KR20180121535A - 전기 신호 전송 케이블 - Google Patents

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KR20180121535A
KR20180121535A KR1020187026371A KR20187026371A KR20180121535A KR 20180121535 A KR20180121535 A KR 20180121535A KR 1020187026371 A KR1020187026371 A KR 1020187026371A KR 20187026371 A KR20187026371 A KR 20187026371A KR 20180121535 A KR20180121535 A KR 20180121535A
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군나르 암브레슈트
토마스 슈미트
스테판 쿤츠
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로젠버거 호흐프리쿠벤츠테흐닉 게엠베하 운트 코. 카게
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Abstract

본 발명은 전기 절연 재질로 구성된 외부 케이싱(12)과, 외부 케이싱(12) 내에 배치된 N ≥ 2 및 N ∈ |N(자연수)인 적어도 N 개의 회선(n)들을 구비하는 전기 신호를 전송하는 케이블(10)에 관한 것으로, 여기서 각 회선(n)은 도전성 재질로 구성된 M ≥ 1 및 M ∈ |N인 전체 M 개의 와이어(16, 18, 20, 22)들을 가지며, 여기서 n ∈ [1,N], n ∈ |N인 회선(n)의 m ∈ [1,M], m ∈ |N인 와이어(m)((16, 18, 20, 22))들이 소정 값의 상대 유전율 εr(m,n)　>　1을 가지는 유전체(24, 26, 28, 30)로 둘러싸인다. 적어도 두 다른 회선 n = j 및 n = (j+s)들에 다음: m ∈ [1, M], m ∈ |N, j ∈ [1, N-1], j ∈ |N, s ∈ [1, N-j], s ∈ |N일 때 εr(m,j)　=　εr(m,j+s)　-　k(s)이고, 여기서 k(s) ∈ |R 및 k(s) ∈ [-2.0,-0.01] 및 k(s) ∈ [0.01,2.0]이 적용된다.

Description

전기 신호 전송 케이블
본 발명은 전기 절연 재질로 구성된 외부 케이싱과, 외부 케이싱 내에 배치된 N ≥ 2 및 N ∈ |N(자연수)인 적어도 N 개의 회선(line; n)들을 구비하는 전기 신호를 전송하는 케이블에 관한 것으로, 청구항 1의 전제부에 따라 각 회선(n)은 도전성 재질로 구성된 M ≥ 1 및 M ∈ |N인 전체 M 개의 와이어(wire)들을 가지며, 여기서 n ∈ [1,N], n ∈ |N인 회선(n)의 m ∈ [1,M], m ∈ |N인 와이어(m)들이 소정 값의 상대 유전율(relative permittivity) εr(m,n)　>　1을 가지는 유전체(dielectric)로 둘러싸인다.
전기 신호를 전송하는 케이블은 도전 재질로 구성된 와이어들을 포함하는데, 상호 간의 전기적 절연의 목적으로 각각 전기 절연체로 둘러싸인다. 전기 절연체는 유전(dielectric) 특성을 가져 기본적으로 전자기파(electromagnetic wave)인 전기 신호를 위한 케이블의 전파(propagation) 또는 도전(conductive) 특성에 결정적인 영향을 미친다. 유전 재질 또는 유전체의 중요한 특성은 유전율(ε)이다.
유전율(permittivity; ε)(라틴어 permittere: 허용하다, 전달하다, 인정하다에서 유래)은 전계(electrical field)에 대한 재질의 투과성(permeability)을 나타내는 "유전 도전성(dielectric conductivity)" 또는 "유전 함수(dielectric function)"로도 지칭된다. 진공 내에서 전계가 형성되거나 전자기장이 전파되므로 진공 역시 유전율을 가진다.
유전율(permittivity) 또는 유전상수(dielectric constant)로도 지칭되는 매질(medium)의 상대 유전율(εr)은 유전율(ε)과 진공에서의 값(전계 상수(electric field constant); ε0)과의 비율이다.
εr = ε /ε0
이는 매질의 유전 분극(dielectric polarisation)에 의한 전계약화 효과(field-weakening effect)의 척도로 전기감수율(electrical susceptibility) χe = εr - 1과 밀접하게 관련된다. 영문 문헌과 반도체 기술분야에서는 상대 유전율이 κ(카파; kappa) 또는 - 예를 들어 저-k 유전체(low-k dielectrics)의 경우와 같이 - k로도 표시된다. 전술한 용어 “유전상수” 역시 상대 유전율에 대한 동의어로 흔히 사용된다.
전기 신호를 전송하는 케이블의 전자기 차폐(electromagnetic shielding)를 위해서는, 케이블을 도전성 재질로 구성된 차폐 케이싱(shielding casing)으로 둘러싸는 것이 일반적이다. 이는 케이블을 통해 전송되는 전기 또는 전자기 신호의 케이블로부터의 무단(unimpeded) 방출을 저감시키고, 이와 동시에 외부로부터의 케이블의 회선으로의 전자기 신호의 침투를 저감시킨다. 몇 개의 전기 신호들이 케이블의 다른 회선들을 통해 전송되면, 케이블의 직경과 중량을 증가시킬 뿐 아니라 케이블의 한 회선으로부터 다른 회선으로 바람직하지 못한 방식으로 전기 신호들의 혼선(crosstalk) 역시 야기된다. 이를 방지하기 위해서, 케이블의 개별적인 회선들에도 도전성 재질로 구성된 차폐 케이싱을 구비하는 기술이 알려졌다. 그러나 이는 전체적인 케이블을 매우 뻣뻣하고(rigid), 회선들의 차폐 케이싱을 손상시키지 않기 위해 어떤 절곡 반경(bending radii)을 초과하지 못하게 하여 케이블을 고가일 뿐 아니라 포설(laying)시 유연하지 못하게(inflexible) 만든다.
케이블 내의 각 회선에 추가적인 차폐 케이싱을 구비할 필요 없이 케이블 내의 한 회선으로부터 다른 회선으로의 전기 신호의 혼선을 방지하기 위해, 소위 성형 쿼드 케이블(star quad cable)이 제안되었다(연선/성형 쿼드(Twisted/Star Quad ; TQ); 이하에서 “성형 쿼드(star quad)”로도 약칭). STP 케이블(차폐 연선 쌍; Shielded Twisted Pair) 및 UTP 케이블(비차폐 연선 쌍; Unshielded Twisted Pair) 등의 성형 쿼드 케이블은 대칭 동(copper) 케이블의 하나로 분류된다. 성형 쿼드 케이블에서, 각각 도전성 재질로 제조된 두 와이어들로 구성된 두 회선들이 조합되어 케이블을 형성한다. 각 와이어는 유전체로 둘러싸이고 네 와이어들이 십자형(cruciform)으로 서로 연선되는데, 성형 쿼드 케이블의 단면에서 보아, 각각의 반대측 와이어들이 와이어 쌍을 형성하여 성형 쿼드 케이블은 두 와이어 쌍(wire pair) 또는 회선(line)들을 구비한다. 서로 연선된 네 와이어들이 하나의 공통된 보호 피복(protective sheath)으로 둘러싸이는데, 이는 편조(braided) 또는 포일(foil) 쉴드(shield)를 구비할 수 있다. 이 기계적 구조가 근단(near-end) 또는 원단(far-end) 혼선 등의 기술적 전송 매개변수(technical transmission parameter)들을 결정한다. 이 방식의 케이블은 무엇보다도 작은 직경과 결과적인 작은 절곡 반경이 우수하다. 서로에 대한 도선(conductor) 또는 와이어들의 배치의 기계적 안정성에 추가하여 성형 쿼드 연선(stranding)의 이점은 쌍 연선(pair stranding)에 비해 실장밀도(packing density)가 더 높다는 것이다.
성형 쿼드 케이블은 기본적으로 UTP 및 STP 케이블들에 해당되어 이에 따라 분류될 수 있는데: 비차폐 성형 쿼드 케이블은 연선 쿼드(Twisted Quad; UTQ)로 지칭된다.
성형 쿼드 케이블에서, 그 둘레에 배치된 절연 재질로 제조된 피복을 가지는 와이어가 도선을 형성하고, 두 와이어(wire) 또는 도선(conductor)들이 각각 회선(line)을 형성한다. 두 쌍의 도선들 또는 두 회선들이 서로 연선되어 십자형으로 연선된 두 이중 와이어들을 형성한다(한 이중 와이어가 한 회선에 해당한다). 두 도선 또는 와이어들이 성형 쿼드 케이블의 단면에서 서로 반대쪽에 배치되어 쌍(pair)을 형성하는데, 전기 신호들은 각 쌍 상에 전송된다. 달리 말해, 성형 쿼드 케이블의 단면에서 네 도선 또는 와이어들이 정사각형의 모서리들에 배치되는데, 각 쌍의 도선 또는 와이어들은 대각선 반대측 모서리들에 배치된다. 도선 쌍 또는 와이어 쌍들이 서로 직교하도록 배치된다는 사실은 한 쌍으로부터 다른 쌍으로의 혼선의 바람직한 억제를 유도하거나 한 쌍으로부터 다른 쌍으로 매우 경미한 혼선만이 발생된다. “서로 직교하도록 배치된 도선 쌍 또는 와이어 쌍들(conductor pairs or wire pairs arranged perpendicular to one another)"이라는 표현은 케이블의 단면에서 보아, 한 쌍의 도선 또는 와이어들의 중심을 통과하는 제1 직선이 다른 쌍의 도선 또는 와이어들의 중심을 통과하는 제2 직선에 대해 직교하는 방향을 가진다는 것이다.
본 발명은 전술한 방식의 케이블을 두 회선들 간의 혼선의 관점에서 개선하는 문제에 기반한다.
본 발명에 따르면, 이 문제는 청구항 1을 특징짓는 특징을 가지는 전술한 방식의 케이블을 통해 해결된다. 본 발명의 유용한 실시예들은 추가적 청구항들에 기재되어 있다.
이를 위해, 본 발명에 따르면 전술한 방식의 케이블에 있어서, 적어도 두 다른 회선들 간에 다음: m ∈ [1, M], m ∈ |N(자연수), j ∈ [1, N-1], j ∈ |N, s ∈ [1, N-j], s ∈ |N일 때 εr(m,j)　=　εr(m,j+s)　-　k(s)이고, 여기서 k(s) ∈ |R(실수) 및 k(s) ∈ [-2.0,-0.01] 및 k(s) ∈ [0.01,2.0]이 적용된다. 달리 말해, 한 회선의 와이어들의 유전체들이, 각 와이어들을 둘러싸는 유전체의 상대 유전율(εr) 값이 다른 회선의 와이어들과 비교하여 0.01 내지 2.0의 k(s) 만큼 다른 값을 가진다. 이는 와이어 둘레에 다른 유전체를 가지는 이들 회선들 상의 전기 신호들의 전파 속도(propagation speed)들을 다르게 한다. 예를 들어 k(s) 값이 s(k(1) ≠ k(2)... ≠ k(N-j))의 다른 값들에 대해 다르지만; 그 대신(alternatively) k(s) 값이 s (k(1) = k(2)... = k(N-j)) 값의 일부 또는 전부에 대해 동일하다. k(s) 값은 또한 s가 1 내지 (N-j) 범위의 값일 때 몇 개의 부분 량(partial quantity)들에 대해서도 동일하여 예를 들어 (N이 4 이상이라면) 셋 이상의 동일한 k(s) 값들이 케이블 내에 존재하고, k(s) 값들이 다른 부분 량들에 대해 다르다. 케이블 내에서, 다른 회선들은 다른 수(M)의 와이어들을 가질 수 있다. 여기서 M의 값은 n: M(n)의 함수가 될 것이다.
이는 각 와이어의 유전체들에 유전율의 다른 값을 가지는 두 회선들 내의 다른 전파 속도는 놀랍게도 한 회선으로부터 다른 회선으로의 신호들의 혼선을 저감시키는 이점을 가진다.
회선 내의 신뢰성 높은 신호 전송은 각 회선(n)에 대해 이 회선(n)의 와이어들의 유전체의 상대 유전율의 값이 제조에 의한 편차(deviation)를 제외하고 동일하여 εr(p,n)　=　εr(p+q,n), 여기서 p ∈ [1,M - 1], p ∈ |N, q ∈ [1,M - p], q ∈ |N일 때 이뤄진다.
다른 회선들 간의 신호의 혼선의 추가적인 저감은 케이블이 M　=　2 및 N　=　2인 성형 쿼드 케이블이고, 두 회선들의 네 와이어들이 십자형으로 서로 연선될(twisted or stranded) 때 이뤄진다.
다른 회선들의 와이어들의 유전체의 상대 유전율 εr(m,n)의 약 0.3의 값 |k| 만큼 다른 값들은, 적어도 하나의 회선의 와이어들의 유전체를 폴리프로필렌(PP; εr
Figure pct00001
2.1) 재질로 구성하고 적어도 하나의 다른 회선의 와이어들을 폴리에틸렌(PE; εr
Figure pct00002
2.4)으로 구성하여 제조하는 방식으로 특히 간단하고 경제적인 방법으로 이뤄질 수 있다.
전체적으로, 다른 회선의 와이어들의 유전체의 상대 유전율(εr)의 값의 편차(deviation)에 대한 k 값의 구체적인 조정을 가지는 한 회선의 와이어들의 유전체의 상대 유전율(εr)의 다른 값은 적어도 하나의 회선의 와이어들의 유전체를 다른 상대 유전율(εr) 값을 가지는 둘 이상의 유전 재질이 동심으로 적층된 구조(concentric layered structure)로 구성함으로써 간단히 이뤄진다.
고효율을 가지는 회선의 와이어들의 유전체의 상대 유전율(εr) 값의 특히 유용한 조정은, 적어도 한 회선의 와이어들에서 이 회선의 와이어들과 이 회선의 와이어들을 대향하는(facing) 외부 케이싱 간의 공간을, 이 회선의 와이어들을 둘러싸는 유전체와 다른 상대 유전율(εr) 값을 가지는 추가적인 유전 재질로 충전함으로써 이뤄진다. 충전에 사용되는 이 유전체는 이에 따라 높은 전계 강도 밀도(field strength density)들을 가지는 영역에 위치하므로 특히 효과적이다.
개별적인 와이어들의 기계적 구조를 변경할 필요 없이 개별 도선의 와이어들의 상대 유전율(εr) 값을 변경시킬 대체적인 가능성은 회선의 와이어들을 대향하는 외부 케이싱의 내면 상에 이 회선의 와이어들을 둘러싸는 유전체와 다른 상대 유전율(εr) 값을 가지는 추가적인 유전체의 피복(coating)으로 이뤄진다.
개별적인 와이어들의 결과적인 상대 유전율(εr)의 특히 현저한 영향은 추가적 유전체가 각각 다른 상대 유전율(εr) 값을 가지는 유전 재질들의 일련의(sequence of) 층들의 구조를 가짐으로써 이뤄진다.
절연층의 높은 효율은 케이블의 단면으로 보아 적어도 한 와이어의 유전체가 와이어와 외부 케이싱 간의 공간에 배치될 때 이뤄지는데, 이 공간은 인접 와이어들과 포물선 형태(parabolic form)로 구획된다(delimited). 결과적으로, 유전체는 공간을 높은 전계 회선 밀도(field line density)로 충전한다.
k(s)의 가능한 값의 범위로 다음이 바람직한데: k(s) ∈ [-u, -w] 및 k(s) ∈ [w, u], 여기서 w　=　0.01, 0.03, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.2, 1.4 또는 1.6이고 u　=　0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6 또는 1.8이며 |w|<|u|이다. 예를 들어, 0.01　<　k(s)　<　1.0; 0.03　<　k(s)　<　0.3 또는 0.1　<　k(s)　< 0.2이다.
추가적인 전자기 차폐는 도전성 재질로 구성된 차폐 케이싱이 회선들이 배치된 공간 내에 추가적으로 구비됨으로써 이뤄진다. 이 (추가적인) 차폐 케이싱은 예를 들어 차폐 케이싱의 반경 방향 외측 또는 내측에 배치되거나 차폐 케이싱에 통합된다.
이하 본 발명을 도면을 참조하여 더 상세히 설명하는데, 도면에서
도 1은 본 발명에 따른 케이블의 제1 바람직한 실시예의 단면 사시도;
도 2는 4 포트로서의 본 발명에 따른 케이블을 보이는 도면;
도 3은 케이블 모델을 기반으로 k(s)의 다른 값들을 가지는 한 회선에서 다른 회선으로의 전기 신호의 혼선의 산술적 결정을 보이는 그래프;
도 4는 본 발명에 따른 케이블의 제2 바람직한 실시예의 단면도;
도 5는 본 발명에 따른 케이블의 제3 바람직한 실시예의 단면도;
도 6은 본 발명에 따른 케이블의 제4 바람직한 실시예의 단면도;
도 7은 본 발명에 따른 케이블의 제5 바람직한 실시예의 단면도; 그리고
도 8은 본 발명에 따른 케이블의 제6 바람직한 실시예의 단면도이다.
복수 도선(conductor) 케이블 또는 몇 개의 와이어(wire)들을 가지는 케이블에서 신호 전송의 목적으로, 고속 데이터 전송을 달성하기 위해 바람직하기로 다른 회선 쌍들 또는 다른 도선 쌍들을 통한 신호 전송이 사용된다. 이러한 응용분야에 사용되는 전형적인 케이블이 성형 쿼드 케이블(star quad cable)이다.
일반적으로, 전기 신호 전송에 사용되는 케이싱은 전기 절연 재질로 구성된 튜브형(tubular) 외부 케이싱(outer casing)을 가진다. 예를 들어 도전성 재질로 구성된 차폐 케이싱(shielding casing) 역시 구비되는데, 이는 외부 케이싱에 동축으로 둘러싸인다. 이와는 달리, 차폐 케이싱이 외부 케이싱과 통합될 수도 있다. N ≥ 2 및 N ∈ |N(자연수)인 N 회선(line)들이 차폐 케이싱 내에 반경 방향으로 배치되고, 여기서 각 회선(n)은 도전성 재질로 제조된 M ≥ 1, M ∈ |N인 전체 M 개의 와이어들을 구비한다. n ∈ [1, N], n ∈ |N인 회선(n)의 m ∈ [1, M], m ∈ |N인 와이어(m)들은 소정 값의 상대 유전율 εr(m,n)　>　1을 가지는 유전체로 둘러싸여 있다. 이에 따라 다른 와이어들의 절연체들이 다른 색상들로 제조되어 케이블의 각 단에서 와이어들을 명확히 식별할 수 있으면 바람직하다. 회선(n)의 M 개의 와이어들은 각각 유전체로 둘러싸이는데, 회선(n)의 M 개의 와이어들의 모든 유전체는 m　=　1,　...　M일 때 상대 유전율εr(m,n)이 거의 동일한 값을 가져야 한다. 그러나 제조 공정에서의 편차의 결과로 또한 색상 표시(coloring)의 결과로, 회선의 M 와이어들의 상대 유전율 εr(m,n) 값은 약간 다른 값들이 된다, 이 편차는 일반적으로 5/1000의 범위(region) 내인데, 이는 실제 바람직하지 못하면서도 불가피하다.
달리 말해, 각 회선(n)에 있어서 이 회선(n)의 M 개의 와이어들의 유전체의 상대 유전율(ε r) 값은 제조 공정에서 발생되는 편차를 제외하면 동일하여, εr(p,n)　=　εr(p+q,n), 여기서 p ∈ [1,M-1], p ∈ |N 및 q ∈ [1,M-p], q ∈ |N이다. 달리 말해, 변화되는 지수(running index) p는 1 내지 M-1로 변화하고 전체 값이 0보다 크며, 변화되는 지수 q는 1 내지 (M-p)로 변화하며 전체 값이 0보다 크다. 이는 n =1 내지 N인 각 회선(n)에 대해 각각 다음:
n　=　1: εr(1,1)　=　εr(2,1)　=　...　=　εr(M-1,1)　=　εr(M,1)
n　=　2: εr(1,2)　=　εr(2,2)　=　...　=　εr(M-1,2)　=　εr(M,2)
…
n　=　N-1: εr(1,N-1)　=　εr(2,N-1)　=　...　=　εr(M-1,N-1)　=　εr(M,N-1)
n　=　N: εr(1,N)　=　εr(2,N)　=　...　=　εr(M-1,N)　=　εr(M,N)을 의미한다.
본 발명에 따르면, 회선 j의 M개의 와이어들 전체의 유전체의 상대 유전율(εr) 값은 적어도 하나의 다른 회선 (j+s), 예를 들어 회선 (j+1)의 M개의 와이어들의 유전체의 상대 유전율(εr) 값과 k(s) 값만큼 다르다. 이에 따라 적어도 두 다른 회선들에 대해 다음: m ∈ [1, M], m ∈ |N(자연수), j ∈ [1, N - 1], j ∈ |N, s ∈ [1, N - j], s ∈ |N 때, εr(m,j)　=　εr(m,j+s)　-　k(s), 여기서 k(s) ∈ |R(실수) 및 k(s) ∈ [-2.0,-0.01] 및 k(s) ∈ [0.01,2.0]이거나, 또는 와이어에 대한 지수 m이 1 내지 M으로 변화되고 전체 값이 0보다 크며, 회선 j에 대한 지수 j가 1 내지 (N-1)로 변화되고 전체 값이 0보다 크고, 회선 (j+s)에 대한 지수 s가 1 내지 (N-j)로 변화되고 전체 값이 0보다 크다가 적용된다. 정리하면, 예를 들어 회선 1 및 2(j = 1; s = 1)에서 m = 1 내지 M인 M 개의 와이어들에 대해 이는 다음:
m　=　1: εr(1,1)　=　εr(1,2)　-　k(1)
m　=　2: εr(2,1)　=　εr(2,2)　-　k(1)
…
m　=　M-1: εr(M-1,1)　=　εr(M-1,2)　-　k(1)
m　=　M: εr(M,1)　=　εr(M,2)　-　k(1)을 의미한다.
이에 따라 값 k(1)은 그 크기(amount) |k(1)|이, 거의 동일해야 할 상대 유전율(εr) 간의 예를 들어 5/1000의 전술한 바람직하지 못한 편차보다 큰 수이다. 이와 동시에, 두 다른 회선들(s의 다른 값)에 대한 k(s) 값이 다르거나 같을 수 있다. |k(s)|의 바람직한 값은 예를 들어 0.01, 0.03, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2.0이다.
도 1은 성형 쿼드(star quad) 배치 형태의 N = 2 및 M = 2인 본 발명에 따른 케이블(10)의 예시적 실시예를 도시하는데, 두 회선(line)들의 네 와이어(wire)들이 십자형으로 서로 연선되어(twisted) 있다. 케이블(10)은 전기 절연 재질로 구성된 외부 케이싱(outer casing; 12)과, 도전성 재질로 구성된 차폐 케이싱(shielding casing; 14)과 함께, 도전성 재질로 구성된 제1 회선의 제1 와이어(16)(m = 1, n = 1)와, 도전성 재질로 구성된 제1 회선의 제2 와이어(18)(m　=　2, n　=　1)와, 도전성 재질로 구성된 제2 회선의 제1 와이어(20)(m　=　1, n　=　2)와, 그리고 도전성 재질로 구성된 제2 회선의 제2 와이어(22)(m　=　2, n　=　2)를 가진다. 제1 회선(n = 1)의 제1 와이어(16)(m = 1)는 상대 유전율 εr(1,1)을 가지는 제1 유전체(24)로 둘러싸이는데, 여기 및 이하에서 용어 "εr"에 이은 괄호 내의 숫자들은 지수들, 여기서는 지수 m 및 n을 나타낸다. 제1 회선(n = 1)의 제2 와이어(18)(m = 2)는 상대 유전율 εr(2,1)을 가지는 제2 유전체(26)로 둘러싸인다. 제 2회선(n = 2)의 제1 와이어(20)(m = 1)는 상대 유전율 εr(1,2)을 가지는 제3 유전체(28)로 둘러싸인다. 제 2회선(n = 2)의 제2 와이어(22)(m = 2)는 상대 유전율 εr(2,2)을 가지는 제4 유전체(30)로 둘러싸인다.
또한 와이어 16, 18들은 도선들의 제1 쌍(pair) 또는 제1 회선을 형성하고 와이어 20, 22들은 도선들의 제2 쌍 또는 제2 회선을 형성한다.
케이블의 단면에서 보아, 제1 직선(32)은 제1 회선의 와이어(16, 18)들의 중심점을 통과하고 제2 직선(34)은 제2 회선의 와이어(20, 22)들의 중심점을 통과한다. 두 직선(32, 34)들은 도 1의 표시 또는 도시 평면에 평행한 단면 평면의 각 점에서 서로 직교한다.
각 와이어(16, 18, 20, 22)들은 연계된 절연체(24, 26, 28, 30)들과 함께 도선(conductor)들을 구성한다. 도선(16/24, 18/26, 20/28, 22/30)들은 축방향으로 십자형으로 서로 연선되어 공지의 성형 쿼드 구조를 형성한다. 도선(16/24, 18/26, 20/28, 22/30)들은 중심 코어(core)(36) 둘레에 서로 연선된다.
이 성형 쿼드 케이블(M　=　2, N　=　2)의 예에서, m　=　1,　2 및 n　=　1,　2 및 j　=　1 및 s　=　1인 와이어(16, 18, 20, 22)들에 대한 절연체(24, 26, 28, 30)들의 상대 유전율 εr(m,n)들에 대한 위 방정식은 다음과 같다:
n　=　1: εr(1,1)　=　εr(2,1)
n　=　2: εr(1,2)　=　εr(2,2)
및
m　=　1: ε(1,1)　=　εr(1,2)　-　k(1)
m　=　2: εr(2,1)　=　εr(2,2)　-　k(1)
도 2는 제1 단(38)과 제 2단(40)을 가지는 4 포트(port)로서의 성형 쿼드 케이블을 도시한다. 와이어 16, 18과 절연체 24, 26(도 1)을 가지는 제1 회선이 제1 단(38)에서 제1 차동 포트(differential port)(42)를, 제2 단(40)에서 제3 차동 포트(46)를 형성한다. 와이어 20, 22와 절연체 28, 30(도 1)을 가지는 제2 회선이 제1 단(38)에서 제2 차동 포트(44)를, 제2 단(40)에서 제4 차동 포트(48)를 형성한다.
(신호)파(wave)가 제1 단(38)에서 와이어 16, 18을 가지는 제1 회선의 제1 포트(42)에 공급되면, 파의 일부는 제2, 제3, 및 제4 포트(44, 46, 48)에서도 측정 가능하다. 제3 포트(46)에서 측정 가능한 파 성분은 전송(transmission)에 기인한 것이다. 제2 포트(44)에서 측정 가능한 파 성분은 근단(near end)(38)에서의 소위 “혼선(crosstalk)"("NEXT"(근단 혼선; Near End Crosstalk))에 기인한 것인데, 즉 이는 와이어 16, 18을 가지는 제1 회선으로부터 와이어 20, 22를 가지는 제2 회선으로의, 제1 단(38)에서 반향된(reflected back) 혼선이다. 제4 포트(48)에서 측정 가능한 파 성분은 원단(far end)(40)에서의 소위 “혼선(crosstalk)"("FEXT"(원단 혼선; Far End Crosstalk))인데, 즉 이는 와이어 16, 18을 가지는 제1 회선으로부터 와이어 20, 22를 가지는 제2 회선으로의, 제2 단(40)으로 전송된 혼선이다. 이 "FEXT"는 방지되어야 할 원치 않는 효과이다. 이에 따라 이 파 성분 ”FEXT"의 저감은 제2 단(40)에서의 전송 특성을 향상시킨다.
상대 유전율 εr(m,n)들의 차이가 FEXT의 관점에서 향상을 나타내는지 여부를 시험하기 위해, 이 FEXT가 본 발명에 따라 설계된 성형 쿼드 케이블에 대해 전술한 바와 같은 케이블 모델을 사용하여 산출되었다. 그 결과가 도 3에 도시되었다. 도 3에서, 50은 FEXT가 [dB]로 측정된 수직축을 나타낸다. 52는 제1 포트(42)(도 2)에서의 입력 신호의 주파수 f가 [MHz]로 측정된 수평축을 나타낸다.
제1 그래프(54)는 종래의 성형 쿼드 케이블에서 실제 측정된 주파수에 대한 FEXT의 곡선을 도시한다.
제2 그래프(56)는 종래의 성형 쿼드 케이블에서 k(1)　=　0인 케이블 모델로부터 산출된 주파수에 대한 FEXT의 곡선을 도시한다. 케이블 모델에 의한 연산에 있어서, 유전체(24, 26, 28, 30)들의 상대 유전율 εr(m,n)에 대해 다음 값들이 가정되었다:
εr(1,1)　=　2.235
εr(2,1)　=　2.240
εr(1,2)　=　2.235
εr(2,2)　=　2.240
유전체(24, 26, 28, 30)들의 상대 유전율 εr(m,n)에 있어서, 제조에서의 부정확성에 기인하는 분산(scattering)과 5/1000의 편차를 가지는 유전체들의 색상 표시(colouring)에 의한 영향들이 가정되었다. 제1 그래프(54)를 근사하게 추종하는 제2 그래프(56)의 곡선은 이 케이블 모델이 쓸 만하다는(serviceable) 것을 확인한다.
제3 그래프(58)는 k(1)　=　0.1인 케이블 모델로부터 산출한, 본 발명에 따른 성형 쿼드 케이블에서 주파수에 대한 FEXT의 곡선을 도시한다. 케이블 모델에 의한 연산에 있어서, 유전체(24, 26, 28, 30)들의 상대 유전율 εr(m,n)에 대해 다음 값들이 가정되었다:
εr(1,1)　=　2.235
εr(2,1)　=　2.240
εr(1,2)　=　2.135
εr(2,2)　=　2.140
제4 그래프(60)는 k(1)　=　0.3인 케이블 모델로부터 산출한, 본 발명에 따른 성형 쿼드 케이블에서 주파수에 대한 FEXT의 곡선을 도시한다. 케이블 모델에 의한 연산에 있어서, 유전체(24, 26, 28, 30)들의 상대 유전율 εr(m,n)에 대해 다음 값들이 가정되었다:
εr(1,1)　=　2.235
εr(2,1)　=　2.240
εr(1,2)　=　1.935
εr(2,2)　=　1.940
제5 그래프(62)는 k(1)　=　0.5인 케이블 모델로부터 산출한, 본 발명에 따른 성형 쿼드 케이블에서 주파수에 대한 FEXT의 곡선을 도시한다. 케이블 모델에 의한 연산에 있어서, 유전체(24, 26, 28, 30)들의 상대 유전율 εr(m,n)에 대해 다음 값들이 가정되었다:
εr(1,1)　=　2.235
εr(2,1)　=　2.240
εr(1,2)　=　1.735
εr(2,2)　=　1.740
제6 그래프(64)는 k(1)　=　0.7인 케이블 모델로부터 산출한, 본 발명에 따른 성형 쿼드 케이블에서 주파수에 대한 FEXT의 곡선을 도시한다. 케이블 모델에 의한 연산에 있어서, 유전체(24, 26, 28, 30)들의 상대 유전율 εr(m,n)에 대해 다음 값들이 가정되었다:
εr(1,1)　=　2.235
εr(2,1)　=　2.240
εr(1,2)　=　1.535
εr(2,2)　=　1.540
제7 그래프(66)는 k(1)　=　0.9인 케이블 모델로부터 산출한, 본 발명에 따른 성형 쿼드 케이블에서 주파수에 대한 FEXT의 곡선을 도시한다. 케이블 모델에 의한 연산에 있어서, 유전체(24, 26, 28, 30)들의 상대 유전율 εr(m,n)에 대해 다음 값들이 가정되었다:
εr(1,1)　=　2.235
εr(2,1)　=　2.240
εr(1,2)　=　1.335
εr(2,2)　=　1.340
두 회선들 간에 달라지는 상대 유전율 εr(m,n)에 대한 공칭 값(nominal value)이 클수록, 다른 회선에서의 혼선(FEXT)이 작아진다. 이에 따라 케이블(10)의 전송 특성은 유전체(24, 26, 28, 30)들의 상대 유전율 εr(m,n)의 차이 k(s)를 통해, 각 개별적인 도선 쌍(16, 18 및 20, 22)에 추가적인 차폐 케이싱을 요구하지 않고도 놀랄 만큼 향상된다.
도 4는 본 발명에 따른 케이블(10)의 제2 바람직한 실시예를 도시하는데, 동일한 기능을 하는 부품들은 도 1과 동일한 도면부호로 식별되고 그 설명에 대해서도 도 1에 관련된 기재가 참조된다. 도 4에서, 유전체(24, 26, 28, 30)들의 다른 해칭 또는 빗금들(hatchings or fillings)은 상대 유전율 εr(m,n)의 다른 값들을 나타낸다. 이와 같이, 유전체(24, 26, 28, 30)들이 기본적으로 같은 값의 상대 유전율 εr(m,n)로 구성된 것을 볼 수 있지만; 유전체 24 및 26은 각각 다른 상대 유전율 εr을 가지는 두 재질의 두 부분으로 구성된다. 유전체 28 및 30과 동일한 상대 유전율 εr을 가지는 제1 재질은 와이어 16, 18들을 둘러싸지만; 다른 값의 상대 유전율 εr을 가지는 제2 재질이 와이어 16, 18과 제1 재질 사이에 반경 방향에 추가적으로 배치되어, 유전체 24, 26은 실질적으로(effectively) 유전체 28 및 30과 다른 값의 상대 유전율 εr을 가지게 된다. 제1 및 제2 유전 재질들은 서로에 대해, 그리고 와이어 16, 18에 대해 동심으로(concentrically) 배치된다.
도 5는 본 발명에 따른 케이블(10)의 제3 바람직한 실시예를 도시하는데, 여기서 동일한 기능을 하는 부품들은 도 1 및 도 4와 동일한 참조번호로 식별되었으므로, 그 설명에 대해서는 도 1 및 도 4에 관련된 전술한 기재가 참조된다. 도 5에서, 다른 해칭 또는 빗금은 상대 유전율 εr의 다른 값들을 보인다. 도 5에는 외부 케이싱이 표현되지 않았다. 이 실시예에서, 와이어(16, 18, 20, 22)들은 동일한 유전체들로 둘러싸여 그 상대 유전율 εr들이 거의 동일하다. 그러나 추가적으로, 회선(16/24, 18/26, 20/28 및 22/30)들과 차폐 케이싱(14) 간의 각 공간은, 각각 유전체(24, 26, 28, 30)들과 다르고 또한 서로 다른 상대 유전율(εr) 값들을 가지는 추가적인 제1 유전체(72)와 추가적인 제2 유전체(74)로 채워진다. 이러한 방법으로, 와이어 16, 18을 가지는 회선의 상대 유전율 εr(m,n)의 실제 값(effective value)들이 와이어 20, 22를 가지는 회선의 상대 유전율 εr(m,n) 값들과 달라진다. 제1 및 제2 유전체(72, 74)의 충전은 단면에서 보아 인접한 회선(16/24, 18/26, 20/28 및 22/30)들에 의해 포물선 형태로 구획되는 영역을 충전한다. 이러한 방법으로 추가적 유전체(72, 74)들이 정확히 큰(increased) 전계 회선 밀도(field line density)를 가지는 영역에 위치하므로 큰 효과를 가진다.
도 6은 본 발명에 따른 케이블(10)의 제4 바람직한 실시예를 도시하는데, 여기서 동일한 기능을 하는 부품들은 도 1, 4 및 5와 동일한 참조번호로 식별되었으므로, 그 설명에 대해서는 도 1, 4 및 5에 관련된 전술한 기재가 참조된다. 도 6에서, 다른 해칭 또는 빗금은 상대 유전율 εr의 다른 값들을 보인다. 도 6에는 외부 케이싱이 표현되지 않았다. 이 실시예에서, 와이어(16, 18, 20, 22)들은 동일한 유전체들로 둘러싸여 그 상대 유전율 εr들이 거의 동일하다. 추가적인 유전체(72, 74)들이 차폐 케이싱(14)의 내면(inner side) 상에 배치되는데, 이들은 각각 와이어(16, 18, 20, 22)들의 유전체(24, 26, 28, 30)들과 차폐 케이싱(14) 사이에 위치한다. 이러한 방법으로, 와이어 16, 18을 가지는 회선의 상대 유전율 εr(m,n)의 실제 값들이 와이어 20, 22를 가지는 회선의 상대 유전율 εr(m,n) 값들과 달라진다.
도 7은 본 발명에 따른 케이블(10)의 제5 바람직한 실시예를 도시하는데, 여기서 동일한 기능을 하는 부품들은 도 1, 4, 5 및 6과 동일한 참조번호로 식별되었으므로, 그 설명에 대해서는 도 1, 4, 5 및 6에 관련된 전술한 기재가 참조된다. 도 7에서, 다른 해칭 또는 빗금은 상대 유전율 εr의 다른 값들을 보인다. 도 7에는 외부 케이싱이 표현되지 않았다. 이 실시예에서, 와이어(16, 18, 20, 22)들은 동일한 유전체들로 둘러싸여 그 상대 유전율 εr들이 거의 동일하다. 추가적인 유전체(72, 74)들이 차폐 케이싱(14)의 내면 상에 배치되는데, 이들은 각각 와이어(16, 18, 20, 22)들의 유전체(24, 26, 28, 30)들과 차폐 케이싱(14) 사이에 위치한다. 도 6에 도시된 제4 실시예들에 대조적으로, 추가적 유전체(72, 74)들에는 다른 유전체(70)가 함께 층들로 적층되어 있다(built up in layers). 이러한 방법으로, 와이어 16, 18을 가지는 회선의 상대 유전율 εr(m,n)의 실제 값들이 와이어 20, 22를 가지는 회선의 상대 유전율 εr(m,n) 값들과 달라진다.
도 8은 본 발명에 따른 케이블(10)의 제6 바람직한 실시예를 도시하는데, 여기서 동일한 기능을 하는 부품들은 도 1, 4, 5, 6 및 7과 동일한 참조번호로 식별되었으므로, 그 설명에 대해서는 도 1, 4, 5, 6 및 7에 관련된 전술한 기재가 참조된다. 도 8에서, 다른 해칭 또는 빗금은 상대 유전율 εr의 다른 값들을 보인다. 도 7에는 외부 케이싱이 표현되지 않았다. 이 실시예에서, 와이어(16, 18, 20, 22)들은 전적으로 추가적 유전체(72, 74)만으로 둘러싸이는데, 유전체(72, 74)는 도 4의 제2 실시예와 유사하게 와이어(16, 18, 20, 22)로부터 차폐 케이싱(14)까지 연장되어, 단면에서 보아 포물선형으로 구획되는 공간을 충전한다. 이러한 방법으로, 와이어 16, 18을 가지는 회선의 상대 유전율 εr(m,n)의 실제 값들이 와이어 20, 22를 가지는 회선의 상대 유전율 εr(m,n) 값들과 달라지며, 유전체(72, 74)들이 최대 전계 회선 밀도가 발생되는 차폐 케이싱(14) 내의 공간을 정확히 충전한다.
본 발명은 이들이 기술적으로 유용한 한, 상세한 설명에 개시된 각 특징들과, 청구항들에 청구된 각 특징들, 그리고 도면의 그림에 도시된 각 특징들의 모든 조합들을 포괄한다.

Claims (13)

  1. 전기 절연 재질로 구성된 외부 케이싱(12)과, 외부 케이싱(12) 내에 배치된 N ≥ 2 및 N ∈ |N인 적어도 N 개의 회선(n)들을 구비하는 전기 신호를 전송하는 케이블(10)로, 여기서 각 회선(n)은 도전성 재질로 구성된 M ≥ 1 및 M ∈ |N인 전체 M 개의 와이어(16, 18, 20, 22)들을 가지며, 여기서 n ∈ [1,N], n ∈ |N인 회선(n)의 m ∈ [1,M], m ∈ |N인 와이어(m)((16, 18, 20, 22))들이 소정 값의 상대 유전율 εr(m,n)　>　1을 가지는 유전체(24, 26, 28, 30)로 둘러싸이는 케이블에서,
    적어도 두 다른 회선 n = j 및 n = (j+s)들에 다음: m ∈ [1, M], m ∈ |N, j ∈ [1, N-1], j ∈ |N, s ∈ [1, N-j], s ∈ |N일 때 εr(m,j)　=　εr(m,j+s)　-　k(s)이고, 여기서 k(s) ∈ |R 및 k(s) ∈ [-2.0,-0.01] 및 k(s) ∈ [0.01,2.0]이 적용되는 것을
    특징으로 하는 전기 신호 전송 케이블(10).
  2. 청구항 1에서,
    각 회선(n)에서, 이 회선(n)의 와이어(16,　18,　20,　22)들의 유전체(24,　26,　28,　30)들의 상대 유전율 값이 제조 공정에 의한 편차를 제외하고는 동일하여 εr(p,n)　=　εr(p+q,n), 여기서 q ∈ [1,M - p], q ∈ |N, p ∈ [1,M - 1], p ∈ |N인 것을
    특징으로 하는 전기 신호 전송 케이블(10).
  3. 청구항 1 또는 2에서,
    케이블(10)이 M = 2 및 N =2인 성형 쿼드 케이블이고, 여기서 두 회선들의 네 와이어(16,　18,　20,　22)들이 서로 십자형으로 연선되는 것을
    특징으로 하는 전기 신호 전송 케이블(10).
  4. 선행하는 청구항들 중의 적어도 한 항에서,
    적어도 하나의 회선의 와이어(16,　18,　20,　22)들의 유전체(24,　26,　28,　30)들이 폴리프로필렌(PP) 재질로 구성되고 적어도 하나의 다른 회선의 와이어(16,　18,　20,　22)들의 유전체(24,　26,　28,　30)들이 폴리에틸렌(PE) 재질로 구성되는 것을
    특징으로 하는 전기 신호 전송 케이블(10).
  5. 선행하는 청구항들 중의 적어도 한 항에서,
    적어도 하나의 회선의 와이어(16,　18,　20,　22)들의 유전체(24,　26,　28,　30)들이 다른 상대 유전율(εr) 값을 가지는 둘 이상의 유전 재질(70)들의 동심 적층 구조로 구성되는 것을
    특징으로 하는 전기 신호 전송 케이블(10).
  6. 선행하는 청구항들 중의 적어도 한 항에서,
    적어도 하나의 회선의 와이어(16,　18,　20,　22)들에 대해 이 회선의 와이어(16,　18,　20,　22)들과 이 회선의 와이어(16,　18,　20,　22)들에 대향하는 외부 케이싱(12) 사이의 공간이 이 회선의 와이어(16,　18,　20,　22)들을 둘러싸는 유전체(24,　26,　28,　30)들과 다른 값의 상대 유전율(εr)을 가지는 유전 재질(72, 74)로 충전되는 것을
    특징으로 하는 전기 신호 전송 케이블(10).
  7. 선행하는 청구항들 중의 적어도 한 항에서,
    한 회선의 와이어(16,　18,　20,　22)들에 대향하는 외부 케이싱(12)의 내면에, 이 회선의 와이어(16,　18,　20,　22)들을 둘러싸는 유전체(24,　26,　28,　30)들과 다른 값의 상대 유전율(εr)을 가지는 추가적인 유전체(70, 72, 74)의 피복이 구비되는 것을
    특징으로 하는 전기 신호 전송 케이블(10).
  8. 청구항 7에서,
    추가적 유전체가 각각 상대 유전율(εr)의 다른 값을 가지는 유전 재질(70, 72, 74)들의 일련의 층들의 구조를 가지는 것을
    특징으로 하는 전기 신호 전송 케이블(10).
  9. 선행하는 청구항들 중의 적어도 한 항에서,
    적어도 하나의 회선의 와이어(16,　18,　20,　22)들의 유전체(24,　26,　28,　30)들이 와이어(16,　18,　20,　22)들과 외부 케이싱(12) 사이의 공간에 배치되어, 단면에서 보아 이 공간이 인접 와이어(16,　18,　20,　22)들과 포물선 형태로 구획되는 것을
    특징으로 하는 전기 신호 전송 케이블(10).
  10. 선행하는 청구항들 중의 적어도 한 항에서,
    k(s) ∈ [-u, -w] 및 k(s) ∈ [w, u], 여기서 w　=　0.01, 0.03, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.2, 1.4 또는 1.6이고 u　=　0.03, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6 또는 1.8이며 |w| < |u|인 것을
    특징으로 하는 전기 신호 전송 케이블(10).
  11. 선행하는 청구항들 중의 적어도 한 항에서,
    추가적으로, 도전성 재질로 구성된 차폐 케이싱(14)이 그 내부에 도선들이 배치되도록 더 구비되는 것을
    특징으로 하는 전기 신호 전송 케이블(10).
  12. 청구항 11에서,
    차폐 케이싱(14)이 외부 케이싱(12)의 반경 방향 외측 또는 내측에 배치되는 것을
    특징으로 하는 전기 신호 전송 케이블(10).
  13. 청구항 11에서,
    차폐 케이싱(14)이 외부 케이싱(12) 내에 통합되는 것을
    특징으로 하는 전기 신호 전송 케이블(10).
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