具有改进传输特性的双层绝缘双绞线电缆的制作方法

专利名称：具有改进传输特性的双层绝缘双绞线电缆的制作方法
技术领域：
本发明涉及可以用于高频应用的双绞线电缆。
直到现在还使用的传输系统仅仅只能以10Mbit/s进行工作并且不能使用所有符合现有标准的电缆的可用带宽。事实上，超过已安装网络的70％使用的以太网协议使用了有效四个的仅仅两对并且使用了半双工传输，例如，一对发送而另一对接收。
在最近五年里，以100Mbit/s工作的新的传输技术已经快速地扩展到市场。同时，具有超过当前EIA/TIA568A等级5标准(及相关附录)传输特性的改进的电缆也发展了。尽管现有标准许诺了执行的确保度，但电缆生产商还是开发了具有改进性能的电缆以保证适应未来的需求。另外，所述电缆制造过程中的加工变化和安装过程中进一步的处理都导致电缆性能的降低，因此，就需要超过现有标准的传输特性的出现。
最近，新的数据传输技术已经推动所述速度限于1Gigabit/s及更高。当应用双绞线电缆时，所述传输技术和现有100Mbit/s传输技术的某些技术需要在双工操作(双向传输)中利用全部四对电缆。这些新的协议显著地增加了双绞线电缆的传输性能需求使其超过了EIA/TIA568A等级5标准(及相关附录)。
首先，延迟偏移量或4对电缆中信号速度的差异不得不为最小以使所述四位信号在接收端快速反倒频入相关位序列。
为了获得4对双绞线电缆的有效最大带宽还需要双向传输的追加性能。这个需求引入了近端多对功率和的可能性，远端等电位和多对功率和等电位远端串音以及增加的回程损耗(由于阻抗不规则性)可能性将削弱传输性能。双绞线电缆不得不设计成具有低的和均匀的近端、远端串音并因此具有低功率和串音、远端等电位(小的衰减)及功率和等电位远端串音。
现有的EIA/TIA568A标准等级5E的附录已经考虑到了这些新的需求。然而，对于双绞线电缆还没有一致的标准，所述电缆将符合超过1Gbit/s的传输的要求。用于这样的新标准的第一草案C1引入了新的等级6的电缆系统并且具有它的ISO副本草案标准(ISO/IEC SC25 WG3提案)。
在市场中已经有一些电缆的设计声称符合甚至超过所述等级6的标准。声称具有千兆位容量的第一电缆设计由Belden Wire& Cable Company(Siekierka等人的美国专利US5606151)开发并使用了一组线对中两个绝缘导线的结合技术，通过使用粘合剂或通过联合挤压具有一非常小的联合网的两根绝缘导线。这个装置需要主要地改善纵向阻抗的均匀性使其小于+/-15欧姆，并最小化所述合成4对双绞线电缆的回程损耗。下面的事实解释了引起可观测的阻抗不规则性的降低的公开原因，当粘合线对被扭绞在一起时，由于扭绞力的差异，在扭绞过程中所述双绞线对的周期的和随机的不规则性消除了。还声称，在处理和安装过程中所述电缆抵抗变形作用。
另外，本发明所述电缆使用月牙状电缆结构由此每对线对保证了具有单一的管状槽。生产商要求，用于这个设计的改进的近端和远端串音性能。然而，如果没有明显的电性能的降低，每个管状槽不具有甚至是最小的直径变化，因此制造上述的结构是非常困难的。当电缆叠加在一起安装时，由于具有相同的绞层的线对之间的接近，对于削弱中间电缆的串音还有很大的可能，所述绞层仅仅由外壳厚度分隔开。剥离和安装所述粘合线对还是很困难的。关于降低串音损害的问题，这种设计不能提供任何附加优点。也不能消除由偏心的、椭圆形的或其他不规则地形成的绝缘体引起的阻抗的变化，Brorein等人的美国专利US5,767,441号声称，通过在双扭机器上扭绞绝缘导线之前预先扭绞绝缘导线或通过在单个扭绞处理中扭绞线对，而消除了上述这样的阻抗变化。这个过程放松了大量的装备，该设备为了生产商而设计成可以提供高性能反扭绞能力的电缆。另外，本发明公开了一种同在先的专利描述的电缆一样的扁平电缆结构。这种电缆的制造方法还易于引起线对槽尺寸的微小变化，因此，危及了合成4对电缆的传输特性。另外，由于通过DSP过滤不能电删除的中间电缆串音或“外来串音”，这种扁平设计的电缆结构提出了另外的传输问题。
具有中心元件的电缆的提议者提出了另一种千兆位性能要求的解决方案，由此，通过纵向中心元件(CommScope IsolatorTM设计，日立曼彻斯特HI-NETTM和其他设计)把所述双绞线分隔开。这个设计提供了降低串音损害的最大可能性但不能消除阻抗不规则性。完成并减慢四对线对环绕其对称排列的中心元件的插入的制造过程是很困难的。另外，所述电缆直径增加了至少20％。由于中心元件的附加成本和较高的外壳材料成本，所述电缆的全部成本也直接地增加了。
根据本发明，上述目的用一包括多个线对的双绞线电缆完成，所述的每一个线对包括两根导线，所述的每根导线由一内层绝缘体和一外层绝缘体包裹，所述导线关于所述内层和外层绝缘体的全部绝缘隔层偏心。
本发明还涉及一种制造上述电缆的方法。
图3是根据本发明的一个实施方式中形成双绞线电缆的两根导线的延展和扭绞示意图；图4a是根据本发明的一个实施方式中关于绝缘体的偏心导线示意图；和图4b是根据已有技术的双绞线电缆的示意图。
本发明优选方案的详细描述如前面所述，本发明涉及一种电缆，该电缆消除已有技术中所述电缆原有的许多问题而以前面所述的EIA/TIA标准的成本竞争方式充分减少串音的损害和阻抗不规则性。
根据本发明的一个主要方面，本发明的所述电缆包括多个线对。每个线对包括两根导线11，每根导线包括一内层绝缘体13和一外层绝缘体15。所述导线11关于全部绝缘体面积是偏心的，如图4a清楚地示出。因此，现在参考图4a，所述导线11相隔距离S1，该距离小于相临两个线对的导线11之间的距离S2。另一方面，所述导线11是不对称的，这样一组线对的导线11之间要比其与相临线对的导线更靠近一些，相对于导线11的外表面相接触。
在本发明的一个优选方面，每根导线11具有一内层绝缘体13，和一外层绝缘体15。更适宜的，所述绝缘层的一个具有一第一弹性模数，另一层具有一第二弹性模数，其中所述第一模数大于所述第二模数。因此，为了获得本发明的电缆，提供一种包括一导线的双绞线电缆，所述导线由一厚内层和一薄外层绝缘隔离(见

图1)。所述绝缘内层13可以从一组挤压聚合物中选择，当从1MHz到1GHz检测时，该挤压聚合物室温下具有超过64Kpsi的弹性模数，低于2.5的介电常数和低于0.0003的损耗系数。所述绝缘外层15可以从另一组挤压聚合物中选择，同样要求是热塑性弹性体，其具有室温下低于35Kpsi的弹性模数和相同的但不是必要的好的电特性(见图1)。
本发明公开内容的另一个实施方式中，一薄绝缘内层13从一组弹性体中选择，而相对高弹性模数聚合物应用于作为厚外层15(见图2a)。
本发明公开内容的第三实施方式中，一内部绝缘层13从一组弹性体中选择，相对高弹性模数聚合物应用于作为一中间层15并且一外层17从同样的一组挤压弹性体中选择，该组同所述内部绝缘层13应用的组一样(见图2b)。
弹性体的一个主要机械特性是在相对低的机械压力下承受弹性区域的相对高的应变以及在释放所述压力后完全恢复的能力。相反地，对于高模数材料，具有一个在相对高的压力下所述材料弹性运转的小的应变区域；超出这个区域，所述高模数材料就会发生永久地或塑性地变形。
本发明利用作为绝缘导线的外层或内层也可能是作为三层绝缘体的外层和内层的弹性体，在对绞和双机组的处理过程中产生一种结构，该结构被预先机械地加压并且将抵抗进一步的变形。得到的电缆将可以降低串音的缺陷和阻抗不规则性并且在包装和装配之后将保持它的特性。
在扭绞操作中，当单个绝缘导线接触上时，所述弹性外层就在铜导线全面延展变形之后进入所述高模数内层。如图3较好地显示的，具有绝缘层的导线11在扭绞装置松开时受纵向力F11和F21，横向力F12和F22。
当在所述处理过程中垂直合成拉力F12、F22太小而不能实现所述高模数层的有效弹性变形时，所述弹性层可以迅速地实现在扭绞处理之后仍处在弹性区域的永久变形。于是，在绞线挠性允许的范围内，前面描述的双绞结构构成了一机械预压缩结构并且将抵抗进一步的变形。
还发现，为了获得本申请公开的优点，所述外部或内部薄弹性层的厚度优选地至少是全部绝缘层厚度的15％。当双绞线电缆包括一内部和一外部弹性层及一中间挤压聚合层时也符合上述情况。因此，所述内部和外部弹性层的组合厚度优选地至少是全部绝缘层厚度的15％。为了获得所述的优点，在制作过程中作用于单个导线和双绞线的力F11、F12、F21、F22的强度也是非常重要的。应当指出的是所述系列力F11和F21与合成力F0相等。
如上面所述的合成双绞结构是不对称的，例如，在一对双绞线中的两个导线间的距离S1小于两对双绞线相临两导线间的距离S2(图4a)。在已有技术中，优选地同轴绝缘双绞导线具有对称结构，其中在一对双绞线中的两个导线间的距离S1等于两对双绞线相临两导线间的距离S2(图4b)。
这样的一组结构的直接优点是当所述电缆阻抗等于具有相同导线间距的电缆阻抗时，所述电缆对之间的距离就超出了具有对称对绞结构的电缆的标准间距。对和对之间的较大的间距引起电性能的改善，该改善产生了具有降低的串音损害和较低的信号衰减的电缆。这两个降低为所述合成电缆的噪声特性提供了一个大大改善的信号。例如，一个具有0.003”的弹性外层及全径为0.036”且其全部绝缘层厚度为0.008”的实验电缆在从1到300MHz的频率范围内与同样结构的标准电缆相比已经显示出了在近端串音中的至少35％的改善。
所述电缆的固有优点不局限于末级电缆串音和衰减特性的改善。绝缘导线结构中弹性层的存在在电缆随后的处理阶段产生了一个明确的优点。在绝缘处理过程中，弹性层将缓冲绝缘导线缠绕进卷线盘时产生的不可避免的拉力的变化。另外，在卷线盘上可以获得绝缘导线较好的缠绕。接着，所述较好的缠绕有助于扭绞处理，它可以降低所述线对中两个单独的绝缘导线之间的松开速度的变化。更重要地，所述的由在扭绞过程中机械装置的速度差异和不规则性引起的不可避免的拉力的变化可以由弹性层吸收同时限制了弹性层厚度的空间变化。因此，由于所述导线间距S1的可能变化的限制，所述电缆具有从0.772到350MHz的频率函数作为非常稳定的输入阻抗，所述间距局限于弹性层厚度。这个变化不超过0.0002”。已有技术(美国专利US5,606,151号)已经公开了这样的一种变化将导致6欧姆阻抗的变化，正好在EIA/TIA规范标准规定的最大+/-15欧姆的范围内。所述阻抗的稳定性也反映了一个事实，那就是所述电缆的回程损耗在没有任何的绝缘导线回绞的情况下是非常低的。实验结果表明，事实上，在回绞绝缘导线和非回绞绝缘导线之间几乎没有可辨别的差异。
还表明，通过改变扭力，可以得到如前面所述具有较薄的弹性层的同样的结果。这个意外的性质可以使设计者能够开发一种不用改变绝缘导线的全径就具有完美平衡阻抗性质的电缆。
意外地，所述电缆还具有非常低的延迟偏移量，例如，四组线对的传播速度之间的差异是最小的，完全在同样的草案C1所要求的范围内。这个特征反映了这样一个事实，那就是所述线对的信号衰减曲线几乎是一样的。如在本发明的背景技术中提及的，一个低延迟偏移量基本用于双向传输协议的操作。
所述电缆的全程传输特性在TIA/EIA568A所述等级6附录的最新草案C1所要求的范围内。
所述弹性层还可以用作颜料和阻燃添加剂的载体(但是仅仅是当所述弹性层作为外层时)。通过这样做，可以以一个添加剂的较低成本获得所述电缆电性能的一个附加改进，所述添加剂被分散到全部绝缘层中。在一个优选实施方式中，内层弹性体将组合具有极好的电介质性能的无机阻燃剂或其他阻燃聚合物颗粒同时外层将是具有低介电常数和损耗系数的阻燃聚合物。
另外，所述弹性层为了降低单独线对和合成4对双绞线电缆的信号衰减而可以是起泡的。起泡还可以增强弹性层的可压缩性，从而增强双绞线的不对称性。正是在前面披露的，本发明公开的特性减少了串音的缺陷。
公开的另一个实施方式是泡沫塑料面层绝缘导线，该导线由第一起泡层和具有非常低的弹性模数(15Kpsi或更低)的第二弹性层组成。传统的泡沫塑料面层绝缘设计的机械性脆性是众所周知的。在本发明所述设计中，弹性面层充当缓冲层，在随后的处理阶段该层机械性地保护易碎的泡沫层。
在STP(屏蔽双绞线)电缆和ScTP(过滤双绞线)电缆中不对称线对的设计是本发明理念的一个附加有利的应用。由金属隔离薄膜环绕的不对称线对将具有较低的衰减，并且具有高于标准线对结构的阻抗稳定性。在新近的STP电缆设计中，泡沫是被推荐的绝缘材料。因此，弹性顶层将有助于保护前面所述的起泡层。
不对称线对概念的另一个可能的应用是多对外部设备电缆的领域。国际互联网的广泛的穿透性已经提高了现有电话网的带宽的需求。所述网络的中继线段的解决方法是以光纤和/或同轴光纤技术的形式。有关将单一住宅和小办公室的分配完全转换成光纤所花费的巨额成本很成问题的。增强基于引入线的外部铜芯设备的性能是非常令人关注的成本有效解决方案。结合不对称线对概念的引入线将大大增加合成多对外部设备电缆的带宽，尤其是结合了金属屏的引入线。
可以理解的是本发明的一个重要方面是利用了两个不同的绝缘层，其中一个可以承受预定情况下的永久变形，而另一个则不能承受永久变形。尽管优选材料这里已经描述过了，但其他可以使用的材料以及符合本发明主题的材料对于本领域普通技术人员来说也是显而易见的。
尽管本发明在上文已经就其优选实施方式进行解释了，但应该指出的是任何在附属权利要求范围内的对于所述优选实施方式的修改都不认为是变更或变换了本发明的实质和范围。
权利要求
1.一种双绞线电缆，包括多个线对，所述每个线对包括两根导线，所述每根导线由一内绝缘层和一外绝缘层覆盖，所述导线关于所述内绝缘层和外绝缘层的全部绝缘层是偏心的。
2.一种双绞线电缆，包括多个线对，所述每个线对包括两根导线，所述每根导线由一内绝缘层和一外绝缘层覆盖，所述导线间距S1，该间距小于相临线对之间的导线间距S2。
3.一种双绞线电缆，包括多个线对，所述每个线对包括两根导线，所述每根导线由一内绝缘层和一定义了一外表面的外绝缘层覆盖，所述导线不对称以至于所述导线互相之间比其与相临线对的导线更靠近，相临线对在相对于所述导线的外表面相接触。
4.如权利要求1所述的双绞线电缆，其中所述导线互相之间比其与相对于所述导线的外表面之间更靠近。
5.如权利要求4所述的双绞线电缆，其中所述的内绝缘层是挤压聚合物，并且其中所述的外绝缘层是挤压弹性体。
6.如权利要求5所述的双绞线电缆，其中所述的挤压聚合物具有室温下大于64Kpsi的弹性模数，低于2.5的介电常数和在1MHz到1GHz之间低于0.0003的损耗系数；并且其中所述的弹性体具有室温下低于35Kpsi的弹性模数。
7.如权利要求4所述的双绞线电缆，其中所述的内绝缘层是挤压弹性体并且其中所述的外绝缘层是挤压聚合物。
8.如权利要求7所述的双绞线电缆，其中所述的挤压聚合物具有室温下大于64Kpsi的弹性模数，低于2.5的介电常数和在1MHz到1GHz之间低于0.0003的损耗系数；并且其中所述的弹性体具有室温下低于35Kpsi的弹性模数。
9.如权利要求4所述的双绞线电缆，其中所述的每根导线进一步包括一中间绝缘层，所述内绝缘层和外绝缘层是挤压弹性体并且其中所述的中间绝缘层是挤压聚合物。
10.如权利要求5所述的双绞线电缆，其中所述的挤压弹性体进一步包括用于颜料和阻燃添加剂的载体。
11.如权利要求5所述的双绞线电缆，其中所述的弹性体是起泡的。
12.如权利要求1所述的双绞线电缆，其中所述的弹性体是起泡的。
13.如权利要求5所述的双绞线电缆，其中所述的挤压聚合物是起泡的，并且其中所述的弹性体具有在室温下低于35Kpsi的弹性模数。
14.如权利要求7所述的双绞线电缆，其中所述的弹性体和所述的挤压聚合物是起泡的。
15.如权利要求5所述的双绞线电缆，其中所述的弹性体的厚度大于全部绝缘层厚度的15％。
16.一种制作双绞线电缆的方法包括(a)提供一第一和一第二导线，所述第一和第二导线的每根都由一内绝缘层和一外绝缘层绝缘，所述内绝缘层和外绝缘层的一个具有室温下低于35Kpsi的弹性模数，另一个具有大于64Kpsi的弹性模数；(b)以一个充分的角度扩展所述第一和第二导线并且通过许多充分的角度实现具有较低弹性模数的绝缘层的永久变形，但不够实现具有较高弹性模数的绝缘层的永久变形；和(c)将所述第一和第二导线扭绞在一起；和(d)制造具有多个所述对绞线对的电缆。
全文摘要
本发明涉及一种双绞线电缆，所述电缆能够消除现有技术中电缆固有的问题而以EIA/TIA标准的成本竞争方式充分降低串音损害和阻抗不规则性。本发明的双绞线电缆包括多组线对，每个线对都有两根导线。每根导线由一绝缘内层和一绝缘外层包裹。本发明在于将导线放置在绝缘层中，这样导致所述导线关于内绝缘层和外绝缘层的全部绝缘体是偏心的。本发明还涉及一种制造上述电缆的方法。
文档编号H01B11/00GK1449569SQ01813785
公开日2003年10月15日 申请日期2001年5月23日 优先权日2000年6月1日
发明者加威瑞尔·维克斯勒, 吉尔斯·盖奇诺 申请人:电缆设计技术有限公司