CN1357146A - 低延迟偏移的多对电缆及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种多对电缆,其具有外护套和具有不同绞矩长度并被设置在所述护套内的至少两对扭绞线电缆。每个扭绞线对的导线具有由绝缘材料包围着的导体,其中各个扭绞线对的导体具有不同的股扭绞长度。扭绞线对的绞矩长度和各个扭绞线对的导体的股扭绞长度相关联,以使该电缆的扭绞线对的相位延迟在一对于数据传输的可接受的范围内匹配。相反,在扭绞线对的绞矩长度被确定的场合下,各个扭绞线对的相应导体的股扭绞长度可以和扭绞线对的绞矩长度相关联,使得该电缆的扭绞线对的相位延迟在一对于预期应用的可接受的范围内。

Description

低延迟偏移的多对电缆及其制造方法

本申请要求在1999，5，28提出的序列号为60/136,674的名称为“低延迟偏移的多对电缆及其制造方法”的待审的美国临时申请的优先权。本申请还涉及1999，5，28提出的序列号为09/322857的名称为“优化局域网电缆性能”的待审的美国临时申请、1999，5，28提出的序列号为60/137,132的名称为“调谐的插塞式电缆”的待审的美国临时申请，和2000，5，25提出的序列号为09/＿＿的名称为“调谐的插塞式电缆”的待审的美国临时申请，这些申请的内容在此全部列为参考。

发明领域

本发明涉及由扭绞线对构成的电缆，更具体地说，本发明涉及适用于高速数据通信应用的由扭绞线对构成的电缆。

发明背景

传输数据和其它信号的一种方法是通过使用扭绞线对电缆。扭绞线对电缆包括至少一对彼此扭绞的被绝缘的导体，从而形成一由两个导体构成的对。实际上，大部分网络应用使用具有实心的和多股的导体的电缆。可以使用本领域中各种已知的方法排列和配置扭绞的导线对，使其成为各种高性能的传输电缆装置。一旦扭绞线对被配置而成为所需的“芯”，一般在扭绞的导线对上挤压一塑料护套，以保持它们的配置并作为保护层。当一个以上的扭绞对组被捆绑在一起时，构成的组合被称为多对电缆。

在扭绞线对的导线内的导体是多股的电缆布线装置中，在电缆配置中可以具有两个不同的但是相互作用的扭绞组。首先是构成扭绞线对的导线的扭绞。其次是在扭绞线对的每个单独的导线内，具有形成所述导体的导线股的扭绞。组合起来时，两组扭绞对通过扭绞线对传输的数据信号具有互相关联的影响。

利用多对电缆，在电缆的一端产生的信号在理论上应当同时到达相对端，即使它们沿着不同的扭绞对的导线传输。以纳秒为单位进行测量，响应所产生的信号在电缆内的扭绞线对之间的信号传输的时间差通常被称为“延迟偏移”(delay skew)。当由一个扭绞线对和另一个扭绞线对传输的信号的延迟偏移太大，并且接收所述信号的装置不能正确地重组所述信号时，将产生问题。这种延迟偏移产生传输错误或丢失数据。

此外，在高速数据通信应用中，随着数据输出量的增加，延迟偏移问题可能愈加严重。即使正确地重组传输的信号，但是由于信号的偏移而导致的延迟也是显著的，并且对输出信号具有不利的影响。因而，当由于需要增加数据的传输速度而在网络中使用更复杂的系统时，便提出了需要改进的数据传输。这种复杂的高速的系统需要具有较强的信号和最小的延迟偏移的多对电缆。

有若干的因素可以产生在信号传输中的时间差或者沿着在数据传输电缆中的不同的扭绞线对的偏移，所述扭绞线对的每一个可以具有不同的绞矩长度。所述因素包括：每个电缆的扭绞的数量或扭绞的程度或“绞矩长度”；扭绞线对和电缆的几何结构；所用材料的化学和物理特性；以及在形成扭绞线对的各个导体的线股中的扭绞的数量或扭绞对程度或“绞矩长度”。为了较好地区分扭绞线对的“绞矩长度”和导体的线股的“绞矩长度”，下面将线股的绞矩长度称为“股扭绞长度”。

当扭绞线对电缆用于高速数据通信应用时，控制影响信号传输的各种因素显得更加重要。因而，需要一种能够克服现有技术的限制而有效地控制和减少多对电缆内的延迟偏移的扭绞线对电缆。

发明概述

本发明意识到，若干因素会引起沿着多对电缆的不同的扭绞线对的信号传输的差异。例如，当其它因素相同时，来自具有较短的绞矩长度的扭绞对的信号比通过具有较长的绞矩长度的扭绞对发出的信号可能到达晚得多。这主要是因为需要增加的导线长度来提供较短的绞矩长度这个事实，或者换句话说，需要更多的导线来在给定长度的电缆上提供较短的或者“较紧密”的绞矩长度。同样，对于构成多股导体的扭绞线股也是同样的道理。

使用市场上可得到的仪器的标准的测试方法可以确定扭绞线对的信号传输特性。这种仪器的一个例子是网络分析仪，其可以确定扭绞线对的信号之间的相位差。相位延迟是简单的正弦信号通过扭绞线对的长度传播时被延迟的时间量的量度。延迟偏移或“偏移”是两个扭绞线对的相位延迟值的差。在具有两个以上的扭绞线对的多对电缆中，偏移的值由任何两个扭绞线对之间的相位延迟的最大差值表示。

为了解决延迟偏移问题，本发明使影响扭绞对的传输输出的几个重要因素相关联，从而有效地减小延迟偏移，并改进电缆的扭绞线对之间的定时。具体地说，本发明集中在设计和制造低偏移的多对电缆上，其中扭绞线对具有不同的绞矩长度与/或股扭绞长度。

按照本发明的教导，在多对电缆中的影响信号传输的扭绞线对的物理特性被考虑，并提供一种适用于高速数据传输的多对电缆，其中扭绞线对的绞矩长度和扭绞线对内的导线导体的股扭绞长度相关联，并被合适地匹配，以减少相关联的延迟偏移量。因此，具有本发明特征的多对电缆，包括一外护套和被包封在所述外护套内的至少两对具有不同绞矩长度(lay length)的扭绞线电缆。每个扭绞线对的导线具有由绝缘材料包围的导体，其中各个扭绞线对的导体具有不同的股扭绞长度(strand twistlength)。扭绞线对的绞矩长度和各个扭绞线对的导体的股扭绞长度相关联，以使该电缆的扭绞线对的相位延迟在对于数据传输的可接受的范围内相互匹配。相反，在扭绞线对的绞矩长度被预先确定的场合下，各个扭绞线对的相应导体的股扭绞长度可以和扭绞线对的绞矩长度相关联，以使该电缆的扭绞线对的相位延迟处于对于特定的应用在一可接受的范围内。

作为例子，当所有其它因素大致相同时，由具有相对于其它扭绞对的股扭绞长度较短的股扭绞长度的导线股构成的导体的导线，将被包括在具有较长的绞矩长度的扭绞对中。相反，具有较长的股扭绞长度的多股导体的导线将被包括在具有较短的绞矩长度的扭绞对中。通过利用具有紧密的扭绞对的较长的股扭绞长度和具有较长的扭绞对的较短的扭绞的股扭绞长度，延迟偏移的量被大大减少，这是因为信号通过的路径长度，当作为“阻抗”测量时(或者作为“电容”测量时)，在对之间几乎相等。通过应用这种方法，在电缆的一端产生的信号在理论上应当同时到达相对端，即使它们沿着不同的扭绞线对传输。

此外，按照本发明构成的多对电缆可以被设计来满足高速数据传输的苛刻的规范，例如5类电缆(Category 5 cable)，并且可以满足某些应用所需要的严格的防火和无烟要求。

附图简述

由以下本发明的详细说明和附图可以更清楚地看出本发明的许多特征和优点，其中：

图1是按照本发明一个实施例的多对电缆的一部分的透视图，其中所述电缆具有4个扭绞线对；

图2是一对扭绞的绝缘导线的一部分的透视图；以及

图3是一多股导体的一部分的透视图。

优选实施例的详细描述

图1表示具有被设置在外护套12内的4对扭绞的导线的数据传输电缆10的一部分。扭绞线对16的各个导线14由被绝缘材料20包围着的导体18构成。可以用于形成导体18的一些可接受的导电材料的例子包括铜、铝、敷铜的钢和镀铜。已经发现，铜是最佳的导体材料。

每个扭绞线对16也可以单独地或者集体地被裹在箔屏蔽内或其它类型的常规的屏蔽内作为附加的保护，但是图1所示的电缆10没有所述屏蔽。一般地说，在局域网(LAN)中使用4组扭绞线对16。不过，电缆10可以包括任何数量的扭绞线对。

借助于常规的处理，外护套12被形成在扭绞线对16和选择的箔屏蔽(未示出)上。用于形成外护套12的比较常用的一些处理的例子包括注入模制和挤压模制。最好是，外护套12由塑料材料制成，例如氟聚合物、聚氯乙烯(PVC)或适用于通信电缆的PVC的等效物。

绝缘材料20保护导体18和在导体18内传输的信号。绝缘材料20的成分是重要的，因为选择的绝缘材料20的介电常数将影响信号通过导体18传输的速度。绝缘材料20可以是挤压的聚合物层，其可以被制成实心的或者泡沫塑料的。可以使用在导线和电缆制造中使用的任何常规的聚合物，例如，聚烯烃或氟化聚合物。可以使用的一些聚烯烃包括聚乙烯和聚丙烯。不过，当电缆被用于具有好的耐火性并要求低的生烟特性的环境中时，使用氟化聚合物作为一个或几个导体18的绝缘材料20是合适的。在绝缘材料是泡沫塑料的情况下，在处理期间添加常规的起泡剂。

如图2所示，其中更详细地示出了常规的扭绞线对16的一部分。扭绞线对16中的各个导线14沿着被称为绞矩长度的预定长度围绕公共轴线被“扭绞”360度即一圈。标号为L1的尺寸代表所示的扭绞线对16的一个绞矩长度。结合本发明的实施，重要的是指出，通过使用许多常规的方法本领域的技术人员可以配置特定的绞矩长度。

如图3更清楚地表示的那样，扭绞线对的导线14的导体18可以由多个导线股22构成。虽然图中只示出了4个导线股22，但是在理论上多股导线可以由任何数量的股构成，但一般由7股或9股构成。虽然所示的导线股具有圆形的截面，但是股22和导体18的截面形状一般没有特定限制，因此，可以用许多不同的截面形状来实施。形成导体18的股22可以具有不同的直径，并且可以选择地涂覆金属或非金属涂层。如同扭绞线对16一样，多股导线18沿着一个预定长度围绕一个公共轴线被扭绞360度即一圈，所述预定长度下面被称为“股扭绞长度”。导体18的股扭绞长度如图3所示，其标号是STL，本领域的技术人员可以把所述股扭绞长度制成一个规定的长度。

再次参见图1，所示的电缆10的一些扭绞线对16的绞矩长度是不同的。本领域的技术人员公知，扭绞线对16的绞矩长度的不同将使得在给定长度的电缆上信号在各个扭绞线对中传输所经过的距离不同，因而引起扭绞线对之间的相位延迟的不同，或者在工业上被称为“延迟偏移”。不过，按照本发明的一个方面，借助于使扭绞线对的绞矩长度和各个扭绞线对的导体的股扭绞长度相关联并进行控制，可以使所述延迟偏移匹配。此外，按照本发明的另一个方面，借助于使导体的股扭绞长度和各个扭绞线对的绞矩长度相关联并进行合适地“配对”，可以使得延迟偏移匹配。此处使用的术语“匹配”旨在包括每100米长度的电缆小于25纳秒的相位延迟差异或延迟偏移。

实例1

作为第一个例子，一种多股导体，一般由7股的32AWG导线构成，被扭绞而形成第一中心导体。第一中心导体的绞矩长度(股扭绞长度)在0.5到1.5英寸之间。然后对第一中心导体加上绝缘而形成被绝缘的导体。然后，两个绝缘的导体被配对并扭绞在一起而形成第一扭绞对。最好是，扭绞的中心导体的股扭绞长度是扭绞对的绞矩长度的0.5到1.5倍。可以增加一个附加的扭绞对而形成电缆，并且每个附加的扭绞对可以具有和第一扭绞对不同的绞矩长度。在这种情况下，第二扭绞对可以包括具有小于第一中心导体的选择的股扭绞长度的股扭绞长度的中心导体，只要第二扭绞对的绞矩长度大于第一扭绞对的绞矩长度即可。

实例2：

一种电缆由4个扭绞对构成(对1-4)，其具有表1所示的特性：

表1  实例2的电缆的特性

对#	中心导体的股扭绞长度(英寸)	扭绞线对的绞矩长度(英寸)
			1	0.33	0.87
2	0.36	0.74
			3	0.40	0.58
4	0.50	0.49

中心导体外径：                      0.24”

被绝缘的导体外径：                  0.40”

扭绞线对外径：                      0.80”

电缆的总外径：                      0.250”

当按照例2所述构成本发明的电缆时，本发明的电缆可以实现具有100±3Ω的相关阻抗的12.5±0.5pF/ft的电容，借以减少并基本上消除延迟偏移及其相关的数据损失。表1还表示中心导体的股扭绞长度和被绝缘的导体的扭绞对的绞矩长度之间的相反的关系，其中使用具有较短的绞矩长度的较长的股扭绞长度，以便均衡扭绞对之间的电容。还应当注意，0.24英寸的中心导体外径是在导线股被压缩以便消除间隙和其间的空隙的间隔之后进行测量的。不过，为了达到所需的传输特性，并不需要压缩。

如前所述，借助于合适地控制扭绞线对和多股导线的物理构型，可以使两个扭绞线对的相位延迟较好地匹配。例如，由两个扭绞线对的股扭绞长度相对于一个扭绞线对的绞矩长度的不同而引起的相位偏移或延迟偏移的量可以通过实验或者通过计算确定，并且可以通过选择对于其它扭绞线对16的合适的相关的的绞矩长度进行补偿。相反，如果给定应用的扭绞线对16的绞矩长度被预先确定，则可以这样确定具有合适的股扭绞长度的导体的导线的选择，使得较好地控制由所述特定电缆的构型引起的延迟偏移量。

在具有两个以上扭绞线对的多对电缆中，偏移值由在任何两个扭绞线对之间的相位延迟的最大差值表示。在这种情况下，相位的最大差值将通过改变扭绞线对的绞矩长度与/或股扭绞长度进行调整，直到延迟偏移的量在每100米长的电缆25纳秒的可接受的范围为止。

为了进一步改进或减少和多对电缆的设计相关的延迟偏移量，可以处理影响信号传输的其它因素，以便改善或者特意减慢信号在个别扭绞线对16中的传输。通过结合绞矩长度和股扭绞长度的相关性“抓住”其它因素，网络设计者可以进一步改善电缆的信号传输特性。这种改变例如可以包括利用金属或非金属涂层涂覆导体18的导线股22，提供具有相同或不同截面直径的导线股22，对导体18利用不同的或者修改过的绝缘材料，以及提供包围着导体18的由不同的并且改变的厚度值构成的绝缘材料20。

按照本发明制成的电缆借助于利用紧密的扭绞对的较长的股扭绞长度和较长的扭绞对的较短的股扭绞长度有利地显著减少了延迟偏移的数量。用这种方式，在不同的扭绞对之间的电容值被最佳地匹配。因而，在电缆的一端产生的信号在理论上应当同时到达电缆的另一端，即使它们沿着不同的扭绞线对传输。在任何情况下，均可以设计一种在电缆内的任何两个扭绞线对之间的延迟偏移足够小的电缆，使得接收所述信号的装置能够重组所述信号，借以消除数据丢失。

虽然已经说明了本发明的优选实施例，但是本发明不限于所述的实施例，这些实施例仅仅说明用于实施本发明的最好方式。本领域的普通技术人员应当认识到，按照本发明的教导可以作出各种改变和改型，这些改变和改型都落在由所附权利要求限定的本发明的范围内。

Claims (25)

1.一种适用于高速数据传输的低延迟偏移的扭绞线对电缆，包括：

具有第一绞矩长度的第一扭绞线对，其中的导体由具有第一股扭绞长度的多个第一导线股构成；以及

具有第二绞矩长度的第二扭绞线对，其中的导体由具有不同于第一扭绞线对的股扭绞长度的第二股扭绞长度的多个第二导线股构成；

其中第一和第二导线股的绞矩长度和第一、第二扭绞线对的股扭绞长度相关联，以使所述第一和第二扭绞线对的相位延迟在对于数据传输的可接受的范围内相匹配。

2.如权利要求1所述的低延迟偏移的电缆，其中所述股扭绞长度和所述绞矩长度成反比。

3.如权利要求2所述的低延迟偏移的电缆，其中所述股扭绞长度大约在0.5和1.5英寸之间。

4.如权利要求1所述的低延迟偏移的电缆，其中所述第一和第二股扭绞长度大约分别是所述第一和第二绞矩长度的0.5到1.5倍。

5.如权利要求1所述的低延迟偏移的电缆，其中所述电缆包括至少一个具有一绞矩长度的附加的扭绞线对，其中的导体由具有一股扭绞长度的多个导线股构成，并且其中，附加的扭绞线对的绞矩长度和股扭绞长度和至少一个其它的扭绞线对的绞矩长度和股扭绞长度相关联，以使附加的扭绞线对的相位延迟在对于数据传输的可接受的范围内相匹配。

6.如权利要求1所述的低延迟偏移的电缆，其中所述电缆的每个导体包括一绝缘的外层。

7.如权利要求1所述的低延迟偏移的电缆，其中所述电缆包括一由塑料材料制成的外护套。

8.如权利要求7所述的低延迟偏移的电缆，其中所述塑料从由氟聚合物、聚氯乙烯和聚氯乙烯掺合聚合物组成的组中选择。

9.如权利要求7所述的低延迟偏移的电缆，其中所述外护套被模制在所述第一和第二扭绞线对上。

10.如权利要求1所述的低延迟偏移的电缆，其中所述导体从由铜、铝、敷铜的钢和镀铜构成的组中选择的材料组成。

11.如权利要求1所述的低延迟偏移的电缆，其中绝缘材料由聚合物构成。

12.如权利要求11所述的低延迟偏移的电缆，其中该聚合物从由聚烯烃和氟化聚合物构成的组中选择。

13.一种适用于高速数据传输的低延迟偏移的扭绞线对电缆，包括：

第一组扭绞线对，每个扭绞线对具有一预定的绞矩长度，每个导线具有由绝缘材料包围着的导体，其中所述导体由第二组导线股构成，每个导线股具有一预定的股扭绞长度；

其中每个导线对的每个股扭绞长度和每个所述扭绞线对的所述绞矩长度相关联，以使所述每个扭绞线对的相位延迟在对于数据传输的可接受的范围内相匹配。

14.如权利要求13所述的低延迟偏移的电缆，其中所述股扭绞长度和至少一个所述的绞矩长度成反比。

15.如权利要求13所述的低延迟偏移的电缆，其中每个扭绞线对的电容是12.5±0.5pF/ft。

16.如权利要求13所述的低延迟偏移的电缆，其中所述股扭绞长度大约在0.5到1.5英寸之间。

17.如权利要求16所述的低延迟偏移的电缆，其中所述第一和第二股扭绞长度大约分别是所述第一和第二绞矩长度的0.5到1.5倍。

18.如权利要求17所述的低延迟偏移的电缆，其中所述的第一组是4个，并且其中第一扭绞线对的导线具有0.87英寸的绞矩长度和0.33英寸的股扭绞长度，第二扭绞线对的导线具有0.74英寸的绞矩长度和0.36英寸的股扭绞长度，第三扭绞线对的导线具有0.58英寸的绞矩长度和0.40英寸的股扭绞长度，第四扭绞线对的导线具有0.49英寸的绞矩长度和0.50英寸的股扭绞长度。

19.一种用于制造适用于高速数据传输的低延迟偏移的扭绞线对电缆的方法，包括：

提供具有第一绞矩长度的第一扭绞线对，并且，其中的导体由多个具有第一股扭绞长度的第一导线股构成；

提供第二导线对，其中的导体由具有不同于第一股扭绞长度的第二股扭绞长度的多个第二导线股构成；以及

扭绞第二导线对以提供第二绞矩长度，其中第一和第二扭绞线对的相位延迟对于数据传输在一个可接受的范围内匹配。

20.如权利要求19所述的方法，还包括围绕每个导体设置绝缘材料的步骤。

21.如权利要求19所述的方法，其中所述方法包括根据在第一股扭绞长度、第二股扭绞长度和第一绞矩长度之间的相关性计算第二扭绞线对的绞矩长度的步骤。

22.如权利要求19所述的方法，其中所述方法包括提供外护套的步骤。

23.如权利要求19所述的方法，其中提供至少一个附加的扭绞线对。

24.如权利要求20所述的方法，其中扭绞线对的绞矩长度和股扭绞长度相匹配，以使该电缆的至少两个扭绞线对的电容在12.5±0.5pF/ft之内。

25.如权利要求22所述的方法，其中扭绞线对的绞矩长度和股扭绞长度相匹配，以使该电缆的任何两个扭绞线对之间的最大相位延迟在一可接受的传输范围内。

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