TWI636465B - 用於高速數據傳輸的數據電纜 - Google Patents

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Abstract

一種用於高速數據傳輸的數據電纜具有由一導線對屏蔽包圍著的導線對(pair)，其中在導線對和該導線對屏蔽之間配置絕緣的中間套殼。

Description

用於高速數據傳輸的數據電纜
本發明涉及一種用於高速數據傳輸的數據電纜，其具有至少一由二條在縱向中延伸的導線構成的導線對(pair)，所述二條導線由一對導線對屏蔽包圍著。
此種數據電纜在申請人的申請時間點上係以市場名稱“ParaLink 23”而受人喜愛。此種數據電纜特別是在電腦之間用於信號的高速傳輸，例如，在數據中心中。
在數據傳輸的領域中，例如，電腦網路中，使用數據電纜，其中典型上是將多條數據線組合在一共同的電纜外罩中。在各種高速數據傳輸時，分別使用受屏蔽的導線對作為數據線，其中二條導線特別是互相平行而延伸著或交替地互相扭絞。各別的導線於此係由特定的導體構成，例如，由堅固的導體線或亦可由絞合線構成，其分別由絕緣物包圍著。各別的數據線之導線對是由(導線對)屏蔽包圍著。數據電纜典型上具有多個此種受屏蔽的導線對，其形成纜心且由一共同的外部屏蔽以及一共同的電纜外罩包圍著。此種數據電纜用於高速數據連結且形成為在傳輸頻率大於25GHz時用於數據速率大於25Gbit/s的數據傳輸。該外部屏蔽因此對電磁 相容性(EMV)以及對環境的電磁干擾(EMI)而言是重要的。信號未經由該外部屏蔽傳送。與此相對，各別的一導線對屏蔽決定了各別的導線對之對稱性及信號特性。於此，對未受干擾的數據傳輸而言該導線對屏蔽之高的對稱性是重要的。
上述數據電纜典型上是所謂對稱的數據線，其中經由一導線而傳輸信號，並經由另一導線而傳輸反向的信號。利用上述二種信號之間的微差信號成份，使作用在此二種信號上的外部效應消除。
上述數據電纜通常都預先整批地連接至插頭。在應用於高速傳輸時，插頭於此通常形成為所謂的小形式可插接的插頭，簡稱SFP-插頭。此處，存在不同的實施形式，例如，所謂的SFP+,CXP-或QSFP-插頭，其在設計用於25Gbit/s之數據電纜時亦稱為SFP28或QSFP28。此種插頭具有特殊的插頭殼體，就像其例如由WO 2011 072 869 A1或WO 2011 089 003 A1中可得知者那樣。或是，一種所謂無插頭式直接之背面-連接件亦是可行的。
於此，例如就像由EP 2 112 669 A2中可得知者那樣，各別的導線對之一導線對屏蔽通常形成為縱向折疊的屏蔽箔片。此屏蔽箔片因此在導線的縱向中圍繞導線對延伸而折疊著，其中此屏蔽箔片之相面對的外部側面區在一於縱向中延伸的重疊區中重疊著。為了確保縱向折疊的此屏蔽箔片有一確定的位置且防止其折彎至二條導線之間的楔形區中，須在此屏蔽箔片和導線對之 間編造一種由塑料，特別是聚酯箔片，構成的介電質中間箔片。
用於一導線對屏蔽的該屏蔽箔片是一種由至少一可導電的(金屬)層和一絕緣的載體層構成的多層之一導線對屏蔽。通常方式是使用鋁層作為可導電的層且使用PET-箔作為絕緣的載體層。PET-箔形成為載體，其上施加金屬塗層以形成可導電的層。
在平行延伸的各對(pair)中除了縱向折疊的屏蔽以外，原則上亦可能以螺旋形式圍繞著導線對來捲繞或編造此種形式的屏蔽箔片。當然，在由大約15GHz開始的較高的信號頻率時，此種以屏蔽箔片來圍繞導線對(pair)而進行的編造由於共振效應因此在與構造形式相關下不是輕易可行的。就所述高頻率而言，該屏蔽箔片因此通常優先安裝成縱向折疊之屏蔽箔片。
由DE 10 2012 204 554 A1中可得知一種用於高頻信號傳輸之信號電纜，其中信號導體形成為具有可變的絞距長度之絞合線導體。額外地，信號電纜另外具有一種屏蔽編織物，該屏蔽編織物之各別的編織物束帶此處亦以可變的絞距長度捲繞而成。藉由此種措施，使傳輸品質改善。
由DE 103 15 609 A1中可得知一種用於高頻數據傳輸用的數據電纜，其中導線對由形成為屏蔽箔片的一導線對屏蔽包圍著。額外地，圍繞著該導線對仍編造一中間箔片。
由此處開始，本發明的目的是提供一種高速數據電纜，其在高的傳輸速率和高的傳輸頻率時亦具有良好的傳輸特性。
依據本發明，上述目的藉由具有請求項1之特徵的數據電纜以及具有請求項16之特徵的此種數據電纜的製造方法來達成。
數據電纜設計成用於高速數據傳輸且具有至少一由二條在縱向中延伸的導線構成的導線對。各別的導線於此係由信號導體和包圍此信號導體的導線絕緣物形成。此外，該導線對由特別是由屏蔽箔片形成的一導線對屏蔽包圍著，其中在該導線對和該導線對屏蔽之間配置一絕緣的中間套殼。
傳統的具有一導線對屏蔽的導線對就像例如以商業名稱ParaLink 23為人所知那樣，與此不同，在上述構成中在該導線對和該導線對屏蔽之間未配置其它一般的中間箔片。反之，中間箔片是由中間套殼來取代。所謂中間套殼此處通常是指一完全包圍著該導線對的元件，其並未形成一種捲繞的或折疊的箔片。
上述之構成一方面是與下述考慮有關：此種在該導線對和該導線對屏蔽之間的中介位置特別是在高速數據傳輸時，例如在頻率範圍大於10GHz時，特別有利。即，在此種高速數據傳輸時，以屏蔽箔片來圍繞導線對(pair)而進行的編造不再是輕易可行的，此乃因此種編造在與構造相關下會造成串聯共振，其依據尺寸會使 數據傳輸用的頻率範圍受限。為了避開此共振頻率且因此使頻率範圍擴大至例如大於20GHz，則通常安裝一種縱向折疊之屏蔽箔片，特別是AL-PET箔片。此種箔片折疊當然具有缺點：由於共模(common mode)信號之只是微小的損耗，則最小的不對稱性就會大大地提高所謂的模式轉換(mode conversion)且因此在插入損耗(insertion loss)中會產生侵入現象。為了防止此現象，目前已知的數據線中須在導線對和縱向折疊的(亦稱為縱向運行的)屏蔽箔片之間編織一種由聚酯構成的中間箔片。藉此防止：縱向折疊的箔片之一側到達導線之楔形區中。
本發明的構成另外與下述考慮有關：此種具有編造的聚酯-中間箔片之構造具有缺點「高頻應用所需的聚酯不是第一選擇」。另一缺點在於「與導線壁厚度成比例的箔片是很薄的」，這樣會使信號導體(通常是堅固的實心線)強烈地耦合至屏蔽(一導線對屏蔽)。在此種構成中，對頻率通道的負作用亦造成下述事實：干擾性的共模信號在與推挽式(push-pull)信號(有用信號)比較下具有較高的傳播速度[即，VScc21>VSdd21]。
依據本發明以內部外罩來替換薄的聚酯箔片，則可避開上述問題。利用此種措施，則特別是可達成以下優點：
- 插入損耗-情況獲得改善。
- 模式轉換較小。
- 共模信號之傳播速度與有用信號成比例而變小。
- 藉由與薄的聚酯箔片比較下機械上較穩定的外罩，整 個受屏蔽的導線對在機械上係較穩定的，這特別是在具有多個此種受屏蔽的導線對的整批電纜中是有利的。該些導線對通常互相絞合(stranded)。在稍後亦對電纜作佈置和操控時，數據電纜的特徵是較高的穩定性。
在優先的構成中，中間套殼形成為擠製的(extruded)中間套殼。因此，在製造時，導線對的二條導線共同供應至一擠製機且該中間套殼在該導線對上擠製。
優先方式是，中間套殼於此係依據管狀形式的形體而在該導線對上擠製。該二條導線之間的中間套殼因此-類似於傳統使用的中間箔片那樣-未具備材料。
該中間套殼於此係由一適用於高頻應用的材料構成且特別是由塑膠實心材料構成。所謂實心材料於此是指：該外罩實心地由該材料構成且例如不是形成為起泡的塑膠或不是夾帶有空氣的塑膠。此種起泡的或夾帶有空氣的塑膠，特別是所謂的氣泡塑膠，優先用於各別導線的各別之導線絕緣。
於此，可選擇地使用PE、PP、FEP、PTFE或PFA作為中間套殼用的材料。優先使用PE。
另外，該中間套殼較佳地具有一種在0.1毫米至0.35毫米範圍的壁厚度，且特別是大約0.2毫米。
在與傳統的薄聚酯箔片比較下，此種厚的壁厚度(目前使用的箔片之一般厚度例如只有10微米至15微米)之特殊優點特別是較佳的機械穩定性。同時，藉由 此種措施，可使導線絕緣物的壁厚度下降，這樣就可使各別的信號導體互相靠近地移動。此外，信號導線至屏蔽的距離變大。整體而言，信號導體因此強烈地互相耦合，此乃因在與各信號導體相互間的距離比較下該導線對屏蔽已位於距該些信號導體更遠處。不對稱性因此只有微小的作用，這樣可使模式轉換性能(performance)獲得改善。模擬(simulation)亦已顯示：以此種幾何形式(各信號導體靠近地集中在該導線對屏蔽下)可使插入損耗大大地改善。
於此，壁厚度較佳方式是與各別的信號導體之直徑有關。明確而言，該中間套殼之壁厚度隨著信號導體之逐漸增大的直徑而增大。信號導體的直徑通常較佳是在0.2毫米至0.6毫米的範圍中。
通常，壁厚度相對於信號導體之直徑之比大約是在0.4至0.6之範圍中。
合乎目的之方式是，各別的導線之導線直徑亦對應地改變，導線直徑於此係在0.5毫米至1.2毫米的範圍中。此處，導線直徑亦可隨著信號導體之逐漸增大的直徑而增大。導線直徑於此特別是在信號導體之直徑的2至2.5倍的範圍中。因此，就直徑在0.2毫米範圍中之小的信號導體而言，一方面是導線直徑亦在例如0.5毫米之下方範圍中且該中間套殼之壁厚度是在大約0.1毫米範圍中。對此，就信號導體之直徑在例如0.6毫米之上方範圍而言，導線直徑較佳是同樣在大約1.2毫米之上方範圍中且該中間套殼之壁厚度是大約0.35毫米。
此外，導線絕緣物合乎目的之方式是由氣泡塑膠構成，其中該氣泡塑膠於此較佳是具有20Vol%至50Vol%或至60Vol%範圍之氣體成份。於此，特別使用PE,PP,FEP或ePTFE作為該氣泡塑膠用的材料。在此種具有由氣泡塑膠構成的導線絕緣物且同時具有實心的中間套殼之構造中，可達成特殊的優點：微差的有用信號之電場主要是在導體之間的高單元化的材料中傳播。反之，共模信號的電場須經由具有實心材料的內部外罩而傳播。於是，共模信號之傳播速度以特別有利的方式下降，使VScc21<VSdd21，即，不期望的共模信號之傳播速度小於有用信號者。
受屏蔽的導線對特別是涉及互相平行延伸的導線，其因此未互相絞合。此外，該導線對屏蔽較佳方式是涉及縱向折疊的屏蔽箔片，特別是金屬被覆的塑膠箔片(AL-PET)。該導線對屏蔽特別是由金屬被覆的塑膠箔片形成。
為了形成數據電纜，則一個且較佳是多個受屏蔽的導線對須互相連接成一共同的電纜核心。此電纜核心因此由一共同的電纜外罩包圍著。合乎目的之方式是，此電纜核心首先仍由整個屏蔽包圍著，該整個屏蔽則由電纜外罩包圍著。特別是，此處多個受屏蔽的導線對互相絞合，使電纜核心由多個受屏蔽的導線對之絞合複合物形成。
本發明之實施例以下將依據圖式來詳述。
2‧‧‧導線對
4‧‧‧導線
6‧‧‧信號導體
8‧‧‧導線絕緣物
10‧‧‧中間套殼
12‧‧‧屏蔽箔片
14‧‧‧數據電纜
16‧‧‧整個屏蔽
18‧‧‧中間箔片
20‧‧‧屏蔽箔片
22‧‧‧屏蔽編織物
24‧‧‧電纜外罩
w‧‧‧壁厚度
d1‧‧‧直徑
d2‧‧‧導線直徑
a‧‧‧距離
第1圖係受屏蔽的導線對之橫剖面圖。
第2圖係具有多個此種形式之導線對的數據電纜之橫剖面圖。
各圖中作用相同的零件分別以相同的參考符號來圖示。
第1圖所示的受屏蔽的導線對2具有二條導線4，其分別由中央的信號導體6和包圍該信號導體6的導線絕緣物8形成。信號導體6較佳是由實心線形成，特別是由鍍銀的銅線形成，其具有直徑d1，目前例如是0.4毫米。導線4具有導線直徑d2，其在本實施例中大約是1.0毫米，即，大約是信號導體6之直徑d1的2.5倍。
導線絕緣物於此係由所謂的氣泡塑膠構成，其因此與堅固的實心材料不同而具有20Vol%範圍之較高的氣體成份。二條導線4直接相鄰且相接觸。二條導線之間的距離a因此等於導線絕緣物8之厚度的二倍值且目前因此是0.6毫米。
二條導線4特別是直接由中間套殼10包圍著。中間套殼10較佳是由塑膠實心材料構成，即，不是由氣泡塑膠或其它起泡的或膨脹的塑膠構成，這與導線絕緣物不同。中間套殼10形成為擠製的外罩，即，藉由 在二條導線4上進行的擠製過程施加而成。中間套殼10於此涉及一種管狀形式的形體，其因此環形地且圍繞著二條導線4而具有一固定的壁厚度w。因此，在中間套殼10內部中在二條導線4之間形成空著的楔形區，其中不存在塑膠材料。
中間套殼之壁厚度w在所選取的實施例中大約是0.2毫米。
中間套殼10亦由屏蔽箔片12包圍著，屏蔽箔片12直接緊靠在中間套殼10上且形成一導線對屏蔽。屏蔽箔片12優先形成為縱向折疊的屏蔽箔片12且因此未捲繞著。屏蔽箔片12涉及一種傳統的屏蔽箔片，特別是一種鋁屏蔽的(塑膠)箔片，其典型上具有典型上為數個10微米至數個100微米的箔片厚度。屏蔽箔片12可以是單層的或亦可為雙層的屏蔽箔片(金屬塗層只有單側地或雙側地施加在載體箔片上)。第1圖所示的受屏蔽的導線對2以合乎目的之方式最終由第1圖所示的元件形成。另一方式是，可配置此種導線對2，其接觸屏蔽箔片12之可導電的位置。此種附帶的線例如可安裝在中間套殼10和屏蔽箔片12之間或亦可在外側上延伸地安裝在屏蔽箔片12上。此種附帶的線在插頭連接中用來與屏蔽箔片12作電性接觸。
特別是不需其它一般的中間箔片，其圍繞著二條導線4而捲繞著。一般的中間箔片由擠製的中間套殼10來取代，在與傳統之受屏蔽的導線對比較下中間套殼10具有較大的壁厚度w。於此，特別有利的是：信號 導體6至屏蔽箔片12的距離類似地(quasi)被擴大且因此使二個信號導體6-在相對觀看下-更狹窄地移近。在與傳統之受屏蔽的導線對2比較下，距離a縮小。因此，整體而言，長度與寬度之比亦縮小，使得整體上在與傳統之受屏蔽的導線對比較下受屏蔽的導線對2被圓形化。這對稍後的整批處理是有利的。
藉由較厚的中間套殼，則整體上在信號導體6和面罩泊片12之間的距離保持固定的情況下可使導線絕緣物8的厚度下降。整體而言，這樣會造成更薄的導線4且相對應地亦會使二個信號導體6之間的距離a變小。由於已變小的距離a，則整體上二條導線4更強烈地互相耦合，此乃因由屏蔽泊片12形成的一導線對屏蔽，在與信號導體6相互之間的距離a比較下，現在離各別的信號導體6更遠。在製造時不能完全避免的不期望之不對稱性因此在整體上只具有微小的作用。因此可大大地改善所謂模式轉換性能。此外，由於小的距離a，則在與傳統之受屏蔽的導線對(pair)比較下插入損耗獲得改善。研究結果已顯示改善15%。
最後，須強調：微差的有用信號之電場主要是存在於導線絕緣物8之(高單元件的)材料中，即，信號導體6之間，且在該材料中傳播。相對於此，不期望之共模信號之電場必須經由堅固的實心材料構成的中間套殼10而傳播。因此，整體而言，在與微差的有用信號比較下，不期望之共模信號的傳播速度已下降。該有用信號因此在傳輸路徑的末端不被共模信號疊加著或至少 不再強烈地疊加著，使微差的有用信號可有較佳的運用。
整體而言，經由導線對2可使微差的數據信號以例如大於25Gbit/秒的高之數據速率且以大於25GHz之傳輸頻率可靠地且安全地傳輸。
第2圖亦顯示數據電纜14之可能的構造，其中多個此種形式之受屏蔽的導線對2互相組合。原則上數據電纜14亦可只具有1對受屏蔽的導線對2。優先方式是，數據電纜14具有二對、四對、十六對或如第2圖所示八對受屏蔽的導線對2。各別的導線對2於此通常互相絞合且形成傳輸核心。本實施例中，二對位於內部的導線對2互相絞合且形成內部的傳輸核心。圍繞此傳輸核心特別是以絞合方式在周圍配置著另外六對受屏蔽的導線對2，其因此類似地形成一種外部(繩索-)狀態。由受屏蔽的導線對2形成的傳輸核心係由整個屏蔽16包圍著。本實施例中，在傳輸核心和整個屏蔽16之間亦配置一由塑膠構成的中間箔片18。整個屏蔽16可具有一般的構造。整個屏蔽16目前是由內部之屏蔽箔片20和外部之屏蔽編織物22形成。由屏蔽箔片20與C,D-屏蔽形成的其它組合或多個屏蔽箔片等等原則上亦是可行的。最後，圍繞著整個屏蔽16安裝一外部的電纜外罩24以達成保護使不受環境影響。該電纜外罩24特別是亦可受到擠製。

Claims (18)

  1. 一種用於高速數據傳輸的數據電纜，具有至少一由二條導線構成的導線對，各導線係由信號導體和包圍該信號導體的導線絕緣物形成，該導線對係由一導線對屏蔽包圍著，其特徵為，在該導線對和該導線對屏蔽之間配置一絕緣的中間套殼。
  2. 如請求項1之數據電纜，其中該中間套殼以擠製而形成。
  3. 如請求項1之數據電纜，其中該中間套殼形成為管狀形式。
  4. 如請求項1之數據電纜，其中該中間套殼由適用於高頻應用的材料構成，且是由塑膠實心材料構成。
  5. 如請求項1之數據電纜，其中對該中間套殼選擇式地使用PE(聚乙烯)、PP(聚丙烯)、FEP(氟乙烯丙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)或PFA(全氟烷氧基烷，PerFluoroalkoxylalkane)。
  6. 如請求項1之數據電纜，其中該中間套殼具有在0.1毫米至0.35毫米範圍的壁厚度。
  7. 如請求項1之數據電纜，其中該中間套殼的壁厚度為0.2毫米。
  8. 如請求項1之數據電纜，其中該信號導體之直徑在0.2毫米至0.6毫米的範圍中。
  9. 如請求項6至8中任一項之數據電纜，其中該中間套殼之壁厚度隨著該信號導體的直徑增大而增大，且該壁厚度相對於該信號導體之直徑之比大約是在0.4至0.6之範圍中。
  10. 如請求項1之數據電纜，其中各別的導線具有導線直徑，其係在0.4毫米至1.3毫米之範圍中，其中該導線直徑隨著該信號導體的直徑增大而增大，且該信號導體之直徑是在0.2毫米至0.6毫米範圍中。
  11. 如請求項1之數據電纜，其中該導線絕緣物是由氣泡塑膠構成，於此，使用PE、PP、FEP或ePTFE(膨體聚四氟乙烯，expanded PolyTetraFluoroEthylene)作為塑膠材料，且該氣泡塑膠具有20Vol%至60Vol%之氣體成份。
  12. 如請求項1之數據電纜，其中該導線對並不是由絕緣箔片編造而成。
  13. 如請求項1之數據電纜，其中該導線對之導線互相平行而延伸。
  14. 如請求項1之數據電纜，其中該導線對屏蔽具有縱向折疊的屏蔽箔片，且該導線對屏蔽是由金屬被覆的塑膠箔片所形成的。
  15. 如請求項1之數據電纜，其中該數據電纜具有一對以上的導線對，且該等導線對設有一導線對屏蔽，該等導線對共同在整體屏蔽之中介下共同由一電纜外罩包圍著。
  16. 如請求項1之數據電纜，其中設有一導線對屏蔽的該等導線對係互相絞合著。
  17. 如請求項1之數據電纜，其用於以數據速率大於或等於25Gbit/s來進行高速數據傳輸，其中：多對設有一導線對屏蔽的導線對互相絞合著，該導線絕緣物是由氣泡塑膠構成且該氣泡塑膠具有20Vol%至60Vol%之氣體成份，該中間套殼直接以擠製且形成為管狀形式以及由實心材料構成且具有0.1毫米至0.35毫米範圍之壁厚度，以與該中間套殼直接相鄰的方式，將縱向折疊的屏蔽箔片安裝成一導線對屏蔽，互相絞合且設有該導線對屏蔽的導線對在整體屏蔽之中介下由電纜外罩包圍著。
  18. 一種如請求項1至17中任一項之數據電纜的製造方法，其特徵為：二條導線首先以絕緣之中間套殼包圍著，然後直接在該中間套殼上施加一導線對屏蔽。
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