記差動信号の基本周波数あるいはその整数倍の周波数の１／４波長であり、
前記コモンモードインピーダンス整合用伝送線路のコモンモードインピーダンスは、前記システム側のコモンモードインピーダンスをＺ_O、前記信号用導体のコモンモードインピーダンスをＺ_Cとすると、Ｚ_O・Ｚ_Cの２乗根に等しくされる差動信号用ハーネス。
差動信号を伝送するための少なくとも一対の信号用導体と、その信号用導体の両端部に設けられたコネクタ部とを備えた差動信号用ハーネスにおいて、
前記コネクタ部に、前記信号用導体のコモンモードインピーダンスと、接続対象となるシステム側のコモンモードインピーダンスを整合させるためのコモンモードインピーダンス整合用伝送線路が設けられ、
前記コモンモードインピーダンス整合用伝送線路は、コモンモードインピーダンスが異なるｎ個の分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路を直列に接続してなり、
各分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路の電気長は、伝送する前記差動信号の基本周波数あるいはその整数倍の周波数の１／４波長であり、
前記システム側のコモンモードインピーダンスをＺ_O、前記信号用導体のコモンモードインピーダンスをＺ_Cとすると、
前記信号用導体側からｋ番目の分割コモンモードインピーダンス整合用伝送線路のコモンモードインピーダンスは、Ｚ_O ^k・Ｚ_C ^n-k+1のｎ＋１乗根に等しくされる差動信号用ハーネス。