专利名称：优化局域网电缆性能的方法
技术领域：
本发明涉及由绞合线对制成的电缆。更具体地说，本发明涉及被设计用于高速数据通信地双心绞合线通信电缆。
背景技术：
双心绞合线电缆包括相互扭绞从而形成双导体组的至少一对被绝缘的导体。当多于一个的双心绞合线组被捆成一束或被一起拧成电缆时，便被称为多对电缆。在使用多对电缆的某种通信应用中，例如在高速数据传输中，如果在一个双心绞合线中传输的信号和在电缆中的另一个双心绞合线同时传输的信号在不同的时间到达目的地，则会出现问题。此外，当不同阻抗的两个或多个线对被耦联在一起而形成一个传输信道时，被传输的任何信号的一部分将被反射回连接点。由于在被捆绑成多对电缆的双心绞合线之间的阻抗不匹配而引起的反射，导致不希望的信号损失和不希望的传输误差，大大影响了数据传输的速度。
为了克服在被捆绑成多对电缆的双心绞合线之间的电耦合(即串扰)，已知的方法是捆绑双心绞合线，其中在多对电缆内的每对电缆要求具有不同的距离，所述距离被称为“绞矩长度”，以便完全围绕其中心轴线转动。绞矩长度还通过影响电缆的电容和电感而影响阻抗。电感和沿着导体长度取的双心绞合线导体之间的距离成比例，而在电缆中的电容部分地取决于电缆的长度。如同所理解的那样，当以小的绞矩长度的双心绞合线构成电缆，并且在多对电缆内双心绞合线之间的绞矩长度不同以便使串扰最小时，从双心绞合线到双心绞合线的绞矩长度的改变伴随着双心绞合线内的各个导线之间的物理间距的改变，借以影响电感。此外，如果每对包括不同的绞矩长度，则每对导体的螺旋长度变化很大，借以影响电容。
为了实现高速数据传输，在给定的多对电缆内的阻抗匹配是重要的。然而，因为在给定的多对电缆内对到对的电感和电容改变，所以对到对的标称的特征阻抗或“平均”阻抗可以是不被控制的。事实上，在以前公知的所有电缆内，在所有具有小的但是不同的绞矩长度的多对电缆内至少一些对的平均阻抗具有一种等于或超过工业上可接受值的趋向。
当前，在双心绞合线之间的平均阻抗在工业上可接受的值(根据TIA/EIA 568A-1)是100欧姆加减15％(100Ω±15Ω)。例如，在4对多对电缆中，4对中的每一对必须具有在工业上可接受值之内的平均阻抗。因而，在对间的阻抗可以改变多达30欧姆，或者大约27％。
因为数据传输速度已经接近每秒十亿字节的水平，这个速度是由于近来各种通信技术的发展可以达到的，在多对电缆内的双心绞合线之间的平均阻抗的变化已经发现大大影响数据的传输性能。因此，当前的对于较低数据传输速度制定的工业标准是不合适的。的确，在这些所要求的数据流水平下，只有在平均阻抗的变化不小于97.5欧姆并且不大于102.5欧姆(100Ω±2.5Ω)时才能达到实际的传输速度。
因而，在工业领域内进行了大量的尝试，试图减少在多对电缆内双心绞合线平均阻抗之间的变化，其中至少通过用实验方法改变绝缘的厚度。在一个尝试中，构成的电缆具有被分成两组双心绞合线的多条双心绞合线。两组双心绞合线的绝缘厚度按照经验被优化为在每组双心绞合线内的一个设置值，并且每条双心绞合线具有不同的绞矩长度。然而，即使微小的改变也总是需要大量的费时的附加的实验，以便找到可接受的适用于所述改变的电缆结构。
在另一个使平均阻抗最小的尝试中，双心绞合线内的导线沿着其长度连接，借以限制在双心绞合线内沿着其长度的导线之间的平均的中心到中心的距离，试图限制电感。其它的方法还试图修改双心绞合线之间的一种物理性能，包括修改绝缘材料的化学成分，对绝缘材料提供特定的化学添加剂，并调节绝缘厚度和绝缘密度。
发明概述
本发明的目的在于一种用于构成具有不小于97.5欧姆和不大于102.5欧姆(100Ω±2.5Ω)的平均阻抗的双心绞合线电缆的方法。具体地说，本发明的方法集中在由多条双心绞合线设计和构成多对电缆上，其中每条双心绞合线具有不同的绞矩长度。
按照本发明的方法，最长绞矩长度的双心绞合线被用作基本参考，并且改变每个附加双心绞合线的结构，从而较好地匹配该平均阻抗。具体地说，每条双心绞合线的被绝缘导体厚度Ti由以下关系确定
其中，
X＝最长绞矩长度的双心绞合线的绝缘厚度；
Yi＝第i个双心绞合线的扭绞比；以及
其中2≤Z≤10。
所述扭绞比Yi按下式求出
Yi＝L/Li，其中，
L＝最长绞矩长度的双心绞合线的绞矩长度，以英寸测出的；以及
Li＝第i个绞矩长度的双心绞合线的绞矩长度，以英寸测出的。
由按照本发明的多对电缆的设计和结构认识到，平均阻抗是电缆的一个非常重要的物理特性。通过把平均阻抗维持在97.5欧姆到102.5欧姆之间，能够获得最大的网络输出，同时数据不匹配问题被大大减少。
本发明的特征和其中的各个方面通过阅读以下的详细说明、权利要求书和附图可以看得更加清楚，附图的简短说明如下
图1是一通信电缆的切开的透视图2表示单条双心绞合线的导线的绝缘视图3是包括本发明第一实施例的4条双心绞合线的分解的侧视图。
图4a-4d表示在应用本发明之前图3的导线的平均阻抗。
图5a-5d表示在应用本发明之后图3的导线的平均阻抗。
优选实施例的详细说明
参见图1，用于局域网(LAN)的所谓的5类布线一般包括由被绝缘导体构成的多条双心绞合线20。在图1中，只示出了由护套26包封着的两对22，24。最一般地说，5类布线由4个单独的双心绞合线构成，虽然所述布线可以包括多于或少于所需的双心绞合线数。例如，这种布线经常被制成具有9或25个双心绞合线。所述双心绞合线可以选择地被包封在箔屏蔽28中，但是双心绞合线技术最通常都省略屏蔽28。
如图2所示，每条双心绞合线包括一对导线30，32。每个导线30，32包括各自的中心导体34，36。中心导体34，36可以是实心的金属、多股金属、合适的纤维玻璃导体、多层的金属或上述的组合。每个中心导体34，36被相应的介电材料或绝缘材料层38，40包围着。中心导体34，36的直径D用AWG尺寸表示，一般大约在18到40AWG之间，而绝缘厚度T一般用英寸表示(或其它合适的单位)。绝缘材料或介电材料可以是任何市场上可得到的介电材料，例如聚氯乙烯，聚乙烯，聚丙烯或氟共聚物(例如聚四氟乙烯)和聚烯烃。如果需要，绝缘可以是耐火的，为了减少构成一对的导线之间的串扰，已知的方法是使在电缆内形成的每条双心绞合线具有唯一的绞矩长度LL。绞矩长度LL被定义为为了使绝缘的导体对围绕中心轴线绕转一圈所需的距离。绝缘厚度T和中心导体直径D组合以限定一被绝缘导体的厚度Ti。如同可以理解的那样，通过改变T，D或改变两者的值可以使被绝缘导体的厚度Ti增加或减少。
在被绝缘导体中的信号衰减部分地取决于该导体的长度，也取决于其间的距离。结果，如果在单位长度的电缆上一对的绞矩长度小于其它对，则在较短的绞矩长度的双心绞合线中的每个导体的长度大于其它对中的导体的长度。因而，较短的绞矩长度的双心绞合线比其它对趋于更强地衰减信号。此外，具有较短的绞矩长度的那些导体比其它对被挤压得更紧，从而使在双心绞合线中的导体更紧密地靠在一起。事实上，当两个被绝缘导体被扭绞在一起时，被绝缘导体的厚度TI可以由于扭绞的紧密而减小，从而减小中心导体之间的距离。不希望的是，减小中心导体之间的距离也使衰减增加，同时使阻抗降低。事实上，随着绞矩长度变短，对到对的阻抗快速地减小。
因而，绞矩长度LL影响每对被绝缘导体的平均阻抗，绞矩长度LL越长，阻抗越高。
图3表示可以构成一根未屏蔽的双心绞合线电缆的4个双心绞合线42，44，46和48的例子。如上所述，为了减少对间的耦合或串扰，每条双心绞合线具有不同的绞矩长度。按照普通的电缆制造方法，导体对42，44，46和48具有不同的绞矩长度这个事实意味着两个导体之间的平均阻抗不同。具体地说，影响平均阻抗的两个因素即电感和电容在不同绞矩长度的双心绞合线之间变化很大。本发明克服了绞矩长度对平均阻抗的影响，从而减小了平均阻抗，并大大改善了网络的输出。
按照本发明，最长绞矩长度对(图3中的标号42)被用作基本参考，并且在给定电缆内的其它对的构造被改变，从而实现被匹配的阻抗。仅仅是为了说明的目的，以后假定利用本发明的方法构成具有4个双心绞合线的电缆。不过，应当理解，本发明的方法可以应用于具有任意数量的双心绞合线的电缆，使得在电缆内的平均阻抗匹配。
图4a-4d说明在应用本发明之前图3的导线的测量的平均阻抗，用于说明绞矩长度对阻抗的影响。在图4a-4d中，对于图3所示的每条双心绞合线，所示的阻抗(Ω)是频率(MHz)的函数，假定每对包括具有表1的栏2所示的绞矩长度的24AWG导体。测量的平均阻抗值如表1的栏4所示。
表1 作为绞矩长度的函数的平均阻抗
图4a-4d以及表1中所示的电缆在技术上满足在TIA/EIA 568A-1中提出的关于平均阻抗的工业采用的标准。如上所述，工业采用的标准要求在多对电缆内的平均阻抗为100欧姆加减15％(100Ω±15Ω)。如图4和表1所示，通过改变绞矩长度，可以相当简单而容易地满足所述的工业标准。不过，对于包括多于4个双心绞合线的多对电缆，当具有较多的双心绞合线，并且每对具有唯一的绞矩长度时，使平均阻抗匹配则更为困难。
此外，已经发现，工业采用的标准(100Ω±15Ω)不够严格，尤其是应用于极高速的数据传输电缆时(即每秒十亿个字节或更高)。当应用于每秒十亿字节的数据传输电缆(甚至较慢的速度传输电缆)时，在多对电缆内双心绞合线平均阻抗之间的小的差别将大大影响数据传输性能。本发明可以用于在所有电缆中的传输水平，特别是在达到每秒十亿字节的传输速度的电缆中。
已经发现，在多对电缆中的对之间的平均阻抗不小于97.5Ω，并且不大于102.5Ω(100Ω±2.5Ω)时，网络性能最佳。除去通过实验确定具有唯一绞矩长度的每条双心绞合线的物理性能之外，已经发现，通过满足以下关系，可以构成具有唯一的绞矩长度的在每条双心绞合线之间具有100Ω±2.5Ω的平均阻抗的多对电缆。
特别是，发现每条双心绞合线的被绝缘导体的厚度Ti是在多对电缆中的最长绞矩长度的双心绞合线的绝缘厚度的函数，表示如下
其中，
X＝最长绞矩长度的双心绞合线的绝缘厚度；
Yi＝第i个双心绞合线的扭绞比；以及
其中2≤Z≤10。
如上所述，Z的值可以在2和10之间，包括2和10，但是，最好是，Z处于3和5之间，包括3和5。此外，被绝缘导体的厚度可以通过增加中心导体的厚度D，因而相应地增加最长绞矩长度的绝缘厚度进行调节。
所述扭绞比Yi按下式求出
Yi＝L/Li， (2)
其中，
L＝最长绞矩长度的双心绞合线的绞矩长度，以英寸测出的；以及
Li＝第i个绞矩长度的双心绞合线的绞矩长度，以英寸测出的。
例1
假定双心绞合线的绞矩长度如上面表1所示，如果双心绞合线42的被绝缘导体厚度是0.0065英寸，双心绞合线44，46和48的被绝缘导体厚度是多少才能优化网络性能并使平均阻抗维持为100Ω±2.5Ω？
双心绞合线42具有最长绞矩长度，因此对42作为基本参考。作为第一步，必须按照式2确定绞矩长度比
Y46＝0.87″/0.74″＝1.176；(3)
Y48＝0.87″/0.58″＝1.5； (4)
Y44＝0.87″/0.49″＝1.776 (5)
对公式1应用等于4的中列数Z，求得
T46＝(0.0065)·Y461/4＝0.0068″(6)
T48＝(0.0065)·Y481/4＝0.0072″(7)
T44＝(0.0065)·Y441/4＝0.0075″(8)
图5a-5d表示按照例1构成的导线的测量的平均阻抗。在图5a-5d中，对于按照例1构成的每条双心绞合线描绘出了作为频率的函数的阻抗(欧姆)。测量的平均阻抗值示于表2的第4栏。
表2 在例1中计算的按照本发明构成的导线的平均阻抗
由图5a-5d可见，在期望频率的整个频谱上的平均阻抗被容易地维持在100Ω±2.5Ω的目标值。因而，通过对具有任何数量的双心绞合线的屏蔽和和未屏蔽的电缆应用式1和式2，可以预测具有唯一的绞矩长度的每个导线的平均阻抗。因此，高性能的多对电缆的设计就如同设计具有所需阻抗的第一双心绞合线那样简单，并且，然后，根据需要，可以把本发明的方法应用于许多另外的双心绞合线。
按照本发明进行的多对电缆的设计和制造认识到，平均阻抗是一种非常重要的电缆特性。按照本发明构成的多对电缆保持最终产品的平均阻抗不小于97.5欧姆，不大于102.5欧姆(100Ω±2.5Ω)。通过使平均阻抗保持在97.5欧姆和102.5欧姆之间，可以使网络输出最大，同时使数据的不匹配问题大大减小。
已经披露了本发明的优选实施例。不过，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。因此，应当研究下面的权利要求，以便确定本发明的内容和真正的范围。
权利要求
1.一种用于设计具有多条双心绞合线的数据传输电缆的方法，每个双心绞合线具有唯一的绞矩长度，所述方法包括以下步骤
识别每条双心绞合线的绞矩长度
识别具有最长绞矩长度双心绞合线的被绝缘导体的厚度；以及
作为最长绞矩长度的函数唯一地确定其余被绝缘导体的厚度，从而限制在双心绞合线之间的平均阻抗的变化。
2.如权利要求1所述的方法，其中其余导体的厚度按照以下关系确定式中，
X＝最长绞矩长度的双心绞合线的绝缘厚度；
Yi＝第i个双心绞合线的扭绞比；
其中2≤Z≤10；以及所述扭绞比Yi按下式求出
Yi＝L/Li，
其中，
L＝最长绞矩长度的双心绞合线的绞矩长度，以英寸测出的；以及
Li＝第i个绞矩长度的双心绞合线的绞矩长度，以英寸测出的。
3.如权利要求1所述的方法，其中Z具有3和5之间的值，包括3和5。
4.如权利要求1所述的方法，其中在双心绞合线之间平均阻抗的变化大约为3％。
5.如权利要求4所述的方法，其中平均阻抗是100欧姆，平均阻抗的变化是±2.5欧姆。
6.如权利要求3所述的方法，其中i＝4。
7.如权利要求2所述的方法，其中i＝4。
8.一种数据传输电缆，包括
多条双心绞合线，每个所述的双心绞合线具有唯一的绞矩长度，其中每条双心绞合线的双心绞合线被绝缘导体厚度的确定，作为最长绞矩长度的函数被唯一地预先确定，从而限制在所述双心绞合线之间的平均阻抗的变化。
9.如权利要求8所述的数据传输电缆，其中所述函数遵守以下关系式中，
X＝最长绞矩长度的双心绞合线的绝缘厚度；
Yi＝第i个双心绞合线的扭绞比；
其中2≤Z≤10；以及所述扭绞比Yi按下式求出
Yi＝L/Li，
其中，
L＝最长绞矩长度的双心绞合线的绞矩长度，以英寸测出的；以及
Li＝第i个绞矩长度的双心绞合线的绞矩长度，以英寸测出的。
10.如权利要求9所述的数据传输电缆，其中所述平均阻抗的变化被限制在大约为2％。
11.如权利要求4所述的方法，其中所述平均阻抗是100欧姆，并且所述平均阻抗的变化是±2.5欧姆。
全文摘要
本发明公开了一种构成具有不小于97.5欧姆和不大于102.5欧姆的平均阻抗的双心绞合线电缆的方法。最长绞矩长度的双心绞合线被用作基本参考，并且改变每个附加双心绞合线的结构，从而较好地匹配该平均阻抗。特别是，根据基本双心绞合线的构型调整每条双心绞合线的被绝缘导体厚度Ti。
文档编号H01B11/02GK1409863SQ00809180
公开日2003年4月9日 申请日期2000年5月24日 优先权日1999年5月28日
发明者罗伯特·D·凯尼, 吉姆·L·迪克曼二世 申请人:克罗纳数字通信公司