CN1630915A - 数据传输电缆 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种数据传输电缆等，其包含减小数字信号传输中电缆衰减的频率依赖性、从而抑制信号衰减的结构。所述数据传输电缆包括至少一对导体，每个所述导体覆有一个绝缘层并且沿着一个预定的方向延伸；和一个屏蔽带，该屏蔽带设置成包围所述导体，并且所述屏蔽带包括一个金属层。特别是，在所述屏蔽带中，所述金属层具有大于等于1μm而小于等于10μm的厚度，该厚度最好为大于等于2μm而小于等于6μm。

Description

数据传输电缆

技术领域

本发明涉及一种具有适用于数字传输的结构的数据传输电缆等等。

背景技术

作为数据传输电缆，一种差动数据传输电缆，例如包括这样一种结构：配备了一个屏蔽层，以包裹一对导体，这对导体各自都覆有绝缘体。由于屏蔽层本身不可能是理想导体，因此当在该屏蔽层上形成电场时，就在该屏蔽层上产生涡旋电流(eddy current)。我们知道，由于产生了如此约束在屏蔽层中的涡旋电流而造成的焦耳损耗，会造成视在导体电阻(apparent conductorresistance)的增大。

按照传统的做法，要减小这一焦耳损耗，必须降低屏蔽层的欧姆值，据此方法，例如，已经采用了诸如使用高电导率的金属薄膜作为屏蔽层或者制备具有例如足够厚度的屏蔽层之类的方法。

发明内容

本发明人对传统的数据传输电缆进行了研究，结果发现了下述问题。就是，由于趋肤效应(skin effect)，当频率较高时，在屏蔽层中产生的涡旋电流分布得非常接近表面，同时该电流具有与所传输的信号相同的频率。因此，当频率较高时，焦耳损耗会变得较高，从而当频率较高时，导体电阻(Ω/m)变得较大，如图1中的曲线G100所示。明确地讲，当用于信号传输的频带较高时，较厚的屏蔽层的效果会减弱。

在使用传统的数据传输电缆进行的数字信号传输中，通常会存在这样一个问题，由于导体电阻取决于频率(图1中的曲线G100)，导体电阻的增大会造成信号劣化，因此很难在较高频带端保持令人满意的传输质量。

为了克服上面提到的这一问题，本发明的一个目的是，提供这样一种数据传输电缆，该电缆包括用于通过改善数字信号传输中电缆衰减对频率的依赖性来抑制信号失真的结构；和一种通信方法、一种系统以及一种配备有连接器的缆线，利用了所述数据传输电缆的。

为了实现上述目的，按照本发明的数据传输电缆具体针对一种差动数据传输电缆，该电缆能够产生减小频率依赖性的良好效果，而且在100Mbps到3Gbps的传输频带内效果更佳。它包括至少一对导体，每个所述导体都覆有一个绝缘层并沿着一个预定的方向延伸；和一个屏蔽带，所述屏蔽带设置成包围所述绝缘导体，该屏蔽带包括一个包裹着所述绝缘导体的金属层。特别是，在所述屏蔽带中，包裹着所述绝缘导体的所述金属层具有大于等于1μm而小于等于10μm的厚度，该厚度最好为大于等于2μm而小于等于6μm。

这里，下述公式(1)给出了作为金属层厚度的趋肤厚度(数字信号传输在屏蔽带上伴生的涡旋电流分布深入到屏蔽带中的深度)：

$\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}\·\mathrm{\δ}\·\mathrm{\μ}\·f}}---\left(1\right)$

其中f是所传输的数字信号的基频(Hz)，δ为所述金属层的电导率(欧姆/m)，而μ为所述金属层的磁导率(H/m)。

这里，针对所述传输的数字信号，将所述金属层的厚度设计为大于等于由上述公式(1)给出的趋肤厚度的50％而小于等于该趋肤厚度的300％。

包含具有上述金属层的屏蔽带的数据传输电缆能够减小约束在所述金1属层中的涡旋电流，但并不能根本防止涡旋电流的产生。因此，本发明对屏蔽带，尤其是所述金属层的厚度进行控制，以有意识地分别增大和减小较低和较高频带端上的导体电阻，如图1中的箭头A1和A2所示，从而实现在整个信号波长段内减小电缆衰减对频率的依赖性，即，增益平化。按照本发明的数据传输电缆使用了这样一种技术：尤其是在较低频带端，积极地利用了由约束在屏蔽带所包含的金属层中的涡旋电流产生的导体电阻，以致无需直接传送任何信号，不管金属层接地与否都可以获得同样的效果。用于按照本发明的数据传输电缆的传输频带包括至少较低频带(在该频带中导体电阻得到提高)和较高频带(在该频带中，导体电阻得到降低)之一。就是说，本发明的范围包括用于减小频率依赖性的结构和应用。

所述屏蔽带既可以由金属层单独构成，也可以由包含金属层和诸如塑料材料之类的绝缘层的多层结构构成。当该屏蔽带包含多层结构时，将所述金属层设置为包裹着绝缘导体。

按照本发明的数据传输电缆可以包括一根排扰线(drain wire)，该排扰线在预定方向上延伸同时处于与所述导体一起包容在所述屏蔽带内的状态下。而且，所述数据传输电缆可以包括一个由绝缘材料制成的最外层，该最外层设置在所述屏蔽带的外周上。反之，当所述屏蔽带包含多层结构并且该数据传输电缆没有所述排扰线时，可以将金属层设置在屏蔽带的外周上。

按照本发明的数据传输电缆可以包括一层设置成围绕所述屏蔽带外周的金属材料层。当设置有围绕屏蔽带外周的最外层时，最好将所述金属材料层布置在屏蔽带和最外层之间。

按照本发明的数据传输电缆可以包括多个电缆单元，每个所述电缆单元具有与上面所述的数据传输电缆所具有的结构相一致的结构。

一种采用包含上述结构的数据传输电缆的传输系统实现了有效减小电缆衰减的频率依赖性的通信方法，减小频率依赖性的效果在包含信号波长带(100Mbps到3Gbps)的传输频带内更好。当构成这样一种配备有连接器的缆线，即连接器与所述数据传输电缆的前端相连接时，可以将其应用于各种系统，比如半导体测试系统、LAN、高速计算机连接线。

通过下文中给出的详细说明和图，本发明将会得到更加完全的理解，详细说明和图仅仅是为了说明的目的而给出的，因此不应将它们看作是对本发明的限制。

通过下文给出的详细说明，本发明更加广阔的应用范围将会变得显而易见。不过，应当理解，在描述本发明的优选实施例时给出的详细说明和具体的实例仅仅是为了说明的目的而给出的，这是因为通过这一详细说明，在本发明的范围内进行各种不同的改变和修改对本领域的技术人员而言是显而易见的。

附图说明

图1是表示传统数据传输电缆中导体电阻(Ω/m)的频率特性的曲线图；

图2A是表示按照本发明的数据传输电缆的第一实施例的总体结构的示意图，而图2B是表示沿着图2A中的线I-I截取的截面结构的示意图；

图3A是表示按照本发明的数据传输电缆的第二实施例的总体结构的示意图，而图3B是表示沿着图3A中的线II-II截得的截面结构的示意图；

图4A和4B是用于说明向数据传输电缆中引入导体的方式的示意图；

图5A和5B是表示屏蔽带的截面结构的示意图；

图6A和6B是表示导体的截面结构的示意图；

图7是表示与按照本发明的数据传输电缆和传统的数据传输电缆相关的数据速率(Mbps)和电缆衰减率V_out/V_in(％)之间的关系的曲线图；

图8是表示与多个按照本发明的数据传输电缆制备的电缆样本相关的数据速率(Mbps)和电缆衰减率V_out/V_in(％)之间的关系的曲线图；

图9是表示作为采用按照本发明的数据传输电缆的系统的传输系统的结构的示意图；

图10是表示作为采用按照本发明的数据传输电缆的系统的半导体测试设备的结构的示意图；和

图11是表示配备有一个连接器的缆线的结构的示意图，该缆线采用了按照本发明的数据传输电缆。

具体实施方式

下面，将参照图2A到6B以及7到11对关于按照本发明的数据传输电缆及其应用的实施例进行说明。在对图的说明中，彼此相同的结构将使用彼此相同的图标记进行引述，从而避免对它们进行重复介绍。必要时，也会参考图1。

图2A是表示按照本发明的数据传输电缆的第一实施例的总体结构的示意图，而图2B是表示沿着图2A中的线A-A截取的截面结构的示意图。

如图2A和2B所示，按照第一实施例的数据传输电缆1具有导体10，每个导体10都覆有绝缘层11，比如塑料材料制成的绝缘层。此外，包裹着这些导体10的外周形成有一层屏蔽带12，而且另外还设置了一层树脂层(最外层)14，以包裹住环绕着导体10的屏蔽带12。图2A和2B示出了一种包括至少一对导体10的差动数据传输电缆，作为按照第一实施例的数据传输电缆1。

另一方面，如图3A和3B所示，将按照第二实施例的数据传输电缆2也表示成了具有至少一对导体10的差动数据传输电缆。这里，图3A是表示按照本发明的数据传输电缆的第二实施例的总体结构的示意图，而图3B是表示沿着图3A中的线II-II截得的截面结构的示意图。

在第二实施例中，与第一实施例中相同，各个导体10都包裹有诸如塑料材料之类的绝缘层11，而绝缘层11的外周上依次包裹有一层屏蔽带12和一层树脂层(最外层)14。在按照第二实施例的数据传输电缆2中，沿着导体10配备了一根接地排扰线15，并使得该接地排扰线15与导体10一起包容在屏蔽带12之内。排扰线15的位置并非仅限为如图3A所示。该排扰线15也可处于与导体10并排的位置上，以致它与导体10相邻或处于导体10的中间，构成类似平的板带形状。

在每个实施例中，可以考虑使用各种不同的方法来用屏蔽带12包裹导体10(覆有绝缘层11)。比如，即使在第二实施例中，也可以将屏蔽带12的两端彼此重叠地沿着导体10的纵向将导体10包起来，或者，即使在第一实施例中，也可以如图3A所示的那样将屏蔽带12缠绕在导体10上。

当按照第一和第二实施例的数据传输电缆1、2为差动数据传输电缆时，包容在树脂层14中的至少一对导体可以是如图4A所示的那样以彼此平行的状态定位的，也可以是如图4B所示的那样以缠绕在一起的状态定位的。

图5A和5B是表示屏蔽带12的截面结构的示意图。屏蔽带12可以如图5A所示的那样仅包括一层厚度为W的单独的金属层120，该金属层最好是由铝(Al)、铜(Cu)或者包括它们二者之一的合金制成，或者也可以如图5B所示的那样由厚度为W的金属层120和绝缘层121构成。(在下面的说明中，即使当仅仅提到“铝”和“铜”的时候，也总是表示包含了它们的合金。)不过，在屏蔽带12具有由金属层120和绝缘层121构成的多层结构的时候，最好将金属层120安排成朝向导体10。可以在屏蔽带12的外侧上设置一个金属网。

图6A和6B是表示可应用于本发明的导体10的截面结构的各个实例的示意图。图6A表示这样一种导体10的横截面结构，该导体10包括设置在中央的钢丝101、设置在钢丝101外围的铜层(由铜和铜合金制成)102以及镀在铜层102表面上的银层103。另一方面，图6B表示这样一种导体10的横截面结构，该导体10包括一个铜层(由铜和铜合金制成)102和镀在铜层102表面上的银层103。

按照本发明的数据传输电缆包括控制屏蔽带厚度，尤其是金属层厚度的结构，以分别在较低和较高频带端上主动地提高和降低导体电阻，如图1中的箭头A1和A2所示，从而实现在整个信号波长段内减小电缆衰减对频率的依赖性，即，增益平化。

具体来说，由下述公式(2)给出了作为金属层厚度的趋肤厚度(数字信号传输在屏蔽带上伴生的涡旋电流分布深入到屏蔽带中的深度)：

$\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}\·\mathrm{\δ}\·\mathrm{\μ}\·f}}---\left(2\right)$

其中f为所传输的数字信号的基频(Hz)，δ为金属层的电导率(欧姆/m)，而μ为金属层的磁导率(H/m)。

这里，针对所传输的数字信号，将金属层的厚度设计为大于等于由上述公式(2)给出的趋肤厚度的50％而小于等于该趋肤厚度的300％。

具体讲，在上面提到的屏蔽带中，朝向导体设置的金属层的厚度为大于等于1μm而小于等于10μm，最好为大于等于2μm而小于等于6μm。

图7是表示与按照本发明的数据传输电缆和传统的数据传输电缆相关的数据速率(Mbps)和电缆衰减率V_out/V_in(％)之间的关系的曲线图。

在这个曲线图中，曲线G710表示与作为比较实例的电缆样本相关的数据速率(Mbps)和电缆衰减率V_out/V_in(％)之间的关系。这一比较实例的电缆样本是一种金属电缆，它包含具有图6B中所示的截面结构的导体，并且其结构基本上与图3A中所示的结构相当，只是没有屏蔽带。所述导体是镀银退火铜线。

曲线G720和G730代表按依照本发明的数据传输电缆制备的各个电缆样本。每一个这些电缆样本具有与图3A中所示的相同的结构，并且在每个电缆样本中，导体是由5μm粗的镀银铜合金制成的。与曲线G720相对应的电缆样本包含这样一层屏蔽带：该屏蔽带包括厚度为6μm的铜制金属层。与曲线G730相对应的电缆样本包含这样一层屏蔽带：该屏蔽带包括厚度为3.5μm的铜制金属层。

从图7可以看出，当与比较实例的电缆样本的电缆衰减对频率的依赖性(曲线G710)相比较时，按依照本发明的数据传输电缆制备的每个电缆样本中的电缆衰减的频率依赖特性(曲线G720和G730)在较低和较高频段端分别得到了降低和升高，从而得出了总体上较均匀的特性(电缆衰减在图7中的箭头B1和B2所示的方向上得到了控制)。

图8是表示与多个按依照本发明的数据传输电缆制备的电缆样本相关的数据速率(Mbps)和电缆衰减率V_out/V_in(％)之间的关系的曲线图。

在各个电缆样本中，导体都是由具有图6B所示的截面结构的5μm粗的镀银铜合金制成的。这些电缆样本都有屏蔽带，它们各自的屏蔽带分别包括具有彼此不同厚度的金属层。曲线G810表示采用1μm厚铜层作为屏蔽带中所包含的金属层的电缆样本中的电缆衰减的频率依赖性。曲线G820表示采用2μm厚铜层作为屏蔽带中所包含的金属层的电缆样本中的电缆衰减的频率依赖性。曲线G830表示采用3μm厚铜层作为屏蔽带中所包含的金属层的电缆样本中的电缆衰减的频率依赖性。曲线G840表示采用4μm厚铜层作为屏蔽带中所包含的金属层的电缆样本中的电缆衰减的频率依赖性。曲线G850表示采用9μm厚铜层作为屏蔽带中所包含的金属层的电缆样本中的电缆衰减的频率依赖性。曲线G860表示采用7μm厚铝层作为屏蔽带中所包含的金属层的电缆样本中的电缆衰减的频率依赖性。

从图8中可以看出，所论及的金属层厚度中对减小电缆衰减的频率依赖性(即，平化增益)最有效的厚度是4±2μm(2μm到6μm)。不过，形成屏蔽带的方法的典型实例包括在绝缘膜上沉积金属层的方法，和直接将绝缘层和金属层彼此接合在一起的方法。在使用金属沉积方法的情况下，由此形成的金属层一般可以具有小于1μm的厚度，这样的厚度无法象按照本发明的数据传输电缆中那样取得实现增益平化的满意效果。另一方面，在使用将薄层金属接合到绝缘薄膜上的方法的情况下，所制备的金属层的厚度通常会超过10μm，这样的厚度也同样无法象按照本发明的数据传输电缆中那样取得实现增益平化的满意效果。因此，在实践中，金属层的厚度最好为1μm到10μm。

也可以利用多个各自包含具有上述结构的数据传输电缆的电缆单元来构成多芯电缆。

例如，在很多情况下，采用排扰线15或其它类似结构作为接地线并且其中包含具有上述结构的屏蔽带的数据传输电缆对减小电缆衰减的频率依赖性(平化增益)是非常有效的，例如，在具有低得足以使DC电平实现为接地电平的电阻值的设备间连接线路的情况下，和需要实现与外部噪声完全隔离的情况下。虽然当屏蔽带与接地导体或类似结构电绝缘的时候能够得到较高的效果(频率依赖性减小效果)，但是即使在完全接地或不完全接地的时候(这样就得到了应用中的可扩展性)，仍然具有一定程度的效果。

图9是作为采用按照本发明的数据传输电缆的代表系统的传输系统的结构的示意图。图9中示出的传输系统包括具有前面所述结构的数据传输电缆1或2、一个与数据传输电缆1、2的一端电连接的信号输出驱动器20以及一个用于接收通过数据传输电缆1、2传播的信号的接收器30。这种结构给出了一种适用于在100Mbps到3Gbps的传输频带内传输数字信号的传输系统。

本发明的数据传输电缆不仅可以应用于上述传输系统，而且还可以应用于构成半导体测试设备或类似设备的系统。图10是表示所述半导体测试设备的示范性结构的示意图。这个半导体测试设备包括一个半导体测试机40和一个系统单元50，该系统单元50包括一个运算部分、一个外部存储部分、一个外围装置等等。数据传输电缆1或2构成半导体测试机40和系统单元50之间的传输系统的一部分。

图11是表示配备有一个连接器的缆线，其中一个连接器60与包含图3A和3B中所示的结构(特别是包含该结构的端子间连接部分)的数据传输电缆2的前端相连接。这样一种装配有连接器的电缆适用于5m到20m距离内或者更进一步适用于1m到100m距离内的数字信号传输(在100Mbps到3Gbps的传输范围内效果较好)。

工业实用性

按照本发明，如上面所述，对包含在包裹导体的屏蔽带中的金属层的厚度进行设置，以有意识地分别增大和减小较低和较高频带端上的导体电阻，从而可以在整个信号波长带范围内减小电缆衰减的频率依赖性。结果，最小可视高差和零交叉抖动分别得到了增大和降低，尤其是在差动传输中。

由于在本发明中积极地利用了由约束在屏蔽带所包含的金属层中的涡旋电流引起的导体电阻，因此不需要直接发送信号，不管金属层接地与否，都可以获得同样的效果。

从如此介绍的本发明中，显而易见，可以以多种方式对本发明的实施例进行改变。这些改变方案不会被认为超出本发明的思想和范围，并且所有这些修改方案对本领域的技术人员来说都是显而易见的，我们认为所有的修改方案都包含在所附的权利要求书的范围之内。

Claims (10)

1.一种数据传输电缆，包括：

至少一对导体，每个所述导体都覆有一个绝缘层并沿着一个预定的方向延伸；和

一个屏蔽带，所述屏蔽带设置成包围所述导体，该屏蔽带包括一个面向所述导体的金属层，所述金属层具有大于等于1μm而小于等于10μm的厚度。

2.按照权利要求1所述的数据传输电缆，其中所述金属层具有大于等于2μm而小于等于6μm的厚度。

3.按照权利要求1所述的数据传输电缆，其中所述金属层的厚度为大于等于由下述公式给出的趋肤厚度的50％而小于等于该趋肤厚度的300％：

$\frac{1}{\sqrt{\mathrm{\π}\·\mathrm{\δ}\·\mathrm{\μ}\·f}}$

其中f是所传输的数字信号的基频(Hz)，δ为所述金属层的电导率(欧姆/m)，而μ为所述金属层的磁导率(H/m)。

4.按照权利要求1所述的数据传输电缆，还包括一根排扰线，该排扰线在所述预定方向上延伸，同时处于与所述导体一起被包容在所述屏蔽带内的状态下。

5.按照权利要求1所述的数据传输电缆，其中所述屏蔽带包括所述金属层和设置在所述金属层一侧上的绝缘层。

6.按照权利要求1所述的数据传输电缆，还包括一个由绝缘材料制成的最外层，该最外层设置在所述屏蔽带的外周上。

7.一种数据传输电缆，该数据传输电缆包括多个电缆单元，每个所述电缆单元具有与按照权利要求1所述的数据传输电缆相一致的结构。

8.一种通信方法，包括通过按照权利要求1所述的数据传输电缆中的一对导体进行差动传输的步骤。

9.一种系统，包括按照权利要求1所述的数据传输电缆。

10.一种配备有连接器的缆线，包括：

一个按照权利要求1所述的数据传输电缆；和

与所述数据传输电缆中所包含的各个相应导体电连接的端子。

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