WO2017157521A1 - Kabel zum übertragen von elektrischen signalen - Google Patents

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WO2017157521A1
WO2017157521A1 PCT/EP2017/000339 EP2017000339W WO2017157521A1 WO 2017157521 A1 WO2017157521 A1 WO 2017157521A1 EP 2017000339 W EP2017000339 W EP 2017000339W WO 2017157521 A1 WO2017157521 A1 WO 2017157521A1
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cable
line
wires
dielectric
relative permittivity
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PCT/EP2017/000339
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Gunnar Armbrecht
Thomas Schmid
Stephan Kunz
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Rosenberger Hochfrequenztechnik Gmbh & Co. Kg
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    • H01B3/30—Insulators or insulating bodies characterised by the insulating materials; Selection of materials for their insulating or dielectric properties mainly consisting of organic substances plastics; resins; waxes

Definitions

  • the invention relates to a cable for transmitting electrical signals with an outer sheath of an electrically insulating material and at least N lines n with N> 2 and NEN, which are arranged within the outer sheath, each line m in total M cores made of an electrically conductive material M> 1 and MEN, where the vein m with me [1,], m EN of the line n with ne [1, N], ne N of a dielectric with a predetermined value for the relative permittivity £ r (m, n)> 1, according to the preamble of patent claim 1.
  • a cable for transmitting electrical signals includes cores made of a conductive material, which are each surrounded by an electrical insulator for the purpose of mutual electrical insulation.
  • Electrical insulators have dielectric properties and significantly determine the propagation characteristics of the cable for electrical signals that are essentially electromagnetic waves.
  • An essential property of dielectric materials or of a dielectric is their permittivity ⁇ .
  • the permittivity ⁇ (from lat. Permittere: allow, leave, pass), also called “dielectric conductivity” or “dielectric function”, gives the Permeability of a material for electric fields.
  • the vacuum is also assigned a permittivity, since electric fields can set in the vacuum or electromagnetic fields can propagate.
  • the relative permittivity ⁇ ⁇ of a medium also called permittivity or dielectric constant, is the ratio of its permittivity ⁇ to that of the vacuum (electric field constant ⁇ ):
  • star quad cable To reduce crosstalk of electrical signals from one line to another line within a cable, without the need for an additional shroud for each line in the cable, the so-called star quad cable has been proposed (English: Twisted / Star Quad (TQ); dt .: stranded star quad cable, hereinafter also referred to as "four-star quad").
  • TQ Twisted / Star Quad
  • dt . stranded star quad cable, hereinafter also referred to as "four-star quad”
  • the four-core cable belongs to the balanced copper cables.
  • two lines each with two wires, each consisting of an electrically conductive material, are combined to form a cable.
  • Each core is surrounded by a dielectric and the four wires are stranded with each other cross-shaped, wherein in the cross section of the star quad cable opposing wires each form a pair of wires, so that the four-wire cable has two wire pairs or lines.
  • the stranded four cores are surrounded by a common protective sheath, which may include a braided or foil shield.
  • This mechanical design determines the transmission parameters such as near and far crosstalk.
  • This type of cable is characterized mainly by the small diameter and the resulting low bending radius.
  • Another advantage of the star quad stranding is, in addition to the mechanical stabilization of the arrangement of the conductors or cores relative to each other, the higher packing density than in a pair stranding.
  • the quad-core cable is essentially the same as the UTP and STP cable and can be classified accordingly: quad-core non-shielded quad-core cables are referred to as Twisted Quad (UTQ).
  • a wire with a jacket of insulating material arranged around it forms a conductor and two wires or conductors each form a line.
  • Two in the cross section of the star quad cable opposite conductors or wires form a pair, wherein on a pair in each case an electrical signal is transmitted.
  • the four conductors or wires are arranged in the cross section of the star quad at the corners of a square, wherein the conductors or wires of a pair are arranged at diagonally opposite corners.
  • the invention is based on the object, a cable og. To improve the type of crosstalk between two lines.
  • the values of k (s) can au ch for several subsets of values for s in the range of 1 to (Nj), so that, for example, there are three or more identical values for k (s) within a cable (if N is greater than or equal to 4), the values for k (s) are different for different subsets.
  • different lines n may possibly have a different number M of wires.
  • the value for M would be a function of n: M (n). This has the advantage that surprisingly results in a lower crosstalk of signals of a line in the other line by the different propagation speed of the electrical signals in the two lines with different value of the permittivity of the dielectrics of the respective wires.
  • of about 0.3 is achieved in a particularly simple and cost-producible manner in that the dielectric of the cores of at least one line of the material polypropylene (PP; ⁇ ⁇ "2.1) and the dielectric of the cores of at least one other line of the material polyethylene (PE, e r «2.4).
  • An altogether deviating value for the relative permittivity ⁇ ⁇ of the dielectric of the wires of a line with specific setting of a value for k for the deviation of the value for the relative permittivity ⁇ ⁇ of the dielectric of the wires of another line is achieved in a simple way by the dielectric of the cores of at least one line is constructed from a concentric layer structure of two or more dielectric materials with different values for the relative permittivity ⁇ ⁇ .
  • the replenishing dielectric is in the range of high field strength densities and is therefore particularly effective.
  • a high effect of the dielectric is achieved in that the dielectric of at least one core is arranged in a space between the core and the outer sheath such that this space is parabolic in cross-section of the cable from the adjacent wires. As a result, the dielectric fills a space with high field line density.
  • An additional electromagnetic shielding is achieved by additionally providing a sheath made of an electrically conductive material, within which the lines are arranged.
  • This screen coat is for example, arranged radially outside or inside the shield shell or integrated in the shield shell (12).
  • FIG. 1 shows a first preferred embodiment of a cable according to the invention in a perspective sectional view.
  • FIG. 2 shows a cable according to the invention as a four-gate .
  • Fig. 4 shows a second preferred embodiment of an inventive
  • FIG. 5 shows a third preferred embodiment of a cable according to the invention in sectional view
  • FIG. 6 shows a fourth preferred embodiment of a cable according to the invention in sectional view
  • Fig. 7 shows a fifth preferred embodiment of a cable according to the invention in sectional view
  • Fig. 8 shows a sixth preferred embodiment of an inventive
  • the signal transmission is preferred for fast data transmission differential pairs of lines or differential pairs of conductors used.
  • a typical cable for such an application is the quad-core cable.
  • a cable for electrical signal transmission has a tubular outer jacket made of an electrically insulating material. Furthermore, for example, a sheath made of an electrically conductive material is provided, which is surrounded by the outer sheath coaxially. Alternatively, the shielding jacket is integrated in the outer jacket.
  • N lines with N> 2 and NEN are arranged, each line m having a total of M cores made of an electrically conductive material with M> 1 and M 6 N.
  • the vein m with me [1, M], me N of the line n with ne [1, N], ne N is surrounded by a dielectric with a predetermined value for the relative permittivity E r (m, n)> 1.
  • the dielectrics of the different wires are made with different colors so that one can uniquely identify the wires at each end of the cable.
  • the values of the relative permittivity ⁇ r (m, n) of the dielectrics of the M wires of a line n are slightly different. These deviations are usually in the range of 5/1000 and are actually undesirable, but inevitable.
  • the running index p runs from 1 to (M-1) and is an integer greater than zero
  • the running index q runs from 1 to (Mp) and is an integer greater than zero.
  • the value for the relative permittivity ⁇ ⁇ of the dielectrics of the total of M wires of a line j deviates by a value k (s) from a value for the relative permittivity ⁇ ⁇ of the dielectrics of the M wires of at least one other line (j + s), for example the line (j + 1).
  • ⁇ ⁇ ( ⁇ ,]) - k (s) with me [l, M], m EN, je [l, Nl], j EN, se [l, Nj], s EN, where fc (s) e R and k (s) E [ -2.0, -0.01] and c (s) 6 [0.01,2.0], or the index m for the wire runs from 1 to M and is an integer greater than zero, the index j for the line j runs from 1 to (N-1) and is an integer greater than zero, the index s for the line (j + s) runs from 1 to (Nj) and is an integer greater than zero.
  • the value k (1) here is a number whose magnitude
  • the value of k (s) may be different or identical for two other lines (different value for s).
  • For example, 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, 2.0.
  • the wires 16, 18 thus form a first pair of conductors or the first line and the wires 20, 22 form a second pair of conductors and the second line.
  • a first straight line 32 extends through the centers of the wires 16 and 18 of the first line and a second straight line 34 through centers of the wires 20, 22 of the second line.
  • the two straight lines 32, 34 are perpendicular to each other at each location in a sectional plane parallel to the representation or the plane of the drawing in FIG. 1.
  • Each wire 16, 18, 20, 22 forms a conductor with the associated dielectric 24, 26, 28, 30.
  • the conductors 16/24, 18/26, 20/28, 22/30 are stranded in the axial direction with each other in such a way or twisted that results in the known star quad array.
  • the conductors 16/24, 18/26, 20/28, 22/30 are stranded around a central core 36 together.
  • FIG. 2 shows the four-wire quad as a 4-port with a first end 38 and a second end 40.
  • the first wire having the wires 16, 18 and the dielectrics 24, 26 (FIG. 1) forms at the first end 38 first differential gate 42 and at the second end a third differential port 46.
  • the second line with the wires 20, 22 and the dielectrics 28, 30 (FIG. 1) forms at the first end 38 a second differential port 44 and at the second end a fourth differential port 48.
  • the wave component measurable at the third gate 46 is a transmission.
  • the wave component measurable at the second port 44 is a so-called “crosstalk” at the near end 38 "NEXT” (Near End Crosstalk) i. it is a crosstalk from the first line with the wires 16, 18 to the second line with the wires 20, 22 which is reflected back to the first end 38.
  • the wave portion measurable at the fourth port is a so-called "crosstalk” at the far end 40 "FEXT” (Far End Crosstalk) i.
  • a cable model was used to calculate this FEXT for a star quad cable designed according to the invention, as described above. The result is shown in FIG. In Fig. 3, 50 denotes a vertical axis on which the FEXT is plotted in [dB]. At 52 is one denotes a horizontal axis on which a frequency f of the input signal is applied to the first port 42 ( Figure 2) in [MHz].
  • a first graph 54 shows the progression of the FEXT versus frequency in a conventional quad-core cable as measured real.
  • the following values for the relative permittivities e r (m, n) of the dielectrics 24, 26, 28 were assumed:
  • the following values for the relative permittivity ⁇ ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) of the dielectrics 24, 26, 28 were assumed:
  • the following values for the relative permittivity e r (m, n) of the dielectrics 24, 26, 28 were assumed:
  • k (1) 0.5.
  • the following values for the relative permittivity ⁇ ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) of the dielectrics 24, 26, 28 were assumed:
  • the following values for the relative permittivity ⁇ ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) of the dielectrics 24, 26, 28 were assumed:
  • Fig. 4 shows a second preferred embodiment of a cable 10 according to the invention, wherein functionally identical parts with the same reference numerals, as in Fig. 1, are designated, so that reference is made to the explanation of the above description of FIG.
  • different hatchings or fillings of the dielectrics 24, 26, 28, 30 show different values for the relative permittivity e r (m, n).
  • An outer jacket is not shown in Fig. 4.
  • the dielectrics 24, 26, 28, 30 are basically designed with the same value for the relative permittivity ⁇ r (m, n), but the dielectrics 24 and 26 are in two parts with two materials each having different relative permittivity ⁇ ⁇ built up.
  • a first material with the same relative permittivity ⁇ ⁇ as the dielectrics 28 and 30 surrounds the wires 16, 18, but in addition a second material 70 with a different value for the relative permittivity ⁇ ⁇ is radially between the wires 16, 18 and provided the first material, so that the dielectrics 24, 26 effectively have a different value for the relative permittivity ⁇ ⁇ than the dielectrics 28 and 30.
  • First and second dielectric material are arranged concentrically to each other and to the respective wires 16, 18.
  • Fig. 5 shows a third preferred embodiment of a cable 10 according to the invention, wherein functionally identical parts are denoted by the same reference numerals as in Figs. 1 and 4, so that reference is made to the explanation of the above description of Figs. 1 and 4.
  • FIG. 5 different hatchings or fillings show different values for the relative permittivity ⁇ ⁇ .
  • An outer jacket is not shown in Fig. 5.
  • the cores 16, 18, 20, 22 are surrounded by identical dielectric, so that their relative permittivity ⁇ ⁇ is substantially identical.
  • a respective gap between the conductors 16/24, 18/26, 20/28 and 22/30 and the shield shell 14 is filled with a further first dielectric 72 and a further second dielectric 74, each of the dielectrics 24, 26th , 28, 30 and also have mutually different values for the relative permittivity ⁇ ⁇ .
  • the effective values for the relative permittivity e r (m, n) of the line with wires 16, 18 differs from the value for the relative permittivity ⁇ ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) of the line with wires 20, 22.
  • the filling with the further first and second dielectrics 72 and 74 is such that they fill in cross-section a region which is parabolically delimited by the respectively adjacent conductors 16/24, 18/26, 20/28 and 22/30.
  • the further dielectrics 72 and 74 are precisely in regions with increased field line density and thus have a large effect.
  • Fig. 6 shows a fourth preferred embodiment of a cable 10 according to the invention, wherein functionally identical parts with the same reference numerals, as in Fig. 1, 4 and 5, are designated, so that for their explanation in the above description of Figs. 1, 4 and 5 is referenced.
  • FIG. 6 different hatchings or fillings show different values for the relative permittivity ⁇ ⁇ .
  • An outer jacket is not shown in Fig. 6.
  • the wires 16, 18, 20, 22 are surrounded with identical dielectric 24, 26, 28, 30, so that their relative permittivity ⁇ ⁇ is substantially identical.
  • FIG. 7 shows a fifth preferred embodiment of a cable 10 according to the invention, wherein functionally identical parts are designated by the same reference numerals as in FIGS. 1, 4, 5 and 6, so that their explanation is based on the above description of FIGS. 1, 4, 5 and 6 is referenced.
  • FIG. 7 shows a fifth preferred embodiment of a cable 10 according to the invention, wherein functionally identical parts are designated by the same reference numerals as in FIGS. 1, 4, 5 and 6, so that their explanation is based on the above description of FIGS. 1, 4, 5 and 6 is referenced.
  • FIG. 7 different hatchings or fillings show different values for the relative permittivity ⁇ ⁇ .
  • One Outer jacket is not shown in Fig. 7.
  • the wires 16, 18, 20, 22 are surrounded with identical dielectric 24, 26, 28, 30, so that their relative permittivity ⁇ ⁇ is substantially identical.
  • the additional dielectrics 72 and 74 are arranged on the inside of the shielding jacket 14, in each case in such a way that they each are located between a dielectric 24, 26, 28, 30 of the conductors 16, 18, 20, 22 and the shielding jacket 14.
  • the additional dielectrics 72 and 74 are constructed in layers with the further dielectric 70. In this way, the effective values for the relative permittivity e r (m, n) of the line with wires 16, 18 differs from the value for the relative permittivity ⁇ ⁇ ( ⁇ , ⁇ ) of the line with wires 20, 22.
  • Fig. 8 shows a sixth preferred embodiment of a cable 10 according to the invention, wherein functionally identical parts with the same reference numerals, as in Fig. 1, 4, 5, 6 and 7, are designated, so that for their explanation in the above description of FIG , 4, 5, 6 and 7.
  • FIG. 8 different hatchings or fillings show different values for the relative permittivity ⁇ ⁇ .
  • An outer jacket is not shown in Fig. 8.
  • the cores 16, 18, 20, 22 are surrounded exclusively with the further dielectric 72 to 74 and the dielectric 72, 74 extends analogously to the second embodiment according to FIG. 4 from the cores 16, 18, 20, 22 to to the shroud 14 and fills in each case a parabolic in cross-section delimited space.
  • the effective values for the relative permittivity £ r (m, n) of the line with wires 16, 18 differs from the value for the relative permittivity e r (m, n) of the line with wires 20, 22 and the dielectrics 72, 74 fill exactly that space within the shield shell 14 in which the highest field line density occurs.

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Abstract

Kabel (10) zum Übertragen von elektrischen Signalen mit einem Außenmantel (12) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff und mindestens N Leitungen n mit N ≥ 2 und N ∈ ∣N, welche innerhalb des Außenmantels (12) angeordnet sind, wobei jede Leitung m insgesamt M Adern (16, 18, 20, 22) aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff mit M ≥ 1 und M ∈ ∣N, aufweist, wobei die Ader m (16, 18, 20, 22) mit m ∈ [1, M], m ∈ ∣N der Leitung n mit n ∈ [1, N], n ∈ ∣N von einem Dielektrikum (24, 26, 28, 30) mit einem vorbestimmten Wert für die relative Permittivität εr (m,n) > 1 umgeben ist. Hierbei gilt für mindestens zwei verschiedene Leitungen n = j und n = (j+s) ε r(m,j) = εr (m,j+s) - k(s) mit m ∈ [1 , M], m ∈ ∣N, j ∈ [1, Ν - 1], j ∈ ∣N, s ∈ [1, N- j], s ∈ ∣N, wobei k(s) ∈ ℝ und k(s) ∈ [-2.0, -0,01] und k(s) ∈ [0.01,2.0].

Description

Kabel zum Übertragen von elektrischen Signalen
Die Erfindung betrifft ein Kabel zum Übertragen von elektrischen Signalen mit einem Außenmantel aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff und mindestens N Leitungen n mit N > 2 und N E N, welche innerhalb des Außenmantels angeordnet sind, wobei jede Leitung m insgesamt M Adern aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff mit M > 1 und M E N, aufweist, wobei die Ader m mit m e [1, ] , m E N der Leitung n mit n e [1, N] , n e N von einem Dielektrikum mit einem vorbestimmten Wert für die relative Permittivität £r(m,n) > 1 umgeben ist, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Ein Kabel zum Übertragen von elektrischen Signalen beinhaltet Adern aus einem leitfähigen Werkstoff, die zum Zwecke der gegenseitigen elektrischen Isolation jeweils von einem elektrischen Isolator umgeben sind. Elektrische Isolatoren haben dielektrische Eigenschaften und bestimmen maßgeblich die Ausbreitungs- bzw. Leitungseigenschaften des Kabels für elektrische Signale, die im Wesentlichen elektromagnetische Wellen sind. Eine wesentliche Eigenschaft von dielektrischen Werkstoffen bzw. eines Dielektrikums ist deren Permittivität ε.
Die Permittivität ε (von lat. permittere: erlauben, überlassen, durchlassen), auch "dielektrische Leitfähigkeit" oder "dielektrische Funktion" genannt, gibt die Durchlässigkeit eines Materials für elektrische Felder an. Auch dem Vakuum ist eine Permittivität zugewiesen, da sich auch im Vakuum elektrische Felder einstellen oder elektromagnetische Felder ausbreiten können.
Die relative Permittivität εΓ eines Mediums, auch Permittivitäts- oder Dielektrizitätszahl genannt, ist das Verhältnis seiner Permittivität ε zu der des Vakuums (elektrische Feldkonstante εο):
ε
Sie ist ein Maß für die feldschwächenden Effekte der dielektrischen Polarisation des Mediums und hängt eng mit der elektrischen Suszeptibilität χβ = sr— 1 zusammen. In der englischsprachigen Literatur und in der Halbleitertechnik wird die relative Permittivität auch mit κ (kappa) oder - wie etwa bei den Low-k-Dielektrika - mit k bezeichnet. Als Synonym für die relative Permittivität ist auch noch die frühere Bezeichnung "Dielektrizitätszahl" gebräuchlich.
Zur elektromagnetischen Abschirmung eines Kabels zum Übertragen von elektrischen Signalen ist es üblich, das Kabel mit einem Schirmmantel aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff zu umgeben. Dies reduziert ein ungehindertes Austreten von elektrischen bzw. elektromagnetischen Signalen, die über das Kabel übertragen werden, aus dem Kabel heraus und gleichzeitig wird auch ein Eintreten von elektromagnetischen Signalen von außen in die Leitungen des Kabels hinein reduziert. Beim Übertragen von mehreren elektrischen Signalen über verschiedene Leitungen eines Kabels ergibt sich neben steigendem Durchmesser und Gewicht des Kabels zusätzlich das Problem, dass in unerwünschter Weise elektrische Signale von einer Leitung des Kabels in eine andere Leitung des Kabels übersprechen. Um dies zu verhindern ist es bekannt, auch die einzelnen Leitungen des Kabels mit einem Schirmmantel aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff zu versehen. Dies macht die Kabel jedoch teuer sowie unflexibel in der Verlegung, da das Kabel insgesamt sehr starr wird und gewisse Biegeradien nicht unterschritten werden dürfen, um die Schirmmantel der Leitungen nicht zu beschädigen.
Um das Übersprechen von elektrischen Signalen von einer Leitung in eine andere Leitung innerhalb eines Kabels zu reduzieren, ohne dass hierfür notwendigerweise ein zusätzlicher Schirmmantel für jede Leitung in dem Kabel vorhanden sein muss, ist das sogenannte Sternvierer-Kabel vorgeschlagen worden (engl.: Twisted/Star Quad (TQ); dt.: verseiltes Sternvierer-Kabel; nachfolgend auch kurz "Sternvierer" genannt). Das Sternvierer-Kabel gehört wie das STP-Kabel (Shielded Twisted Pair; dt.: geschirmtes verdrilltes Leitungspaar) und das UTP-Kabel (Unshielded Twisted Pair; ungeschirmtes verdrilltes Leitungspaar) zu den symmetrischen Kupferkabeln. Beim Sternvierer-Kabel sind zwei Leitungen mit je zwei Adern aus jeweils einem elektrisch leitfähigen Werkstoff zu einem Kabel zusammen gefasst. Jede Ader ist von einem Dielektrikum umgeben und die vier Adern sind miteinander kreuzförmig verseilt, wobei im Querschnitt des Sternvierer-Kabels gegenüberliegende Adern jeweils ein Adernpaar bilden, so dass das Sternvierer-Kabel zwei Adernpaare bzw. Leitungen aufweist. Die miteinander verseilten vier Adern werden von einem gemeinsamen Schutzmantel umgeben, der eine Geflecht- oder Folienschirmung umfassen kann. Dieser mechanische Aufbau bestimmt die übertragungstechnischen Parameter wie das Nah- und Fernnebensprechen. Dieser Kabeltyp zeichnet sich vor allem durch den geringen Durchmesser aus und den daraus resultierenden geringen Biegeradius. Ein weiterer Vorteil der Sternviererverseilung ist neben der mechanischen Stabilisierung der Anordnung der Leiter bzw. Adern relativ zueinander die höhere Packdichte als bei einer Paarverseilung. Das Sternvierer-Kabel entspricht im Wesentlichen dem UTP- und STP-Kabel und kann entsprechend klassifiziert werden: Sternvierer-Kabel in nichtgeschirmter Ausführung werden als Twisted Quad (UTQ) bezeichnet.
Bei dem Sternvierer-Kabel bildet eine Ader mit einem darum angeordneten Mantel aus isolierendem Werkstoff einen Leiter und zwei Adern bzw. Leiter bilden jeweils eine Leitung. Es sind zwei Paare von Leitern bzw. zwei Leitungen miteinander verdrillt und bilden dann zwei kreuzförmig verseilte Doppelleiter (ein Doppelleiter entspricht einer Leitung). Zwei im Querschnitt des Sternviererkabels gegenüberliegende Leiter bzw. Adern bilden ein Paar, wobei auf einem Paar jeweils ein elektrisches Signal übertragen wird. Mit anderen Worten sind die vier Leiter bzw. Adern im Querschnitt des Sternvierers an den Ecken eines Quadrates angeordnet, wobei die Leiter bzw. Adern eines Paares an diagonal gegenüberliegenden Ecken angeordnet sind. Durch die hierdurch senkrecht zueinander stehenden Leiterpaare bzw. Aderpaare ergibt sich eine gewünschte hohe Übersprechdämpfung von einem Paar zu dem anderen Paar bzw. findet nur sehr geringes Übersprechen von einem Paar zu dem anderen Paar statt. Mit dem Ausdruck "senkrecht zueinander stehende Leiterpaare bzw. Aderpaare" ist gemeint, dass im Querschnitt des Kabels gesehen eine erste Gerade, welche durch die Mittelpunkte der Leiter bzw. Adern eines Paares verläuft, senkrecht auf einer zweiten Geraden steht, welche durch die Mittelpunkte der Leiter bzw. Adern des anderen Paares verläuft.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Kabel der o.g. Art hinsichtlich des Übersprechens zwischen zwei Leitungen zu verbessern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Kabel der o.g. Art mit den in Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben. Dazu ist es bei einem Kabel der o.g. Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass für mindestens zwei verschiedene Leitungen gilt er(m,j) = £r(m,j+s) - k(s) mit m e [1, M] , m E N, j e [1, 7V - 1], j E N, s e [1, N— j] , s E N, wobei k(s e R und fc(s) E [-2.0, -0,01] und /c(s) 6 [0.01,2.0]. Mit anderen Worten weisen die Dielektrikas der Adern einer Leitung im Vergleich zu den Adern einer anderen Leitung einen um |k(s)| zwischen 0.01 bis 2.0 unterschiedlichen Wert für die relative Permittivität εΓ der jeweiligen die Adern umgebenden Dielektrika auf. Dies hat unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeiten für elektrische Signale auf diesen Leitungen mit unterschiedlichen Dielektrika um die Adern zur Folge. Der Wert für k(s) ist für unterschieldiche Werte für s beispielsweise unterschiedlich ( c(l) k{2) ... Φ k(N - )), jedoch können alternativ die Werte für k(s) für einige oder alle Werte für s auch identisch sein ( fc(l) = k(2 = ··· = k(N - ;')). Die Werte von k(s) können auch für mehrere Teilmengen von Werten für s im Bereich von 1 bis (N-j) identisch sein, so dass beispielsweise drei oder mehr identische Werte für k(s) innerhalb eines Kabels vorliegen (wenn N größer oder gleich 4), wobei die Werte für k(s) für unterschiedliche Teilmengen unterschiedlich sind. In einem Kabel können verschiedene Leitungen n ggf. eine unterschiedliche Anzahl M von Adern haben. Hierbei wäre dann der Wert für M eine Funktion von n: M(n). Dies hat den Vorteil, dass sich in überraschender Weise durch die unterschiedliche Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektrischen Signale in den beiden Leitungen mit unterschiedlichem Wert der Permittivität der Dielektrikas der jeweiligen Adern ein geringeres Übersprechen von Signalen der einen Leitung in die andere Leitung ergibt.
Eine zuverlässige Signalübertragung innerhalb einer Leitung erzielt man dadurch, dass für jede Leitung n der Wert der relativen Permittivität der Dielektrikas der Adern dieser Leitung n bis auf herstellungsbedingte Abweichungen identisch ist, so dass gilt εΓ(ρ,η) = εΓ(ρ+ ,η), wobei p e [1, M - 1] , p E N, q e [1, M - p] , q E N.
Eine weiter reduziertes Übersprechen von Signalen zwischen verschiedenen Leitungen erzielt man dadurch, dass das Kabel ein Sternviererkabel mit M = 2 und N = 2 ist, bei dem die vier Adern der zwei Leitungen kreuzförmig miteinander verdrillt bzw. verseilt sind.
Einen unterschiedlichen Wert für die relative Permittivität £r(m,n) des Dielektrikums der Adern verschiedener Leitungen mit einem Wert |k| von etwa 0.3 erzielt man auf besonders einfache und kostengünstig herstellbare Weise dadurch, dass das Dielektrikum der Adern mindestens einer Leitung aus dem Werkstoff Polypropylen (PP; ετ « 2.1) und das Dielektrikum der Adern mindestens einer anderen Leitung aus dem Werkstoff Polyethylen (PE, er « 2.4) hergestellt ist.
Ein in Summe abweichender Wert für die relative Permittivität εΓ des Dielektrikums der Adern einer Leitung mit gezielter Einstellung eines Wertes für k für die Abweichung des Wertes für die relative Permittivität εΓ des Dielektrikums der Adern einer anderen Leitung erzielt man auf einfache Weise dadurch, dass das Dielektrikum der Adern mindestens einer Leitung aus einem konzentrischen Schichtaufbau von zwei oder mehr dielektrischen Werkstoffen mit unterschiedlichem Wert für die relative Permittivität εΓ aufgebaut ist.
Eine besonders vorteilhafte Einstellung des Wertes für die relative Permittivität εΓ des Dielektrikums der Adern einer Leitung mit hoher Wirksamkeit, erzielt man dadurch, dass bei den Adern mindestens einer Leitung ein Zwischenraum zwischen den Adern dieser Leitung und dem den Adern dieser Leitung zugewandten Außenmantel mit einem zusätzlichen dielektrischen Werkstoff gefüllt ist, welcher einen abweichenden Wert für die relative Permittivität εΓ aufweist als das die Adern dieser Leitung umgebende Dielektrikum. Hierbei befindet sich das auffüllende Dielektrikum im Bereich hoher Feldstärkedichten und ist deshalb besonders wirksam.
Eine alternative Möglichkeit der Veränderung der relativen Permittivität εΓ der Adern einzelner Leitungen, ohne hierfür den mechanischen Aufbau der einzelnen Adern verändern zu müssen, erzielt man dadurch, dass an einer Innenseite des Außenmantels, welche den Adern einer Leitung zugewandt ist, eine Beschichtung mit einem zusätzlichen Dielektrikum vorgesehen ist, welches einen abweichenden Wert für die relative Permittivität εΓ aufweist als das die Adern dieser Leitung umgebende Dielektrikum. Eine besonders starke Beeinflussung der resultierenden relativen Permittivität εΓ für einzelne Adern erzielt man dadurch, dass das zusätzliche Dielektrikum als Schichtfolge von dielektrischen Werkstoffen mit jeweils unterschiedlichem Wert für die relativen Permittivität εΓ aufgebaut ist. Eine hohe Wirkung des Dielektrikums erzielt man dadurch, dass das Dielektrikum mindestens einer Ader in einem Raum zwischen der Ader und dem Außenmantel derart angeordnet ist, dass dieser Raum im Querschnitt des Kabels parabelförmig von den benachbarten Adern abgegrenzt ist. Hierdurch füllt das Dielektrikum einen Raum mit hoher Feldliniendichte.
Bevorzugt ist für mögliche Wertebereiche von k(s) folgendes: fc(s) 6 [—u, -w] und / (s) £ [w, u], wobei w = 0.01 , 0.03, 0.1 , 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.2, 1.4 oder 1 .6 ist und u = 0.1 , 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1 .0, 1 .2, 1.4, 1.6 oder 1.8 und |w|<|u| ist. Beispielsweise 0.01 < k(s) < 1 .0; 0.03 < k(s) < 0.3 oder 0.1 < k(s) <0.2.
Eine zusätzliche elektromagnetische Abschirmung erzielt man dadurch, dass zusätzlich ein Schirmmantel aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff vorgesehen ist, innerhalb dessen die Leitungen angeordnet sind. Dieser Schirmmantel ist beispielsweise radial außerhalb oder innerhalb des Schirmmantels angeordnet oder in den Schirmmantels (12) integriert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in
Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels in perspektivischer Schnittansicht;
Fig. 2 ein erfindungsgemäßes Kabel als Vier-Tor.;
Fig. 3 eine graphische Darstellung der rechnerischen Ermittlung des
Übersprechens eines elektrischen Signals von einer Leitung in eine andere Leitung mit verschiedenen Werten für k(s) auf Basis eines Kabelmodells;
Fig. 4 eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Kabels in Schnittansicht;
Fig. 5 eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels in Schnittansicht;
Fig. 6 eine vierte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels in Schnittansicht;
Fig. 7 eine fünfte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels in Schnittansicht und
Fig. 8 eine sechste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Kabels in Schnittansicht.
Bei der Signalübertragung in Mehrleiter-Kabeln bzw. Kabeln mit mehreren Adern kommt für eine schnelle Datenübertragung bevorzugt die Signalübertragung mit differentiellen Paaren von Leitungen bzw. differentiellen Leiterpaaren zum Einsatz. Ein typisches Kabel für eine derartige Anwendung ist das Sternvierer-Kabel.
Allgemein weist ein Kabel zur elektrischen Signalübertragung einen schlauchförmigen Außenmantel aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff auf. Weiterhin ist beispielsweise ein Schirmmantel aus einem elektrisch leitenden Werkstoff vorgesehen, wobei dieser von dem Außenmantel koaxial umgeben ist. Alternativ ist der Schirmmantel in den Außenmantel integriert. Radial innerhalb des Schirmmantels sind N Leitungen mit N > 2 und N E N angeordnet, wobei jede Leitung m insgesamt M Adern aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff mit M > 1 und M 6 N, aufweist. Die Ader m mit m e [1, M] , m e N der Leitung n mit n e [1, N] , n e N ist von einem Dielektrikum mit einem vorbestimmten Wert für die relative Permittivität £r(m,n) > 1 umgeben. Hierbei ist es bevorzugt, dass die Dielektrikas der verschiedenen Adern mit unterschiedlichen Farben ausgeführt sind, so dass man die Adern an jedem Ende des Kabels eineindeutig identifizieren kann. Die M Adern einer Leitung n sind dabei jeweils von einem Dielektrikum umgeben, wobei alle Dielektrikas der M Adern einer Leitung n einen im Wesentlichen identischen Wert für die relative Permittivität £r(m,n) mit m = 1 , ... M aufweisen sollen. Durch herstellungsbedingte Abweichungen und auch durch die Einfärbung ergeben sich jedoch für die Werte der relativen Permittivität £r(m,n) der Dielektrikas der M Adern einer Leitung n etwas unterschiedliche Werte. Diese Abweichungen bewegen sich üblicherweise im Bereich von 5/1000 und sind eigentlich unerwünscht, jedoch unvermeidlich. Mit anderen Worten soll für jede Leitung n der Wert der relativen Permittivität £r der Dielektrikas der M Adern dieser Leitung n bis auf herstellungsbedingte Abweichungen identisch sein, so dass gilt ε,-(ρ,η) = £r(p+q,n), wobei p e [l, M - l] , p E M und q e [1, M— p] , q E N ist. Mit anderen Worten läuft der Laufindex p von 1 bis (M-1 ) und ist eine ganze Zahl größer Null und der Laufindex q läuft von 1 bis (M-p) und ist eine ganze Zahl größer Null. Dies ergibt jeweils für jede Leitung n mit n = 1 bis N: n = 1 : εΓ(1 ,1 ) = εΓ(2,1 ) = ... = £r(M-1 ,1 ) = £r(M,1 )
n = 2: £r(1 ,2) = £r(2,2) = ... = £r(M-1 ,2) = £r(M,2) n = N-1 : εΓ(1 ,Ν-1 ) = εΓ(2,Ν-1 ) = ... = εΓ(Μ-1 ,Ν-1 ) = εΓ(Μ,Ν-1 )
η = Ν: εΓ(1 ,Ν) = εΓ(2,Ν) = ... = εΓ(Μ-1 ,Ν) = εΓ(Μ,Ν) Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass der Wert für die relative Permittivität εΓ der Dielektrikas der insgesamt M Adern einer Leitung j um einen Wert k(s) abweichend ist von einem Wert für die relative Permittivität εΓ der Dielektrikas der M Adern mindestens einer anderen Leitung (j+s), beispielsweise der Leitung (j+1 ). Für mindestens zwei verschiedene Leitungen gilt dabei εΓ(ηι,]) =
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- k(s) mit me[l,M], m E N, je[l,N-l], j E N, se[l,N-j], s E N, wobei fc(s) e R und k(s) E [-2.0, -0,01] und c(s) 6 [0.01,2.0], bzw. der Index m für die Ader läuft von 1 bis M und ist eine ganze Zahl größer Null, der Index j für die Leitung j läuft von 1 bis (N-1 ) und ist eine ganze Zahl größer Null, der Index s für die Leitung (j+s) läuft von 1 bis (N-j) und ist eine ganze Zahl größer Null. Ausgeschrieben ergibt sich beispielsweise für die Leitungen 1 und 2 0 = 1 ; s = 1 ) für die M Adern mit m = 1 bis M: m = 1 : εΓ(1 ,1 ) = εΓ(1 ,2) - k(1 )
m = 2: er(2,1 ) = £r(2,2) - k(1 ) m = Μ-1 : εΓ(Μ-1 ,1 ) = εΓ(Μ-1 ,2) - k(1 )
m = M: εΓ(Μ,1 ) = εΓ(Μ,2) - ^1 )
Der Wert k(1 ) ist hierbei eine Zahl, deren Betrag |k(1 )| größer ist als die oben erwähnte unerwünschte Abweichung von beispielsweise 5/1000 zwischen den Werten von relativen Permittivitäten εΓ die im Wesentlichen identisch sein sollen. Gleichzeitig kann der Wert von k(s) für zwei andere Leitungen (anderer Wert für s) unterschiedlich oder identisch sein. Bevorzugte Werte für |k(s)| sind beispielsweise 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, 2.0.
Fig. 1 zeigt eine beispielhafte Ausführungsform für ein erfindungsgemäßes Kabel 10 mit N = 2 und M = 2 in Form einer Sternvierer-Anordnung, wobei die vier Adern der zwei Leitungen kreuzförmig miteinander verseilt sind. Das Kabel 10 weist einen Außenmantel 12 aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff, einen Schirmmantel 14 aus einem elektrischen leitenden Werkstoff sowie eine erste Ader 16 aus einem elektrisch leitenden Werkstoff einer ersten Leitung (m = 1 , n = 1 ), eine zweite Ader 18 aus einem elektrisch leitenden Werkstoff der ersten Leitung (m = 2, n = 1 ), eine erste Ader 20 aus einem elektrisch leitenden Werkstoff einer zweiten Leitung (m = 1 , n = 2) und eine zweite Ader 22 aus einem elektrisch leitenden Werkstoff der zweiten Leitung (m = 2, n = 2) auf. Die erste Ader 16 (m = 1 ) der ersten Leitung (n = 1 ) ist von einem ersten Dielektrikum 24 mit einer relative Permittivität εΓ(1 ,1 ) ummantelt, wobei hier und nachfolgend die Zahlen in Klammern nach dem Ausdruck "εΓ" Indizes wiedergeben, hier die Indizes m und n. Die zweite Ader 18 (m = 2) der ersten Leitung (n = 1 ) ist von einem zweiten Dielektrikum 26 mit einer relative Permittivität εΓ(2,1 ) ummantelt. Die erste Ader 20 (m = 1 ) der zweiten Leitung (n = 2) ist von einem dritten Dielektrikum 28 mit einer relative Permittivität εΓ(1 ,2) ummantelt. Die zweite Ader 22 (m = 2) der zweiten Leitung (n = 2) ist von einem vierten Dielektrikum 30 mit einer relative Permittivität εΓ(2,2) ummantelt.
Die Adern 16, 18 bilden also ein erstes Leiterpaar bzw. die erste Leitung und die Adern 20, 22 bilden ein zweites Leiterpaar bzw. die zweite Leitung.
Im Querschnitt des Kabels betrachtet verläuft eine erste Gerade 32 durch die Mittelpunkte der Adern 16 und 18 der ersten Leitung und eine zweite Gerade 34 durch Mittelpunkte der Adern 20, 22 der zweiten Leitung. Die beiden Geraden 32, 34 stehen an jedem Ort in einer Schnittebene parallel zu der Darstellung bzw. der Zeichnungsebene in Fig. 1 senkrecht aufeinander. Jede Ader 16, 18, 20, 22 bildet mit dem dazugehörigen Dielektrikum 24, 26, 28, 30 je einen Leiter. Die Leiter 16/24, 18/26, 20/28, 22/30 sind in axialer Richtung kreuzförmig miteinander derart verseilt bzw. verdrillt, dass sich die bekannte Sternvierer-Anordnung ergibt. Die Leiter 16/24, 18/26, 20/28, 22/30 sind um einen zentralen Kern 36 miteinander verseilt.
Für dieses Beispiel des Sternvierer-Kabels (M = 2, N = 2) lauten die obigen Gleichungen für die relative Permittivität εΓ(ιη,η) der Dielektrika 24, 26, 28, 30 der Adern 16, 18, 20, 22 mit m = 1 , 2 und n = 1 , 2 und j = 1 und s = 1 wie folgt: n = 1 : εΓ(1 ,1 ) = εΓ(2,1 )
n = 2: εΓ(1 ,2) = εΓ(2,2)
und
m = 1 : εΓ(1 ,1 ) = εΓ(1 ,2) - k(1 )
m = 2: εΓ(2,1 ) = εΓ(2,2) - Ι<(1 )
Fig. 2 zeigt das Sternvierer-Kabel als 4-Tor mit einem ersten Ende 38 und einem zweiten Ende 40. Die erste Leitung mit den Adern 16, 18 und den Dielektrika 24, 26 (Fig. 1 ) bildet an dem ersten Ende 38 ein erstes differentielles Tor 42 und an dem zweiten Ende ein drittes differentielles Tor 46 aus. Die zweite Leitung mit den Adern 20, 22 und den Dielektrika 28, 30 (Fig. 1 ) bildet an dem ersten Ende 38 ein zweites differentielles Tor 44 und an dem zweiten Ende ein viertes differentielles Tor 48 aus.
Wird nun am ersten Ende 38 am ersten Tor 42 der ersten Leitung mit den Adern 16, 18 eine Welle eingespeist, so ist an dem zweiten, dritten und vierten Tor 44, 46, 48 ein Teil der Welle messbar. Der am dritten Tor 46 messbare Wellenanteil ist eine Transmission. Der am zweiten Tor 44 messbare Wellenanteil ist ein sogenannter "crosstalk" am nahen Ende 38 "NEXT" (Near End Crosstalk) d.h. es handelt sich um ein Übersprechen (crosstalk) von der ersten Leitung mit den Adern 16, 18 auf die zweite Leitung mit den Adern 20, 22 welches zum ersten Ende 38 zurück reflektiert wird. Der am vierten Tor messbare Wellenanteil ist ein sogenannter "crosstalk" am fernen Ende 40 "FEXT" (Far End Crosstalk) d.h. es handelt sich um ein Übersprechen (crosstalk) von der ersten Leitung mit den Adern 16, 18 auf die zweite Leitung mit den Adern 20, 22 welche zum zweiten Ende 40 übertragen wird. Dieser "FEXT" ist ein unerwünschter Effekt, der vermieden werden soll. Dementsprechend verbessert eine Verringerung dieses Wellenanteils "FEXT" am zweiten Ende 40 die Übertragungseigenschaften des Kabels 10.
Um nun zu prüfen, ob die Differenz der relativen Permittivitäten εΓ(ηΊ,η) eine Verbesserung bezüglich des FEXT bringt, wurde mit einem Kabelmodell dieses FEXT für ein erfindungsgemäß ausgebildetes Sternvierer-Kabel, wie zuvor beschrieben, berechnet. Das Ergebnis ist in Fig. 3 dargestellt. In Fig. 3 bezeichnet 50 eine vertikale Achse, auf der der FEXT in [dB] aufgetragen ist. Mit 52 ist eine horizontale Achse bezeichnet, auf der eine Frequenz f des Eingangssignals am ersten Tor 42 (Fig. 2) in [MHz] aufgetragen ist.
Ein erster Graph 54 zeigt den Verlauf des FEXT über die Frequenz bei einem herkömmlichen Sternvierer-Kabel, wie er real gemessen wurde.
Ein zweiter Graph 56 zeigt den Verlauf des FEXT über die Frequenz bei einem herkömmlichen Sternvierer-Kabel, wie er aus dem Kabelmodell mit k(1 ) = 0 berechnet wurde. Hierbei wurde bei der Berechnung mittels des Kabelmodells von folgenden Werten für die relativen Permittivitäten er(m,n) der Dielektrikas 24, 26, 28. 30 ausgegangen:
εΓ(1 ,1 ) = 2.235
εΓ(2,1 ) = 2.240
εΓ(1 ,2) = 2.235
εΓ(2,2) = 2.240
Für die relativen Permittivitäten er(m,n) der Dielektrikas 24, 26, 28. 30 wurde hierbei von einer Streuung der Werte aufgrund Ungenauigkeiten bei der Herstellung und Einflüsse der Einfärbung der Dielektrika mit einer Abweichung von 5/1000 ausgegangen. Hierbei bestätigt der Verlauf des zweiten Graphen 56 nahe am ersten Graphen 54, dass das Kabelmodell brauchbar ist.
Ein dritter Graph 58 zeigt den Verlauf des FEXT über die Frequenz bei einem erfindungsgemäßen Sternvierer-Kabel, wie er aus dem Kabelmodell mit k(1 ) = 0.1 berechnet wurde. Hierbei wurde bei der Berechnung mittels des Kabelmodells von folgenden Werten für die relative Permittivität εΓ(ιη,η) der Dielektrikas 24, 26, 28. 30 ausgegangen:
εΓ(1 ,1 ) = 2.235
εΓ(2,1 ) = 2.240
εΓ(1 ,2) = 2.135
εΓ(2,2) = 2.140
Ein vierter Graph 60 zeigt den Verlauf des FEXT über die Frequenz bei einem erfindungsgemäßen Stern vierer-Kabel, wie er aus dem Kabelmodell mit k(1 ) = 0.3 berechnet wurde. Hierbei wurde bei der Berechnung mittels des Kabelmodells von folgenden Werten für die relative Permittivität er(m,n) der Dielektrikas 24, 26, 28. 30 ausgegangen:
εΓ(1 ,1 ) = 2.235
εΓ(2,1 ) = 2.240
εΓ(1 ,2) = 1.935
εΓ(2,2) = 1.940
Ein fünfter Graph 62 zeigt den Verlauf des FEXT über die Frequenz bei einem erfindungsgemäßen Sternvierer-Kabel, wie er aus dem Kabelmodell mit k(1 ) = 0.5 berechnet wurde. Hierbei wurde bei der Berechnung mittels des Kabelmodells von folgenden Werten für die relative Permittivität εΓ(ητι,η) der Dielektrikas 24, 26, 28. 30 ausgegangen:
εΓ(1 ,1) = 2.235
εΓ(2,1 ) = 2.240
εΓ(1 ,2) = 1.735
εΓ(2,2) = 1.740
Ein sechster Graph 64 zeigt den Verlauf des FEXT über die Frequenz bei einem erfindungsgemäßen Sternvierer-Kabel, wie er aus dem Kabelmodell mit k(1 ) = 0.7 berechnet wurde. Hierbei wurde bei der Berechnung mittels des Kabelmodells von folgenden Werten für die relative Permittivität εΓ(ιτι,η) der Dielektrikas 24, 26, 28. 30 ausgegangen:
εΓ(1 ,1 ) = 2.235
εΓ(2,1 ) = 2.240
εΓ(1 ,2) = 1.535
εΓ(2,2) = 1.540
Ein siebter Graph 66 zeigt den Verlauf des FEXT über die Frequenz bei einem erfindungsgemäßen Sternvierer-Kabel, wie er aus dem Kabelmodell mit k(1 ) = 0.9 berechnet wurde. Hierbei wurde bei der Berechnung mittels des Kabelmodells von folgenden Werten für die relative Permittivität εΓ(ιη,η) der Dielektrikas 24, 26, 28. 30 ausgegangen:
εΓ(1 ,1 ) = 2.235 εΓ(2,1 ) = 2.240
εΓ(1 ,2) = 1.335
εΓ(2,2) = 1.340 Je stärker der nominelle Wert der relativen Permittivität £r(m,n) zwischen den beiden Leitungen voneinander abweicht, desto geringer ist das Übersprechen (FEXT) in die jeweils andere Leitung. Somit kann also in überraschender Weise durch eine Differenz k(s) der relativen Permittivität £r(m,n) der Dielektrika 24, 26, 28. 30 die Übertragungseigenschaft des Kabels 10 verbessert werden, ohne dass hierfür ein zusätzlicher Schirmmantel für jedes einzelne Leiterpaar 16, 18 und 20, 22 notwendig ist.
Fig. 4 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels 10, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen, wie in Fig. 1 , bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der Fig. 1 verwiesen wird. In Fig. 4 zeigen unterschiedliche Schraffuren bzw. Füllungen der Dielektrika 24, 26, 28, 30 unterschiedliche Werte für die relative Permittivität er(m,n). Ein Außenmantel ist in Fig. 4 nicht dargestellt. So ist erkennbar, dass die Dielektrika 24, 26, 28, 30 grundsätzlich mit demselben Wert für die relative Permittivität £r(m,n) ausgebildet sind, jedoch sind die Dielektrika 24 und 26 zweiteilig mit je zwei Werkstoffen mit unterschiedlicher relativer Permittivität εΓ aufgebaut. Ein erster Werkstoff mit der gleichen relativen Permittivität εΓ, wie die Dielektrika 28 und 30, ummantelt die Ader 16, 18, jedoch ist zusätzlich ein zweiter Werkstoff 70 mit einem anderen Wert für die relative Permittivität εΓ radial zwischen der Ader 16, 18 und dem ersten Werkstoff vorgesehen, so dass die Dielektrika 24, 26 effektiv einen anderen Wert für die relative Permittivität εΓ aufweisen als die Dielektrika 28 und 30. Erster und zweiter dielektrischer Werkstoff sind konzentrisch zueinander und zu den jeweiligen Adern 16, 18 angeordnet.
Fig. 5 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels 10, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen, wie in Fig. 1 und 4, bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der Fig. 1 und 4 verwiesen wird. In Fig. 5 zeigen unterschiedliche Schraffuren bzw. Füllungen unterschiedliche Werte für die relative Permittivität εΓ. Ein Außenmantel ist in Fig. 5 nicht dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Adern 16, 18, 20, 22 mit identischem Dielektrikum umgeben, so dass deren relative Permittivität εΓ im Wesentlichen identisch ist. Jedoch ist zusätzliche ein jeweiliger Zwischenraum zwischen den Leitern 16/24, 18/26, 20/28 und 22/30 und dem Schirmmantel 14 mit einem weiteren ersten Dielektrikum 72 und einem weiteren zweiten Dielektrikum 74 aufgefüllt, die jeweils von den Dielektrika 24, 26, 28, 30 und auch voneinander andere Werte für die relative Permittivität εΓ aufweisen. Auf diese Weise unterscheidet sich der effektive Werte für die relative Permittivität er(m,n) der Leitung mit Adern 16, 18 von demjenigen Wert für die relative Permittivität εΓ(ιη,η) der Leitung mit Adern 20, 22. Die Auffüllung mit den weiteren ersten und zweiten Dielektrika 72 und 74 ist derart, dass diese im Querschnitt einen Bereich ausfüllen, der parabelförmig von den jeweils benachbarten Leitern 16/24, 18/26, 20/28 und 22/30 abgegrenzt ist. Auf diese Weise befinden sich die weiteren Dielektrika 72 und 74 genau in Bereichen mit erhöhter Feldliniendichte und haben so eine große Wirkung.
Fig. 6 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels 10, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen, wie in Fig. 1 , 4 und 5, bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der Fig. 1 , 4 und 5 verwiesen wird. In Fig. 6 zeigen unterschiedliche Schraffuren bzw. Füllungen unterschiedliche Werte für die relative Permittivität εΓ. Ein Außenmantel ist in Fig. 6 nicht dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Adern 16, 18, 20, 22 mit identischem Dielektrikum 24, 26, 28, 30 umgeben, so dass deren relative Permittivität εΓ im Wesentlichen identisch ist. Die zusätzlichen Dielektrika 72 und 74 sind an der Innenseite des Schirmmantels 14 angeordnet und zwar jeweils derart, dass diese sich jeweils zwischen einem Dielektrikum 24, 26, 28, 30 der Adern 16, 18, 20, 22 und dem Schirmmantel 14 befinden. Auf diese Weise unterscheidet sich der effektive Werte für die relative Permittivität £r(m,n) der Leitung mit Adern 16, 18 von demjenigen Wert für die relative Permittivität er(m,n) der Leitung mit Adern 20, 22. Fig. 7 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels 10, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen, wie in Fig. 1 , 4, 5 und 6, bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der Fig. 1 , 4, 5 und 6 verwiesen wird. In Fig. 7 zeigen unterschiedliche Schraffuren bzw. Füllungen unterschiedliche Werte für die relative Permittivität εΓ. Ein Außenmantel ist in Fig. 7 nicht dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Adern 16, 18, 20, 22 mit identischem Dielektrikum 24, 26, 28, 30 umgeben, so dass deren relative Permittivität εΓ im Wesentlichen identisch ist. Die zusätzlichen Dielektrika 72 und 74 sind an der Innenseite des Schirmmantels 14 angeordnet und zwar jeweils derart, dass diese sich jeweils zwischen einem Dielektrikum 24, 26, 28, 30 der Adern 16, 18, 20, 22 und dem Schirmmantel 14 befinden. Im Unterschied zur vierten Ausführungsform gemäß Fig. 6 sind die zusätzlichen Dielektrika 72 und 74 schichtförmig mit dem weiteren Dielektrikum 70 aufgebaut. Auf diese Weise unterscheidet sich der effektive Werte für die relative Permittivität er(m,n) der Leitung mit Adern 16, 18 von demjenigen Wert für die relative Permittivität εΓ(ιη,η) der Leitung mit Adern 20, 22.
Fig. 8 zeigt eine sechste bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Kabels 10, wobei funktionsgleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen, wie in Fig. 1 , 4, 5, 6 und 7, bezeichnet sind, so dass zu deren Erläuterung auf die obige Beschreibung der Fig. 1 , 4, 5, 6 und 7 verwiesen wird. In Fig. 8 zeigen unterschiedliche Schraffuren bzw. Füllungen unterschiedliche Werte für die relative Permittivität εΓ. Ein Außenmantel ist in Fig. 8 nicht dargestellt. Bei dieser Ausführungsform sind die Adern 16, 18, 20, 22 ausschließlich mit dem weiteren Dielektrikum 72 bis 74 umgeben und das Dielektrikum 72, 74 erstreckt sich jeweils analog zur zweiten Ausführungsform gemäß Fig. 4 von den Adern 16, 18, 20, 22 bis zum Schirmmantel 14 und füllt dabei jeweils einen im Querschnitt parabelförmig abgegrenzten Raum aus. Auf diese Weise unterscheidet sich der effektive Werte für die relative Permittivität £r(m,n) der Leitung mit Adern 16, 18 von demjenigen Wert für die relative Permittivität er(m,n) der Leitung mit Adern 20, 22 und die Dielektrika 72, 74 füllen genau denjenigen Raum innerhalb des Schirmmantels 14, in dem die höchste Feldliniendichte auftritt.
Mit der Erfindung sind sämtliche Kombinationen der in der Beschreibung jeweils offenbarten Merkmale, der in den Patentansprüchen jeweils beanspruchten Merkmale und der in der Fig. der Zeichnung jeweils dargestellten Merkmale abgedeckt, soweit sie technisch sinnvoll sind.

Claims

Patentansprüche:
Kabel (10) zum Übertragen von elektrischen Signalen mit einem Außenmantel (12) aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff und mindestens N Leitungen n mit N > 2 und N EN, welche innerhalb des Außenmantels (12) angeordnet sind, wobei jede Leitung m insgesamt M Adern (16, 18, 20, 22) aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff mit M > 1 und M EN, aufweist, wobei die Ader m (16, 18, 20, 22) mit me [1,M] , m EN der Leitung n mit ne [1,N] , n EN von einem Dielektrikum (24, 26, 28, 30) mit einem vorbestimmten Wert für die relative Permittivität er(m,n) > 1 umgeben ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass für mindestens zwei verschiedene Leitungen n = j und n = (j+s) gilt £r(mj) = £r(m,j+s) - k(s) mit m e [1, ] ,m EN, je [1,N— 1], j EN, se [1,N - j] , s EN, wobei /(s) e E und fc(s) e [-2.0,-0,01] und k{s) e [0.01,2.0].
Kabel (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für jede Leitung n der Wert der relativen Permittivität der Dielektrikas (24, 26, 28, 30) der Adern (16, 18,20,22) dieser Leitung n bis auf herstellungsbedingte Abweichungen identisch ist, so dass gilt εΓ(ρ,η) = £r(p+q,n), wobei qe[l,M— p], qEN, e [1, - 1] , p E N.
Kabel (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Kabel (10) ein Sternviererkabel mit M = 2 und N = 2 ist, bei dem die vier Adern (16, 18, 20, 22) der zwei Leitungen kreuzförmig miteinander verdrillt sind.
Kabel (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (24, 26, 28, 30) der Adern (16, 18, 20, 22) mindestens einer Leitung aus dem Werkstoff Polypropylen (PP) und das Dielektrikum (24,26,28,30) der Adern (16, 18,20,22) mindestens einer anderen Leitung aus dem Werkstoff Polyethylen (PE) hergestellt ist. Kabel (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (24, 26, 28, 30) der Adern (16, 18, 20, 22) mindestens einer Leitung aus einem konzentrischen Schichtaufbau von zwei oder mehr dielektrischen Werkstoffen (70) mit unterschiedlichem Wert für die relative Permittivität εΓ aufgebaut ist.
Kabel (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Adern (16, 18, 20, 22) mindestens einer Leitung ein Zwischenraum zwischen den Adern (16, 18, 20, 22) dieser Leitung und dem den Adern (16, 18, 20, 22) dieser Leitung zugewandten Außenmantel (12) mit einem dielektrischen Werkstoff (72, 74) gefüllt ist, welcher einen abweichenden Wert für die relative Permittivität εΓ aufweist als das die Adern (16, 18, 20, 22) dieser Leitung umgebende Dielektrikum (24, 26, 28, 30).
Kabel (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an einer Innenseite des Außenmantels (12), welche den Adern (16, 18, 20, 22) einer Leitung zugewandt ist, eine Beschichtung mit einem zusätzlichen Dielektrikum (70, 72, 74) vorgesehen ist, welches einen abweichenden Wert für die relative Permittivität εΓ aufweist als das die Adern (16, 18, 20, 22) dieser Leitung umgebende Dielektrikum (24, 26, 28, 30).
Kabel (10) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das zusätzliche Dielektrikum als Schichtfolge von dielektrischen Werkstoffen (70, 72, 74) mit jeweils unterschiedlichem Wert für die relativen Permittivität εΓ aufgebaut ist.
Kabel (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Dielektrikum (24, 26, 28, 30) mindestens einer Ader (16, 18, 20, 22) in einem Raum zwischen der Ader (16, 18, 20, 22) und dem Außenmantel (12) derart angeordnet ist, dass dieser Raum im Querschnitt des Kabels (10) parabelförmig von den benachbarten Adern (16, 18, 20, 22) abgegrenzt ist.
Kabel (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass k e [—u,—w] und k e [w, u], wobei w = 0.01 , 0.03, 0.1 ,
0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.2, 1.4 oder 1.6 und u = 0.03, 0.1 , 0.2, 0.3, 0.5, 0.7, 0.9, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6 oder 1.8 und |w|<|u| ist.
Kabel (10) nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich ein Schirmmantel (14) aus einem elektrisch leitfähigen Werkstoff vorgesehen ist, innerhalb dessen die Leitungen angeordnet sind.
Kabel (10) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schirmmantel (14) radial außerhalb oder innerhalb des Schirmmantels (12) angeordnet ist.
Kabel (10) nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Schirmmantel (14) in den Schirmmantels (12) integriert ist.
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