JP4748376B2 - 同軸ケーブルおよびこれを用いた伝送回路 - Google Patents

Description

本発明は、入力側から入力された電気信号を出力側に伝送し、出力側の中心導体および外部導体に非同軸構造のコネクタを取り付けた同軸ケーブルおよびこの同軸ケーブルを用いた伝送回路に関し、詳しくは、同軸ケーブルの出力側に非同軸コネクタを用いたとしても、対雑音性を向上した同軸ケーブルおよびこの同軸ケーブルを用いた伝送回路に関するものである。

同軸ケーブルは、一端（入力側）から入力された電気信号を他端（出力側）に伝送するものであり、外界からの電気的なノイズの影響を抑え、直流から高周波まで広い周波数帯域にわたり電気信号を効率よく良好に伝送できる。そのため、装置内の電子部品間・基板間の伝送のみならず、装置と装置とを接続するケーブルとしても幅広く様々な場所で用いられている。

このような同軸ケーブルは、中心から外側に向かって同心円状に、心線（中心導体）、絶縁体、細い導線を編んだシールド体（外部導体）、絶縁体（保護被覆）で構成され、断面形状が各体によって同心円状に形成される。なお、一般的な使い方では、中心導体によって電気信号を伝送し、外部導体は共通電位（接地電位）に接続する。

波形測定装置（例えば、デジタルオシロスコープ、ロジックアナライザ等）では、被測定対象に物理的・電気的に接続し、被測定対象からの電気信号を波形測定装置本体に伝送するためのプローブが必須である（例えば、特許文献１参照）。

一般的に波形測定装置用のプローブは、プローブの先端部（物理的・電気的に被測定対象に接続される部分）に入力された電気信号を、先端部から数［ｃｍ］〜数十［ｃｍ］程度の距離のアンプ部で電気信号を増幅してから波形測定装置本体に伝送したり、先端部から波形測定装置本体に直接電気信号を伝送する場合もある。

そして、同軸ケーブルは、先端部とアンプ部間、アンプ部と装置本体間、先端部と装置本体間等に設けられ、被測定対象の電気信号の伝送に用いられる。

さらに、同軸ケーブルの出力側には中心導体がシールドされた同軸コネクタを用いて、伝送先の電気回路と接続して対雑音性を確保している。

一方、波形測定装置では、複数の被測定対象の電気信号を測定するのが一般的である。そのため、複数の同軸ケーブルを用いて電気信号を伝送している（例えば、特許文献２参照）。

そして、全ての同軸ケーブルに対して同軸コネクタを用いると、伝送先の基板の小型化が難しいという問題があった。また、同軸コネクタでは、一括して複数のコネクタの抜き差しもできないという問題があった。そこで、このような場合には、伝送先の基板には多極ピンのコネクタを実装し、同軸ケーブルの出力側には非同軸構造のコネクタを取り付ける場合がある

図４は、従来の同軸ケーブル（出力側に非同軸構造のコネクタを用いた一例）による電気信号の伝送の構成を示した図である。
図４において、信号源１は、伝送対象の電気信号を出力する。なお、波形測定装置用であれば、被測定対象の電気信号である。外来雑音源２は、信号源１の電気信号とは別に雑音（ノイズ）としての信号を出力する。

同軸ケーブル３は、中心から中心導体３ａ、絶縁体３ｂ、外部導体３ｃ、保護皮膜３ｄからなり、一端（入力側）から入力された信号源１０の電気信号を他端（出力側）に伝送する。

中心導体３ａの入力側は、信号源１に接続される。外部導体３ｃの入力側は、信号源１の基準電位側に接続される。

フェライトビーズ４は、円筒状、球状（貫通孔有り）、リング状等の形状をしており、中空部分（貫通孔）に同軸ケーブル３が挿入され、同軸ケーブル３の他端（出力側）近傍に設けられる。ここで、近傍とは、同軸ケーブル３の太さやフェライトビーズ４の大きさ等にものよるが、数［ｍｍ］〜十数［ｃｍ］程度であり、波形測定装置用のプローブであれば、数［ｍｍ］〜数［ｃｍ］程度である。

基板５は、上述のアンプ部や波形測定装置の入力部に相当し、信号配線５ａ、終端抵抗５ｂ、基板側コネクタ５ｃ、５ｄを有し、様々な電子部品が実装される。なお、基板側コネクタ５ｃは、信号配線５ａに接続される。基板側コネクタ５ｄは、基板５の接地電位に接続される。また、信号配線５ａ上の負荷抵抗５ｂは、同軸ケーブル３を整合終端するものであり、コネクタ５ｃ、５ｄは、多極ピンのコネクタである。

非同軸構造の非同軸コネクタ６は、同軸ケーブル３と基板５とを電気的に接続すると共に、物理的にも基板５に同軸ケーブル３を固定させるものである。ここでは、一例として、非同軸コネクタ６は、２端子６ａ、６ｂである。

ここで、例えば、基板５の基板側コネクタ５ｃ、５ｄの端子が、オスのピン（Ｐｉｎ）であれば、同軸ケーブル３の非同軸コネクタ６ａ、６ｂの端子は、メスのレセプタクル（Ｒｅｃｅｐｔａｃｌｅ）になる。

また、非同軸コネクタ６ａは、中心導体３ａの出力側に接続され、基板側コネクタ５ｃを介して中心導体３ａと信号配線５ａとを電気的に接続する。非同軸コネクタ６ｂは、外部導体３ｃの出力側に接続され、外部導体３ｃと基板５の接地電位（例えば、グランドプレーン）とを電気的に接続する。

ここで、インダクタンス６ｃは、非同軸コネクタ６ｂに生ずるインダクタンスである。

なお、非同軸構造の非同軸コネクタ６とは、同軸ケーブル３の外部導体３ｃが中心導体３ａの同心円状に存在せず、中心導体３ａがむき出しになっており、外部導体３ｃによる中心導体３ａのシールドの効果が得られないコネクタの構造のことである（例えば、特許文献３参照）。

このような装置の動作を説明する。
信号源１からの電気信号が、中心導体３ａによって伝送され、同軸ケーブル３のコネクタ６ａ、基板５のコネクタ５ｃを介して、基板５の信号配線５ａに伝送される。一方、外部導体３ｃによって、信号源１の基準電位が、基板５の接地電位と理想的には等しくなる。実際には、外部導体３ｃには抵抗成分があるため、電圧降下が生じ、外部導体３ｃの入力側と出力側とでは電位差が生じている。

ここで、中心導体３ａを流れる電気信号の信号電流によるフェライトビーズ４の磁束は、中心導体３ａの電流による磁界と、外部導体３ｃの電流による磁界とが打ち消しあうため、”０”になる。このため、フェライトビーズ４は、信号源１の信号伝送にはなんら影響をあたえない。

続いて、外来雑音源２による雑音が、信号源１の信号に混入する動作を説明する。
外来雑音源２が、同軸ケーブル３の外部導体３ｃに結合し、外部導体３ｃに雑音電流Ｉｒを流す。外部導体３ｃに流れる雑音電流Ｉｒが、コネクタ６ｂのインダクタンス６ｃを経由して、基板５の接地電位に流れる。そして、インダクタンス６ｃのインピーダンスによって、雑音電流Ｉｒは雑音電圧に変換される。

ここで、同軸ケーブル３は、入力側に２端子（中心導体３ａの一端、外部導体３ｃの一端）、出力側に２端子（中心導体３ａの他端、外部導体３ｃの他端）の４端子網とみなせる。このような４端子網では、インダクタンス６ｃと、同軸ケーブル３の出力側（他端）の中心導体３ａとは直列接続とみなせるため、同軸ケーブル３の出力側の中心導体３ａに現れる信号の電圧に、インダクタンス６ｃの両端に現れる雑音電圧が加算（混入）されて基板５の信号配線５ａに入力される。

なお、フェライトビーズ４は、フェライトビーズ４が装着される部分の外部導体３ｃのインピーダンスを増加させているので、雑音電流Ｉｒを減少させる効果がある。その結果、フェライトビーズ４によって、外来雑音源２からの雑音電圧が減少する。

ここで、同軸ケーブル３のうち、中心導体３ａが外部導体３ｃでシールドされている部分（外部導体３ｃが中心導体３ａの同心円状に重なって存在する部分）は、雑音電圧の混入が無視できることについて説明する。

図５は、同軸ケーブル３の同相電圧除去原理を示した図である。ここで、図４と同一のものには同一符号を付し、説明を省略する。

同軸ケーブル３の外部導体３ｃに流れる雑音電流Ｉｒは、磁束Ｂ１を作る。この磁束Ｂ１は、中心導体３ａに対して完全に鎖交するので、外部導体３ｃの浮遊インダクタンスによる電圧降下と同一の電圧を中心導体３ａに発生させる。

このため、信号源１の信号の電圧は、雑音源２の電圧の影響を受けずに負荷抵抗５ｂの両端に現れる。例えば、電圧計Ｖによって、信号源１の信号の電圧を測定できる。

ただし、外部導体３ｃに抵抗成分が存在する場合、抵抗成分による電圧降下が中心導体３ａ側に誘起されないため、低周波においては同相電圧除去特性が劣化する。しかし、外来雑音源２の結合が強くなる高周波域において、十分な同相電圧除去特性が得られる。

また、同軸ケーブル３にフェライトビーズ４を装着した場合、外部導体３ｃに抵抗成分が存在していたとしても、抵抗成分はそのままで外部導体３ｃのインダクタンスを増加させることができる。これにより、低周波域での同相電圧除去特性を改善できる。

特開平０１−１０５１７３号公報 特開２００３−２２７８５０号公報 特開平０４−３３４８７７号公報

このようにフェライトビーズ４を同軸ケーブル３の出力側近傍に設けることにより、外来雑音源２からの雑音電流、雑音電圧を減少することができる。

しかしながら、外来雑音源２は、外部導体３ｃと物理的に直接接続されているわけではなく、インピーダンスが非常に高い空気中を電磁波として伝播して外部導体３ｃに結合する。また、結合できるような外来雑音源２は非常に高電圧である。もちろん、空気中（空間）のインピーダンスは、フェライトビーズ４が装着された外部導体３ｃのインピーダンスよりも、はるかに高い。

このように外来雑音源２が高電圧であり、高インピーダンスを経由して外部導体３ｃに外来雑音が結合した場合、フェライトビーズ４を同軸ケーブル３に装着したとしてもほとんど雑音電流Ｉｒを減少できない。そのため、雑音電流Ｉｒを減少することができず、入力側からの電気信号を出力側に正確に伝送することができないとう問題があった。

また、同軸ケーブル３の外部導体３ｃが共振する（定在波を作る）周波数と、外来雑音の周波数とが一致した場合には、上記の高電圧・高インピーダンス経由と同様な状況になり、フェライトビーズ４を設けた効果が減少する。

すなわち、これらのような状況では、接地線側（外部導体３ｃ側）のコネクタ６ｂのインダクタンス６ｃにより、雑音が信号源１の信号に混入するという問題があった。

そこで本発明の目的は、同軸ケーブルの出力側に非同軸コネクタを用いたとしても、対雑音性を向上した同軸ケーブルおよびこれを用いた伝送回路を実現することにある。

請求項１記載の発明は、
出力側の中心導体および外部導体に非同軸構造のコネクタを付けた同軸ケーブルにおいて、
前記非同軸構造のコネクタが前記外部導体に接続される位置よりも入力側であり、前記中心導体の同心円状に前記外部導体が存在する部分で前記外部導体に接続されるバイパス線を設け、
前記同軸ケーブルの出力側と前記バイパス線が接続される部分との間にフェライトコアを装着したことを特徴とするものである。
請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、
バイアス線のインピーダンスは、前記外部導体の経路のうち前記バイパス線が接続された部分から前記非同軸構造のコネクタまでの経路のインピーダンスよりも低いことを特徴とするものである。
請求項３記載の発明は
請求項１または２記載の同軸ケーブルと、
この同軸ケーブルの非同軸構造のコネクタを接続する基板用コネクタおよび前記バイパス線が接続されるバイパス用コネクタを有する基板と
を備えたことを特徴とするものである。
請求項４記載の発明は、請求項３記載の発明において、
前記同軸ケーブルは、多連であり、
前記基板用コネクタは、複数個の端子が一体形成されていることを特徴とするものである。

本発明によれば、以下のような効果がある。
請求項１〜２によれば、バイパス線が、中心導体に対してシールドが確保された部分の外部導体に接続されるので、外部からの雑音が同軸ケーブルの外部導体に結合して外部導体に雑音電流に流れても、雑音電流のほとんどがバイパス線を経由して流れる。これにより、非同軸構造のコネクタに生ずるインダクタンスの両端に生じる雑音電圧も大幅に減少し、中心導体の出力側から出力される電気信号に雑音電圧が加算されない。従って、同軸ケーブルの出力側に非同軸コネクタを用いたとしても、対雑音性が向上する。

請求項３、４によれば、請求項１〜２のいずれかに記載の同軸コネクタを用いると共に、基板上において基板用コネクタとは別の位置にパイパス線用コネクタを設けてパイパス線を接続するので、バイパス線からの大きな雑音電流がバイパス線用コネクタに流れこんでも、中心導体によって伝送された信号に大きな雑音電流が混入することを防止でき、対雑音性が向上する。

以下図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明の一実施例を示した構成図である。ここで、図４と同一のものに同一符号を付し、説明を省略する。
図１において、同軸ケーブル３にグランド用の金属導線（例えば、材料としては、銅であり、線種としては、単線、単線を複数本束ねたより線等）であるバイパス線７が設けられる。また、基板５には、バイパス線７と基板５の共通電位とを接続するためのバイパス線用コネクタ８が設けられる（図１では２個）。

バイパス線７の一端は、フェライトビーズ４近傍（フェライトビース４の装着位置よりも同軸ケーブル３の入力側寄り（数［ｍｍ］〜数［ｃｍ］の距離））の外部導体３ｃに接続される。なお、バイパス線７が接続される部分の同軸ケーブル３は、保護被覆３ｄのみが剥がされ、外部導体３ｃは剥がされておらず、外部導体３ｃによって中心導体３ａはシールドされている。つまり、同軸ケーブル３の長手方向に沿って、非同軸コネクタ６、フェライトビーズ４、バイパス線７の接続部分の順の配置になる。

バイパス線７の他端は、バイパス線用コネクタ８を介して基板５の共通電位に接続される。なお、バイパス線用コネクタ８のピン（端子）は、基板側コネクタ５ｄの端子とは、基板５上で物理的に異なる場所に設けられる。特に、信号用の基板側コネクタ５ｃ、信号配線５ａとは、離した位置にバイパス線用コネクタ８が設けられる。

なお、図１では、一端側（外部導体３ｃとの接続側）に一本で接続したバイパス線７を経路の途中で分離して２本として、それぞれの他端をバイパス線用コネクタ８に接続している。

また、特許請求の範囲の同軸ケーブルを構成するものとしては少なくとも、同軸ケーブル３、同軸ケーブル３の出力側に取り付けられた非同軸コネクタ６（６ａ、６ｂ）、バイパス線７（非同軸構造の非同軸コネクタ６が外部導体３ｃに接続される位置よりも入力側であり、中心導体３ａの同心円状に外部導体３ｃが重なって存在する部分の外部導体３ｃに接続かつ固定される）である。

そして、特許請求の範囲の伝送回路を構成するものは少なくとも、同軸ケーブル３、非同軸コネクタ６（６ａ、６ｂ）、バイパス線７に加え、基板５、基板５上の基板側コネクタ５ｃ、５ｄ、バイパス用コネクタ８である。

このような装置の動作を説明する。ここで、信号源１からの電気信号が中心導体３ａによって基板５に伝送される動作は同様なので説明を省略する。

外来雑音源２による雑音が、信号源１の信号に混入する動作を説明する。
外来雑音源２が、同軸ケーブル３の外部導体３ｃに結合し、外部導体３ｃに雑音電流Ｉｒを流す。外部導体３ｃに流れる雑音電流Ｉｒのほとんどが、バイパス線７を流れ、バイパス線用コネクタ８を介して基板５のグランドプレーンに流れ込む。

すなわち、フェライトビーズ４が装着される部分の外部導体３ｃは、フェライトビーズ４によってインピーダンスが上がっている。そのため、同軸ケーブル３のフェライトビーズ４が装着された側の経路（装着部分の外部導体３ｃ−非同軸コネクタ６ｂ−基板側コネクタ５ｄ）には雑音電流Ｉｒがほとんど流れず、インピーダンスの低いバイパス線７側の経路に流れる。

これによって、外部導体３ｃ側（接地線側）の非同軸コネクタ６ｂのインダクタンス６ｃに流れる雑音電流Ｉｒが大幅に減少し、インダクタンス６ｃの両端に生じる雑音電圧も大幅に減少し、中心導体３ａの出力側から出力される電気信号（信号源１から中心導体３ａによって伝送された電気信号）に雑音電圧が加算されない。

このように、バイパス線７の一端が、フェライトビーズ４の装着部分よりも入力側で外部導体３ｃに接続され、他端が、バイパス線用コネクタ８に接続されるので、外来雑音源２からの雑音電流Ｉｒは、フェライトビーズ４の装着によってインピーダンスが増加した経路（装着部分の外部導体３ｃ−非同軸コネクタ６ｂ−基板側コネクタ５ｄ）を流れず、装着部分の外部導体３ｃよりもインピーダンスが低いバイパス線７に流れる。これにより、インダクタンス６ｃの両端に生じる雑音電圧も大幅に減少し、中心導体３ａの出力側から出力される電気信号に雑音電圧が加算されない。従って、同軸ケーブルの出力側に非同軸コネクタを用いたとしても、対雑音性が向上する。

また、バイパス線用コネクタ８が、基板５上の基板側コネクタ５ｄ、信号配線５ａとは離れた別の位置に設けるので、バイパス線７からの大きな雑音電流Ｉｒがコネクタ８に流れこんでも、大きな雑音電流Ｉｒが信号配線５ａに混入することを防止でき、対雑音性が向上する。

例えば、図１に示す同軸ケーブル３を波形測定装置のロジックプローブに適用し、プローブのＥＭＣ（ＭＨｚ帯放射電磁界イミュニティ試験）において、フェライトビーズ４のみの同軸ケーブルのプローブでは、先端ハーネス部分の長さに応じた共振周波数によって、ＥＭＣ試験に不合格であったが、図１に示す同軸ケーブルのプローブでは試験に合格した。

なお、本発明はこれに限定されるものではなく、以下に示すようなものでもよい。
（１）図１に示す回路において、１本の同軸ケーブル３を用いる構成を示したが、複数本の同軸ケーブルで複数の信号源１からの信号を、同一の基板５に伝送してもよい。この際、バイパス線７は、同軸ケーブル３ごとに設けてもよい。または、複数本の同軸ケーブル３に対し、バイパス線７を共用としてもよい。ここで、図２は、バイパス線７を複数本の同軸ケーブルに対して共通線とし、各同軸ケーブル３のフェライトビーズ４近傍（フェライトビーズ４が装着される位置よりも入力側（信号源１側））の外部導体３ｃに接続した例である。

ここで、図３は、複数本の同軸ケーブルを用いた波形測定装置用のロジックプローブの一例を示した図である。特に、図３に示すような高速なロジックアナライザ等の波形測定装置では、多数の先端部（被測定対象の信号源に物理的に接続する部分）があり、これらの複数のプローブを一括してアンプ部や波形測定装置本体に電気信号を伝送する。

このような波形測定装置用の同軸プローブの出力側には、同軸コネクタを用いるのが理想であるが、同軸コネクタは、非同軸コネクタと比べ大きく、高価である。特に、図３に示すような多連の同軸ケーブルそれぞれの出力側に耐久性を持った多連の同軸コネクタを用いて基板５に接続した場合、同軸ケーブル３の他端が大きくなるとともに、基板５も大きくなると共に非常に高価になる。

それに対し、基板５側を耐久性が高く、小型・安価な多極ピンのコネクタ（複数個のピン端子が一体形成されているコネクタ）とし、非同軸コネクタ６を用いた同軸ケーブル３にバイパス線８を設けることにより、耐久性を確保しつつ、小型・安価にすることができる。特に、同軸ケーブル３が一本だけの場合よりも、複数本の場合には、非同軸コネクタ６、多極の基板側コネクタ５ｃ、５ｄを用いる場合には、コスト、小型化の効果が大きい。

（２）図１に示す回路において、外部導体３ｃに一本で接続したバイパス線７を他端側で分離して２本として、それぞれの他端をバイパス線用コネクタ８に接続する構成を示したが、例えば、バイパス線用コネクタ８を１個として、一本（より線、単線）のバイパス線７を分離せずに接続してもよく、物理的に複数本のバイパス線７で接続してもよい。また、複数個のバイパス線用コネクタ８を基板５上に設け、複数本のバイパス線それぞれの一端を外部導体３ｃに接続し、他端側のそれぞをバイパス用コネクタ８それぞれに１本ずつ接続してもよい。すなわち、バイパス用コネクタ８の個数、パイパス線７の本数は、何本でもよく、その接続の仕方もどのようにしてもよい。なお、バイパス線７の本数、コネクタ８の個数が多いほど、バイパス線７側の経路のインピーダンスが下がり、対雑音性が向上するが、設置面積が増えて大型化する。従って、インピーダンスや基板５上の接地面積の大きさ等を勘案して設けるとよい。

（３）基板５の基板側コネクタ５ｃ、５ｄ、バイパス線用コネクタ８の端子をオスのピンとし、同軸ケーブル５の非同軸コネクタ６の端子をメスのレセプタクルとする構成を示したが、基板側コネクタ５ｃ、５ｄ、バイパス線用コネクタ８をメスのレセプタクルとし、非同軸コネクタ６をオスのピンとしてもよい。

（４）フェライトコアの一種としてフェライトビーズを用いる構成を示したが、どのような種類、形状のフェライトコアを用いてもよい。すなわち、磁性体で同軸ケーブル３を挟みこんで閉磁路を構成できればよい。例えば、磁性体の平板に貫通孔が複数設けられ、それぞれの貫通孔に図３に示すような多連の同軸ケーブルを通すものでもよい。さらに、多連の同軸ケーブルを２枚の平板（断面が略Ｌ字、略コの字）で、多連の同軸ケーブルを挟むものでもよい。

（５）図１に示す同軸プローブ、伝送回路を波形測定装置のプローブに用いる構成を示したが、どのような装置間、電子部品間等に用いてもよい。特に、伝送元の共通電位と伝送先の共通電位とに電位差があるような回路間・装置間の接続に用いるとよい。

（６）同軸ケーブル３の出力側に非同軸構造の非同軸コネクタ６を用いると、伝送路としての特性インピーダンスが、同軸ケーブル３に対して不整合になる場合がある。このような特性ピンーダンスの不整合は、基板５上の補償回路を設け、直流〜数百［ＭＨｚ］の周波数範囲（例えば、波形測定装置のプローブとして要求される帯域）で整合させるとよい。

本発明の第１の実施例を示した構成図である。 本発明の第２の実施例を示した構成図である。 図２を用いた波形測定装置用のプローブの外観の一例を示した図である。 従来の伝送回路の構成を示した図である。 同軸ケーブル３の同相電圧除去原理を示した図である。

符号の説明

３ 同軸ケーブル
３ａ 中心導体
３ｂ 外部導体
５ 基板
５ｃ、５ｄ 基板側コネクタ
６、６ａ、６ｂ 非同軸構造の非同軸コネクタ
７ バイパス線
８ バイパス線用コネクタ

Claims (4)

1. 出力側の中心導体および外部導体に非同軸構造のコネクタを付けた同軸ケーブルにおいて、
   前記非同軸構造のコネクタが前記外部導体に接続される位置よりも入力側であり、前記中心導体の同心円状に前記外部導体が存在する部分で前記外部導体に接続されるバイパス線を設け、
   前記同軸ケーブルの出力側と前記バイパス線が接続される部分との間にフェライトコアを装着したことを特徴とする同軸ケーブル。
2. バイアス線のインピーダンスは、前記外部導体の経路のうち前記バイパス線が接続された部分から前記非同軸構造のコネクタまでの経路のインピーダンスよりも低いことを特徴とする請求項１記載の同軸ケーブル。
3. 請求項１または２記載の同軸ケーブルと、
   この同軸ケーブルの非同軸構造のコネクタを接続する基板用コネクタおよび前記バイパス線が接続されるバイパス用コネクタを有する基板と
   を備えたことを特徴とする伝送回路。
4. 前記同軸ケーブルは、多連であり、
   前記基板用コネクタは、複数個の端子が一体形成されていることを特徴とする請求項３記載の伝送回路。