TWM517896U - 具有絞織軸線對之電纜 - Google Patents

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TWM517896U
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Gunnar Armbrecht
Thomas Lodding
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Rosenberger Hochfrequenztech
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Description

具有絞織軸線對之電纜
本創作係關於一種具有絞織軸線對之電纜，具有至少兩組分別用於傳輸差分訊號軸線對之電纜，本創作特別是一種USB電纜，例如USB-3.0電纜或是USB-3.1電纜。
在許多應用技術中，傳輸USB訊號是必要的一環，例如，在一機動車輛後半部裝置有一USB插座，供USB端子插接之用，使得必須將USB電纜由車輛前半部通過整輛車到達後半部，而USB插座也可能必須安裝於各種位置，以供USB端子插接之用，為此還須將USB電纜加以延長。
傳統USB2介面(例如USB2.0介面)僅具有一訊號軸線對(D+與D-)，以及一供電軸線對(GND、VBUS)，訊號係以對稱方式經由訊號軸線對傳輸，其中數據訊號(訊號部)係經由訊號軸線對之一軸線，而相對應之返回數據訊號(對照部)則經由另一軸線來傳輸；為滿足訊號傳輸線對的要求，一用於傳輸USB2訊號之電纜具有兩條扭絞且受到屏蔽之軸線，以盡量避免傳輸干擾，訊號接收器發射出經由訊號軸線對傳輸之差分資料訊號之差分電壓，可消除以相同範圍作用於訊號軸線對兩條軸線上的干擾。
數年前USB3標準導入市場，USB3介面(例如USB3.0介面)具有除了上述之連接(D+、D-、GND、VBUS)外，尚具有至少兩組額外之訊號軸線對(SSTX+與SSTX-、SSRX與SSRX-)，一差分數據訊號可經由各別訊號軸線對傳輸，整體而言，藉此可達到比使用傳統USB2標準更高的數據速率。
一典型的USB-3.0電纜如第2圖所示，其中包含三條個別扭絞之軸線對(twisted pairs112、114、116)，分別可用於傳輸一差分數據訊號，緊鄰扭絞軸線對上分別具有一形式為屏蔽線115之接地導線，此外，還安裝有兩條(未扭絞)電源供應線122、124，個別軸線對係分別由一箔片屏蔽層所包覆，且所有軸線由一共同之屏蔽層130以及一保護層150所包覆；此外也可填入填充元件140，以保護電纜之截面為圓形。
經驗顯示，在此種典型結構中，可隨著走向以及電纜內軸線對間距離不同，而在個別軸線對間產生不同強度之串擾；除此之外，一典型之USB-3.0電纜相較之下較粗，使得組裝無法簡化且極占空間。
基於上述問題，本創作的目的在於揭露一種小巧之電纜，且同時可針對外界干擾以及經由相鄰軸線對所產生之干擾提供確實保護。
此一目的，可藉由本創作專利範圍第1項所述之電纜達成，本創作其他優先之構造則敘述於附屬項內，於本創作之電纜中，沿著電纜方向上，至少兩組之軸線對以螺旋狀繞著共同之絞織中心點延伸。
換句話說，軸線對之各別軸線並非分別相互扭絞，而是軸線對圍繞著一共同之絞織中心點相互捲繞，除此之外，利用本創作之絞織構造，各別軸線對之相對走向以及各別相鄰軸線對間的距離可分別預先設定，使得無人可預期到每單位電纜長度上一可預測且固定之串擾強度；此外，由於各別軸線對之走向係環繞著絞織中心點，該電纜與傳統電纜相較之下更細、更小巧、更節省空間，使得組裝耗費與運輸成本均可降低。
相對於具有類似內導線以及軸線截面之傳統電纜(例如USB-3.x電纜，如第2圖所示)，藉由本創作之軸線對構造，可降低電纜直徑約20%至40%，特別是約30%，如此，具有類似軸線截面之傳統USB-3電纜直徑介於7mm與8mm之間，而本創作之USB-3電纜直徑則介於5mm與6mm之間，特別是約5.5mm。
本創作電纜優先具有三組繞著共同絞織中心點盤繞之軸線對，當該電纜為一USB-3.x電纜時，此三組軸線對便形成導線對SSTX+與SSTX-、SSRX+與SSRX-、D+與D-，另外也可使用四組或更多組軸線對，其分別可用於傳輸一差分訊號。
就一小巧的電纜結構而言，優先者為：共同之絞織中心點為一優先於電纜中央延伸之軸線，特別是USB電纜中傳導電流之軸線(VBUS)，藉由將此種延伸於電纜中央之額外軸線作為絞織中心點，並由軸線對以螺旋狀盤繞包覆，可以簡便的方式確保電纜具有預期的圓形度，而不需使用到太多的填充元件。
此一額外的軸線優先為一具有比差分軸線對之導線更大截面積之導線，在此可簡化纏繞在該額外軸線上的製作程序，例如，該額外軸線之截面積越大，就可容納越多盤繞在其外之軸線對；此外，一具有大截面積之軸線也可傳輸較高強度電流或者是較高電功率，軸線對上各別軸線之導線直徑優先為小於該額外軸線之導線直徑的一半。
針對可能會有傳輸2安培高電流的需求，例如在行動裝置經由USB埠快速充電所需要的，該額外軸線之導線的截面積有必要大於0.5mm 2且小於1.5 mm 2，特別是約為0.75 mm 2；特別是當本創作之電纜使用在機動車輛上時，可無須鋪設USB電纜以外的額外電纜線，因為經由本創作之電纜已可傳輸高電流。
本創作該額外軸線之導線優先具有10條或更多條，特別是15條直徑分別為小於0.5mm之銅線，特別是小於0.25mm，該額外軸線之絕緣層可使用由高頻技術觀點較差的材料製成，也就是使用耗散因數或是阻尼較高之材料；例如可使用PVC絕緣層來製作該額外導線之絕緣層，藉此，可削弱電纜內部干擾的傳播，這些干擾的傳播可能會引起SSTX/SSRX軸線對間的相互耦合。
USB電纜通常具有一例如形式為一編織屏蔽的屏蔽層，本創作之電纜也在每組軸線對上優先包覆有此類屏蔽層，此一屏蔽層優先為接地屏蔽層，且特別優先構成該電纜之接地線(GND)，如此，無須如傳統USB電纜般額外安裝一接地線(如第2圖所示之編號124)；換句話說，現有的屏蔽層便可構成接地線，藉此可大幅提升電纜的小巧性，同時又可保持良好的屏蔽性，這此狀況下，絞織中心點可以構成單一軸線，也就是USB電纜之供電軸線，由於沒有其他干擾的軸線，此舉可簡化絞織電纜的生產。
考慮到有效抑制外來干擾，各別軸線對螺旋線狀走向的單扭長度優先為大於40mm且小於120mm，優先為大於60mm且小於100mm，特別是約為80mm，其中單扭長度是指，一軸線對捲繞360°在電纜軸向上所需之路徑長度。
同時，在貫穿整條電纜之所有截面上，一軸線對內軸線間之距離，優先小於兩相鄰軸線對間之距離；特別是，至少兩軸線對內之兩條軸線為緊貼在一起，而此兩軸線對與相鄰軸線對內之軸線間卻保有一距離，為了這個目的，可在各別軸線對間裝置隔離元件，其中隔離元件可與軸線對一起纏繞於絞織中心點周圍，藉此，各別軸線對可整齊延伸於電纜內，且可使電纜構造小巧。
在本創作的另一實施例中，至少兩組軸線對中的兩條軸線係相鄰在一起，另至少一第三組軸線對之兩條軸線則間隔一段距離；例如，第三組軸線對之兩條軸線係位於絞織中心點相對的兩側上，且/或分別與其他兩組軸線對有90°的錯位；優先者為，第三組軸線對係USB電纜之高速軸線對(D+與D-)，且其他兩組軸線對係USB電纜之超高速軸線對(SSTX+與SSTX-、SSRX+與SSRX-)，其中重要的是，至少一第三組軸線線對之軸線也是繞著共同之絞織中心點盤繞。
至少兩組軸線對優先具有自有的屏蔽層，該屏蔽層優先為包覆於軸線對外之箔片屏蔽層形式，其中有鑑於緊湊結構，該各別軸線對之箔片屏蔽層可分別於切線方向上貼於構成額外軸線之絞織中心點上。
在本創作一種可行的實施例中，電纜的所有軸線對(在USB-3電纜中為所有三組軸線對)均具有自有的屏蔽層，在本創作另一可行之實施例中，電纜的至少兩組軸線對(在USB-3電纜中為兩組超高速軸線對)具有各別自有的屏蔽層，但電纜上至少一第三軸線對(在USB-3電纜中為高速軸線對D+、D-)則無屏蔽層，在後者中優先者為：電纜中第三軸線對之軸線相互遠離，優先為位於絞織中心點相對的兩側上；在後者中特別優先者為：第三軸線對之兩軸線係緊貼於包覆所有軸線對之共同屏蔽層(整體屏蔽)上，如此，可確保該兩軸線與接地之整體屏蔽層間具有最密的接合，在第三軸線對與電纜中央傳輸電流之軸線良好隔離狀況下，可稱之為經由第三軸線對之「準單端傳輸」，由第三軸線對之軸線發出之電場係朝向相鄰之整體屏蔽層上，而非朝向傳輸電流軸線所在之電纜內部。
在本創作之一特別優先實施例中，環繞於軸線對外之屏蔽層(例如箔片屏蔽層)分別與上述之包覆所有電纜軸線對之整體屏蔽層有導電接觸，當整體屏蔽層接地時，各別軸線對之屏蔽層亦處於接地狀態，抑或是具有一共同之電位，其中，若箔片屏蔽層上具有由生產過程所產生沿半徑向外的間隙，且朝向整體屏蔽，此舉更為有利；此外在這種狀況下，可無需使用例如屏蔽線(Drain Wires)之接地線，在傳統電纜中通常在兩組導線對以外，會額外於箔片屏蔽層內安裝此種接地線。
除此之外，更有利者為：在貫穿電纜之所有截面上，軸線對之各別軸線分別與絞織中心點具有一相同距離；換句話說，軸線對中各別軸線之中心點分別以圓形環繞於絞織中心點外圍。
在貫穿電纜之所有截面上，將軸線對相對於絞織中心點以旋轉對稱方式排列，可提升電纜的小巧性，軸線對(抑或是軸線對上軸線之中心點)特別優先分別位於一等邊三角形或正方形之一邊上，該三角形或正方形係包圍住絞織中心點；在等邊三角形時，最多可安裝三組分別位於三角形三邊上之軸線對，而在正方形時，最多可安裝四組分別位於正方形四邊上之軸線對。
藉由繩索狀延伸於電纜長軸方向上之填充元件可確保各別軸線對間預設的間距，這些填充元件可與軸線對一起以螺旋狀環繞於絞織中心點外；另一種或是額外作法為：將填充元件於電纜內作排列，使得整體電纜截面主要為一圓形；另一種或是額外作法為：填充元件基本上與軸線對上軸線具有相同截面，使得不僅軸線對，連同填充元件對也會以螺旋線狀盤繞於絞織中心點周圍，並構成旋轉對稱排列，例如，在貫穿電纜的所有截面上，三組軸線對與一對填充元件分別位於一正方形的四邊上，同時圍繞著共同的絞織中心點捲繞。
於本創作一種優先實施例中，除軸線對與位於中央的額外軸線外，在電纜內設有另一條額外導線，該額外導線可視情況需要用來傳輸數據訊號、控制訊號、電流或是其他類似者，該額外導線並不一定要圍繞共同絞織中心點作螺旋線狀盤繞，而是視狀況需要也可作直線延伸；另一種或是額外作法為：可將該額外導線用來取代繩索狀填充元件，且位於電纜中填充元件原有的位置上。
在電纜中每個截面裡，每組軸線對上優先有一條通過絞織中心點且連接該軸線對兩軸線之直線，該直線不會與軸線對之軸線相切。
有關本創作為達上述之使用目的與功效，所採用之技術手段，茲舉出較佳可行之實施例，並配合圖式所示，詳述如下：
第1a圖左側所示係為本創作電纜第一實施例之斷面圖，而第1a圖右側所示則為本創作電纜第一實施例之縱向側視圖，其中包含部分切面；第1a圖所示者為一具有總共三組軸線對12、14、16之USB-3.x電纜10，其分別用於傳輸一差分數據訊號；每組軸線對具有兩條相貼且緊鄰延伸之軸線13，且被一單獨之屏蔽層所包覆(例如一箔片屏蔽層15)。
各別軸線13係由鍍錫銅線構成，其導線之直徑介於0.05與0.2mm 2之間，且具有一PP材質絕緣層。
軸線對係沿著電纜10之縱向L以螺旋狀環繞著共同之絞織中心點20 盤繞，其中該絞織中心點20係由具有大導線直徑X延伸於電纜中央的額外軸線22所構成，換句話說，各別軸線對內的軸線並非相互扭絞，而是軸線對相互扭絞以獲得一整體絞織線材，這使得電纜更加小巧且穩固；絞織構造的單扭長度約為80mm，並可隨著需求、軸線對數量、以及絞織中心點20的直徑而改變，電纜10之整體直徑約在5mm與6mm之間，類似的傳統USB電纜之直徑較本創作之直徑大約20%至40%。
額外軸線22內之導線24的截面積約為0.75mm 2，而軸線對12、14、16內之導線25的截面積則約為0.14mm 2，藉此可使得軸線對之導線25之直徑Y比額外軸線22之導線24的直徑X之一半還小，中央的額外軸線22係用於傳輸大於2A之電流，並構成USB電纜中供電之軸線。
此外，電纜10具有一包覆所有軸線外圍之整體屏蔽層30，其形式為一由銅導線所組成之編織物，並更成USB電纜之接地線，因此可無須於電纜內部加裝額外接地線，各別軸線對之箔片屏蔽層15與整體屏蔽層30間有導電接觸，此時，於箔片屏蔽層15內部並不一定需要額外的屏蔽線。
由第1a圖左側所示之斷面圖可明顯看出，三組軸線對12、14、16主要是以三倍數旋轉對稱環繞排列於額外軸線22之外圍， 換句話說，軸線對相對於絞織中心點20分別夾有120°角度，此種旋轉對稱構造分別存在於軸線對12、14、16之間，以便將填充元件41以相同型式繞捲於絞織中心點20周圍。
電纜10係由一例如PVC材質之保護層50所包覆。
第1b圖左側所示係為本創作電纜第二實施例之斷面圖，而第1b圖右側所示則為本創作電纜第二實施例之縱向側視圖，其中包含部分切面，電纜10’為USB電纜(USB-3.x電纜)，一樣總共具有分別用於傳輸差分數據訊號之三組軸線對12、14、16 ，其與第一實施例之電纜10之差異點敘述如下，其餘則可參照第一實施例。
三組軸線對12、14、16一樣以旋轉對稱方式螺旋盤繞於共同之絞織中心點20上，該絞織中心點20係由傳輸電流的額外軸線22所構成，與第一實施例不同的是，此處的旋轉對稱為四倍數，其中一對係為填充元件40位於第四組軸線對(未標示於圖中)的位置，換句話說，三組軸線對12、14、16以及填充元件40於每個截面上是分別位於一正方形之一邊上，此正方形係包圍住絞織中心點20，填充元件40之直徑與軸線對12、14、16之軸線13直徑相同。
軸線對相對於絞織中心點20分別夾有90°角度。
必要時，可使用額外的填充元件40、41，以確保軸線對12、14、16間的預設相對位置，以及/或是整體圓形電纜沒有凹痕或類似缺陷；亦可以導線在電纜內取代(非導電性)填充元件40、41，該導線可用於傳輸數據、訊號，另一種或額外作法為：也可使用非絞織，例如直線狀於電纜內延伸之額外導線。
第3圖所示為本創作USB-3.x電纜10”第三實施例的斷面圖，該電纜10”具有兩組軸線對112、114(USB電纜中之兩條超高速導線對)，其分別由自有的箔片屏蔽層15所包覆，且該箔片屏蔽層15與整體屏蔽層30有導電接觸，這兩組軸線對112、114係位於中央供電用之額外軸線22相對立之兩側上，且以螺旋狀盤繞於共同之絞織中心點20周圍，該絞織中心點20係由該額外軸線22所構成，第三組軸線對116之兩條軸線(高速線對D+, D-)係相隔安裝於該電纜10”內，且位於中央供電用之額外軸線22相對立之兩側，且與兩組軸線對112、114分別錯位90°，此一第三軸線116對之軸線一樣是繞著絞織中心點20捲繞，使得電纜在任意截面上均具有相同的軸線排列，第三軸線對116之兩軸線係直接貼於接地之整體屏蔽層30上，使得即使無朝向中央供電之額外軸線22之接合亦可達到準單端傳輸。
整體而言，軸線於絞織中心點20周圍構成一四倍數旋轉對排列，其中，兩軸線對112、114及第三軸線對116之兩條單一軸線係位於電纜10”內相對立之兩側。
其餘可參照前述本創作第一實施例與第二實施例之特徵，第三實施例也可具有這些特徵。
本創作並不僅限於上述之實施例，特別是，本創作電纜並不一定是USB電纜，本創作電纜可只具有兩組軸線對，或是大於三組軸線對，為了確保旋轉對稱構造，可以一對填充元件來取代多於一組的軸線對，本創作中特別重要的是軸線對於共同之絞織中心點周圍的盤繞，而該絞織中心點優先位於中央，且由USB電纜之供電軸線所構成。
綜上所述，本創作確實已達到所預期之使用目的與功效，且更較習知者為之理想、實用，惟，上述實施例僅係針對本創作之較佳實施例進行具體說明而已，該實施例並非用以限定本創作之申請專利範圍，舉凡其它未脫離本創作所揭示之技術手段下所完成之均等變化與修飾，均應包含於本創作所涵蓋之申請專利範圍中。
10‧‧‧電纜
10’‧‧‧電纜
10”‧‧‧電纜
12‧‧‧軸線對
13‧‧‧軸線
14‧‧‧軸線對
15‧‧‧箔片屏蔽層
16‧‧‧軸線對
112‧‧‧軸線對
114‧‧‧軸線對
115‧‧‧屏蔽線
116‧‧‧軸線對
122‧‧‧電源供應線
124‧‧‧電源供應線
130‧‧‧屏蔽層
140‧‧‧填充元件
150‧‧‧保護層
20‧‧‧絞織中心點
22‧‧‧額外軸線
24‧‧‧導線
25‧‧‧導線
30‧‧‧整體屏蔽層
40‧‧‧填充元件
41‧‧‧填充元件
50‧‧‧保護層
L‧‧‧縱向
X‧‧‧直徑
Y‧‧‧直徑
第1a圖所示係為本創作第一實施例之斷面圖(左)與側視圖(右)。 第1b圖所示係為本創作第二實施例之斷面圖(左)與側視圖(右)。 第2圖所示係為傳統USB-3.0電纜之斷面圖。 第3圖所示係為本創作第三實施例之斷面圖。
10‧‧‧電纜
12‧‧‧軸線對
13‧‧‧軸線
14‧‧‧軸線對
15‧‧‧箔片屏蔽層
16‧‧‧軸線對
20‧‧‧絞織中心點
22‧‧‧額外軸線
24‧‧‧導線
25‧‧‧導線
30‧‧‧屏蔽層
41‧‧‧填充元件
50‧‧‧保護層
L‧‧‧縱向
X‧‧‧直徑
Y‧‧‧直徑

Claims (15)

  1. 一種具有絞織軸線對之電纜，具有至少兩組傳輸差分訊號軸線對(12、14、16)之電纜(10)，特別是USB電纜； 其特徵在於：至少兩組軸線對(12、14、16)於該電纜(10)之縱向(L)係以螺旋狀繞著共同之絞織中心點(20) 盤繞。
  2. 如申請專利範圍第1項所述具有絞織軸線對之電纜，其中，設有三組以螺旋狀繞著共同之絞織中心點(20)盤繞之軸線對(12、14、16)，該電纜(10)優先為一USB-3電纜。
  3. 如申請專利範圍第1項所述具有絞織軸線對之電纜，其中，該絞織中心點(20)為位於電纜中央之額外軸線(22)所構成，特別是USB電纜之供電軸線。
  4. 如申請專利範圍第3項所述具有絞織軸線對之電纜，其中，該額外軸線(22)之導線(24)的截面積係大於該軸線對(12、14、16)內之導線的截面積。
  5. 如申請專利範圍第4項所述具有絞織軸線對之電纜，其中，該額外軸線(22)之導線(24)的截面積係大於0.5mm²、小於1 mm²，特別是0.75 mm²。
  6. 如申請專利範圍第1項所述具有絞織軸線對之電纜，其中，所有該軸線對(12、14、16)外包覆有一共同接地的整體屏蔽層(30)，其係優先由USB電纜之接地導線所構成。
  7. 如申請專利範圍第1項所述具有絞織軸線對之電纜，其中，螺旋狀盤繞的該軸線對(12、14、16)之單扭長度係大於40mm且小於120mm，優先為大於60mm、小於100mm，特別是為80mm。
  8. 如申請專利範圍第1項所述具有絞織軸線對之電纜，其中，在貫穿該電纜(10)的截面上，該軸線對(12)內之軸線間距分別小於兩兩該軸線對(12、14)的間距。
  9. 如申請專利範圍第1項所述具有絞織軸線對之電纜，其中，該至少兩組軸線對(12、14、16)分別具有各自的屏蔽層，優先為包覆住該軸線對的箔片屏蔽層(15)。
  10. 如申請專利範圍第1項所述具有絞織軸線對之電纜，其中，該電纜中設有至少一額外軸線對(116)，該至少一額外軸線對(116)不具有自有屏蔽層，該額外軸線對(116)之軸線係相隔安裝，特別是排列於絞織中心點(20)相對立的兩側上。
  11. 如申請專利範圍第10項所述具有絞織軸線對之電纜，其中，該兩組軸線對(112、114)及該額外軸線對(116)之兩條軸線係位於該絞織中心點(20)相對立的兩側上，該額外軸線對(116)之兩條軸線優先緊貼於一共同的整體屏蔽層(30)上。
  12. 如申請專利範圍第1項所述具有絞織軸線對之電纜，其中，於貫穿該電纜的截面上，該軸線對(12、14、16)之各別軸線(13)與該絞織中心點(20)間分別具有相同距離。
  13. 如申請專利範圍第1項所述具有絞織軸線對之電纜，其中，於貫穿該電纜的截面上，該軸線對(12、14、16)基本上是以該絞織中心點(20)為中心旋轉對稱排列，優先為分別位於一等邊三角形或一正方形之一邊上，此二幾何形狀包圍住絞織中心點(20)。
  14. 如申請專利範圍第1項所述具有絞織軸線對之電纜，其中，該電纜沿縱向設有繩索狀之填充元件(40、41)，該填充元件與該軸線對(12、14、16)一起繞著絞織中心點(20)螺旋狀盤繞，且可保持該軸線對(12、14、16)間具有一預設之距離。
  15. 如申請專利範圍第14項所述具有絞織軸線對之電纜，其中，於貫穿該電纜之截面上，該三組軸線對(12、14、16)以及一對該填充元件(40)位於一正方形的四邊上，且繞著該絞織中心點(20)盤繞。
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