用於傳輸高頻信號的絕緣金屬導體雙絞線及其製造方法
2023-06-01 18:00:31
專利名稱：用於傳輸高頻信號的絕緣金屬導體雙絞線及其製造方法
技術領域：
本發明涉及用於傳輸高頻信號的絕緣金屬導體雙絞線及其製造方法。
在經濟上也至關重要的一個技術目的是能夠製造包含可以最大速率傳輸數據的儘可能細的絞扭絕緣金屬雙股導線的電纜。為了提供能夠以最大速率將數位訊號傳輸最遠距離並且是儘可能小的雙絞式電纜，為金屬導線搜尋具有相當低的介電常數和低功率因素的絕緣材料。
僅在能夠生產出電氣平衡的線對時可實現相當高比特率傳輸的優點。線對平衡意味著一對中的某一絕緣導體應基本上與另一絕緣導體相同一困難的目標。除了良好的線對平衡，使比特率傳輸以及有效距離最大需要適當的串擾控制。這帶來對短線對絞扭的需求從而增強該線對的電特性並防止線對變為非絞扭的情況。
此外希望能夠目測辯別一對中一導線與另一導線。在絕緣導體的觀測編碼與形成電氣匹配線對所需的線對平衡之間存在一個基本衝突。觀測編碼包括使一對中的一個絕緣導體以與同一線對中另一絕緣導體不同的外觀出現。爭取所要求的線對平衡包含使一對中的一個絕緣導體除外觀之外與另一導體在各方面都相同。電氣匹配的線對已獲得很好的對平衡，即，兩絕緣的導線對從同一絕緣生產線上的單導線長度中順序截取。雖然電氣匹配的線對產生非常好的對平衡，但所得兩條導線為相同顏色使得從視覺上區分它們是不可能的。
對加色絕緣體重要的是包括這種絕緣導體的電纜的電特性。一個電特性是電容。電容是有些類似於載流導體周圍存在的磁場的效應。該電容效應是由相鄰表面比如線對中的金屬導體上的靜態電荷產生的。每當電流流過時電線及電纜實質上產生電容效應。儘管消除電容是不可能的，但可調整某些因素以達到可接受的水準。
已知為了區分線對中的一個導體與另一導體在絕緣材料中包含不同色彩的顏料兼顧了前述絕緣導體的電特性。其顏料全部擴散的導體絕緣材料對諸如電容的電特性有不利影響。不同顏色的顏料濃縮物影響電容且加工不同。獲得較低電容值導致較高製造成本而較高電容值會使衰減增加。
例如，將著色材料加至移動絕緣導體的表面、可稱之為外塗，已解決了將著色材料加至移動絕緣金屬導體以及全部擴散於絕緣體的色料對絕緣導體電特性的影響的問題。見美國專利4877645。
實質性外塗降低了廢品率，因顏料應用於已絕緣導體的外部因此免除了調整不同色彩的絕緣狀態的必要性並無須因改變顏色浪費對擠壓機多餘的清洗。
對於外塗來說，有必要首先給絕緣材料染上白色濃縮物以遮掩銅導體。這裡，注意到銅線可顯著地從熟悉的光亮銅色變為暗紫褐色。由於許多要求的絕緣材料是相當透明的，形成不變的白基色有助於獲得明亮的、易分辯的色彩。將例如外塗層放置在白色塑料材料上令人滿意地產生易於區別的色彩。帶有對絕緣材料的較佳附著性並以滿意的產量進行生產。
先有技術的當前狀況為存在可用於絕緣的優良材料以及使這些導體可辯別的方法。這些材料和著色方法在尋找可以最大速率遠距離傳輸數位訊號的絕緣金屬導體上是先進的。
所要尋求並且現有技術所不具備的是電氣匹配的絕緣金屬導線對，該線對中的兩個絕緣導體是可區分的。該區配線對最好是由在絕緣生產線上以順序步驟處理的單條金屬導線長度的連續部分製造的。另外所要尋求的是該線對的導體之間的差異而不會對被絕緣金屬導體的電特性有不利影響。
用本發明電氣匹配的絕緣金屬導體雙絞線已克服了現有技術的前述問題。本發明的目的是提供一種適用於傳輸相當高頻率信號的電氣匹配的絕緣金屬導線對，所述導線對包含各含有金屬導體的第一和第二絕緣的金屬導線，以及覆蓋金屬導體的絕緣材料;所述匹配導線對的特徵在於所述第一絕緣金屬導線可區別於所述第二絕緣的金屬導線，並且相對於第一絕緣金屬導線和與之相關的任何可識別標記配置的絕緣材料的介電常數基本上等於相對於第二絕緣金屬導線和與之相關的任何可識別標記配置的絕緣材料的介電常數;以及所述第一和第二絕緣金屬導線還包含已在生產線上以單根形式絕緣的連續段金屬導線的順序部分。
本發明的另一目的是提供一種製造這種絕緣導體的方法。所述方法包含步驟在一段金屬導線與絕緣材料來源之間產生沿著金屬導體轉角的縱軸方向的傳輸路徑的相對運動;而將絕緣材料應用於該金屬導線長度上的鄰接部分以形成一絕緣金屬導線，所述方法的特徵在於以下步驟使該絕緣金屬導線的一部分與其後續部分的絕緣材料相區別這樣相對於所述部分金屬導線和與之相關的任何可識別標記配置的絕緣材料的介電常數基本上等於相對於所述後續部分金屬導線和與之相關的任何可識別標記配置的絕緣材料的介電常數;以及將該絕緣金屬導線的鄰接部分絞扭在一起以形成電氣匹配的線對。
該方法還包括步驟在絕緣金屬導線與著色材料源之間引起沿絕緣金屬導線縱軸方向上傳輸路徑的相對移動;同時控制第一著色材料至絕緣金屬導線第一部的噴射模式以使第一著色材料施加於絕緣金屬導體的第一部分;
控制第二著色材料至絕緣金屬導線第二、後續部分的噴射圖案以將第二著色材料施加於該絕緣金屬導線的第二、後續部分;
卷取該段絕緣金屬導線的第一和第二部分;以及將該段表面著色的絕緣金屬導線的兩個接續部分絞扭在一起以形成電氣匹配的線對。
所述的方法的特徵在於還包括步驟以如下方式操縱一種著色材料至該段絕緣金屬導體第一部分的噴射圖案，即至少每組噴射圖案僅佔居一個平面的區域以及每組噴射圖案的方向與傳送路徑是預定角度，該組噴射圖案在傳送路徑周圍交錯排列且一般等角隔開，當出現相對移動時用來防止不希望的絕緣金屬導體搖晃，其中將一種著色材料從材料源移到集管頭上並分布到每組噴嘴，所述方法還包括步驟將一屏蔽罩設置在絕緣金屬導體與集管頭的噴嘴之間，然後使另一種著色材料從與另一集管頭相連的噴嘴射出並指向絕緣金屬導體長度上的第二部分;然後卷取表面著色絕緣金屬導體的第一和第二部分;以及將該段的兩個接續部分絞扭在一起。
所述方法的特徵還在於第一和第二組噴射圖案與沿傳送路徑設置的每一集管頭相關聯，每組噴射圖案沿傳送路徑間隔開，第一組噴射圖案各在單一平面內並與傳送路徑保持預定角度。
圖1是已包圍塑料絕緣材料並提供有表面色料的絕緣金屬導體雙絞線的末端橫截面圖;
圖2是兩導體和一個屏蔽物的電原理表示並示出了其金屬構件之間的電容;
圖3是用於製造具有不同著色的接續部分的連續段絕緣金屬導體的生產線的結構圖;
圖4是用於將著色材料施加於移動的絕緣金屬導線的設備的透視圖;
圖5是用於將著色材料提供給移動的絕緣金屬導線的多個噴嘴之一的放大示圖;
圖6是兩組用於將著色材料施加於移動的絕緣金屬導線的噴嘴配置的透視圖;以及圖7是包括用於改變施加於移動絕緣金屬導線的著色材料的裝置的色料施加設備的正面視圖。
現在參見圖1，其示出了總的以標號20表示的電匹配絕緣金屬導體雙絞線。雙絞線20包括兩個可區分的絕緣金屬導線21-21，各包括一金屬導電部分22，其已經以要求的絞扭長度絞扭在一起。該線對的每一絕緣金屬導體可從視覺上與該線對的另一導體加以區別。
雙絞線的電容平衡或非平衡已結合努力消除對聲頻和載頻的幹擾進行了長期研究。然而，隨著發送頻率的增加，電容平衡的一個方面、平衡的介電常數變得愈來愈重要。現在雙絞線將用來傳輸每秒100兆位纖維分布數據接口(FDDI)信號並已證明適於轉輸每秒一千兆位的信號。一線對的兩條導線的可區分絕緣體具有幾乎相同的介電常數對轉輸這些頻率是重要的。
下面參見圖2，絕緣金屬導線對的相互電容是一導線至另一導線的電容CD與每一導線對地的電容串聯組合之和。線對的一個導體與另一導體的電容是重要的但不影響對地的電容。如果一個導體對地的電容CG1等於另一導體對地的電容CG2，則表明雙絞線具有理想的電容平衡。假定該線對的組成部分是圓形的和同心的，對地的電容是導體直徑、絕緣體直徑、線對至地或屏蔽物的距離以及絕緣體的介電常數的函數。從聲頻到100KHZ左右，簡單的電容平衡足以消除幹擾。然而，隨著傳輸頻率增加和每一導線對地電容串聯組合的增加，兩個導體的絕緣體的介電常數差異愈加重要。
線對絕緣導體之間相等介電常數的重要性是兩個參量的函數，即將要使用該線對的系統和該線對的設計。如下文將描述的，系統重要性的量度是信號源與接收機之間的波長數。
關於線對設計，兩導線的絕緣體介電常數的相等在其中大部分互電容歸因於導體之間電容的設計中是最不重要的，而在其中大部分互電容歸因於導體對地的電容的設計中是最重要的。換言之，由比率CG/CD或CG/CD測量-設計相對介電常數變化的靈敏度。懸浮在空中的未屏蔽雙絞線代表對介電常數變化最不敏感的設計。單獨屏蔽的線對這些變化最敏感的設計。雖然這兩極端設計可能因靈敏度大小的量級而不同，當以很高的比特率傳輸時對於任何雙絞線設計來說一致介電常數變為重要。歸因於各導體對地電容串聯組合的互電容的比例越大，雙絞線的導體絕緣層的介電常數之間的等同變得更為重要。
通過將兩個同軸電纜絞扭在一起可形成具有僅由對地的電容組成的互電容無而任何直接導體對是導體電容的線對設計。眾所周知同軸電纜中的高頻信號以被介電常數的平方根除的光速傳播。第一種是信號源與接收機之間的頻率和距離是這樣的，即在該間距中存在10個波長，第二種是信號源與接收機之間的頻率和距離是在該間距中存在100個波長。在第一種情況下信號源與接收機之間相移為3600°。在第二種情況下信號源與接收機之間的相移為3600°。如果假定6°的相位差是臨界的，第一系統要求兩導體的信號速度之比達6/3600，或600分之1。第二系統要求信號速度之比達6/3600或6000分之一。這樣，很顯然信號源與接收機之間的波長數越大，相速度之間的比以及線對的兩絕緣導體的介電常數變得越關健。
良好的線對平衡要求兩個絕緣導體的絕緣導體直徑與金屬導體直徑之比相同，並有基本上相同的介電常數，二者均可由本發明獲得。相同介電常數是特別關鍵的，因為線對的每一導體傳輸一半信號，並且每一半必須保持相對另一半的相位。使導體絕緣以及使沿包含雙絞線的兩段諸如著色材料的任何辯別措施相同可獲得相同介電常數。
參見圖3，線狀金屬導體22沿絕緣作業線23從供給捲軸24移動並通過縮減該導線直徑的牽引裝置25。此後，在退火爐26中將它退火，然後冷卻並再加熱到所希望的溫度，然後將其移入和通過擠壓機28。
在擠壓機28中，塑料絕緣材料被施加於移動導線包覆它以形成經絕緣的金屬導體30。牽引裝置、退火爐和擠壓機的細節在現有技術中均是已知的此處不需要詳細描述。然後，將塑料絕緣的導線移動通過冷卻槽31經絞盤33到卷取裝置35上。常規壓印器32可用來將頻帶標記加至絕緣體。
絕緣材料最好是鮮明或非彩色或白色塑料含氟聚合物材料。記住這些準則，Teflon(聚四氟乙烯)塑料材料明顯是最好的適用絕緣材料之一的實例。此外，就強度、阻止化學反應和阻燃性來說它是極好的材料。在最佳實施例中，該絕緣材料可以是過氟烷氧基四氟乙烯(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濃縮物加色。僅具有白色絕緣材料的某些優點為易加工性能、易著色、銅易變性遮蓋力以及電特性的一致性。某些不同於白色的彩色濃縮物更難於處理。而且，用彩色濃縮物構成的整個色彩調色會帶來不希望的介電特性變化。
除聚四氟乙烯塑料外還存在受益於該製造過程和提供類似電特性優點絕緣材料。其它這類絕緣材料包括聚乙烯、聚丙烯及HALAR氟聚合物。
已證明聚四氟乙烯(teflon)塑料材料難於通過用彩色濃縮物徹底對整個絕緣體加色彩而變色。帶來最多問題的那些顏色的色彩濃縮物具有兩個溶解相位。如果溫度上升到足以達到完全溶解、則產生氣體;在較低溫度，未溶解小塊包含在絕緣體中。
通常已包含在絕緣體中的不同加色的彩色濃縮物之間的變化引起電容變化。然而，離金屬導體距離越大，對電容的影響越小。因此，由於表面塗層至金屬導體的距離，外塗絕緣導體的色彩變化性對線對的電容影響不明顯。
在擠壓機28與卷取裝置35之間，著色材料37(見圖1)比如在一層中被施加到塑料絕緣導線的外表面而形成可識別絕緣導體21。沿生產線23施加著色材料的位置取決於包含該壓出物的塑料材料類型。因為在最佳實施例中，絕緣體包含無孔的氟聚合物，將著色材料加在擠壓機28與冷卻槽31之間的位置。
不管其位置，著色材料施加裝置40包括在線23中並有效施加著色材料以基本上覆蓋移動絕緣導體30的整個表面區域。有益地，施加裝置40是非接觸裝置。該著色材料最好是諸如第3516號一類例如可從WestHanoverMass的GEMGravure公司購得的塗料。
如可在圖4中最佳看到的，裝置40包括連接到著色材料供應(源未示出)的集管頭。集管頭24為環形以允許塑料絕緣的導體通過其中向前。從集管頭42的一側伸出多個管狀支承件44-44，其通過集管頭連接到供應源。附著於每個管狀構件44的是具有入口的噴嘴46，其入口通過有關管狀構件與通路連通。
每一噴嘴46適用於提供色料的特定噴射圖案。噴嘴46最好以單平面或片45(見圖4和5)發射著色材料。
此外，每一噴嘴46固定在其相關聯的管狀構件上以在與塑料絕緣導線傳送路徑特定角α(見圖5)的平面內發出其噴射。角α是這樣的即噴射具有平行於絕緣導線傳送路徑的但方向與絕緣導線運動方向相反的分量。該角度α最好在105°到135°的範圍內。由於噴射圖案的方向，速度分量趨於提供對塗料的平滑作用由此防止過於堆積。結果是具有基本上均勻塗覆的表面。
還應觀察到除了放置噴嘴的預定角度，還存在重要的關於它們位置的其它因素(再是圖4和5)。首先，噴嘴沿塑料絕緣導線的傳送路徑交錯排列。交錯的布局防止噴射模式間的幹擾。其次，在塑料絕緣導線的外圍一般等角地隔開噴嘴。第三，離絕緣導線傳送路徑約1/2英寸隔開噴嘴。已發現當距離增加超過1/2英寸時，塑料絕緣體較少受到塗料覆蓋。
用前述美國專利4877645中描述的裝置可實現噴嘴靠近或遠離絕緣導線21的移動。
從另一角度來說噴嘴46-46也是有益的。對塑料絕緣體均勻塗覆的重要性是當它通過施加設備前進時改進相對所不希望擺動的穩定性。已發現由於噴嘴46-46發射時的噴霧模式，塑料絕緣導線基本上無偏離所要求路徑的任何擺動。
從附圖應觀察到噴嘴46-46設置在集管頭42與卷取裝置之間。已發現通過集管頭42與擠壓機28之間設置第二組噴嘴51(見圖6)增強了著色操作。由標號50指出第二組噴嘴51。
不同於噴嘴46-46，各噴嘴50-50提供著色材料的純粹錐形噴射圖案53。每一噴嘴50形成中等到大滴的均勻噴霧。這種噴嘴是市場上可購得的，例如由Illinois，wheaton的噴射系統公司，指定FullJet噴嘴。在噴射圖案外表面上相對線路之間的噴射角可在約40°到110°左右的範圍內。
還如可從圖6中所見，從集管頭42突出的管狀構件52支持各噴嘴50。提供給頭42的著色材料流過每一管狀構件52-52併到達噴嘴50-50。
配備噴嘴50-50以減小噴射圖案中的幹擾並增強塑料絕緣導線表面上著色材料的覆蓋。如可在圖6中所見，噴嘴沿塑料絕緣導線的傳送路徑交錯從而隔開噴射圖案。另外，在絕緣導線的傳送路徑周圍設置噴嘴50-50，這樣使每個指向不同的輻射方向，最好使它們關於移動導線等角地隔開。
儘管噴嘴50-50提高了塑料絕緣體表面區域覆蓋，但它們還趨向於引起傳輸絕緣導線的波浪運動。然而，該影響被各形成面噴射的噴嘴46-46所減弱。
本發明的系統包括當絕緣導線繼續沿傳送路徑移動時用於實現從一種著色材料到另一種著色材料的轉換。第二集管頭58(見圖7)與集管頭42相同並具有第一和第二組噴嘴。而且，安裝供氣缸62作往復運動的套罩60例如被放入兩個集管頭之間。可操作集管頭58將色料供給相連的噴嘴已塗覆導線絕緣體。當需要改變顏色時，著色材料開始流向當前未使用的頭20，並控制氣缸使套罩移向圖7中所示的右側以使移動絕緣導線與頭58的噴嘴46-46以及50-50隔絕。至套罩已從其移開的頭42的著色材料被其相關聯的噴嘴噴射到移動的絕緣導線上。不久之後，著色材料不再繼續流向頭58。
有益的是，可用套罩備罩幫助設備的清潔。當頭42或58之一未使用且其噴嘴與移動的絕緣導線遮蔽時，清洗液流過管狀構件和未使用頭的噴嘴以清洗它們。
由於圖7的轉換設備，絕緣金屬導體的連續段可具有施加於其長度上鄰接部分的不同著色材料。隨後，絕緣金屬導體的兩個部分彼此分開，用現有技術中的已知設備將這兩部分絞扭在一起以形成相同流水線上由未引入其它變化的單根絕緣金屬導體製造的電氣匹配線對。
另一方面，當控制圖2的轉換設備從一個施加頭變換到另一個時，控制自動卷取裝置在預定時間後產生至另一卷取盤的轉換。在轉換到第二卷取盤之前由第一個頭關色的絕緣導體段前進到一個卷取盤需要時間。接著，兩個卷盤安裝在絞扭裝置(未示出)中，操作該裝置使兩段不同顏色的導體絞扭在一起。
由於前述方法的結果，形成電氣匹配的雙絞線。由相同擠壓機把絕緣材料施加於金屬導體段的鄰接部分和著色材料施加於每一絕緣部分的外表面導致兩著色絕緣導體之間基本上相等的介電常數。金屬導體長度上的兩個連續部分之間的區分能力的顯著重要性在於能夠迅速地從一種形式識別的應用轉移到另一種的能力，比如快速改變著色材料的能力。
權利要求
1.一種適用於傳輸相當高頻率信號的電氣匹配的絕緣金屬導線對，所述導線對包含各含有金屬導體的第一和第二絕緣的金屬導線，以及覆蓋金屬導體的絕緣材料；所述匹配導線對的特徵在於所述第一金屬導線可區別於所述第二絕緣的金屬導線，並且相對於第一絕緣金屬導線和與之相關的任何可識別標記配置的絕緣材料的介電常數基本上等於相對於第二絕緣金屬導線和與之相關的任何可識別標記配置的絕緣材料的介電常數；以及所述第一和第二絕緣金屬導線還包含已在生產線上以單根形式絕緣的連續段金屬導線的順序部分。
2.如權利要求1所述的匹配絕緣金屬導體雙絞線，其特徵在於表面著色材料層基本上限定於各絕緣導體的絕緣材料的外表面使各金屬導體至著色材料的距離最大，第二絕緣導體的著色材料可與所述第一絕緣金屬導體的著色材料相區別。
3.如權利要求2所述的電氣匹配雙絞線，其特徵在於每一絕緣導體的絕緣材料基本上是無孔的。
4.如權利要求2所述的電氣匹配雙絞線，其特徵在於每一絕緣導體的所述表面層包含塗料。
5.一種製造電氣匹配的絕緣金屬導體雙絞線的方法，所述方法包含步驟在一段金屬導線與絕緣材料來源之間產生沿著金屬導體轉角的縱軸方向的傳輸路徑的相對運動;而將絕緣材料應用於該金屬導線長度上的鄰接部分以形成一絕緣金屬導線，所述方法的特徵在於以下步驟使該絕緣金屬導線的一部分與其後續部分的絕緣材料相區別這樣相對於所述部分金屬導線和與之相關的任何可識別標記配置的絕緣材料的介電常數基本上等於相對於所述後續部分金屬導線和與之相關的任何可識別標記配置的絕緣材料的介電常數;以及將該絕緣金屬導線的鄰接部分絞扭在一起以形成電氣匹配的線對。
6.如權利要求5所述的方法，包含步驟在絕緣金屬導線與著色材料源之間引起沿絕緣金屬導線縱軸方向上傳輸路徑的相對移動;同時控制第一著色材料至絕緣金屬導線第一部的噴射圖案以使第一著色材料施加於絕緣金屬導體的第一部分;控制第二著色材料至絕緣金屬導線第二、後續部分的噴射圖案以將第二著色材料施加於該絕緣金屬導線的第二、後續部分;卷取該段絕緣金屬導線的第一和第二部分;以及將該段表面著色的絕緣金屬導線的兩個接續部分絞扭在一起以形成電氣匹配的線對。
7.如權利要求5所述的方法，其特徵在於包括步驟以如下方式操縱一種著色材料至該段絕緣金屬導體第一部分的噴射圖案;即至少每組噴射圖案僅佔居一個平面的區域以及每組噴射圖案的方向與傳送路徑是預定角度，該組噴射圖案在傳送路徑周圍交錯排列且一般等角隔開，當出現相對移動時用來防止不希望的絕緣金屬導體搖晃，其中將一種著色材料從材料源移到集管頭上並分布到每組噴嘴，所述方法還包括步驟將一屏蔽罩設置在絕緣金屬導體與集管頭的噴嘴之間，然後使另一種著色材料從與另一集管頭相連的噴嘴射出並指向絕緣金屬導體長度上的第二部分;然後卷取表面著色絕緣金屬導體的第一和第二部分;以及將該段的兩個接續部分絞扭在一起。
8.如權利要求7所述的方法，其特徵在於第一和第二組噴射圖案與沿傳送路徑設置的每一集管頭相關聯，每組噴射圖案沿傳送路徑間隔開，第一組噴射圖案各在單一平面內並與傳送路徑保持預定角度。
9.如權利要求8所述的方法，其特徵在於第一組噴射圖案都具有純粹的錐形。
10.如權利要求7所述的方法，其特徵在於每一噴射圖案的發射點與絕緣金屬導體之間的距離是可以改變的。
全文摘要
用於形成絕緣金屬導體的電氣匹配線對的方法和裝置。將絕緣材料加至一段線狀金屬導體的連續部分然後將著色材料施加於正沿傳送路徑移動的金屬導體長度上的第一部分的塑料絕緣材料表面。提供設備用來使著色材料的供給與移動絕緣金屬導體隔絕，然後將絕緣金屬導體的第二部分暴露給不同著色材料。絕緣體和著色材料及它們相對絕緣體的配置是這樣的，即該線對的一絕緣金屬導體的介電常數基本上等於另一絕緣金屬導體的介電常數。將絕緣金屬導體長度上的第一和第二部分彼此分開並絞扭在一起形成電氣匹配線對。
文檔編號H01B11/02GK1068674SQ92105289
公開日1993年2月3日 申請日期1992年6月27日 優先權日1991年6月28日
發明者S·T·澤布斯, W·G·納特, L·L·布萊希 申請人:美國電話電報公司