CN1070282A - 用于传输高频信号的耐高温电缆 - Google Patents

Abstract

一种适于在局部网络中传输高频信号的耐高温 电缆包括由多个绝缘导线扭绞双线和一个外皮组成 的线芯。每一线对的每一绝缘导线包括一细长的金 属件和一绝缘系统。绝缘系统有适当低的耗散因子， 它包括两个层，外部还有包括阻燃塑料材料的层。该 绝缘系统还有适当低的介电常数且与相对短的扭绞 双线结构相一致。绝缘系统包括一内层和一外层。 外皮有一适当低的耗散因子和介电常数。每线对的 扭绞长度最好不超过每线对中一根绝缘导线外径的 约四十倍。

Description

本发明涉及一种用于传输高频信号的耐高温电缆。

随着办公室和工业设施中计算机应用的剧增，对电缆的需求也增加了，这些电缆可用于外设与主机的联接以及两台或多台计算机的联网。当然，所寻求的电缆要求应能以相对高的速率提供基本上无差错的传输。

为得到易于市场化上述应用的电缆设计，必须考虑到若干因素。所寻求电缆的外皮应呈现低摩擦以利于电缆在管道中或支架上牵拉。电缆还应是坚固的、柔韧的和耐挤压的，并且是便于包装的和不过于沉重的。因为电缆可能用于已填满的建筑物空间，所以耐高温也是重要的。

所寻求的数据传输电缆应是低成本的。它必须能经济有效地按所要求的空间安装。用于相互联接的建筑物内的电缆安装成本比电缆的材料成本要高并不罕见。建筑中的电缆应在尽可能小的电缆中具有相对小的截面，这不仅利于安装，也易于隐蔽，它们在导管、走线槽和接线柜中仅需较少的空间，并可减小所需的相应连接器的硬件尺寸。

数据信号传输速度和必须传输的距离对于局部网络中铜导线电缆的设计有重要意义。过去对于相互联系的操作来说，要求数据速度达到每秒20千比特和不超过大约150英尺的距离。在现有技术下这个要求能被满足，即采用由多根相互绝缘的金属导线组成的单层电缆，这些导线直接联接在例如一台计算机和接收设备，例如外部设备之间。这种现有技术的金属导线电缆已经具有耐高温、相对适度的成本和合适的机械性能。

但是，在当今的世界，需要在几百英尺的距离上以更高的速度传输数据。通常，商用仪器能把16Mbps数据信号传输300或400英尺。即使在这种大大增加的距离和数据速率上，所要求的传输也必须是基本无差错和相对高速的。由于商用电缆的线对间的串话干扰，对数据速率/距离性能的进一步改进越来越困难。

为满足现在和将来的需要，所寻求的电缆应能适合于高频数据传输。这里的高频系指0.5MHz或更高。这就对覆盖距离上易调损耗、串扰特性和抗电磁干扰（EMI）特征是提出了要求，这些都将保证基本无差错传输。这种电缆也必须不以电磁干扰污染环境。

在现有技术中，传输已经在电缆上实现，该电缆中应用了以聚氯乙烯（PVC）绝缘的导体。虽然聚氯乙烯绝缘材料具有可接受的阻燃特性，但已经发现其在高频信号传输中的传输损失高得令人不能接受。通过增加绝缘导体的金属的导体部分的规格尺寸也许会克服一些，但是很明显，这不是所希望的选择。

通常，为使金属导体绝缘，也采取在泡沫聚乙烯绝缘材料上压上一层聚氯乙烯的方法。这被称作为泡沫-表面层结构。线对由两根绝缘导线扭绞在一起而制成。这种带有一个或多个纽绞双线的电缆可由一内层封住，内层外是金属屏蔽罩，金属罩外是外皮。一般地，外皮由聚氯乙烯组成。

上述现有技术的电缆有以下连带的缺点：虽然，紧邻金属导线并有一层固体PVC绝缘材料表面的泡沫聚乙烯具有可接受的耐高温特性，但是，导线扭绞成线对使泡沫绝缘材料被压裂，会导致金属导线间隔减小，同时带来传输损耗。当应用短扭线结构，特别是在象局部网络环境中，问题就更加严重了。见（美国专利）U.S.4873393。另外，已经发现现有技术的泡沫-表面层结构（其中PVC用作表面层）的高频损耗是不合要求的。而且，在屏蔽电缆（其中PVC用作内皮，且每一导线被聚乙烯内层和阻燃聚乙烯外层所绝缘）中的高频损耗已从经验中知道。当然，还希望能省去金属屏蔽，因为制造它们需要更多的材料并降低了制造流水线的速度。

现在需要的且似乎现有技术并未提供的是这样一种电缆，它包括绝缘材料和外皮系统，以使该电缆适合于以适当的低损耗传输高频信号。所寻求的电缆还应是可接受的地耐高温的，以便能用于建筑物中。用于所求的电缆中的材料应易于应用且不给予成品强加过高的成本负担。而且，绝缘系统必须是这样的，即当两根绝缘导线以相对短的扭绞长度扭绞在一起时不被挤裂。

前述现有技术的问题已这样解决了，即一适合于传输高频信号的无屏蔽、耐高温电缆，该电缆包含多个绝缘导线的扭绞双线，每一绝缘导线包含一细长的金属件、一绝缘系统和一个包围着多个绝缘导线的塑料外皮。该绝缘系统有约小于0.004的耗散因子，和一有效介电常数，它可使高频信号沿每一导线对的传播速度至少等于光速的0.65倍。该绝缘系统包含一个紧接细长金属件的内层和一包含一种阻燃塑料材料的外层。外皮包围着多个绝缘导线，并包含一塑料材料。它有一适当低的耗散因子和介电常数。

图1是包括多个绝缘金属导线扭绞双线的电缆的透视图;

图2是图1中的电缆的端视图;

图3是图1中电缆的一根绝缘金属导线的端截面图;

图4是在本发明电缆中出现的两个绝缘导线线对的端截面图;

图5是示出了以本发明的电缆相联接的主计算机和外设在建筑物中的立视图;和

图6是绘出本发明电缆和现有技术电缆在不同速率下可以传输信息的距离的曲线图。

现在参见图1和图2，其中示出了本发明的一个未屏蔽的电缆，以标号20整体地标出。电缆20包括多个绝缘金属导线24-24的扭绞双线22-22。

首先描述绝缘导线的结构，这对于理解用于通信传输的金属导线电缆中衰减和损耗的原因是重要的。每个信道的信息容量由下式给出：

IC＝Wlog₂（1+P/N）

其中    W＝带宽（单位：赫兹）

P＝平均信号功率

N＝平均噪声功率

很明显如果（1）带宽可做成无限大，（2）平均功率可做成无限大，或（3）噪声可做成零，则每个信道的信息容量可以无限大。

在以下讨论中假设信号功率不能超过现在习惯的水平，同时噪声的定义拓宽到不仅包括总是存在的热噪声，也包括串扰和电磁干扰（EMI）。

有一点始终也是正确的，即如果传输的信号功率最大而噪声（干扰）最小，则信道的信息容量达到最大，这些目标等价于使电缆衰减最小和使串扰和EMI最小。

实际中，在技术上倾向于通过提高符号（波特）率来增加信道容量，这样也提高了被传输的最高频率。这需要发射极耦合逻辑电路（ECL）并减小了行频驱动电路的功率容量。因此现在比以前更需要在高频有最小衰减和好的抗干扰性的设计。

用于平衡模式中的扭绞双线的高频衰减由下式给出：

α=8.68［(R/2］ $\sqrt{\mathrm{C/L}}$ +(G/2) $\sqrt{\mathrm{L/C}}$ ］dB/100米

其中    R＝高频（趋肤效应）电阻（单位：欧姆/100米）

C＝电容（单位：法拉/100米）

L＝电感（单位：亨利/100米）

G＝电导（单位：西门子/100米）

对于平衡模式的讨论，见前文提到的（美国专利）U.S.4873393，该专利在此引用作为参考。此处假定导线和导线绝缘材料是环状同轴的并且每一线对是由两根绝缘导线扭绞在一起而成的。

对于最大信道容量，扭绞双线的信号衰减应为最小。在上面公式中，（R/2） $\sqrt{\mathrm{C/L}}$ 这一项一般是大于（G/2） $\sqrt{\mathrm{L/C}}$ 这一项。为了取得最小衰减，应寻求R，C和G的最小值。

该公式还显示出L是取最大值的。但是电缆的特征阻抗应与标准电子仪器兼容，为了保持特征阻抗不变，L是一个非独立调整变量。高频特征阻抗由Z₀＝ $\sqrt{\mathrm{L/C}}$ 给出。因此，即使C可能变化，比值L/C也将维持常数。

高频相速由下式给出：

$V_p=\frac{1}{\sqrt{\mathrm{LC}}}=\frac{1}{\sqrt{{\epsilon }_r}}\mathrm{x\; （光速）}$

其中εr是绝缘系统的相对介电常数。

扭绞双线的电阻R实际上是趋肤效应电阻。它与导线直径成反比。还有另一种电阻，它被称为邻近效应，如果绝缘系统很薄而金属导线部分又靠得很紧密的话，这个电阻就会增加。但是邻近效应电阻远小于趋肤效应电阻，并且它相对于导线空间的小调整并无显著变化。趋肤效应电阻和邻近效应电阻两者都与频率的平方根成正比增加。因此，由相互绝缘的铜导线制成的扭绞双线的电阻基本上是由铜导线直径，即导线规格，确定的。

电容C是一种或多种绝缘材料直径与导线直径比值的函数，以及绝缘材料介电性能的函数。特别是对于最靠近导线的绝缘材料，要求绝缘材料有低介电常数值。介电常数相对频率确实是基本不变的。

电感L大致是由绝缘材料直径对导线直径的比值D/d决定的，电感相对频率基本是不变的。

电导G是由绝缘材料的耗散因子决定的。电导G由公式G＝D_f2πfC定义，其中D_f是耗散因子，f是频率，C是电容。

电导正比于频率增加。这样，因为电阻是正比于频率平方根，而其它项相对频率不变，所以随着频率上升，绝缘材料的耗散功率因子变得更加重要。

已确定使用无屏蔽电缆在中心办公室和局部回路中传输高频信号，每对扭绞双线的每根导线都具有一套有阻燃和适当低耗散因子特性的双重绝缘系统。适当低的耗散因子应是一个不超过大约0.004的值。对于高频信号的低损耗传输，绝缘系统还要求具有适当低的有效介电常数特性。绝缘系统适当低的有效介电常数是使高频信号沿每一导线对的传播速度至少等于0.65倍光速。适当低的介电常数是大约小于3的。聚氯乙烯的特征在于介电常数是3.5，而对于例如HALAR 含氟聚合物是2.6。

图3示出一个绝缘金属导线24的放大的截面端视图，该导线具有一绝缘系统，而该绝缘系统是阻燃的，且其特征在于有适当低的耗散因子和介电常数。每一绝缘金属导线24包括一金属部分26和一绝缘系统28。绝缘系统28包含一聚乙烯层30，其在一首选实施例中是一种线性低密度聚乙烯。对首选实施例中的聚乙烯来说，耗散因子大约为0.001，介电常数约为2.3。固体聚乙烯层30设置在阻燃聚乙烯塑料材料层32之内。一合适的阻燃聚乙烯可由联合碳化物公司（Union Carbide）名为Unigard HP

DGDB-1430的天然热塑阻燃材料中得到。依照ASTM D1531测试方法，这种材料在100KHz和1MHz的介电常数是2.59，耗散因子是0.0002。对于标记24的铜导线来说，有一外径为0.029英寸的聚乙烯层紧接金属导线。外径约为0.035英寸的层32包围着内层。阻燃聚乙烯塑料材料层的厚度约为0.003英寸。

令人意外的是每一绝缘导线的阻燃塑料材料的表层或外层可以相对地薄。或许人们会认为在压制这种材料的薄表层过程中将会有很大困难，而且在工业用火花试验中表层会被击穿。阻燃聚乙烯是一种含有添加剂的聚乙烯，在火花试验中，火花要击穿阻燃聚乙烯，添加剂相反地能使它通过火花试验。

本发明电缆的绝缘导线通过了工业火花试验是一个惊人的结果。由于绝缘系统的结构排列才得到这一结果。这表明在本发明的电缆的绝缘导线中，聚乙烯的固体内层阻挡了火花击穿覆盖其上的阻燃聚乙烯层。如若固体绝缘材料的内层没有合适的厚度的话，绝缘导线将不会通过火花试验。或者，如果绝缘系统仅包括阻燃聚烯烃材料，绝缘导线也不会通过火花试验。当然，一绝缘导线仅有一足够厚度，例如大约0.006英寸，的固体聚烯烃层是能够通过火花试验的。但它将没有合适的阻燃特性。

进一步说，已经发现双层绝缘系统，而不仅是简单应用两种材料，在实现所求性能方面是重要的。也就是说，已经得知带有固体聚烯烃和阻燃聚烯烃混合物的单层绝缘材料通不过火花试验。

另外，这种绝缘导线不但显示了很好的阻燃特性，且其传输质量仍很好。而以前应用的聚氯乙烯从阻燃的观点看是可接受的，但是因传输质量差而受损失。

这种导线绝缘系统的双绝缘结构在无屏蔽情况下，能用一足够薄的壁实现100欧姆的阻抗。另外，阻燃结构及双绝缘导线提供的介质强度比如果只用阻燃聚乙烯材料要高。

每一对导线22的扭绞特性，对于本发明电缆能基本无差错地以相对较高的速率传输，这也是重要的。对于本发明的电缆，已经发现每一导线对的扭绞长度不应超过线对中一根导线的绝缘材料外径的大约八十倍。显然对于技术熟练的人，这也是一个相对短的扭绞长度。在首选实施例中，每一导线对的扭绞长度不超过线对中单根导线的绝缘材料外径的大约四十倍。

绝缘系统与本发明的电缆的短扭绞结构相一致，这是有利的。绝缘系统的一种或多种塑料材料是这样的：它们在扭绞操作中不破裂。

本发明的导线对的短线对扭绞线减少了串扰，这是通过（1）减少一给定扭绞长度的一扭绞双线在靠边一对有不同扭绞长度的线对时的理想螺旋线失真和（2）增加线对之间的物理间隔，以减少“对间侵犯”（即一线对中一根导线与相邻线对的物理联系）。

对间侵犯是一个重要的值得考虑的问题。在现有技术中，似乎非常希望使相邻线对挤在一起以便在尽可能小的区域内增加线对的密度或数目。相对短的扭绞长度使一线对中一根导线与相邻线对中一根导线间的物理联系机会减至最少。

图4中示出了绝缘导线的两个线对的示意图。图4中的导线在此前已经提及并以标号24-24标出。每个线对中的导线间隔距离为“a”，线对中心间隔距离“d”等于“a”的两倍。线对间串扰正比于量a²/d²。相应地，随着导线中心之间的距离“d”加大，串扰减小。

在封装电缆芯线时，通常至少会有一个线对中一根单独的绝缘导线24侵入另一个线对的以外接圆定义的空间。但是，图4中的一个线对中的两个导线24都未侵入另一线对的外接圆空间34。平均说来，在电缆20中，沿着联结在一起的导线对的长度方向，线对中心间隔距离为“d”。这就降低了串扰。

具有长扭绞的导线对中因阻抗不均也发现有附加的损耗。当一线对侵入另一线对的空间时产生了阻抗不均。应用少于线对绝缘导线外径约八十倍的扭绞长度足以提高阻抗的均匀度，因而减少了由结构性变化而附加的损耗。

另外，已经发现取消对导线金属部分的镀锡可以提高本发明中的导线的性能。在现有技术中为了提高接触性，在导线上镀锡是很普遍的，特别是在用于中心办公室和/或众多数据传输系统中的导线。一镀锡或焊料层在高频引起电阻增加并由于趋肤效应而引起衰减增加。镀锡层的减少不仅改善了导线传输特性，而且导致成本降低。

在多个绝缘导线组成的线芯上压制一个外皮35。外皮35包括一特征在于耗散因子约小于0.01和介电常数约小于3的塑料材料。在首选实施例中，外皮还包括阻燃聚烯烃。在首选实施例中，外皮包括阻燃聚乙烯。

由阻燃聚烯烃材料制成的外皮，同时克服了现有技术的若干问题。在一无屏蔽电缆中，已经发现外皮的性质对于高频传输性能是重要的。不仅导线的绝缘系统对电缆的传输特性和耐高温性重要，而且外皮也有重要贡献。即使导线绝缘系统28在高频和耐高温性能方面具有令人满意的性能，外皮也必须不降低其性能并必须对电缆的整体耐高温性作出贡献。

以电缆的传输性能而言，有关绝缘系统具有高度可控的，接于金属铜导线上的，着色或未着色的材料也是重要的。当然，绝缘系统28的固体聚烯烃层30是能高度可控的。

考虑到着色的绝缘材料，包括这种导线的电缆的电性能是重要的。据认为，绝缘材料混合物中的颜料组合物会有损如前讨论的绝缘导线的电性能。全部着色的导线绝缘材料对电性能，例如电容，起相反作用。如上所述，获得较低的电容值导致较高的制造成本，而较高的电容值引起衰减增加。

可采取步骤以确使任何颜料材料与金属导线分隔开。这可用几种方法中的任一种来实现。例如，颜料材料可包含在绝缘材料的外层中，与阻燃聚烯烃混合在一起。

在另一种使任何颜料材料与金属导线相分隔的方法中，凭借一种所谓外涂层的系统，其中颜料材料被喷涂在，例如，绝缘材料的外表面上。见1991年6月18日以L.L.Bleich，J.A.Roberts和S.T.Zerbs名义公布的（美国专利）U.S.5024864，在此处引为参考。

一般地说，电缆20可用于将在一建筑物46的同一或不同楼层上的一个或多个计算机42-42，多个个人计算机43-43和外部设备44联成网终（见图5）。举例说，外部设备可以包括一台高速打印机。要求相互联接的系统要把对系统的干扰减到最小，以提供基本无差错的传输和很好的耐高温性能。

本发明的电缆20克服了传输中的有害效应。例如，对一种24AWG（美国线规）铜导线，100欧姆无屏蔽扭绞双线，本发明电缆出现以前的电缆的临界频率是16MHz，而本发明电缆得益的频率扩展到至少100MHz。

作为第一个有害的作用，考虑到由拧紧扭绞双线引起的现有技术的泡沫-表面层绝缘材料的内部破裂。这种拧紧扭绞线使导线更紧地移到一起，从而增大电容而减少了电感。增大的电容和减小的电感都增大了信号衰减，在16MHz和64MHz大约6%的衰减增加效应被观察到。

下一个，考虑由现有技术泡沫-表面层绝缘材料的PVC表层引起的损耗。尽管在绝缘材料表层的场是弱的，但在16MHz衰减增加约2%，在64MHz将增加约4%。

最后，考虑可能由于泄漏到有四个无屏蔽扭绞双线的电缆外皮中的电场可能引起的损耗。一种PVC外皮在16MHz观察到约2%的衰减增加，在64MHz会增加约4%。一种通常用于做建筑物电缆的外皮的含氟聚合物有很好阻燃特性，但其有不可接受的耗散功率因子并且会更多地增加衰减。

由PVC引起的百分比增量是在室温下的，例如，华氏75度。在稍提高的105°F温度下百分比增量将加倍。

这些衰减的积累效应在16MHz和室温下至少等于1.06×1.02×1.02的乘积为1.103。为补偿这些损失就要求导线直径和绝缘材料直径都以这个因子换算，这样将增加材料重量和成本1.103×1.103即1.216倍。这些衰减的累积效应在64MHz和室温下至少为1.06×1.04×1.04＝1.146，且影响到材料重量和成本的值为1.146×1.146＝1.314。显然，这些都不是重要的影响。

本发明电缆的抗干扰性也是突出的。扭绞双线的设计对于与其它线对上信号引起的干扰（串扰）提供了明显的隔离。在首选实施例中，与标准无屏蔽建筑物电缆相比，它减少了12dB电磁干扰（EMI）。这种改进归因于均匀的扭绞，一方面每一半扭线段都与其它的相似，另一方面线对的两极绝缘导线之间的间隔近似均匀。

图6是本发明电缆与现有技术电缆在配备最佳电子设备的条件下的回路长度/容量的理论曲线图。正如所见的，曲线50描绘了本发明的电缆理论上在回路长度为300英尺时能传输1000Mb/秒，而以曲线52表示的一般用于室内的电线电缆理论上有大约175Mb/S的容量。

Claims (10)

1、一无屏蔽、耐高温电缆(20)，其适合于传输高频信号，所说电缆包含多个绝缘导线的扭绞双线(22，22)，每一绝缘导线包含一细长的金属件(26)，一绝缘系统(28)和一个包围着所说的多个绝缘导线的塑料外皮(35)，所说的绝缘系统，其特征在于，一约小于0.004的耗散因子和一有效介电常数，其可使高频信号沿每一导线对的传播速度至少等于光速的0.65倍，所说的绝缘系统包括一个紧接所说细长的金属件的内层和一包含一种阻燃塑料材料的外层；所说的外皮包围着所说的多个绝缘导线，并包含一塑料材料，其特征在于，一适当低的耗散因子和介电常数。

2、权利要求1的电缆，其特征在于，每一线对的扭绞长度不超过所说每线对的一根绝缘导线外径的大约四十倍。

3、权利要求2的电缆，其特征在于，绝缘系统的介电常数约小于3。

4、权利要求1的电缆，其中所说的外皮包含一阻燃塑料材料，其特征在于，介电常数值约小于3且耗散因子约小于0.01。

5、权利要求1的电缆，其特征在于，所说的绝缘系统包含一紧接所说的细长金属件的内层（30），所说的内层由聚烯烃材料制成，并有一包含阻燃聚烯烃的外层（32），且其特征在于，所说的外皮是由阻燃聚烯烃制成的。

6、权利要求5的电缆，其特征在于，所说的每一绝缘材料层的内层包含聚乙烯，其特征在于，所说的每一绝缘材料层的外层包含阻燃聚乙烯，且其特征在于，所说的外皮包含阻燃聚乙烯。

7、权利要求5的电缆，其特征在于，所说的绝缘系统的所说的外层有一0.003英寸的厚度，其特征在于，细长金属材料的直径约为0.020英寸，且所说绝缘系统的内层厚度约为0.0045英寸。

8、权利要求5的电缆，其特征在于，每一线对的导线按一种扭绞频率间距扭绞在一起，以使相邻线对间的扭绞频率间距的增量不均匀。

9、权利要求5的电缆，其特征在于，导线对松散地封装在电缆芯中以使线对间结合最小，其特征在于，导线对是这样排列在一起的（见图4），每一线对被置于一个直径等于一根绝缘导线外径两倍的圆内，这个圆外切于每一线对的导线的截面，它基本上不会被任何相邻线对的外切圆妨碍。

10、权利要求5的电缆，其特征在于，每一根所说的金属导线由未镀锡的铜组成。

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