EP2805335B1

EP2805335B1 - Datenkabel

Info

Publication number: EP2805335B1
Application number: EP13703319.7A
Authority: EP
Inventors: Gunnar Dr. ARMBRECHT; Thomas Müller; Michael Wollitzer
Original assignee: Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2012-01-19
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2016-04-06
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: WO2013107655A1; DE102012000935A1; JP2015505634A; CN104115240A; CA2860452A1; US9443646B2; KR20140113940A; US20150034358A1; CN104115240B; CA2860452C; EP2805335A1; HK1201978A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Datenkabel mit mindestens zwei Leitern zur differentiellen Signalübertragung sowie einem die Leiter umgebenden Mantel, insbesondere aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff.
Bei der differentiellen bzw. symmetrischen Signalübertragung werden identische Datensignale über mindestens zwei Leiter mit entgegengesetzter Polarität übertragen. Dabei sind die beiden Leiter des Kabels so konstruiert, dass sich in diesen alle induktiven und kapazitiven Störungen möglichst identisch aufprägen. Mittels Differenzbildung beider Signale können die Störungen dann eliminiert werden.
Es ist bekannt, für die Datenübertragung Kabel zu verwenden, in denen vier Leiter in einer sogenannten Sternvierer-Anordnung vorliegen. Ein solches Kabel kann zwei differentielle Signalpaare zur Verfügung stellen, wobei die zwei jeweils einander im Sternvierer diagonal gegenüber liegenden Leiter jeweils ein differentielles Leiterpaar bilden. Ein wesentlicher Vorteil der Sternvierer-Anordnung liegt darin, dass jedes der Leiterpaare stets in der virtuellen Masseebene des jeweils anderen Leiterpaars liegt. Dies ermöglicht die Realisierung einer hohen Übersprechdämpfung bei gleichzeitig größtmöglicher Kompaktheit des Kabels. Eine möglichst hohe Übersprechdämpfung ist notwendig, um auf beiden Leiterpaaren voneinander unabhängig breitbandige Datenströme ohne schädliche gegenseitige Störungen übertragen zu können.
Derzeitige Sternvierer-Kabel stoßen bei Datenraten > 2 GBit/s, wie sie beispielsweise für die Standards USB 3.0 (USB: Universal Serial Bus) oder MHL (Mobile High Definition Link) vorgesehen sind, insbesondere bei großen Leitungslängen an ihre Grenzen. Insbesondere nehmen die Modenkonversion, das Übersprechen sowie die Kabeldämpfung bei den höheren Frequenzen zu.
Die Druckschrift DE 299 07 039 U1 offenbart ein Datenübertragungskabel mit mehreren isolierten Leitern sowie jeweils einer beschlossenen Metallhülse auf der Oberfläche der Leiterisolation. Die Leiter können von einem Zwischenmantel, einer darauf befindlichen Metallhülle und einem Außenmantel umgeben sein.
Ausgehend von diesem Stand der Technik lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Datenkabel, wie insbesondere ein Sternvierer-Kabel, weiter zu verbessern, um insbesondere die Übertragung von hohen Datenraten (> 2 GBit/s) in hinreichend guter Qualität zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Datenkabels sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der Erfindung. Eine Einheit aus einem erfindungsgemäßen Datenkabel und einem Steckverbinder ist Gegenstand des nebengeordneten Anspruchs 8. Vorteilhafte Verwendungen des erfindungsgemäßen Datenkabels sind Gegenstand der nebengeordneten Ansprüche 9 und 10.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Übertragungsfähigkeit des Datenkabels mit mindestens zwei von einem (elektrisch nicht leitfähigen) Mantel (z.B.: aus Polypropylen oder Polyvinylchlorid) umgebenden Leitern zur differentiellen Signalübertragung dadurch zu verbessern, dass die Leiter jeweils einen Leiterschirm, d.h. eine von dem Leiter über einen Isolator getrennte Umhüllung aus einem elektrisch leitfähigen Material aufweisen, wobei die Leiter von einer zusätzlichen gemeinsamen Abschirmung in Form eines Summenschirms umgeben sind, der von den Leiterschirmen elektrisch kontaktiert wird.
Die (elektrisch leitfähigen) Leiter können beispielsweise aus Kupfer bestehen und als Draht oder Litze ausgeführt sein. Die Impedanz eines der Leiter kann (im Single-Ended Modus) vorzugsweise 50 Ω betragen, so dass sich eine differentielle Impedanz für das Leiterpaar von 100 Ω ergibt. Für besondere Anwendung können aber auch andere Leiterimpedanzen sinnvoll sein, z.B. 75 Ω (im Single-Ended-Modus) für beispielsweise die Übertragung von Video-Datensignalen.
Der Isolator kann beispielsweise aus einem elektrisch nicht (wesentlich) leitfähigen Kunststoff, wie z.B. Polypropylen, Polytetrafluoräthylen, ausgebildet sein. Weiterhin kann der Isolator den Zwischenraum zwischen dem Leiter und dem jeweiligen Leiterschirm vollständig ausfüllen oder in Form einer oder mehrerer Leiterstütze(n) ausgebildet sein, die die Position des Leiters in dem jeweiligen Leiterschirm sicherstellen, wobei der Rest des Zwischenraums mit einem nicht (wesentlich) elektrisch leitfähigen Fluid und insbesondere Gas, wie z.B. Luft gefüllt ist.
Vorzugsweise ist vorgesehen, ein Datenkabel in bekannter Sternvierer-Konfiguration erfindungsgemäß weiterzubilden, indem zumindest zwei, gegebenenfalls alle vier Leiter erfindungsgemäß einen Leiterschirm erhalten.
Vorzugsweise kann dann auch vorgesehen sein, dass die vier Leiter verseilt sind. Eine Verseilung bei konventionellen Sternvierer-Kabeln dient dazu, die Koppeldämpfung des/der differentiellen Leiterpaars/-e gegenüber der Umgebung zu erhöhen. Da durch die erfindungsgemäße Schirmung der einzelnen Leiter deren Verkoppelung untereinander jedoch bereits minimiert wird, kann eine Verseilung der Leiter bei einem erfindungsgemäßen Datenkabel aus elektrischen Gründen gegebenenfalls nicht erforderlich sein. In jedem Fall kann jedoch durch eine Verseilung die Flexibilität und die mechanische Integrität der Leitung verbessert werden
In einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Datenkabels kann vorgesehen sein, dass (sich in der Sternvier-Anordnung diagonal gegenüberliegende) zwei der vier Leiter zur Übertragung von Datensignalen und die zwei übrigen Leiter zur Übertragung von elektrischer (Versorgungs-)Energie vorgesehen sind. Ein solches Datenkabel eignet sich demnach für die kombinierte Datenübertragung und Energieversorgung von Komponenten, wie dies beispielsweise von dem USB-Standard bekannt ist. Bei einer solchen Ausgestaltung kann für die zur Übertragung elektrischer Energie vorgesehenen Leiter auf die Leiterschirme verzichtet werden.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass zwischen den Leitern ein Führungselement angeordnet ist. Dieses kann dafür vorgesehen sein, die Stabilität der symmetrischen Anordnung der Leiter zu gewährleisten. Das Führungselement kann in Form einer oder mehrerer Beilaufader(n) ausgebildet sein. Die Beilaufadern können - insbesondere bei einer Ausbildung des Datenkabels in Sternvier-Anordnung - in dem von den vier Leitern ausgebildeten Zwischenraum und/oder - bei einer beliebigen Ausgestaltung des Datenkabels - zwischen den Leitern und dem Mantel angeordnet sein.
Vorzugsweise können die Beilaufadern elektrisch leitfähig ausgebildet sein. Dadurch können diese zudem das EMV-Verhalten (EMV: Elektromagnetische Verträglichkeit) des Datenkabels verbessern.
Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass sämtliche Leiter mit einer (zusätzlichen) gemeinsamen Abschirmung (Summenschirm), d.h. einer gemeinsamen elektrisch leitfähigen Umhüllung, versehen sind. Durch diese kann insbesondere ein besseres EMV-Verhalten des Datenkabels erreicht werden. Unter Umständen kann dieser zusätzliche Summenschirm auch eine Erhöhung der Schirmwirkung der Leiterschirme bewirken. Der Summenschirm kann in beliebiger Ausgestaltung, beispielsweise als Geflechtsschirm oder als Folienschirm (z.B. als ein- oder zweiseitig metallisierte Kunststofffolie), ausgeführt sein.
Zusätzlich ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Summenschirm die Leiterschirme elektrisch kontaktiert, wodurch zum einen die elektrische Schirmwirkung verbessert werden kann. Zum anderen kann dies den Anschluss des erfindungsgemäßen Datenkabels an bestehende elektrische Komponenten, wie z.B. Steckverbinder, insbesondere der Serie HSD, vereinfachen. Dies ermöglicht z.B. den Summenschirm mit einem Außenleiter eines solchen Steckverbinders zu verbinden, wodurch dieser Außenleiter gleichzeitig elektrisch leitfähig mit den Leiterschirmen des Datenkabels verbunden ist. Ein aufwändiges Verbinden der einzelnen Leiterschirme mit dem Außenleiter eines Steckverbinders bei der Konfektionierung des Datenkabels kann dadurch vermieden werden. Die elektrische Kontaktierung zwischen dem Summenschirm und den Leiterschirmen erfolgt vorzugsweise direkt oder indirekt über ein elektrisch leitfähiges Element (einen "Leiter").
Die Erfindung betrifft demnach auch eine Einheit aus (mindestens) einem erfindungsgemäßen Datenkabel mit die Leiterschirme kontaktierendem Summenschirm und (mindestens) einem Steckverbinder, bei dem der Summenschirm mit einem Außenleiter des Steckverbinders und die Leiter mit Innenleitern des Steckverbinders elektrisch verbunden sind.
Unter schlecht elektrisch leitfähig bzw. "schlechtleitend" (teilweise auch als "halbleitend" bezeichnet) wird erfindungsgemäß eine Leitfähigkeit verstanden, die zwischen der von Leitern, insbesondere Metallen, wie z.B. Kupfer, sowie von Nichtleitern bzw. Isolatoren liegt.
Die durch die Leiterschirme ausgekoppelte elektromagnetische Energie, gerade zu tiefen Frequenzen hin, bei denen ein als Folienschirm ausgebildeter Leiterschirm eine abnehmende Schirmwirkung besitzt, werden innerhalb eines schlechtleitend ausgebildeten Zwischenmantels bedämpft und auf diese Weise kann der äußere Summenschirm seine volle Schirmwirkung erreichen.
In einer weiterhin bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass der Raum zwischen dem Mantel und den Leitern (bzw. deren Leiterschirmen), insbesondere die zwischen den Leitern und dem Mantel ausgebildeten Zwickel, und/oder der zwischen den Leitern (bzw. deren Leiterschirmen) selbst ausgebildete Raum zumindest teilweise mit einem (vorzugsweise nicht (wesentlich) elektrisch leitfähigen) Füller ausgefüllt ist. Durch diesen kann insbesondere die mechanische Stabilität des Datenkabels verbessert werden.
Durch die erfindungsgemäße individuelle Abschirmung der Leiter eines vorzugsweise in Sternvier-Anordnung ausgebildeten Datenkabels kann das Übersprechen zwischen den Leitern reduziert werden. Zudem können Einflüsse auf Modenkonversion, die aus Störstellen und/oder Asymmetrien einer Verseilung der Leiter resultieren, reduziert werden. Weiterhin kann die Ausbreitung von Moden höherer Ordnung entlang der Leiter, insbesondere von ausbreitungsfähigen Modenbildern, wie sie sich durch die Vielzahl der beteiligten Leiter bei üblichen Sternvierer-Datenkabeln vor allem bei hohen Betriebsfrequenzen ergeben, unterdrückt werden. Dadurch verringern sich die Verluste entlang des Datenkabels und dessen Übertragungsverhalten wird verbessert. Im Ergebnis kann dadurch die (bei hinreichender Übertragungsqualität) maximal mögliche Betriebsfrequenz des Datenkabels erhöht werden.
Das erfindungsgemäße Datenkabel eignet sich weiterhin in einer vorteilhaften Weise nicht nur zur differentiellen sondern auch gleichzeitig zur asymmetrischen Übertragung von Datensignalen, bei der die Signalübertragung durch eine Änderung einer Signalspannung gegenüber einem Bezugspotential erfolgt. Eine erfindungsgemäße Verwendung des erfindungsgemäßen Datenkabels sieht daher vor, dass über zumindest einen, vorzugsweise beide der mindestens zwei Leiter neben differentiellen Datensignalen auch asymmetrische Datensignale übertragen werden. Dabei können insbesondere die Leiterschirme der einzelnen Leiter als Bezugspotential (Masse) dienen. Die asymmetrische Übertragung von Datensignalen gleicher Polarität über zwei Leiter (die gleichzeitig zur differentiellen Datenübertragung dienen) wird erfindungsgemäß als "Common Mode"- bzw. Gleichtakt-Übertragung bezeichnet. Die individuelle Abschirmung der Leiter des Datenkabels verbessert nicht nur ein Übersprechen bei der differentiellen Datenübertragung (Gegentakt-Übertragung) sondern auch bei der "Common Mode"-Übertragung.
Durch die erfindungsgemäße Überlagerung von differentiellen Datensignalen und asymmetrischen Datensignalen kann die Übertragungsrate bei weiterhin guter Übertragungsqualität weiter erhöht werden. Insbesondere kann vorgesehen sein, die tatsächlichen Datensignale differentiell über die Leiter zu übertragen und diesen ein sogenanntes "Clock"-Signal niedriger Rate (ca. 1 MBit/s) im Common-Mode zu überlagern. Am Empfänger können die Signale dann durch relativ einfache Schaltungen wieder in differentiell und Common-Mode getrennt werden.
Durch die individuelle Abschirmung der Leiter konzentriert sich das Feld der Common-Mode-Signale je zwischen Innenleiter und Leiterschirm des/der Leiterpaare(s), das/die für die differentielle Datensignalübertragung vorgesehen sind, in gleicher Stärke. Ohne die Leiterschirme würde sich das Common-Mode Signal zwischen den Leitern und einem regelmäßig vorhandenen Summenschirm ausbilden. Das Übersprechen auf benachbarte Leiterpaare wäre daher wesentlich höher.
Bei einem Datenkabel mit (mindestens) zwei Leiterpaaren, die mit individuellen Leiterschirmen versehen sind, insbesondere einem Datenkabel in einer Sternvierer-Konfiguration, kann vorgesehen sein, über alle (beide) Leiterpaare sowohl differentielle Datensignale als auch solche im Common-Mode (insbesondere ein "Clock"-Signal) zu übertragen.
Andererseits kann auch vorgesehen sein, bei einem erfindungsgemäßen Datenkabel, das mehr als die mindestens zwei mit jeweils einem Leiterschirm versehenen Leiter umfasst, über das/die mit individuellen Leiterschirmen versehen Leiterpaar(e) differentielle Datensignale sowie Gleichtaktsignale (z.B. "Clock"-Signal) und über die zusätzlichen (vorzugsweise zwei) Leiter elektrische Versorgungsenergie und/oder Signale niedriger Datenrate (z.B. Steuersignale) (im Single-Ended Modus) zu übertragen.
Das erfindungsgemäße Datenkabel kann somit eine Vielzahl von Einzelkabeln ersetzen und kann dabei helfen, typische Kabelbäume dünner zu gestalten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Fig. 1:: in einer isometrischen Ansicht ein Ende eines Datenkabels ohne Summenschirm;
Fig. 2:: das Datenkabel gemäß Fig. 1 in einem Querschnitt;
Fig. 3:: in einer isometrischen Ansicht ein Ende eines erfindungsgemäßen Datenkabels in einer ersten Ausführungsform;
Fig. 4:: das Datenkabel gemäß Fig. 3 in einem Querschnitt;
Fig. 5:: in einer isometrischen Ansicht ein Ende eines erfindungsgemäßen Datenkabels in einer zweiten Ausführungsform;
Fig. 6:: das Datenkabel gemäß Fig. 5 in einem Querschnitt;
Fig. 7:: in einer isometrischen Ansicht ein Ende eines erfindungsgemäßen Datenkabels in einer dritten Ausführungsform;
Fig. 8:: das Datenkabel gemäß Fig. 7 in einem Querschnitt;
Fig. 9:: in einer isometrischen Ansicht ein Ende eines Datenkabels; und
Fig. 10:: das Datenkabel gemäß Fig. 9 in einem Querschnitt.

Das in den Fig. 1 und 2 dargestellte Datenkabel umfasst vier Koaxialleiter, die in einer sogenannten Sternvierer-Konfiguration angeordnet und zudem verseilt sind. Der (Innen-)Leiter 1 jedes dieser Koaxialleiter dient der Übertragung von Datensignalen oder von elektrischer Energie und ist erfindungsgemäß von einem Leiterschirm 2 (Außenleiter) umgeben. Ein Isolator 3 stellt eine elektrisch nicht leitende Verbindung zwischen dem Leiter 1 und dem dazugehörigen Leiterschirm 2 her.
Die Koaxialleiter sind von einem Mantel 4 umgeben, der aus einem nicht elektrisch leitfähigen Kunststoff ausgebildet ist, die Koaxialleiter vor einer Beschädigung schützt und die Leiterschirme 2 gegenüber der Umgebung elektrisch isoliert. Dadurch, dass der Mantel 4 direkt an den Koaxialleitern anliegend ausgebildet ist, sorgt er zudem dafür, dass diese in der symmetrischen Sternvierer-Anordnung verbleiben.
Zwischen den vier Koaxialleitern ist eine Beilaufader 5 angeordnet, die die Stabilität der Sternvierer-Anordnung verbessert.
Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Datenkabels unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 1 und 2 in der zusätzlichen Anordnung eines Summenschirms 6 zwischen den Koaxialleitern und dem Mantel 4. Der Summenschirm 6 umgibt alle Koaxialleiter und verbessert insbesondere das EMV-Verhalten des Datenkabels. Dabei kontaktiert der Summenschirm 6 die Leiterschirme (2) aller Koaxialleiter.
Die in den Fig. 5 und 6 dargestellte zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Datenkabels ist gegenüber demjenigen der Fig. 3 und 4 mit zusätzlichen Beilaufadern 5 versehen. Neben der in dem von den vier Koaxialleitern ausgebildeten Zwischenraum angeordneten Beilaufader 5 ist jeweils eine weitere Beilaufader 5 in den insgesamt vier, von jeweils zwei Koaxialleitern bzw. deren Leiterschirmen 2 und dem Summenschirm 6 ausgebildeten Zwischenräumen (sogenannte Zwickel) angeordnet. Insgesamt sind somit fünf Beilaufadern 5 vorgesehen. Auch bei dieser Ausführungsform kontaktiert der Summenschirm 6 die Leiterschirme 2 aller Koaxialleiter.
Die dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Datenkabels gemäß den Fig. 7 und 8 unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 5 und 6 darin, dass nur zwei der vier Leiter 1 von einem (den Summenschirm 6 kontaktierenden) Leiterschirm 2 umgeben sind. Hierbei ist vorgesehen, dass die beiden als Koaxialleiter ausgebildeten Leiter 1, d.h. diejenigen mit Leiterschirm 2, sich in der Sternvierer-Anordnung gegenüber liegen, wodurch die vorteilhafte differentielle Übertragung der Datensignale erfolgen kann. Eine solche Datenübertragung erfolgt auch nur über die mit Leiterschirm 2 versehenen Leiter 1, während die beiden übrigen, nicht mit einem Leiterschirm 2 versehenen Leiter 1 für die Übertragung von elektrischer (Versorgungs)Energie und/oder Signalen mit niedriger Datenrate vorgesehen sind.
Das in Fig. 9 und 10 dargestellte Datenkabel unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 3 und 4 darin, dass ein Zwischenmantel 7 vorgesehen ist, der zwischen den Koaxialleitern und dem Summenschirm 6 angeordnet ist. Der Zwischenmantel 7 besteht aus einem schlechtleitenden Werkstoff.
Die in den Fig. 7 und 8 dargestellte Möglichkeit, nur zwei der vier Koaxialleiter mit einem Leiterschirm 2 zu versehen, ist selbstverständlich auch bei den weiteren Ausführungsformen möglich.

Claims

Datenkabel mit mindestens zwei Leitern (1) zur differentiellen Übertragung von Datensignalen sowie einem die Leiter (1) umgebenden Mantel (4), wobei die Leiter (1) jeweils einen Leiterschirm (2) aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (1) von einer zusätzlichen gemeinsamen Abschirmung in Form eines Summenschirms (6) umgeben sind, wobei die Leiterschirme (2) den Summenschirm (6) elektrisch kontaktieren.
Datenkabel gemäß Anspruch 1, gekennzeichnet durch vier Leiter (1), die in einer Sternvierer-Anordnung vorliegen.
Datenkabel gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiter (1) verseilt sind.
Datenkabel gemäß Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwei sich gegenüberliegende Leiter (1) einen Leiterschirm (2) und die zwei übrigen Leiter (1) keinen Leiterschirm aufweisen.
Datenkabel gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch mindestens eine Beilaufader (5).
Datenkabel gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beilaufader (5) elektrisch leitfähig ausgebildet ist.
Datenkabel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Raum zwischen dem Summenschirm (6) und den Leitern (1) zumindest teilweise mit einem nicht elektrisch leitfähigen Füller ausgefüllt ist.
Einheit aus einem Datenkabel gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und einem Steckverbinder, wobei der Summenschirm (6) des Datenkabels mit einem Außenleiter des Steckverbinders und die Leiter (1) des Datenkabels mit Innenleitern des Steckverbinders elektrisch leitfähig verbunden sind.
Verwendung eines Datenkabels gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 oder einer Einheit gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass über zumindest einen der mindestens zwei Leiter (1) neben differentiellen Datensignalen auch asymmetrische Datensignale übertragen werden.
Verwendung eines Datenkabels gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7 oder einer Einheit gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass über zwei mit einem Leiterschirm (2) versehene Leiter (1) differentielle Datensignale sowie Gleichtaktsignale und über zwei Leiter elektrische Versorgungsenergie und/oder Signale niedriger Datenrate übertragen werden.