用于传输高频信号的绝缘金属导体双绞线及其制造方法

专利名称：用于传输高频信号的绝缘金属导体双绞线及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用于传输高频信号的绝缘金属导体双绞线及其制造方法。
在经济上也至关重要的一个技术目的是能够制造包含可以最大速率传输数据的尽可能细的绞扭绝缘金属双股导线的电缆。为了提供能够以最大速率将数字信号传输最远距离并且是尽可能小的双绞式电缆，为金属导线搜寻具有相当低的介电常数和低功率因素的绝缘材料。
仅在能够生产出电气平衡的线对时可实现相当高比特率传输的优点。线对平衡意味着一对中的某一绝缘导体应基本上与另一绝缘导体相同一困难的目标。除了良好的线对平衡，使比特率传输以及有效距离最大需要适当的串扰控制。这带来对短线对绞扭的需求从而增强该线对的电特性并防止线对变为非绞扭的情况。
此外希望能够目测辩别一对中一导线与另一导线。在绝缘导体的观测编码与形成电气匹配线对所需的线对平衡之间存在一个基本冲突。观测编码包括使一对中的一个绝缘导体以与同一线对中另一绝缘导体不同的外观出现。争取所要求的线对平衡包含使一对中的一个绝缘导体除外观之外与另一导体在各方面都相同。电气匹配的线对已获得很好的对平衡，即，两绝缘的导线对从同一绝缘生产线上的单导线长度中顺序截取。虽然电气匹配的线对产生非常好的对平衡，但所得两条导线为相同颜色使得从视觉上区分它们是不可能的。
对加色绝缘体重要的是包括这种绝缘导体的电缆的电特性。一个电特性是电容。电容是有些类似于载流导体周围存在的磁场的效应。该电容效应是由相邻表面比如线对中的金属导体上的静态电荷产生的。每当电流流过时电线及电缆实质上产生电容效应。尽管消除电容是不可能的，但可调整某些因素以达到可接受的水准。
已知为了区分线对中的一个导体与另一导体在绝缘材料中包含不同色彩的颜料兼顾了前述绝缘导体的电特性。其颜料全部扩散的导体绝缘材料对诸如电容的电特性有不利影响。不同颜色的颜料浓缩物影响电容且加工不同。获得较低电容值导致较高制造成本而较高电容值会使衰减增加。
例如，将着色材料加至移动绝缘导体的表面、可称之为外涂，已解决了将着色材料加至移动绝缘金属导体以及全部扩散于绝缘体的色料对绝缘导体电特性的影响的问题。见美国专利4877645。
实质性外涂降低了废品率，因颜料应用于已绝缘导体的外部因此免除了调整不同色彩的绝缘状态的必要性并无须因改变颜色浪费对挤压机多余的清洗。
对于外涂来说，有必要首先给绝缘材料染上白色浓缩物以遮掩铜导体。这里，注意到铜线可显著地从熟悉的光亮铜色变为暗紫褐色。由于许多要求的绝缘材料是相当透明的，形成不变的白基色有助于获得明亮的、易分辩的色彩。将例如外涂层放置在白色塑料材料上令人满意地产生易于区别的色彩。带有对绝缘材料的较佳附着性并以满意的产量进行生产。
先有技术的当前状况为存在可用于绝缘的优良材料以及使这些导体可辩别的方法。这些材料和着色方法在寻找可以最大速率远距离传输数字信号的绝缘金属导体上是先进的。
所要寻求并且现有技术所不具备的是电气匹配的绝缘金属导线对，该线对中的两个绝缘导体是可区分的。该区配线对最好是由在绝缘生产线上以顺序步骤处理的单条金属导线长度的连续部分制造的。另外所要寻求的是该线对的导体之间的差异而不会对被绝缘金属导体的电特性有不利影响。
用本发明电气匹配的绝缘金属导体双绞线已克服了现有技术的前述问题。本发明的目的是提供一种适用于传输相当高频率信号的电气匹配的绝缘金属导线对，所述导线对包含各含有金属导体的第一和第二绝缘的金属导线，以及覆盖金属导体的绝缘材料;所述匹配导线对的特征在于所述第一绝缘金属导线可区别于所述第二绝缘的金属导线，并且相对于第一绝缘金属导线和与之相关的任何可识别标记配置的绝缘材料的介电常数基本上等于相对于第二绝缘金属导线和与之相关的任何可识别标记配置的绝缘材料的介电常数;以及所述第一和第二绝缘金属导线还包含已在生产线上以单根形式绝缘的连续段金属导线的顺序部分。
本发明的另一目的是提供一种制造这种绝缘导体的方法。所述方法包含步骤在一段金属导线与绝缘材料来源之间产生沿着金属导体转角的纵轴方向的传输路径的相对运动;而将绝缘材料应用于该金属导线长度上的邻接部分以形成一绝缘金属导线，所述方法的特征在于以下步骤使该绝缘金属导线的一部分与其后续部分的绝缘材料相区别这样相对于所述部分金属导线和与之相关的任何可识别标记配置的绝缘材料的介电常数基本上等于相对于所述后续部分金属导线和与之相关的任何可识别标记配置的绝缘材料的介电常数;以及将该绝缘金属导线的邻接部分绞扭在一起以形成电气匹配的线对。
该方法还包括步骤在绝缘金属导线与着色材料源之间引起沿绝缘金属导线纵轴方向上传输路径的相对移动;同时控制第一着色材料至绝缘金属导线第一部的喷射模式以使第一着色材料施加于绝缘金属导体的第一部分;
控制第二着色材料至绝缘金属导线第二、后续部分的喷射图案以将第二着色材料施加于该绝缘金属导线的第二、后续部分;
卷取该段绝缘金属导线的第一和第二部分;以及将该段表面着色的绝缘金属导线的两个接续部分绞扭在一起以形成电气匹配的线对。
所述的方法的特征在于还包括步骤以如下方式操纵一种着色材料至该段绝缘金属导体第一部分的喷射图案，即至少每组喷射图案仅占居一个平面的区域以及每组喷射图案的方向与传送路径是预定角度，该组喷射图案在传送路径周围交错排列且一般等角隔开，当出现相对移动时用来防止不希望的绝缘金属导体摇晃，其中将一种着色材料从材料源移到集管头上并分布到每组喷嘴，所述方法还包括步骤将一屏蔽罩设置在绝缘金属导体与集管头的喷嘴之间，然后使另一种着色材料从与另一集管头相连的喷嘴射出并指向绝缘金属导体长度上的第二部分;然后卷取表面着色绝缘金属导体的第一和第二部分;以及将该段的两个接续部分绞扭在一起。
所述方法的特征还在于第一和第二组喷射图案与沿传送路径设置的每一集管头相关联，每组喷射图案沿传送路径间隔开，第一组喷射图案各在单一平面内并与传送路径保持预定角度。


图1是已包围塑料绝缘材料并提供有表面色料的绝缘金属导体双绞线的末端横截面图;
图2是两导体和一个屏蔽物的电原理表示并示出了其金属构件之间的电容;
图3是用于制造具有不同着色的接续部分的连续段绝缘金属导体的生产线的结构图;
图4是用于将着色材料施加于移动的绝缘金属导线的设备的透视图;
图5是用于将着色材料提供给移动的绝缘金属导线的多个喷嘴之一的放大示图;
图6是两组用于将着色材料施加于移动的绝缘金属导线的喷嘴配置的透视图;以及图7是包括用于改变施加于移动绝缘金属导线的着色材料的装置的色料施加设备的正面视图。
现在参见图1，其示出了总的以标号20表示的电匹配绝缘金属导体双绞线。双绞线20包括两个可区分的绝缘金属导线21-21，各包括一金属导电部分22，其已经以要求的绞扭长度绞扭在一起。该线对的每一绝缘金属导体可从视觉上与该线对的另一导体加以区别。
双绞线的电容平衡或非平衡已结合努力消除对声频和载频的干扰进行了长期研究。然而，随着发送频率的增加，电容平衡的一个方面、平衡的介电常数变得愈来愈重要。现在双绞线将用来传输每秒100兆位纤维分布数据接口(FDDI)信号并已证明适于转输每秒一千兆位的信号。一线对的两条导线的可区分绝缘体具有几乎相同的介电常数对转输这些频率是重要的。
下面参见图2，绝缘金属导线对的相互电容是一导线至另一导线的电容CD与每一导线对地的电容串联组合之和。线对的一个导体与另一导体的电容是重要的但不影响对地的电容。如果一个导体对地的电容CG1等于另一导体对地的电容CG2，则表明双绞线具有理想的电容平衡。假定该线对的组成部分是圆形的和同心的，对地的电容是导体直径、绝缘体直径、线对至地或屏蔽物的距离以及绝缘体的介电常数的函数。从声频到100KHZ左右，简单的电容平衡足以消除干扰。然而，随着传输频率增加和每一导线对地电容串联组合的增加，两个导体的绝缘体的介电常数差异愈加重要。
线对绝缘导体之间相等介电常数的重要性是两个参量的函数，即将要使用该线对的系统和该线对的设计。如下文将描述的，系统重要性的量度是信号源与接收机之间的波长数。
关于线对设计，两导线的绝缘体介电常数的相等在其中大部分互电容归因于导体之间电容的设计中是最不重要的，而在其中大部分互电容归因于导体对地的电容的设计中是最重要的。换言之，由比率CG/CD或CG/CD测量-设计相对介电常数变化的灵敏度。悬浮在空中的未屏蔽双绞线代表对介电常数变化最不敏感的设计。单独屏蔽的线对这些变化最敏感的设计。虽然这两极端设计可能因灵敏度大小的量级而不同，当以很高的比特率传输时对于任何双绞线设计来说一致介电常数变为重要。归因于各导体对地电容串联组合的互电容的比例越大，双绞线的导体绝缘层的介电常数之间的等同变得更为重要。
通过将两个同轴电缆绞扭在一起可形成具有仅由对地的电容组成的互电容无而任何直接导体对是导体电容的线对设计。众所周知同轴电缆中的高频信号以被介电常数的平方根除的光速传播。第一种是信号源与接收机之间的频率和距离是这样的，即在该间距中存在10个波长，第二种是信号源与接收机之间的频率和距离是在该间距中存在100个波长。在第一种情况下信号源与接收机之间相移为3600°。在第二种情况下信号源与接收机之间的相移为3600°。如果假定6°的相位差是临界的，第一系统要求两导体的信号速度之比达6/3600，或600分之1。第二系统要求信号速度之比达6/3600或6000分之一。这样，很显然信号源与接收机之间的波长数越大，相速度之间的比以及线对的两绝缘导体的介电常数变得越关健。
良好的线对平衡要求两个绝缘导体的绝缘导体直径与金属导体直径之比相同，并有基本上相同的介电常数，二者均可由本发明获得。相同介电常数是特别关键的，因为线对的每一导体传输一半信号，并且每一半必须保持相对另一半的相位。使导体绝缘以及使沿包含双绞线的两段诸如着色材料的任何辩别措施相同可获得相同介电常数。
参见图3，线状金属导体22沿绝缘作业线23从供给卷轴24移动并通过缩减该导线直径的牵引装置25。此后，在退火炉26中将它退火，然后冷却并再加热到所希望的温度，然后将其移入和通过挤压机28。
在挤压机28中，塑料绝缘材料被施加于移动导线包覆它以形成经绝缘的金属导体30。牵引装置、退火炉和挤压机的细节在现有技术中均是已知的此处不需要详细描述。然后，将塑料绝缘的导线移动通过冷却槽31经绞盘33到卷取装置35上。常规压印器32可用来将频带标记加至绝缘体。
绝缘材料最好是鲜明或非彩色或白色塑料含氟聚合物材料。记住这些准则，Teflon(聚四氟乙烯)塑料材料明显是最好的适用绝缘材料之一的实例。此外，就强度、阻止化学反应和阻燃性来说它是极好的材料。在最佳实施例中，该绝缘材料可以是过氟烷氧基四氟乙烯(PFA)，氟化乙烯-丙烯(FEP)或乙烯四氟乙烯共聚物(ETFE)。
聚四氟乙烯塑料材料可用白色浓缩物加色。仅具有白色绝缘材料的某些优点为易加工性能、易着色、铜易变性遮盖力以及电特性的一致性。某些不同于白色的彩色浓缩物更难于处理。而且，用彩色浓缩物构成的整个色彩调色会带来不希望的介电特性变化。
除聚四氟乙烯塑料外还存在受益于该制造过程和提供类似电特性优点绝缘材料。其它这类绝缘材料包括聚乙烯、聚丙烯及HALAR氟聚合物。
已证明聚四氟乙烯(teflon)塑料材料难于通过用彩色浓缩物彻底对整个绝缘体加色彩而变色。带来最多问题的那些颜色的色彩浓缩物具有两个溶解相位。如果温度上升到足以达到完全溶解、则产生气体;在较低温度，未溶解小块包含在绝缘体中。
通常已包含在绝缘体中的不同加色的彩色浓缩物之间的变化引起电容变化。然而，离金属导体距离越大，对电容的影响越小。因此，由于表面涂层至金属导体的距离，外涂绝缘导体的色彩变化性对线对的电容影响不明显。
在挤压机28与卷取装置35之间，着色材料37(见图1)比如在一层中被施加到塑料绝缘导线的外表面而形成可识别绝缘导体21。沿生产线23施加着色材料的位置取决于包含该压出物的塑料材料类型。因为在最佳实施例中，绝缘体包含无孔的氟聚合物，将着色材料加在挤压机28与冷却槽31之间的位置。
不管其位置，着色材料施加装置40包括在线23中并有效施加着色材料以基本上覆盖移动绝缘导体30的整个表面区域。有益地，施加装置40是非接触装置。该着色材料最好是诸如第3516号一类例如可从WestHanoverMass的GEMGravure公司购得的涂料。
如可在图4中最佳看到的，装置40包括连接到着色材料供应(源未示出)的集管头。集管头24为环形以允许塑料绝缘的导体通过其中向前。从集管头42的一侧伸出多个管状支承件44-44，其通过集管头连接到供应源。附着于每个管状构件44的是具有入口的喷嘴46，其入口通过有关管状构件与通路连通。
每一喷嘴46适用于提供色料的特定喷射图案。喷嘴46最好以单平面或片45(见图4和5)发射着色材料。
此外，每一喷嘴46固定在其相关联的管状构件上以在与塑料绝缘导线传送路径特定角α(见图5)的平面内发出其喷射。角α是这样的即喷射具有平行于绝缘导线传送路径的但方向与绝缘导线运动方向相反的分量。该角度α最好在105°到135°的范围内。由于喷射图案的方向，速度分量趋于提供对涂料的平滑作用由此防止过于堆积。结果是具有基本上均匀涂覆的表面。
还应观察到除了放置喷嘴的预定角度，还存在重要的关于它们位置的其它因素(再是图4和5)。首先，喷嘴沿塑料绝缘导线的传送路径交错排列。交错的布局防止喷射模式间的干扰。其次，在塑料绝缘导线的外围一般等角地隔开喷嘴。第三，离绝缘导线传送路径约1/2英寸隔开喷嘴。已发现当距离增加超过1/2英寸时，塑料绝缘体较少受到涂料覆盖。
用前述美国专利4877645中描述的装置可实现喷嘴靠近或远离绝缘导线21的移动。
从另一角度来说喷嘴46-46也是有益的。对塑料绝缘体均匀涂覆的重要性是当它通过施加设备前进时改进相对所不希望摆动的稳定性。已发现由于喷嘴46-46发射时的喷雾模式，塑料绝缘导线基本上无偏离所要求路径的任何摆动。
从附图应观察到喷嘴46-46设置在集管头42与卷取装置之间。已发现通过集管头42与挤压机28之间设置第二组喷嘴51(见图6)增强了着色操作。由标号50指出第二组喷嘴51。
不同于喷嘴46-46，各喷嘴50-50提供着色材料的纯粹锥形喷射图案53。每一喷嘴50形成中等到大滴的均匀喷雾。这种喷嘴是市场上可购得的，例如由Illinois，wheaton的喷射系统公司，指定FullJet喷嘴。在喷射图案外表面上相对线路之间的喷射角可在约40°到110°左右的范围内。
还如可从图6中所见，从集管头42突出的管状构件52支持各喷嘴50。提供给头42的着色材料流过每一管状构件52-52并到达喷嘴50-50。
配备喷嘴50-50以减小喷射图案中的干扰并增强塑料绝缘导线表面上着色材料的覆盖。如可在图6中所见，喷嘴沿塑料绝缘导线的传送路径交错从而隔开喷射图案。另外，在绝缘导线的传送路径周围设置喷嘴50-50，这样使每个指向不同的辐射方向，最好使它们关于移动导线等角地隔开。
尽管喷嘴50-50提高了塑料绝缘体表面区域覆盖，但它们还趋向于引起传输绝缘导线的波浪运动。然而，该影响被各形成面喷射的喷嘴46-46所减弱。
本发明的系统包括当绝缘导线继续沿传送路径移动时用于实现从一种着色材料到另一种着色材料的转换。第二集管头58(见图7)与集管头42相同并具有第一和第二组喷嘴。而且，安装供气缸62作往复运动的套罩60例如被放入两个集管头之间。可操作集管头58将色料供给相连的喷嘴已涂覆导线绝缘体。当需要改变颜色时，着色材料开始流向当前未使用的头20，并控制气缸使套罩移向图7中所示的右侧以使移动绝缘导线与头58的喷嘴46-46以及50-50隔绝。至套罩已从其移开的头42的着色材料被其相关联的喷嘴喷射到移动的绝缘导线上。不久之后，着色材料不再继续流向头58。
有益的是，可用套罩备罩帮助设备的清洁。当头42或58之一未使用且其喷嘴与移动的绝缘导线遮蔽时，清洗液流过管状构件和未使用头的喷嘴以清洗它们。
由于图7的转换设备，绝缘金属导体的连续段可具有施加于其长度上邻接部分的不同着色材料。随后，绝缘金属导体的两个部分彼此分开，用现有技术中的已知设备将这两部分绞扭在一起以形成相同流水线上由未引入其它变化的单根绝缘金属导体制造的电气匹配线对。
另一方面，当控制图2的转换设备从一个施加头变换到另一个时，控制自动卷取装置在预定时间后产生至另一卷取盘的转换。在转换到第二卷取盘之前由第一个头关色的绝缘导体段前进到一个卷取盘需要时间。接着，两个卷盘安装在绞扭装置(未示出)中，操作该装置使两段不同颜色的导体绞扭在一起。
由于前述方法的结果，形成电气匹配的双绞线。由相同挤压机把绝缘材料施加于金属导体段的邻接部分和着色材料施加于每一绝缘部分的外表面导致两着色绝缘导体之间基本上相等的介电常数。金属导体长度上的两个连续部分之间的区分能力的显著重要性在于能够迅速地从一种形式识别的应用转移到另一种的能力，比如快速改变着色材料的能力。
权利要求
1.一种适用于传输相当高频率信号的电气匹配的绝缘金属导线对，所述导线对包含各含有金属导体的第一和第二绝缘的金属导线，以及覆盖金属导体的绝缘材料；所述匹配导线对的特征在于所述第一金属导线可区别于所述第二绝缘的金属导线，并且相对于第一绝缘金属导线和与之相关的任何可识别标记配置的绝缘材料的介电常数基本上等于相对于第二绝缘金属导线和与之相关的任何可识别标记配置的绝缘材料的介电常数；以及所述第一和第二绝缘金属导线还包含已在生产线上以单根形式绝缘的连续段金属导线的顺序部分。
2.如权利要求1所述的匹配绝缘金属导体双绞线，其特征在于表面着色材料层基本上限定于各绝缘导体的绝缘材料的外表面使各金属导体至着色材料的距离最大，第二绝缘导体的着色材料可与所述第一绝缘金属导体的着色材料相区别。
3.如权利要求2所述的电气匹配双绞线，其特征在于每一绝缘导体的绝缘材料基本上是无孔的。
4.如权利要求2所述的电气匹配双绞线，其特征在于每一绝缘导体的所述表面层包含涂料。
5.一种制造电气匹配的绝缘金属导体双绞线的方法，所述方法包含步骤在一段金属导线与绝缘材料来源之间产生沿着金属导体转角的纵轴方向的传输路径的相对运动;而将绝缘材料应用于该金属导线长度上的邻接部分以形成一绝缘金属导线，所述方法的特征在于以下步骤使该绝缘金属导线的一部分与其后续部分的绝缘材料相区别这样相对于所述部分金属导线和与之相关的任何可识别标记配置的绝缘材料的介电常数基本上等于相对于所述后续部分金属导线和与之相关的任何可识别标记配置的绝缘材料的介电常数;以及将该绝缘金属导线的邻接部分绞扭在一起以形成电气匹配的线对。
6.如权利要求5所述的方法，包含步骤在绝缘金属导线与着色材料源之间引起沿绝缘金属导线纵轴方向上传输路径的相对移动;同时控制第一着色材料至绝缘金属导线第一部的喷射图案以使第一着色材料施加于绝缘金属导体的第一部分;控制第二着色材料至绝缘金属导线第二、后续部分的喷射图案以将第二着色材料施加于该绝缘金属导线的第二、后续部分;卷取该段绝缘金属导线的第一和第二部分;以及将该段表面着色的绝缘金属导线的两个接续部分绞扭在一起以形成电气匹配的线对。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于包括步骤以如下方式操纵一种着色材料至该段绝缘金属导体第一部分的喷射图案;即至少每组喷射图案仅占居一个平面的区域以及每组喷射图案的方向与传送路径是预定角度，该组喷射图案在传送路径周围交错排列且一般等角隔开，当出现相对移动时用来防止不希望的绝缘金属导体摇晃，其中将一种着色材料从材料源移到集管头上并分布到每组喷嘴，所述方法还包括步骤将一屏蔽罩设置在绝缘金属导体与集管头的喷嘴之间，然后使另一种着色材料从与另一集管头相连的喷嘴射出并指向绝缘金属导体长度上的第二部分;然后卷取表面着色绝缘金属导体的第一和第二部分;以及将该段的两个接续部分绞扭在一起。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于第一和第二组喷射图案与沿传送路径设置的每一集管头相关联，每组喷射图案沿传送路径间隔开，第一组喷射图案各在单一平面内并与传送路径保持预定角度。
9.如权利要求8所述的方法，其特征在于第一组喷射图案都具有纯粹的锥形。
10.如权利要求7所述的方法，其特征在于每一喷射图案的发射点与绝缘金属导体之间的距离是可以改变的。
全文摘要
用于形成绝缘金属导体的电气匹配线对的方法和装置。将绝缘材料加至一段线状金属导体的连续部分然后将着色材料施加于正沿传送路径移动的金属导体长度上的第一部分的塑料绝缘材料表面。提供设备用来使着色材料的供给与移动绝缘金属导体隔绝，然后将绝缘金属导体的第二部分暴露给不同着色材料。绝缘体和着色材料及它们相对绝缘体的配置是这样的，即该线对的一绝缘金属导体的介电常数基本上等于另一绝缘金属导体的介电常数。将绝缘金属导体长度上的第一和第二部分彼此分开并绞扭在一起形成电气匹配线对。
文档编号H01B11/02GK1068674SQ92105289
公开日1993年2月3日 申请日期1992年6月27日 优先权日1991年6月28日
发明者S·T·泽布斯, W·G·纳特, L·L·布莱希 申请人:美国电话电报公司