專利名稱：電氣最優(yōu)化的“最后一英里”復(fù)合電信線纜系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明的開發(fā)沒有得到任何美國聯(lián)邦計劃的支持，因此美國政府對本發(fā)明不享有權(quán)利。
共同發(fā)明人Mitchell A.Cotter和John A.Taylor本申請以下列臨時申請為基礎(chǔ)1997年7月29日提交的美國臨時專利申請60/054076；1998年4月30日提交的美國臨時專利申請60/084200；1998年5月12日提交的美國臨時專利申請60/085195。
本發(fā)明涉及電信線纜鋪設(shè)(cabling)，并且特別是將用戶連接外部網(wǎng)絡(luò)的所謂“最后一英里”連接所使用的線纜連接。本發(fā)明尤其是與線纜鋪設(shè)結(jié)構(gòu)和接線的改進(jìn)有關(guān)聯(lián)。
考慮到通信技術(shù)的發(fā)展，對目前的遺留陸線通信網(wǎng)絡(luò)的調(diào)查會得出一些有趣的領(lǐng)悟。一方面，最新的遠(yuǎn)距離通信和當(dāng)今所建設(shè)的信息基礎(chǔ)設(shè)施是以有著極大容量的光纖和編碼技術(shù)為基礎(chǔ)的。另一方面，到最終用戶的“最后一英里”本地引入線纜一般還是數(shù)十年前為提供電話業(yè)務(wù)而安裝的遺留銅線。因為在當(dāng)初設(shè)計遺留銅線時對性能的考慮并不能預(yù)期到今天的光纖容量，所以銅線端用戶不能利用現(xiàn)代的遠(yuǎn)距離基礎(chǔ)設(shè)施所能提供的高比特速率。用戶受他到服務(wù)提供者的本地接入線纜連接的限制。
審視一下當(dāng)前服務(wù)提供者所尋求的通信系統(tǒng)體系，幾乎全部都存在著保持以服務(wù)為本的連接概念是潛在假設(shè)的問題。下文將討論這兩個背景情況。
“最后一英里”電信資源的使用已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了純粹的電話交談這一范圍。這些話音通信消息不再是流過世界通信網(wǎng)絡(luò)的信息中處于支配地位的信息類型。今天的電信用戶把這些資源利用于許多其他類型的信息。計算機(jī)數(shù)據(jù)和視頻信息就是將來的一些例子。用戶通向全球通信網(wǎng)絡(luò)的通訊鏈路應(yīng)適應(yīng)帶寬的要求，換句話說，數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率性能方面應(yīng)當(dāng)應(yīng)付自如。遺留鏈路和中央辦公室(電話交換機(jī))的體系結(jié)構(gòu)及其到用戶的線纜不能給予為所有這類數(shù)據(jù)、視頻和其他信息所期望的信息容量。
需要有新的網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)，它應(yīng)當(dāng)為用戶提供能夠同時滿足當(dāng)前和將來要求的寬帶寬通路。對于任何此類的新線纜系統(tǒng)，應(yīng)該能夠為今天采用電而非光學(xué)的信號接口的最終用戶提供適當(dāng)?shù)膸?，同時在設(shè)備和最終用戶的帶寬利用均需要發(fā)展的時候追加較少的成本就能夠進(jìn)行光信號的傳送。對于當(dāng)前和不久的將來，一般需要的最大用戶帶寬(甚至是對于雙向通訊而言)可能仍然被包含在一個提供在每秒1千兆位以下的全通道傳輸容量的接口內(nèi)。要求以比較短的跨距將新網(wǎng)絡(luò)的任何本地分布節(jié)點連起來。當(dāng)然大多數(shù)這樣的線纜敷設(shè)路徑都在這類線纜系統(tǒng)采用的稱呼“最后一英里”所指出的一英里距離以下，并且大部分那些敷設(shè)路徑(或者本地接入線纜)都將遠(yuǎn)低于半英里。如此新網(wǎng)絡(luò)的連接各節(jié)點的配線“干線”可以由連接著這種地區(qū)網(wǎng)絡(luò)所能展望的那些節(jié)點的雙向光纖通道很好地完成。隨著數(shù)字信號傳輸技術(shù)的到來，這些本地接入線纜，或線纜系統(tǒng)的“最后一英里”引線的性能要求提出了新的而且是與現(xiàn)有技術(shù)已經(jīng)達(dá)到的目的非常不同的目標(biāo)。另外，也可能在采用一個有洞察力的電氣設(shè)計之后，這樣的最后一英里線纜甚至可以適用于一些短程的節(jié)點間連接。
安裝任何線纜系統(tǒng)(不是線纜本身)的成本對于用戶個人來說都是實實在在的一筆費(fèi)用，它是到目前為止服務(wù)提供者所作的網(wǎng)絡(luò)投資中最大的一部分。非常合乎需要的要求(如果不是基本要求)是，任何新安裝的此類接入線纜都應(yīng)當(dāng)在容量上為將來的發(fā)展做準(zhǔn)備。
網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)的變遷范例過去的通信網(wǎng)絡(luò)幾乎完全以“呼叫”或“消息”型的通信量為基礎(chǔ)，用戶僅僅在“呼叫”或者是“被呼叫”的時候才暫時和網(wǎng)絡(luò)相連接。如此的基于連接的體系結(jié)構(gòu)建立了在呼叫者和接收機(jī)之間暫時的連接通路。在未來，通信將建立在“數(shù)據(jù)分組”的切換原理的基礎(chǔ)上。數(shù)據(jù)分組消息攜帶有地址信息，這樣，發(fā)送器將消息送給接收機(jī)，反之亦然。所有用戶都可以連續(xù)地與如此的一個新網(wǎng)絡(luò)連接。用戶將選擇主動參與，并且僅僅當(dāng)他們希望的時候產(chǎn)生信息“消息”。此類網(wǎng)絡(luò)里的多數(shù)活動將以數(shù)據(jù)流的形式存在，只在間或情況下才以不需要用戶的存在或積極參加的方式和用戶進(jìn)行較高頻度的數(shù)據(jù)交換。對于用戶來說，這種功能不同于當(dāng)前的呼叫或基于連接的通信功能，而是更類似于電力的供應(yīng)。不過，它們也有不同點，即這樣的消息既可以源自用戶的設(shè)備，也可以從用戶地點之外的不同源流向用戶。這表明通信進(jìn)程有了新用途，該新用途包容了諸如網(wǎng)絡(luò)“代理商”或“化身”的功能，這些功能塊獨(dú)立工作，根據(jù)需要即時發(fā)送信息。同樣地，作為類似編程的結(jié)果，用戶系統(tǒng)也能產(chǎn)生信息?！氨粍拥摹?即，沒有用戶參與的點播)功能可能在非常近的將來成為網(wǎng)絡(luò)所載運(yùn)的信息通信量的主要內(nèi)容。
這種未來展望要求數(shù)據(jù)傳輸速率顯著增加。例如，在1997年，所有長途線路中的信息流總量是以低于1×1014比特/秒的速度傳輸?shù)?。很可能在未來的幾年?nèi)數(shù)以10億計的用戶可以經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相連接，此時全局信息速度可能達(dá)到1×1019-1×1020比特/秒！盡管現(xiàn)在世界上正在使用的許多光纖還未起作用，但是數(shù)據(jù)傳輸速率的增長將最終提出挑戰(zhàn)。在光纖所采用的光載波中使用波分復(fù)用(″WDM″)、以及采用光放大器和色散校正的做法，可以成百倍地增加它們的容量。即使這樣，也將需要大量的新光纖來支持更大而且更為雄心勃勃的應(yīng)用。這自然將進(jìn)一步加重要求在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的用戶端帶寬顯著增加的迫切性。滿足這一要求的改進(jìn)措施必須在發(fā)送和接收模式中每秒傳遞好幾百兆比特，優(yōu)選以雙工方式進(jìn)行，即同時發(fā)送和接收。
最后一英里線纜系統(tǒng)所特有的許多要求，明顯地影響了最后一英里設(shè)計方案的可行性，并且影響其成本，耐久性和可靠性?，F(xiàn)在的通信系統(tǒng)能夠提供給用戶的僅僅是有限的帶寬，即便它們的長距離和大多數(shù)本地交換通路中的干線采用了基于光纖的系統(tǒng)。目前的光纖通路一般僅僅利用了如此光纖通路的信息帶寬潛力的非常小的一部分。例如如同上文所提起的那樣，1997年的技術(shù)能夠在單一光纖上發(fā)送許多信號，并且使這些信號中每一個信號攜帶每秒10到20千兆位。
光纖目前已經(jīng)安裝到位；僅僅需要“終端”連接就可以達(dá)到這樣的結(jié)果?，F(xiàn)在，一些“公用通信公司(carrier)”已經(jīng)在其網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)距離部分安裝了這種帶寬擴(kuò)大裝置，以便能夠處理它們當(dāng)前日益突出的工作量。在那些通路中還存在相當(dāng)大的帶寬容量；不過，現(xiàn)在還幾乎或者根本不存在在目前的通信網(wǎng)絡(luò)的用戶端能給予充足雙向帶寬的可行技術(shù)。此外較為明顯的是光纖使用的現(xiàn)狀現(xiàn)在所安裝的光纖中大部分未起作用(dark)。換句話說，它們安裝就位，但不攜帶信號。目前的帶寬限制之處完全是在將現(xiàn)有和潛在的遠(yuǎn)距離帶寬同時從本地給予全部公眾的手段方面。
本發(fā)明致力于設(shè)計制造新穎的線纜系統(tǒng)和有關(guān)的系統(tǒng)設(shè)備，以提供鏈接用戶和有線通信網(wǎng)絡(luò)的線纜系統(tǒng)的最后引線，這種線纜系統(tǒng)能夠為任何用戶提供比當(dāng)前從公用通信載體所能獲得的容量和通用性大大增加的容量和通用性。在此所談到的主題涉及把用戶接在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)上所必須使用的實際物理鏈路。
本發(fā)明考慮了將來的發(fā)展。如上所述，給個人用戶安裝任何最后一英里線纜系統(tǒng)的成本都如此顯著，以至于任何此類的新安裝都應(yīng)該為將來的拓展做準(zhǔn)備。為了提供真正適于將來發(fā)展的選擇，有必要在如此的本地接入線纜中加入光纖。而且，光纖本身的成本比較低，幾乎不會增加總的初始成本。
經(jīng)過精心設(shè)計的線纜系統(tǒng)設(shè)計能夠在混合結(jié)構(gòu)中結(jié)合寬帶寬的電和光的信號通路，并在迅速發(fā)展的通信領(lǐng)域脫穎而出。如果全部本地引入線纜都能如此構(gòu)成，現(xiàn)在的需求將得到滿足，并且在將來需要的時候就可以簡單地擴(kuò)大到光學(xué)應(yīng)用。由于具有本發(fā)明所帶來的進(jìn)步，可以將這種新網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造視為具有長期價值的基礎(chǔ)設(shè)施投資，它能提供和羅馬大道同樣堅固而且耐用的信息公路。
本發(fā)明通過實現(xiàn)具有適于當(dāng)前和近期可預(yù)見的通信要求的寬帶寬的混合電/光信號傳輸線纜系統(tǒng)，滿足了物理上和功能上的電信傳輸條件，并能容納將來的光纖。在本發(fā)明的線纜系統(tǒng)設(shè)計中，每個用戶到系統(tǒng)的連接可以有一些光纖。無論是幾根還是可能的16根甚或是更多的光纖都可能很容易地容納進(jìn)來，而不會干擾線纜系統(tǒng)的電信號性能。電信號的預(yù)期頻率工作范圍在從DC到大約1千兆赫(GHz)之間或更高。
這個新穎的線纜系統(tǒng)擁有兩個獨(dú)立的電通路，一個用于發(fā)送，另一個用于接收。發(fā)送和接收信號通路具有相同的性能，并且在達(dá)到它們相等的信號性能的同時不會彼此干擾。該新系統(tǒng)概念上的體系結(jié)構(gòu)強(qiáng)調(diào)保持“四線”連接，即發(fā)送和接收通路的分開。如此的體系結(jié)構(gòu)消除了使當(dāng)前配線系統(tǒng)復(fù)雜化的許多有關(guān)回波、返回?fù)p耗和“振鳴”的問題。這一新線纜系統(tǒng)意在為當(dāng)前和將來的要求提供全面的服務(wù)。例如，本發(fā)明可以接納英特網(wǎng)用戶，數(shù)字電視，高清晰度電視(HDTV)，多通道視頻點播，大容量數(shù)字信息交換，在家辦公和遠(yuǎn)程辦公通訊，經(jīng)“代理商”和“化身”進(jìn)行的各種家庭和辦公室業(yè)務(wù)，自動化制造控制，視頻“電話”，商用和專用視頻會議，大容量圖書館文件傳送和搜索以及多個語音頻率“電話”服務(wù)信道?，F(xiàn)在所熱衷的號碼可移植性(如便攜式個人“電話號碼”，用戶無論到哪里均可攜帶它)成為所披露最后一英里系統(tǒng)采用的同步數(shù)字層次/同步數(shù)字網(wǎng)(SDH/SONET)信令基礎(chǔ)特性的簡單派生。
許多這類的應(yīng)用要求在兩個方向中都要有非常寬的帶寬?；旌暇€纜系統(tǒng)設(shè)計可以服務(wù)于所有各類用戶，從此時此地尋求寬的光學(xué)帶寬的少數(shù)用戶，到當(dāng)前僅要求較少帶寬的巨大用戶群。對于后者，具有吉赫或更窄帶寬(遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過目前的電話線對的能力)的高質(zhì)量電信號通路將足以服役到它們在將來面臨要求更寬帶寬的應(yīng)用的壓力為止。
一個本發(fā)明結(jié)構(gòu)的例子以圖2表示，在該圖中概括地表示了一個本地節(jié)點-用戶接口。參看該圖，本地節(jié)點51具有來自雙向光纖通路53的輸入端。該節(jié)點的特性在下文將詳細(xì)說明。這些可以方便地用SDH/SONET制式連接光學(xué)通路。另外，通過波分復(fù)用的使用，單一的光纖通路可以完成成百上千的接入。另一個輸入端55適合于可能的普通老式電話業(yè)務(wù)(POTS)通路。此外，電源57和本地節(jié)點相連接。它可以是該節(jié)點內(nèi)或來自系統(tǒng)里另一個地點的電池備份源。在本地節(jié)點51內(nèi)，節(jié)點接口器件(″NID″)59使發(fā)送和接收通道與光纖耦合在一起。NID的基本通道包括和接收機(jī)光纖通路連接的光學(xué)接收機(jī)以及和發(fā)送器光纖通路連接的光學(xué)發(fā)送機(jī)。這些光電元件中每一個都提供一些用戶通道(典型值為16～32)。節(jié)點接口器件能接納電模式61和光模式63。類似的用戶接口器件65連接在用戶端。根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的混合線纜連接在節(jié)點接口器件63和用戶接口器件65之間，在這里用標(biāo)號67表示。用戶接口器件可以有到電話、電視、計算機(jī)的輸出端，數(shù)據(jù)輸入端等等。另外，還可以提供為數(shù)眾多的其他接入，它們簡要表示以標(biāo)號69。圖2a顯示的是可以使用本發(fā)明的區(qū)域性環(huán)路結(jié)構(gòu)。最初的連接從全局網(wǎng)絡(luò)或干線411開始，接至交換和轉(zhuǎn)接點401。干線411典型地是光纖，但是也可以使用電線纜連接。交換和轉(zhuǎn)接點401連接至多個本地節(jié)點51。一個典型的本地節(jié)點是51’。在圖2b中，本地節(jié)點51連接到多個網(wǎng)絡(luò)。一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)于商務(wù)區(qū)403。另一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)于大型購物中心405。另一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)工業(yè)區(qū)409。又一個網(wǎng)絡(luò)服務(wù)多個街道407。這些網(wǎng)絡(luò)的每個都可以經(jīng)線纜413和本地節(jié)點51′連接起來。線纜413可以使用本發(fā)明的線纜。在本地節(jié)點51’，顯示有一個節(jié)點接口器件415。在諸如工業(yè)區(qū)的網(wǎng)絡(luò)，有一個用戶接口器件417。上文的這些接口器件將在下文作更詳細(xì)的闡述。
不過應(yīng)當(dāng)注意的是，基于圖2a的區(qū)域性環(huán)路結(jié)構(gòu)可以采取許多形式。例如，如果線纜413為單一住宅提供服務(wù)，那么在住宅入口可以有一個交換和轉(zhuǎn)接點，用來從線纜分發(fā)信號到多個房間或器件。如果是前者，每個房間可以都備有為設(shè)備或器件提供服務(wù)的本地小節(jié)點。要把器件從一個房間移動到別的房間可能僅需要將雙列直插式開關(guān)(dip switch)復(fù)位或移動跨接線纜。如同下文的詳細(xì)說明所指出的那樣，節(jié)點或小節(jié)點可以由用戶接口器件插入在信號標(biāo)題中的地址定位。特別是，為便于在住宅中使用，可以采用下文所闡述類型的線纜，但是不太需要使用類似不銹鋼編帶的屏蔽和加強(qiáng)材料。按照這一方式，線纜可以被做的更為緊湊，這對室內(nèi)應(yīng)用來說較為合乎需要。
從節(jié)點到用戶的典型距離一般將少于2000英尺，而且在人口稠密的城區(qū)通常比1000英尺還小。本發(fā)明的混合線纜系統(tǒng)設(shè)計甚至可以在操作時允許其兩對電導(dǎo)線被用于兩個POTS線，POTS線的使用可以和寬帶的電操作同時進(jìn)行。當(dāng)然，光纖通道始終和任何電模式所使用的方式無關(guān)。這些電線路還可以用于攜帶操作各種最后一英里在線信號再生器和用戶終端裝備可能采用的網(wǎng)絡(luò)器件所需的非常適度的功率，而且可以在不會和POTS操作中的振鈴和“電池”電壓功能發(fā)生干擾的情況下工作。POTS功能可以通過利用數(shù)字通路從而經(jīng)用戶接口器件中的數(shù)字-話音接口“線路卡”提供一或多個“電話”線而得到更好的服務(wù)。
上面的節(jié)點系統(tǒng)將最有可能使用目前在各局間以及遠(yuǎn)距離光學(xué)網(wǎng)絡(luò)所廣泛使用的SONET或SDH標(biāo)準(zhǔn)的信號制式。因此這種新的線纜系統(tǒng)向上及向下都是高度兼容的。這又一次提到了一個重要的成本/投資問題。現(xiàn)有的電話銅線網(wǎng)絡(luò)(“外部設(shè)備”)占據(jù)了現(xiàn)有本地電話網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的現(xiàn)有總投資的四分之三以上。
回顧前文對關(guān)于最后一英里線纜系統(tǒng)的目標(biāo)和原則的技術(shù)性的分析，使發(fā)明人把注意力集中到一種屏蔽四芯線組電導(dǎo)體結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)部件的新形式，以及利用它的體系結(jié)構(gòu)。這種新線纜還容易以新穎的方法接納一些各種類型的光纖。充分實現(xiàn)的四芯線組原理提供對于最后一英里的本地接入是如此重要的雙重(2)獨(dú)立的無干擾的電信號發(fā)送和接收通路。四芯線組的概念本身并不新；但是本說明書致力于許多的其他因素，它通過改善其潛力的實現(xiàn)手段，拓展其結(jié)構(gòu)的靈活性，實現(xiàn)了包括光纖通路在內(nèi)的最后一英里線纜系統(tǒng)所需要的所有其它特性。
本發(fā)明還披露了新結(jié)構(gòu)，這種新結(jié)構(gòu)尤其是適于達(dá)到在為使目標(biāo)寬頻帶電性能頻譜上串音(XTLK)很低而選擇的四芯線纜結(jié)構(gòu)中要求的精度。本發(fā)明線纜系統(tǒng)結(jié)構(gòu)提供了包含多種多樣光纖的新穎方法。
本發(fā)明也披露了在本發(fā)明線纜系統(tǒng)內(nèi)增強(qiáng)針對電磁干擾的保護(hù)措施效果的新技術(shù)。
獨(dú)特的性能優(yōu)點來自于所披露的新穎平衡的電源和負(fù)載端接器件，并且這種器件可以容易地加入在線數(shù)字信號再生器模塊之中。
另外，還披露了新穎的環(huán)狀導(dǎo)線結(jié)構(gòu)，它增強(qiáng)了電信號的性能并改進(jìn)了EMIR性能。進(jìn)一步披露了用于新的四芯線纜結(jié)構(gòu)的新穎而且經(jīng)濟(jì)的制造方法，它還實現(xiàn)了機(jī)械結(jié)構(gòu)的異常準(zhǔn)確度和穩(wěn)定性。
本發(fā)明的一個以上實施例的細(xì)節(jié)被陳述在附圖和下文的說明書中。本發(fā)明的其他特征，目的和優(yōu)點將由說明書和附圖以及權(quán)利要求書一目了然。


圖1a是顯示四芯線組環(huán)狀導(dǎo)體中心支持件的簡圖，該支持件保持了導(dǎo)體在線纜內(nèi)和相對于外屏蔽層的位置的精確度。
圖1b是包括光纖構(gòu)件的一種混合線纜的簡圖。
圖1c是圖1b中的線纜壁一部分的橫斷面。
圖1d是采用一個阻抗匹配外殼的根據(jù)本發(fā)明線纜的透視斷面。
圖2是在經(jīng)采用雙向全帶寬電或光通路的新穎線纜設(shè)計方案為多用戶提供服務(wù)的本地節(jié)點的組織形式的框圖。圖中還顯示了可能的POTS服務(wù)的用途。
圖2a是使用新穎線纜設(shè)計方案進(jìn)行到最終用戶的“最后一英里”連接的區(qū)域性通信環(huán)路的組織圖表。
圖2b-1和2b-2是光纖接口裝置和節(jié)點接口裝置的示意框圖。
圖2c-1和2c-2是用戶接口裝置的示意框圖。
圖3是一種新穎聯(lián)鎖定位器形式的示意截面圖。
圖3a是圖3的未鎖定擠出件的視圖。
圖4是定位器更進(jìn)一步的概括性細(xì)節(jié)。
圖5是定位器的一個實施例的概括性分解圖，它圖解了分離的聯(lián)鎖元件。
圖6是可以被本發(fā)明采用的定位器的彈簧鎖定部分的一種形式的放大示意橫斷面圖。
圖7是四段擠壓的定位器的完全圓形形狀的簡要橫斷面。
圖8a是擠壓機(jī)模具頭和主體的概括截面圖，它可以用于構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的實施例的定位器。
圖8b是在圖8a的用來構(gòu)成定位器的擠壓機(jī)中所要遵循的壓力對時間曲線圖。
圖8c是可以緊接擠壓步驟之后使用的擠出物處理浴槽的簡要安排。
圖9a是另一個可以用來形成本發(fā)明的定位器的替代模具的簡圖。
圖9b是在圖9a的裝置中使用來構(gòu)成根據(jù)本發(fā)明的一個實施例的定位器的壓力對時間曲線圖。
圖9c是可以被使用于形成根據(jù)本發(fā)明實施例的定位器的過程的流程圖。
圖10a表示的是一種新穎的環(huán)狀導(dǎo)線的橫斷面，它表示的是新穎的波導(dǎo)線和可用于光纖的中心纖芯。
圖10b是在圖10a的環(huán)狀導(dǎo)線內(nèi)一根電線的橫斷面。
圖10c是單管環(huán)形導(dǎo)線(″UTAc″)的一種形式，該導(dǎo)線具有波導(dǎo)功能并且有一個適于包含光纖和護(hù)層的中央纖芯。
圖10d是圖10c的單管環(huán)形導(dǎo)線的簡要截面圖。
圖11是圖10a所示環(huán)形導(dǎo)線組件內(nèi)單根導(dǎo)線的截面的一種簡要形式。
圖12是取得四芯線組線纜的平衡工作狀態(tài)的一種可能的驅(qū)動和端接裝置的簡要形狀。
圖13是取得四芯線組線纜的平衡工作狀態(tài)的一種可能的驅(qū)動和端接裝置的替代實施例的簡要形式。
圖14是SONET或SDH傳送時分復(fù)用的基本時間幀的簡要形式。
圖15是采用本發(fā)明實施例的雙軸線纜。
圖16是采用本發(fā)明實施例的雙共軸線纜。
附圖中的相同標(biāo)號和符號表示的是相同的元件。
系統(tǒng)和接口參看圖2a，該圖簡要地表示了節(jié)點系統(tǒng)，其中光纖環(huán)路包括該區(qū)域性系統(tǒng)的許多光纖。每個如此的光纖通路都應(yīng)該遵循環(huán)狀拓?fù)?，使得它在物理上對于每個節(jié)點都具有兩個方向，最終和簡要顯示在圖2a中的區(qū)域性STP(交換轉(zhuǎn)發(fā)點)401相連接。系統(tǒng)可以是雙工通路設(shè)計，這樣，在該系統(tǒng)中始終有分離的傳輸和接收通路。在簡要顯示的光纖束里至少有兩個光纖將與任何特別的節(jié)點51接口。例如，如在圖2b中的細(xì)節(jié)所表示的那樣，光纖接口裝置(FID)60使其光學(xué)接收器61和其光學(xué)發(fā)送器62和它們各自的接收和發(fā)送光纖53相耦合。一個FID的這些元件是在一個節(jié)點內(nèi)由這樣的FID饋送的各通道的共享資源。節(jié)點里任何一個FID都可以為16～64個雙重數(shù)據(jù)通路提供服務(wù)。節(jié)點可以包括和被服務(wù)的那些用戶所需要的盡可能多的FID。每個FID的用戶數(shù)量取決于對所使用的SDH傳送載波作多路復(fù)用的水平。例如，STS-384(20Gbs)提供32個STS-12通道(622Mbs)。如果其“最后一英里”游程從經(jīng)濟(jì)角度來看較短，那么單一節(jié)點可以在其經(jīng)濟(jì)范圍內(nèi)服務(wù)3200個用戶。
FID60和NID63單元可以在物理特性中是模塊化的(modular)，并且，節(jié)點外殼可以設(shè)計成能夠承受看上去合乎需要的顯著的容量增量。另外，可以規(guī)定區(qū)域性光纖束環(huán)路游程，使其包含為進(jìn)一步增加系統(tǒng)所服務(wù)用戶數(shù)量的補(bǔ)充性自由光纖。這樣，通過連接環(huán)路的更多的光纖束到所添加的FID和NID單元，單節(jié)點站點可以適應(yīng)用戶群的擴(kuò)大。當(dāng)然圖2b是一個僅僅顯示了一個可能的FID的非限制情況，其中僅有一個典型的用戶通路NID和它連接。光/電串行接收接口61可以是僅具有有限靈敏度的光纖SDH寬帶的光學(xué)接收器，這是因為光纜游程一般來說在區(qū)域性環(huán)路周圍相當(dāng)短。解復(fù)用和復(fù)用電路可以采用目前一般適用于SDH的許多種芯片或芯片組。例如VitesseSemiconductor Corp芯片組VS8021/8022是可以為高達(dá)OC-48的光纖數(shù)據(jù)傳輸速率所采用的一個例子，而Triquint Semiconductor能提供在以10Gbs速率工作的多路復(fù)用及多路解復(fù)用芯片組插件。
NID包括系統(tǒng)中那些負(fù)責(zé)使物理線纜和FID耦合，并且進(jìn)而和總的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)耦合的部件。這兩個分離的通路表示在圖2b之中，NID63包括那些將來自解復(fù)用單元輸出端的串行接收通路和線纜67的接收對耦合在一起的部件以及那些將線纜67的傳輸對和多路復(fù)用器電路的串行發(fā)送輸入端耦合在一起的部件。
NID的接收機(jī)部分的驅(qū)動提升電路和發(fā)送通路的接收機(jī)孔徑提升電路由安裝者調(diào)整，以便在安裝系統(tǒng)的時候給出最清楚的“眼”圖和最優(yōu)的BER(誤碼率)。發(fā)送和接收端上的端接電阻是為了把在這些點處的反射減到最小的阻抗匹配裝置。電流源驅(qū)動器對系統(tǒng)而言在全部驅(qū)動狀態(tài)(即比特高、比特低，和過渡階段)呈無窮大阻抗。HPF和LPF單元有助于使DC功率和有源信號隔離開。通過使電流源驅(qū)動器和這些驅(qū)動器在相位上平衡，并且使平衡好的輸入放大器對在相應(yīng)對處的任何共模信號高度抑制，可以使線纜平衡趨于完美。包含在“最后一英里”線纜中的光纖并未在這些簡圖2b或2c中加以利用。它們在這兩個圖中被表示為可供將來應(yīng)用時使用的光纖端。
UID簡要表示在圖2c。在該圖中線纜67表示和圖2b相同的線纜(相反的一端)67。為雙重通路的每個通路所預(yù)想的信號例如都是類似SDH的622Mbs比特流。在線纜線對處處理的接收和發(fā)送通路以和圖2b電路功能相似的方式結(jié)束。那些單元進(jìn)行同樣的操作，直至解復(fù)用單元和復(fù)用單元的緩沖器71。72為止。這些解復(fù)用單元/復(fù)用單元以和圖2b所表示的高速電路相似的方法操作，只是其操作速度為較低的個人用戶比特流——622Mbs。它們的作用是給系統(tǒng)設(shè)計所賦予的功能分發(fā)SDH幀的適當(dāng)單元。在許多可能的此類功能賦予中，典型的選擇被表示在圖2c中。UID控制器可以是微處理器或計算機(jī)。UID控制器還可以將軟件標(biāo)題置于被選路到和節(jié)點或小節(jié)點相連的各種裝置的信號上。同樣地，標(biāo)題可以由UID放到向上游送到NID和FID的信號上，以指明這些信號應(yīng)當(dāng)送到哪個地方以及信號的特性。
對于用戶來說有兩個視頻通路。二個通路中的每一個都可以作為基帶視頻，或者適用于目前電視接收機(jī)的RF信號。這些輸出可以經(jīng)BNC插座或通常在電視機(jī)上使用的TV RG-59線纜連接器連接。當(dāng)然，為了把數(shù)字UID接在模擬電視上需要采用視頻接口81(圖2c)，該接口可以使用數(shù)字-模擬轉(zhuǎn)換器82。轉(zhuǎn)換器82可以將數(shù)字電視信號轉(zhuǎn)換為適于模擬電視的形式。轉(zhuǎn)換器82可以是例如單獨(dú)的線路卡。為該功能指定數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)傳輸速率的工作可以根據(jù)在何種水平上利用通道容量的想法來進(jìn)行；不過，對于該系統(tǒng)來說每個通道有大約100Mbs可以說是最佳的，這允許甚高分辨率的視頻得以傳輸。在如此系統(tǒng)中的節(jié)目選擇是以將關(guān)于所需節(jié)目及其來源的指令傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)的形式完成的。另外，節(jié)目源也可以允許用戶指定所想要的持續(xù)時間。如此的指令將通過簡單的小鍵盤輸入系統(tǒng)在一個發(fā)送接口上發(fā)送。如果希望僅僅接收“廣播”類型的視頻傳輸，用戶將僅僅輸入所希望節(jié)目的“信道”號。這可以象所謂的視頻點播那樣操作。圖2a的STP是系統(tǒng)中可以執(zhí)行這些交換和選擇功能的點。系統(tǒng)允許許多服務(wù)提供者經(jīng)該系統(tǒng)提供它們的服務(wù)?？赡苓x擇的數(shù)目和可能的地址數(shù)量一樣大。
可以提供兩個因特網(wǎng)通路，每個通路具有數(shù)值可以為10Mbs、45Mbs或更高的寬帶容量，容量大小取決于用戶要求和因特網(wǎng)服務(wù)提供商提供數(shù)據(jù)速率的能力，但是這一選擇是任意的。此帶寬將僅僅使用雙622Mbs系統(tǒng)的可以利用容量的幾個百分點，通常是當(dāng)前最好的電話調(diào)制解調(diào)器容量的400倍。
接口的機(jī)械連接可以是一種標(biāo)準(zhǔn)的計算機(jī)制式，比如1394串行總線。數(shù)字通路可以通向任何和該系統(tǒng)相連的因特網(wǎng)服務(wù)提供者。這種來源的范圍被基于SDH的制式大大地擴(kuò)展，所述制式能在全局網(wǎng)絡(luò)中的任何一點進(jìn)行通訊，而不管距離有多遠(yuǎn)，因為數(shù)字制式不會因距離而發(fā)生任何明顯的性能弱化。
在圖中，系統(tǒng)有經(jīng)SDH信號通路和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)連接的6條電話線路?！熬€路卡”元件提供接到標(biāo)準(zhǔn)電話的公用48伏DC電流環(huán)路，而且還提供20Hz振鈴功能和話音數(shù)字化接收和傳輸通路。線路卡輸出可以是RJ-11型的標(biāo)準(zhǔn)電話硬件。
信號考慮事項和性能要求根據(jù)本發(fā)明的實施例，有幾個主要的性能條件對于網(wǎng)絡(luò)的本地接入電纜系統(tǒng)來說是重要的。光通路傳輸損耗即使對于最長的這種本地接入線纜來說也是非常小的。也很少有其它能影響光學(xué)信號的因素，只要沒有來自天氣、水或似乎很喜歡以線纜作為咬噬對象的松鼠的物理損害的話。不過，在電纜模式中對于寬頻帶的使用而言最明顯的性能限制主要在于線纜系統(tǒng)如何面對這三個主要的信號弱化因素1)線纜系統(tǒng)傳輸損耗和延遲時間特性，尤其在最高頻率(HFTL)。
2)線纜系統(tǒng)的信號通路屏蔽層的電磁干擾抑制(EMIR)。
3)在發(fā)送和接收通路之間的串音(XTLK)。
在現(xiàn)有技術(shù)領(lǐng)域的工程成就中，電通信線纜系統(tǒng)的主要貢獻(xiàn)在于在盡可能寬的帶寬上得到了低的傳輸損耗。非常低傳輸損耗的要求起源于支配那些過去的信息傳輸方法的模擬形態(tài)。由于模擬信號在其行程的每個幾英里引線中失去能量之后被反復(fù)放大，信噪比下降了。游程越長并且所經(jīng)歷的設(shè)備越多，則串音和干擾噪聲進(jìn)入信號的可能性就更大。隨著現(xiàn)代信息論的發(fā)展，數(shù)字傳輸?shù)膬?yōu)點變得清楚了。這一新的見解和正變得可能的數(shù)字誤差編碼技術(shù)一起發(fā)動了一場針對通信系統(tǒng)設(shè)計理念的革命。其結(jié)果是所使用的硬件技術(shù)從根本上迅速地發(fā)生了變化。例如，在1997年全部的通信信道都實質(zhì)上采用了數(shù)字技術(shù)，至少是在局間和它們通路的長距離部分里是如此。在模擬時代，主要關(guān)注的是信噪比惡化和其它噪聲(失真，和串音)隨信號經(jīng)歷距離的增加的情況?，F(xiàn)代的數(shù)字系統(tǒng)即使在受到環(huán)繞世界的距離挑戰(zhàn)的時候，也不會那樣發(fā)生本質(zhì)上的弱化。在數(shù)字領(lǐng)域中，線纜系統(tǒng)傳輸條件定義的規(guī)則發(fā)生急劇的變化。
信號的傳輸損耗和高頻衰落(HFTL)不是由它們自己斷定的，而是和兩個其它的因素有關(guān)系1)系統(tǒng)的內(nèi)部噪聲能量的大小，和2)信號能量和其它兩個導(dǎo)致信號弱化能量EMIR和XTLK的比率。
校正適度穩(wěn)定或者校正僅僅慢慢隨時間改變的即使比較顯著的損耗或高頻衰落和延遲色散的工作是比較簡單的。這些問題的一部分可以被系統(tǒng)響應(yīng)的自適應(yīng)均衡克服。如此，即使是大帶寬的信號都能經(jīng)損耗甚至相當(dāng)嚴(yán)重的線纜系統(tǒng)傳送。自適應(yīng)均衡器，或者其他“匹配濾波器”信號校正器都是最現(xiàn)代的信號終端設(shè)備的一部分，比如普遍存在的使數(shù)據(jù)經(jīng)電話線路傳輸成為可能的個人計算機(jī)調(diào)制解調(diào)器。由于實際上在任何新系統(tǒng)中被傳送的信息都將采取數(shù)字形式，對信號信息的可靠處理將減少對設(shè)備在借助于信號探測器或鑒別器合理區(qū)分“一”和“零”的能力方面的要求。信號電平的損耗或高頻響應(yīng)缺陷進(jìn)一步得到克服，條件是信號僅僅是被噪聲、抖動、干擾和/或串音適度破壞。二進(jìn)制數(shù)字信號可以用如此的信號檢測器徹底再生，由此使信號的峰值功率在通路中進(jìn)行了此種處理的位置處充分高于噪聲和串音值。這樣信號噪聲比(S/N)成為任何新的“最后一英里”線纜系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)中的第一位并且是最重要的部分。這個S/N特性主要是線纜系統(tǒng)抑制干擾(EMIR)并且把在線纜系統(tǒng)的發(fā)送和接收鏈路之間的串音(XTLK)減少到最小的能力的結(jié)果。本說明書的新穎四芯線組結(jié)構(gòu)滿足了這些因素的要求，允許在需要采取如此的再生措施之前信號有足夠的游程長度?，F(xiàn)代集成電路技術(shù)允許此類裝置被做得相當(dāng)小，其成本也足夠低使得它們能以幾乎不大于線纜直徑的小容器被裝入線纜之中。所披露的系統(tǒng)使用如此的技術(shù)，以便在性能上對于今天網(wǎng)絡(luò)所面臨的各種各樣噪聲環(huán)境有顯著的裕度。
信號功率信號功率的實際大小并不可能成為嚴(yán)重的障礙，下文將予以證明。為了評估在信令系統(tǒng)的電或模擬方面中所需要的信號功率大小，要考慮的第一因素是系統(tǒng)可以具有的最小內(nèi)部噪聲。在接收器輸入端處超出不能削減熱噪聲的內(nèi)部噪聲能量設(shè)定了任一系統(tǒng)的噪聲電平的底限。這一尺度可以由“等效輸入噪聲溫度圖”以獨(dú)立于系統(tǒng)的工作帶寬的形式表達(dá)。量化該參數(shù)的一種較好的方法是，首先測定當(dāng)在輸入端饋以已知的熱溫度源時的系統(tǒng)噪聲能量輸出，然后在第二次測量時把那個輸入端接在已知的冷得多的溫度(電氣上是等效的)電阻上。把所得到的兩個輸出能量值的比值和在熱與冷的電阻源中噪聲功率的已知比率比較，可以使得系統(tǒng)內(nèi)部噪聲所帶來的影響能得到恰當(dāng)?shù)目紤]。在這兩個試驗電阻的每個電阻中的熱噪聲功率都和它們的絕對溫度成正比，熱噪聲功率是4kT，其中k是玻爾茲曼常數(shù)，而T是開氏絕對溫度。已知的熱/冷源比功率比和在系統(tǒng)輸出端測定的數(shù)值之間的差是系統(tǒng)把多少噪聲加到信號輸入端上的極好且準(zhǔn)確的測定。從這個角度看，典型的寬頻帶電系統(tǒng)的“噪聲本底”將不會高于室溫源電阻的噪聲與10dB之和。
在真實世界的工作系統(tǒng)中，本地接入線纜系統(tǒng)設(shè)計應(yīng)該僅僅允許來自EMIR和XTLK的弱化能量大小只給系統(tǒng)噪聲本底帶來一點點變化。例如，在EMIR和XTLK方面很好的線纜系統(tǒng)性能可以將此類信號弱化保持在不高于值為+10dB的所建議系統(tǒng)噪聲本底10dB的數(shù)值上。然后通過定義工作帶寬和最小系統(tǒng)S/N計算所需要的信號功率1)所希望的S/N可以是例如50dB，它將為即便是點播最多的使用提供非常低的誤碼率。
2)帶寬可以是1千兆赫。
然后所需要的功率可以按下文計算總的噪聲功率是噪聲圖、EMIR饋通與XTLK之和。被設(shè)想的典型值是高于熱噪聲20dB。周圍熱噪聲(4kT)大約是每赫茲帶寬1.6510-20瓦特，這比+20dB的噪聲假定值增加了100倍，并進(jìn)一步因系統(tǒng)帶寬而增加，使得總的系統(tǒng)等效輸入噪聲功率變?yōu)?.65×10-20×102×109＝1.65×10-9瓦特。對于50dB的S/N，信號功率必須比這個值提高50dB(105倍＝1.65×10-4瓦特信號功率)。因此所需要的信號功率僅僅是非常適度的0.165毫瓦(-7.8dBm)。
即使假設(shè)EMIR和XTLK有非常大的電平，比如比上文所述的實際噪聲本底大+30 dB(而不僅僅是+10dB)，系統(tǒng)將仍然只需要數(shù)值較小的信號功率，僅為+12dBm或大約16毫瓦。這一較大但仍然非常適度的功率值將要求在本發(fā)明線纜例子的標(biāo)稱電傳輸阻抗(大約100歐姆)兩端僅需1.3伏信號。如此的數(shù)字表明每單位帶寬的功率比在較舊的模擬話音頻率接入電路中所使用的信號功率值低得多，較早的接入電路的系統(tǒng)功率效率非常低。如此的較早模擬系統(tǒng)通常采用在10千赫帶寬中-8dBm信號功率(大約0.16毫瓦)的工作標(biāo)準(zhǔn)。如果如此的低功率功效在上述例子中被使用于1千兆赫帶寬，那么信號功率需求將跳增至+42dBm，或者大約16瓦(每赫帶寬16毫微瓦的功率密度)。即便是噪聲較大的數(shù)字系統(tǒng)例子(+30dB干擾)都可以數(shù)以千計地更為有效地利用信號功率(僅僅16皮瓦/赫)。這些線纜系統(tǒng)例子既沒有考慮任何線纜系統(tǒng)里的損耗，也沒有考慮任何高頻響應(yīng)衰落。一些這樣的損耗和衰落將會發(fā)生，可以通過提升在信號發(fā)送器的電平和頻率響應(yīng)并用在接收系統(tǒng)響應(yīng)中的類似提升糾正虧損額的平衡而簡單地進(jìn)行補(bǔ)償。如果正如一般情況那樣，大部分的平坦損耗和高頻衰落也可以對弱化的EMIR和XTLK起作用，那么那些因素將不會如此地過分影響S/N。這一方法已經(jīng)在實際的系統(tǒng)中進(jìn)行了合理的充分實行。在前述例子中，所采用的是非常保守的50dB S/N，而沒考慮糾錯編碼將在產(chǎn)生充分低的信號弱化水平的過程中所扮演的極其重要的角色。世界上大多數(shù)數(shù)字通訊系統(tǒng)采用的SONET或SDH系統(tǒng)所特有的糾錯編碼技術(shù)將幾乎不會要求如此高的S/N，能達(dá)到30dB即足以應(yīng)付大多數(shù)應(yīng)用中微不足道的錯誤。在這種作為保留項目的增強(qiáng)措施之外再采用數(shù)字信號再生技術(shù)，只是適度地使用再生器就可以將性能設(shè)計定位在非常高的水平上。在任何好的系統(tǒng)設(shè)計中，抗噪性將是主要的制約因素。這樣，在這些例子中有較多的余地來滿足任何真正系統(tǒng)的需要?！白詈笠挥⒗铩本€纜系統(tǒng)的較大的問題是作為一件好設(shè)計所必須有效加以解決的EMIR和XTLK效應(yīng)。正是根據(jù)那些信號弱化，工廠外面的現(xiàn)有電話(“銅線對”線纜)顯現(xiàn)了它們的致命缺陷，導(dǎo)致上文提及的退化。由于來自XTLK和EMIR的過多問題，此類較早的線纜系統(tǒng)不能為大量的用戶提供足夠?qū)拵У男盘枴?br> 能量損耗和HFTL如果在線纜設(shè)計時所采用的絕緣材料是從供1GHz以下頻段使用的較好的現(xiàn)代塑料中選出來的，小直徑線纜的HFTL主要受線纜導(dǎo)線損耗控制，該損耗在高頻主要是由導(dǎo)線中的“趨膚效應(yīng)”引起的。
趨膚效應(yīng)長期以來已為本領(lǐng)域的人員知悉。交變電流流過導(dǎo)線上(或者其中)而出現(xiàn)的視電阻明顯高于導(dǎo)線的直流電阻。描述方程式表明在頻率高于和如此導(dǎo)線的直徑成反比的一個數(shù)值時，趨膚效應(yīng)變得很明顯。隨著所采用頻率的增加，電流似乎越來越僅在導(dǎo)線表面很淺處內(nèi)流動。對于尺寸非常大的導(dǎo)線，如此的效應(yīng)甚至在功率頻率(50Hz)處也很明顯。自19世紀(jì)開始的最初期調(diào)查是由于在大的交流功率傳輸線纜系統(tǒng)中發(fā)現(xiàn)了出乎意料的高損耗而引發(fā)的。在較小的導(dǎo)線中，趨膚效應(yīng)在兆赫段變得非常明顯。在通常的導(dǎo)線材料(例如，銅)中，大多數(shù)電流流動在比一英寸的千分之幾要少的薄層(″表層″)里。這一近似厚度和電流頻率平方根的倒數(shù)成正比，這樣在所使用的頻率增加一百倍的情況下相對表層深度減少到十分之一?！氨韺由疃取北徽J(rèn)為是其電流為總電流值的1/e(大約37％)的深度。對于非磁性的銅導(dǎo)線材料(相對磁導(dǎo)率＝1)，計算表層深度所通常使用的工程公式是d＝2.6*(f)＾-0.5，這里d的單位為1/1000英寸(mil)，而f是單位為兆赫(MHz)的頻率。
F d@1MHz 2.6mil；@10MHz0.822mil；@100MHz 0.26mil；@1GHz 0.082mil；趨膚效應(yīng)已經(jīng)以各種的方法進(jìn)行了分析，但是，現(xiàn)有技術(shù)所作的分析都存在一個重要且基本的缺陷。它們?nèi)狈σ蚬P(guān)系的基礎(chǔ)，當(dāng)考慮AC電流迅速地從零電流條件開始這一情況的時候會失敗。一些本發(fā)明的方面所依賴的一個不同方案在開始之時把趨膚效應(yīng)看成是由電磁能量傳播到導(dǎo)線的高傳導(dǎo)性介質(zhì)中的過程而引起的結(jié)果。初始電流必須傳播到導(dǎo)線中，以便于導(dǎo)通。
因此有必要把趨膚效應(yīng)看成是由于波傳播的需要而引起的過程，而不是對于高頻現(xiàn)象特別是線纜中的信號傳播而言難以合理化的準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)概念。有關(guān)趨膚效應(yīng)的一篇閱讀參考文獻(xiàn)是(H.B.G.Casimir和J.Ubbink的在Philips Technical Review，1967年，卷28，nos.9，10和12三段文章)。
在通信電纜系統(tǒng)中，能量同樣也流過線纜中的空隙，而僅僅在線纜的空間邊界和導(dǎo)線發(fā)生作用。從這一角度看，導(dǎo)線工作時更象鏡子，而不象是能量的導(dǎo)體。這一觀點將在下文詳細(xì)說明本發(fā)明的線纜系統(tǒng)構(gòu)造時充分地予以闡述。出于機(jī)械原因的必要性，線纜內(nèi)的空隙必須填充一些絕緣的物質(zhì)。該物質(zhì)也不可有消耗性阻抗或?qū)﹄姶挪鲃佑腥魏螖_動效應(yīng)，否則它將產(chǎn)生能量的損耗或隨時間的擴(kuò)散。這樣的絕緣(介電)材料可能有高頻損耗，許多材料也是如此。微波爐便是依靠這種損耗來加熱和烹調(diào)?，F(xiàn)代的塑性材料可予以利用，它在這里所關(guān)注的范圍內(nèi)(低于1GHz)不會有明顯的損耗。這種可以利用的熱塑性塑料允許采用經(jīng)濟(jì)的制作方法，并且有足夠低的介電損耗以允許損耗大部分是通路中傳導(dǎo)性元件的電阻性損耗造成的。
為了把趨膚效應(yīng)電阻減少到最小，曾經(jīng)采用了將電流再分配到許多小的導(dǎo)線中的技術(shù)。通過使用大的總表面面積，當(dāng)導(dǎo)通高頻電流的時候可以維持實際可行的損耗水平。為此所作的努力例如有“Litz”電線的開發(fā)和其他類似的線纜鋪設(shè)嘗試，它們將許多彼此絕緣的小股電線捆在一起，使之構(gòu)成復(fù)合導(dǎo)線或線纜。在此類線纜的發(fā)展期間里起初人們并未充分了解到，一股電線靠近另一股會導(dǎo)致每個電線的交流磁場在相鄰電線中感應(yīng)“渦流”，因此使每個電線中的電流都偏離這些股的緊鄰區(qū)域。這一“接近效應(yīng)”大大地增加了交流視在電阻，使得Litz結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在足夠高的頻率下被完全顛倒，變得比總直徑可比擬的實心導(dǎo)線還差。換句話說，一個給定的“Litz”結(jié)構(gòu)可能在一定頻率范圍上性能有所提高，但是在其性能得到改善的頻率范圍中心頻率的僅僅數(shù)倍處，標(biāo)準(zhǔn)的Litz線纜的性能將會變得比有著相同導(dǎo)線直流電阻的單一實心電線還差。用分離的絕緣電線制成的環(huán)狀(管狀)導(dǎo)線把導(dǎo)電材料在高頻的損耗減少到最小，但是，構(gòu)成該線纜的相鄰導(dǎo)線仍然顯示出一定的接近效應(yīng)。為了進(jìn)一步解決這類的接近問題，已經(jīng)采用將電線換位的辦法，使得各個電線采取遵循一定的凹角或編織圖案，從而阻斷了彼此的接近度。這類方案在有限的頻率范圍上有一定的價值。對于寬的波長范圍需要有更好的方案。當(dāng)頻率達(dá)到數(shù)十或幾百兆赫頻段的時候，一根導(dǎo)線向另一導(dǎo)線的靠近成為制約性因素。
提供低的XTLK-在單一線纜中如果每個通路的屏蔽層都能足以避免互感，那么兩個分離的線纜可以被使用來減少發(fā)送和接收通路之間的XTLK。這又將XTLK負(fù)擔(dān)放回到屏蔽層上。屏蔽層決不能是完美的，并且，實際缺陷還在于如果高屏蔽衰減是目標(biāo)的話需要相當(dāng)重而且堅硬的結(jié)構(gòu)。如果采用兩個線纜，一對線纜中的每個線纜都需要滿足這一要求。其結(jié)果是總成本和重量急劇增加，并且機(jī)械柔韌性也降低了。本發(fā)明采取的方案是將這兩個電通路設(shè)置在同一個線纜系統(tǒng)內(nèi)(在相同的屏蔽層內(nèi))，因而避免了這一問題。這一新的解決方案使線纜系統(tǒng)屏蔽功能(EMIR)和XTLK的提供統(tǒng)一起來，其辦法是修改本發(fā)明的新穎四芯線組結(jié)構(gòu)使其對稱性達(dá)到完美并且使周圍的“類似屏蔽層”的結(jié)構(gòu)扮演新的角色。然后屏蔽層的角色是將EMIR的進(jìn)入量保持在令人滿意的數(shù)值，所披露的系統(tǒng)正是得益于因四芯線組結(jié)構(gòu)中兩個通路的真實正交性所借以產(chǎn)生的平衡而對進(jìn)入能量的出色抑制。穿透場的均一性是由給線纜所裝的新穎護(hù)套而實現(xiàn)的。
S/N和數(shù)字信號的再生上述內(nèi)容已經(jīng)證明了S/N，XTLK和EMIR可以由本說明書的新穎線纜特征特別充分地加以管理，這一點在下文將詳細(xì)解釋。對于數(shù)字信號，本領(lǐng)域所公知的又一個參數(shù)增強(qiáng)了系統(tǒng)性能。由于采用的是數(shù)字信號，可以使信號在傳輸線纜下游的一定距離處再生該信號，這是因為在該距離處信號弱化(不可靠)的影響不會明顯成為對數(shù)據(jù)可靠性的干擾。這對于簡單的二進(jìn)制或非歸零(NRZ)數(shù)據(jù)來說尤其有利。正如有關(guān)信號功率的討論已經(jīng)表明的那樣，對于僅僅是適度的功率值，該S/N可以是完全足夠了。二進(jìn)制或NRZ可以容忍適當(dāng)大小的噪聲，很少產(chǎn)生數(shù)據(jù)誤差。因此人們可以設(shè)置一個信號再生器，這樣，其閾值能夠正確地讀取所謂的信號“眼圖”的中心。通過避免一長串的零或一，被SDH/SONET系統(tǒng)采用的線路代碼(比如B3ZS)容易允許時鐘信號在如此的檢測器系統(tǒng)內(nèi)加以恢復(fù)，這進(jìn)一步增強(qiáng)了數(shù)字信號檢測的可靠性。將這樣的一個再生器系統(tǒng)放置在線纜下游一定距離的某點處可以再生已削弱的信號，從而恢復(fù)了大的信號噪聲比。采用這樣的一個“嶄新開始點”，使該點處具有比衰減信號大得多的能量，將信號電平充分提高到系統(tǒng)噪聲和串音(XTLK)之上。這樣的一種再生方案可以被采用，這是因為在實際的系統(tǒng)中對于大于20～30dB的S/N，誤差率變得可以忽略。這種能力在兩個傳輸方向均可以得到利用，從而在信號弱化程度處于可管理的低水平的線纜長度處，使任何信號惡化成分的大部分有效地變?yōu)榱?，因為“清潔的”新再生信號所需要的大小適度功率容易加以利用。
設(shè)計員可以選取進(jìn)行這種恢復(fù)的點。集成電路為領(lǐng)域所知，并且其性能適于所考慮的信號速度的集成電路也是可以得到的。這樣的裝置包括差模閾值觸發(fā)檢測器(有一些有用的滯后現(xiàn)象)并在時鐘控制下對該決策閾值進(jìn)行定位，以使其和所謂的“眼睛中心”同步。為兩個通路中的每個通路提供服務(wù)的雙重再生器系統(tǒng)可以被制作在極小的封裝中，即使考慮到保護(hù)它免受靜電和放電的影響的要求也可以如此。這樣的一種封裝件可以被置入最后一英里線纜中的幾乎不大于線纜本身的小空間里。這種再生器系統(tǒng)模件所需要的直流功率可以簡單地由線纜中的導(dǎo)線傳送，使得這一再生操作即使在冗長的線纜游程中也可以反復(fù)進(jìn)行。采用線纜的導(dǎo)線來傳送其他系統(tǒng)要求(比如使用戶接口裝置(UID)工作)的系統(tǒng)功率，被考慮作為最后一英里線纜系統(tǒng)設(shè)計的功能的一部分。這一方案允許這種新穎的線纜的應(yīng)用被延伸到能夠簡單地滿足典型的最后一英里要求的長度范圍內(nèi)，并且提供不依賴于任何別的功率源而工作的系統(tǒng)，因為別的功率源可能不如網(wǎng)絡(luò)所提供的功率那樣可靠。這一可靠性要求對于系統(tǒng)給予網(wǎng)絡(luò)用戶的高水平的連續(xù)使用來說是非常重要的。
結(jié)構(gòu)本發(fā)明所提供的“最后一英里”連接線纜系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)化通信系統(tǒng)的用戶配備了具有相等寬頻帶性能的雙向獨(dú)立電通路，而且提供適應(yīng)現(xiàn)在和將來要求的光纖。四芯線組結(jié)構(gòu)所以被選擇是因為從根本上來說兩個電通路可以是完全沒有互相作用的。它所需要的僅僅是非常好的對稱性。對稱性這一屬性在兩個通路的正交性(XTLK抑制)以及在每個通路抑制電磁干擾的能力方面扮演非常重要角色。
圖1a和1b以截面表示這樣的含四個導(dǎo)線的新穎四芯線組結(jié)構(gòu)可能具有的一般形狀。在圖1a中，四個導(dǎo)線71、73、75、77的每個導(dǎo)線都應(yīng)該達(dá)到基本準(zhǔn)確的電氣位置，并且如果周圍的“屏蔽”導(dǎo)線79居中，并且在周邊其電磁性能是均勻的(在所關(guān)注的頻率上)，那么，這兩對將精確地處于一對導(dǎo)線在另一對導(dǎo)線中的零感應(yīng)點的相對狀態(tài)。由于所感興趣的是每一對導(dǎo)線的電磁場，所以所達(dá)到的平衡度或?qū)ΨQ性可以通過測量從每個導(dǎo)線到屏蔽層的電容以及到每個其他導(dǎo)線的電容來進(jìn)行評估。匹配度是這一排列的電感性和電容性“平衡”或?qū)ΨQ性的一種度量。然后串音會變得難以察覺地小，兩對導(dǎo)線中的每一對都可以基本上獨(dú)立于另一對地進(jìn)行操作。這一點正是雙向兩通路寬帶系統(tǒng)吸引我們注意力的地方。借以達(dá)到這種對稱性的方法包括特別模制的定位器，下文將對此進(jìn)行披露。
圖1b用更多的細(xì)節(jié)顯示了四芯線組環(huán)狀復(fù)合型線纜的截面圖。四個導(dǎo)線71，73，75，和77如圖1a所示。圖中還表示了周圍的屏蔽導(dǎo)線79，它和四個導(dǎo)線對稱。圖1b表示的是緩沖通道81，83，85和87，它們可以支撐一個或以上的光纖。定位器或環(huán)狀導(dǎo)線支持絕緣體89提供導(dǎo)線71，73，75和77從中通過的結(jié)構(gòu)。下文對定位器89的結(jié)構(gòu)闡述。
可以使用填充凝膠91，使之包圍每個緩沖通道81。可能合適的填充物凝膠類型包括超吸收(superabsobent)化合物，比如石油基的凝膠。如此的化合物有至少兩個用途。其一是使其中所包含的玻璃光纖免于被空氣侵蝕。另一個目的是提供便于電線從線纜中抽出的潤滑油。
其他的優(yōu)點產(chǎn)生于向四芯線組內(nèi)部導(dǎo)線結(jié)構(gòu)施加的扭曲，使得中心絕緣和定位結(jié)構(gòu)與導(dǎo)線的縱向線構(gòu)成沿線纜的行程長度的螺旋，螺旋度比方說為每一英尺的線纜長度一到兩圈。這種結(jié)構(gòu)的有益特性是當(dāng)恰當(dāng)?shù)貜钠胶庠答伻氩⑶医K止于平衡的接收器中的時候，均勻穿透到內(nèi)部導(dǎo)線的任何場都將不會使凈電流流入其中某一對中。雙絞線的使用為人所知。不過，本發(fā)明螺旋形結(jié)構(gòu)的一個優(yōu)點是本發(fā)明的EMIR被增強(qiáng)的程度和其XTLK被減少的程度相同。這樣，在本發(fā)明的線纜系統(tǒng)中，減少XTLK的同時也會降低在普遍存在的電磁污染的現(xiàn)代環(huán)境中不必要的噪聲侵入。本發(fā)明結(jié)構(gòu)里的“屏蔽”功能不僅使干擾能量衰減，而且還通過將泄漏能量對稱地分發(fā)給保持平衡的內(nèi)部四芯線組線纜結(jié)構(gòu)，使進(jìn)入場的電磁傳輸對稱。
四芯線組的平衡極大地抑制了穿過其中的能量。因此發(fā)明者作出如下定義在此所使用的術(shù)語“屏蔽”是指周圍結(jié)構(gòu)的特性，而不是僅僅意味著能量屏障的通常用法。如此的能障總是不夠完美，總是有一些能量透過它們。這種使屏蔽層對稱從而增強(qiáng)EMIR的做法是克服其數(shù)值目前不斷增長且難以以別的方式處理的EMI的新穎方法。本發(fā)明的精確結(jié)構(gòu)所能達(dá)到的這種抑制度還沒有被發(fā)明人所了解的現(xiàn)有技術(shù)達(dá)到，現(xiàn)有技術(shù)即使在他們的線纜設(shè)計中廣泛使用了相當(dāng)重的屏蔽層之后仍然存在著明顯的干擾抑制。
內(nèi)部對稱化設(shè)計本發(fā)明使用包圍四芯線組線纜的內(nèi)部對稱化裝置。當(dāng)然，本領(lǐng)域的熟練技術(shù)人員會意識到四芯線組線纜不是必需的。包圍線纜的披露結(jié)構(gòu)可以供雙重的四芯線組線纜，同軸線纜等等使用。圖1c表示的是用于本地接入線纜系統(tǒng)的一個實施例的內(nèi)部對稱化器結(jié)構(gòu)的截面，該結(jié)構(gòu)同樣可以在全部其他的實例附圖中予以利用。圖1c的設(shè)計在設(shè)法穿透到線纜內(nèi)部的衰減電磁場中產(chǎn)生了高度的對稱性，由此取得了和此前由并不具有導(dǎo)線對稱性的強(qiáng)力屏蔽層所能達(dá)到的程度相比有著實質(zhì)性增加的抑制。
例一圖1c表示通過線纜壁的位于圖1b所示虛線區(qū)中的一部分所見到的內(nèi)部對稱化器的示意斷面。這些層從距離導(dǎo)線71，73，75和77最近的層開始加以說明。這些層中每一層的功能都跟據(jù)這個簡短的參考表進(jìn)行闡述。當(dāng)然，下面的列表僅僅是示例。實際上，它是非常特殊的，并且，這些材料的變型可以在不離開發(fā)明的精神和范圍的情況下予以采用。


合成護(hù)套可能使基本的四芯線組外徑增加大約0.210英寸(沒有可選擇的外部起皺防汽層的情況下)。其結(jié)果是對于使用成品后直徑為0.042″、并不需要采用防汽層保護(hù)這些導(dǎo)線可能包括的光纖的管狀環(huán)形四芯線組導(dǎo)線的四芯線組線纜來說，總直徑大約為5/8英寸。
下邊進(jìn)一步闡述各成份層。
鋁箔材料101可以由適當(dāng)?shù)乃芰陷d體加以支持，該載體可以是“Mylar”或一些其它的在領(lǐng)域中為人所知的耐用材料，對工作溫度范圍是適當(dāng)?shù)?，并且?yōu)選基本上不吸濕。配對的箔包層應(yīng)該是沿相反方向纏繞，每一包層金屬對金屬地充分接觸達(dá)大約半圈并在其自身上交迭一圈。兩個不同的成對層(101和105)的每一層都可以要求包層呈稍微不同的螺旋形以實現(xiàn)適當(dāng)?shù)膹澢匦?。?01和105當(dāng)然可以用替代形狀的導(dǎo)電材料替換。
膠體碳或二次人工碳粉材料102可以從Asbury Graphite Mills，Asbury，NJ得到，其顆粒大小低于325目或更為精細(xì)，這樣的尺寸足以允許各材料和被選中的粘合劑在其被處理作為線纜的覆蓋物之前完全混合。凝固后粘合劑里的混合物表面直流電阻率應(yīng)該低于每平方500歐姆。可以為該層采用的其他材料包括具有類似傳導(dǎo)特性的材料。
適當(dāng)?shù)聂驶F粉材料103可以從OMG America，ResearchTriangle Park，North Carolina得到。目前所提供的最純且最好的粒子大小是K291A，是適于作這種用途的。在全部的例子中，和粘合劑進(jìn)行均勻而且充分的攙和是必要的。柔軟的氨基甲酸乙酯材料可以從各種來源得到，例如由B.F Goodrich公司提供許許多多的種類?？梢詾樵搶铀褂玫钠渌牧习ň哂蓄愃拼盘匦缘牟牧?。
高頻Ni-Zn鐵氧體材料104的制造辦法是按數(shù)個步驟碾碎材料然后對之球磨，以產(chǎn)生平均粒子，使得所產(chǎn)生粒子的重量的98％被歸類為尺寸在5微米以下。適當(dāng)?shù)牟牧峡梢跃哂袑τ?00MHz-1000MHz頻率范圍是適當(dāng)?shù)膹?fù)磁導(dǎo)率。碾碎了的飛利浦鐵氧體軟磁性材料制成的4型材料可以滿足這一目的。重要的是考慮由范圍為0.25-0.60特斯拉的強(qiáng)磁化場所產(chǎn)生的高頻材料介電常數(shù)的各向異性?？梢詾榇四康亩捎玫钠渌牧习ň哂蓄愃拼盘匦?，例如剩磁、介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的材料。
不銹鋼編織物106可以是從編厚4到6密耳的那些材料中選出來的，這種材料顯示了高的抗張強(qiáng)度，并且對于在戶外懸掛的線纜用途中典型的張力水平而言幾乎沒有滑動?？梢詾榇四康亩褂玫钠渌牧习ň哂懈呖箯垙?qiáng)度的材料。
外套層108可以是以32-40mil的典型厚度擠壓出的硬聚氨基甲酸酯材料。可以為該目的而使用的其他材料包括具有類似強(qiáng)度特性的材料。
圖1c的各層將穿透場分布在線纜內(nèi)，使得它們在信號的通路上產(chǎn)生平衡的效果。所述技術(shù)的該非限定性例子中采用層101有幾個理由。首先是作為四芯線組信號對的內(nèi)部場的場反射鏡。層101還作用在外部穿透場上，其辦法是對來自層102的穿透場呈現(xiàn)傳導(dǎo)性場短路，使得表面電流在離開102時得到更為均等的分布。層102和對來自損耗較大的阻性材料層102的場產(chǎn)生大的擴(kuò)散效應(yīng)的層101的鋁金屬表面相比較，有較高的電阻。電磁波在材料層102中的速度比較高，并且，它正比于允許明顯的場再分布的厚度。層102毗連它上面的層區(qū)103，該層區(qū)有比較高的磁導(dǎo)率(在所關(guān)注的頻段內(nèi)5～50)和適中的傳導(dǎo)率但有著相當(dāng)?shù)偷碾姶挪ㄋ俣取：蛯?02的匯合處產(chǎn)生進(jìn)一步的擴(kuò)散效應(yīng)。在該層上面，層104經(jīng)選擇在高頻區(qū)(50-500MHz)有比較高的磁導(dǎo)率，在這樣的頻段其電磁速度將相當(dāng)?shù)?。因此，它比?03稍厚。層104有在和層103的邊界處明顯的電磁速度差異，這樣場擴(kuò)散被增強(qiáng)了。層105是一個高傳導(dǎo)率的薄層，它產(chǎn)生象“屏蔽層”一樣的典型場電流短路，但是其主要的價值是出于所闡述的利益而和分層進(jìn)行的磁耦合，因為它對外部場僅有小的屏蔽效應(yīng)?？估瓕?06起加強(qiáng)的作用，同時它還在編織物帶中提供一定的電流俘獲。另外，作為代替，也可以使用層107(未顯示)。不銹鋼的防汽層特性還提供屏蔽的效應(yīng)和一些抗拉的優(yōu)點。外套層108用于風(fēng)化保護(hù)和其他環(huán)境，以及操作保護(hù)。
前述各層都可以分別予以改變，或者采用另一種分層組合。在突然接合處利用不同的電磁傳播而改變電磁特性的原理實現(xiàn)了明顯的對稱化效應(yīng)，這正是所想得到的特征。本質(zhì)上講衰減不是所闡述構(gòu)造的主要目的。
為了評價可能的結(jié)構(gòu)，可以制作一個上述類型的具有比較理想螺旋形的四芯線組線路，然后使用它作為測試裝置，比較在有和沒有所述類型的可能對稱化的覆層的兩種情況下對通過線纜的平衡信號傳輸?shù)呢暙I(xiàn)。其差異反映了“準(zhǔn)直”或者對稱化特性的相對優(yōu)點。
阻抗匹配外殼第二種形狀的外覆層出于減少任何被放在典型的戶外環(huán)境中的導(dǎo)線都將展示的象天線一樣的對電磁能量的有效聚集的目的，開發(fā)了一些和古典屏蔽裝置有點不同的特性。由于實際上無法實現(xiàn)不被電磁場穿透的“屏蔽層”，發(fā)明者已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了另一個減少能抵抗這種電磁干擾的弱點的方法。已經(jīng)就發(fā)明主題的線纜系統(tǒng)設(shè)計的對稱性和平衡特征進(jìn)行了討論。第二種方案允許利用不同的因素。
空隙本身有描述電磁場傳播特點的特性阻抗。這個輻射阻抗的阻性分量是約377歐姆，這個值是根據(jù)空隙的介電常數(shù)和空隙的磁導(dǎo)率(或者空隙的電感和電容)的比率確定的。如果線纜表面對傳播電磁場所顯示的阻抗數(shù)值和空隙在未被占據(jù)的時候相同，那么線纜將產(chǎn)生面積小得多的天線效應(yīng)，由此吸收的能量和未匹配的與如此線纜同樣范圍的良好導(dǎo)線相比要少得多。線纜作為天線的作用將明顯變少，僅僅由于能量流過只不過在光學(xué)上明顯突出的區(qū)域時才予以聚集。在事實上，它對于輻射電磁場而言幾乎是看不見的。無論外套系統(tǒng)的內(nèi)部各層可能設(shè)計成何種式樣，如果這一效應(yīng)存在，那么其它此類內(nèi)層的屏蔽效應(yīng)將得到大大增強(qiáng)。
根據(jù)本發(fā)明可以使用阻抗匹配的外殼來實現(xiàn)這種使表面或外部的視在阻抗和空隙的輻射相匹配的設(shè)計。該外殼如圖1d所示。參見圖8，線纜301具有四芯線組導(dǎo)線結(jié)構(gòu)303。阻抗匹配外殼305設(shè)置于四芯線組導(dǎo)線303周圍。該外殼具有和空隙的輻射特性匹配的視在輻射阻抗，可以采取在聚氨基甲酸酯護(hù)套材料中使用消耗性裝填物的辦法而應(yīng)用于相當(dāng)寬的頻率范圍。裝填人工石墨碳粒子(比如AsburyGraphite Mills(在上文引用)A99材料(或者較細(xì)尺寸等級))和金屬粉(諸如ASTM N02200級霧化純鎳粉的OMG Americas(在上文引用)AN325(或者較細(xì)等級))的混合物能提供必要的輻射耗散特性。
在選擇材料和結(jié)合方式以求達(dá)到和阻抗匹配外殼的表面特性的間隙成消耗性阻性匹配的效果的過程中，應(yīng)該考慮兩個方面。第一，有一種方法，可以評估材料和結(jié)構(gòu)在將輻射電磁場在遭遇該材料時的沖擊減少到最小方面的性能。這是可以選取適當(dāng)材料的一種方法。使用為所關(guān)注頻段的射頻場而設(shè)計的消聲室，可以將相對平面波射頻場發(fā)射在無反射壁上。然后可以配置一個指向性射頻接收器，以便觀察從如此墻壁反射回來的能量大小?？梢圆捎冒l(fā)射和檢測脈沖，將返回的雜散能量減少到最小。通過將和待評價線纜同樣外形的金屬導(dǎo)電物放在相同的墻壁上，可以記錄其反射。然后移去這一測試部件，并且將其材料覆層有待評價的線纜放置在測試品曾經(jīng)擱置的地方。然后重復(fù)測量。所得到的值是對測試材料和空隙的匹配程度的相對測量量。使用如此的方法或別的方法，可以嘗試其它可能被采用形式的碳或類似材料。例如一些自然或者開采得到的片狀石墨和/或其與其他傳導(dǎo)性粒子或各種金屬纖維相結(jié)合，例如包括或不包括非常小的不銹鋼粒子或纖維可以是充分適當(dāng)?shù)?。存在一些可以以這種方式起作用的材料，特別是非常接近和空隙特性匹配從而使對所關(guān)注頻段輻射電磁場的“拾取”減少到最小的材料。
對一根線纜不將能量從外來場轉(zhuǎn)移到其信號通路中的能力進(jìn)行估價的一種著名的測試方法是美國軍用技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)MIL-C-85485A分條4.7等等所定義的“表面轉(zhuǎn)移阻抗”測量法。不過，這種測試法在面對平衡好的四芯線組結(jié)構(gòu)的時候不能完成其(定義侵入效應(yīng)的)目標(biāo)。該測試法即使在其共軸系統(tǒng)的主要領(lǐng)域中也不是能完全滿足要求的。這一概念，如果適當(dāng)?shù)貞?yīng)用于本發(fā)明結(jié)構(gòu)，作為充分超出屏蔽層本身的能量衰減能力的平衡抑制所作貢獻(xiàn)的結(jié)果，將很可能顯露出極低的能量轉(zhuǎn)移。關(guān)于該MIL指標(biāo)的測試問題，以及其它有關(guān)線纜設(shè)計和測量的測試問題，參看下列兩份參考資料Clayton R.Paul所著的“introduction to Electromagnetic Compatibility″(1992年由John wiley & Sons，Inc.，New York出版)，第10章，第491-692頁；″Cable Shielding for Electromagnetic Compatibility″Anatoly Tsaliovich著(1995年，Van Nostrand Reinhold出版)，特別是第3章。
包圍四芯線組結(jié)構(gòu)的內(nèi)屏蔽層還有另一個目的，即作為電磁鏡限制四芯線組導(dǎo)線的內(nèi)部場，這樣防止信號能量的損耗。進(jìn)一步的好處是，導(dǎo)線結(jié)構(gòu)也通過其受到更多限制的傳播減少信號能量損耗?；氐綀D1c，在電介質(zhì)定位器89的外表面附近的傳導(dǎo)層101經(jīng)設(shè)計使如此的損耗最小。這一表面經(jīng)過最佳配合(料)，這樣，它和四芯線組導(dǎo)線之間的空隙和導(dǎo)線對的間隔相比是明顯的，有助于保持精確對稱性，并把屏蔽層(“鏡”)的影響減少到最小。這將是一個可能達(dá)到導(dǎo)線對之間的空隙的兩倍或比兩倍還多的直徑。(參看Bell SystemTechnical Journal卷15，第2期，第248-283頁，Estel I.Green，F(xiàn).A.Leibe和H.E.Curtis著述)為了保持四芯線組固有的平衡，源和端接裝置也很重要。對線纜在這些端部的固有平衡的任何明顯干擾都促進(jìn)所進(jìn)入的不必要能量的增加，另外增加導(dǎo)線對之間的內(nèi)部串音。新穎的平衡到不平衡耦合器(“baluns”巴倫器體)和線纜驅(qū)動電路平衡—不平衡變壓器的一些例子顯示在圖12和13中，它們構(gòu)成圖2系統(tǒng)圖表中所示的再生器，節(jié)點接口裝置和用戶接口裝置的一個重要部分。它們將在“良好平衡的驅(qū)動和端接”部分進(jìn)一步討論。
本發(fā)明對達(dá)到電磁結(jié)構(gòu)性幾何形狀的精度的另一個貢獻(xiàn)產(chǎn)生于如圖3所示的導(dǎo)線定位器結(jié)構(gòu)。已經(jīng)有證據(jù)表明擠壓有四個導(dǎo)線在適當(dāng)位置的四芯線組的努力存在明顯的可變性，即使在盡極大努力來控制這一過程的時候也是如此。1968年6月25日授予CompagnieGeneral d’Electricite，Paris，F(xiàn)rance的Eyraud和Delorme的加拿大專利No.788，603致力于產(chǎn)生良好的對稱性，辦法是將四個螺旋形槽機(jī)械碾磨到由熱可塑性電介質(zhì)(大概經(jīng)過擠壓)構(gòu)成、由玻璃纖棒在中心加固的連續(xù)圓柱形“軸”中、然后將導(dǎo)線放入這四個經(jīng)過碾磨的槽中。該專利表明槽呈螺旋形以提供四芯線組取向的所希望的螺旋形旋度。然后這樣的組件用適當(dāng)?shù)难a(bǔ)充性絕緣電介質(zhì)遮蓋，然后進(jìn)行屏蔽，并在外面加護(hù)套。塑性“軸”材料及其處理方法未被討論，也許將其擠壓成適于機(jī)加工的形狀。
在本領(lǐng)域眾所周知的是，在以如此的方法形成的材抖中通常存在相當(dāng)大的壓力。機(jī)加工釋放了這些壓力，結(jié)果是明顯的應(yīng)變松弛。這既在初始時影響了機(jī)加工所產(chǎn)生的“軸”的精度，而且隨著時間的流逝由于既有場內(nèi)老化也有戶外線纜系統(tǒng)所經(jīng)歷的日常溫度循環(huán)所帶來的釋放而增加了這一影響。Eyraud專利的方法，撇開其產(chǎn)生“軸“的方法的任何局限性不談，自然地引出了將其接線的“軸”置于一些電介質(zhì)和屏蔽層之中時所出現(xiàn)的一組不同的精度問題，因為這樣做所出現(xiàn)的任何誤差也將轉(zhuǎn)變?yōu)樗a(chǎn)生的系統(tǒng)中的不平衡。完成這一最后制作階段的方式?jīng)]被披露，該專利只是簡單地提出了一些建議，比如用帶纏繞。
本發(fā)明避免所有這些問題的辦法是提供一個精確絕緣和定位結(jié)構(gòu)(如圖3所示)，它把導(dǎo)線組71，73，75和77鎖定在電磁圍住的最終形狀內(nèi)的精確位置。在一種形式中，利用被披露在下文的“擠壓方法”一節(jié)的穩(wěn)定性特別高的擠壓處理工藝，將定位器89制成為四個連接的縱向部分。這一工藝確保四個部件的如此制成的形狀不僅在制造期間而且在接著的長期使用期間以及在場的老化期間都保持相同狀態(tài)并且穩(wěn)定。本發(fā)明方法釋放了通常和在通用擠壓方法中(甚至在利用螺桿塑化裝置進(jìn)行混合的時候)出現(xiàn)的壓力與溫度梯度有關(guān)的應(yīng)力。本發(fā)明線纜系統(tǒng)的終生性能，無論是在室內(nèi)還是戶外，可以保持到甚至100年以上。所選的現(xiàn)代材料和本發(fā)明的制作方法一起使這一合乎需要的目標(biāo)能夠以經(jīng)濟(jì)可行的方式達(dá)到。
在幾個優(yōu)選的形式中，另外，這些新穎的絕緣和定位部件互鎖在也具有下文將進(jìn)一步披露的特殊形狀的精確環(huán)狀信號導(dǎo)線周圍。這四個定位器部件的一般形狀的一些實例進(jìn)一步圖解在圖3，4，5，6和7中。這些解了典型的一組聯(lián)鎖的凸出和凹槽是如何經(jīng)過構(gòu)造，將用于四芯線組的四根導(dǎo)線的定位器結(jié)構(gòu)的各元件捕獲并固定在相對位置處。參看圖3，定位器89具有四個單獨(dú)的部分。這些部分被編號305，307，309和311。每個部分一般是L形的，包括和狹槽315相配的凸出構(gòu)件313。這些元件進(jìn)一步表示在圖3a中。圖3a還表示了允許這些部分方便地加以擠壓的絞鏈點317。一旦形成象圖3a那樣的擠出件，每個部分可以相對于其毗連部分旋轉(zhuǎn)，以便形成一個完整的定位器89’。
圖4顯示模壓成(mold-in)絞鏈317的詳細(xì)圖。如同也許能見到的那樣，在四部分?jǐn)D出件中，通常三個連接或絞鏈317b將是適當(dāng)?shù)摹?br> 這些部分可以旋轉(zhuǎn)以便形成完整的定位器89，或者可以在如此的形成之前在絞接點分開。圖5顯示了它們被分開的實施例。圖5也表明了每個定位器的凸出構(gòu)件313進(jìn)入狹槽315時的位置。
這一情形用更多的細(xì)節(jié)表示在圖6中。特別是，圖6顯示的是一個可能的彈簧鎖定結(jié)構(gòu)例子。凸出構(gòu)件313周圍的一個環(huán)形圈裝配到開槽315的一個對應(yīng)部分里，從而更牢固地固定定位器89′的各部分。
其周界可以是任何方便的形狀，圖8中所示的是圓形。另外，圖8還顯露了固定光纖或者其他導(dǎo)線的可選周界狹槽319。在該結(jié)構(gòu)的一個替代形式中，開槽319也許不存在，而是該周界僅僅是呈一定圓對稱的表面。在該結(jié)構(gòu)例子中，除四芯線組的四根導(dǎo)線以外的任何光纖或?qū)Ь€可以是完全在四芯線組線纜導(dǎo)線的內(nèi)部。
回到圖1b，在定位器的孔隙或緩沖物通道81，83，85和87中有足夠的空隙來安裝光纖線路。此外，可以形成定位器形狀89’，以便接納無論哪種渴望形狀的線纜。不過，這四個區(qū)域的定位和電介質(zhì)特性必須保持四芯線組的內(nèi)部電對稱性。這四個區(qū)域必須在它們的電特性上保持一致，即便是那個方面可能和它們作為光纖固定器的功能沒有關(guān)系。
發(fā)明者已經(jīng)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)了另一個在新四芯線組結(jié)構(gòu)中包括光纖的途徑。如圖3所示，四個環(huán)狀導(dǎo)線71′、73′、75′和77′的芯部90可以被用來按每種或任何一種組合包括光纖321，而不會擾亂電平衡。例如，在四個環(huán)狀導(dǎo)線的每一根的內(nèi)部提供1到16或更多根光纖，允許電性能獨(dú)立于光纖的電介質(zhì)特性之外。這一優(yōu)點是相當(dāng)可觀的，這是因為四芯線組的所渴望的螺旋形扭曲(非限制性例子采用一英尺大約2圈的螺旋度)還將為光纖的彈性凸紋提供明顯的裕度，把它從熱膨脹運(yùn)動中或?qū)C(jī)械應(yīng)變從線纜移動中解放出來。在例子中所建議的螺旋度使線纜內(nèi)的導(dǎo)線和光纖長度達(dá)到相當(dāng)于其總外部線纜長度的110％。
圖10a是本發(fā)明環(huán)狀導(dǎo)線的一種可能類型的截面圖，它這里例示為71’，該導(dǎo)線的中間區(qū)92允許光纖在制造期間進(jìn)行安裝，或者甚至在線纜被安裝之后吹入到位?？梢栽诰€纜被鋪設(shè)之后安裝光纖的一種途徑包括光纖吹入技術(shù)。在該技術(shù)中，蘑菇形狀的裝置被縛在光纖的端部上，并且，光纖的尖端放置在線纜內(nèi)。高壓的空氣源使蘑菇形狀的裝置移動，將光纖從線纜中拽過。另外，也可以使用其他的技術(shù)，比如在本領(lǐng)域中的公知技術(shù)。圖10a表示此革新性設(shè)計的環(huán)狀導(dǎo)線例子的橫斷面。中心環(huán)狀支撐護(hù)套94的厚度僅僅需要能夠充分支撐編織成的特殊電導(dǎo)線110即可。內(nèi)光纖導(dǎo)管94的表面可以由類似一種含氟聚合物的低摩擦材料制成。這允許在接納光纖時可以采用廣泛的可能選擇方案。在這個例子中可能采用的例如36根單線的每根線的結(jié)構(gòu)得自于把在編織帶狀的多線導(dǎo)線結(jié)構(gòu)中發(fā)現(xiàn)的趨膚效應(yīng)和靠近損耗減少到最小的新方法。關(guān)于趨膚效應(yīng)的討論在上文名為“能量損耗和HFTL”的一節(jié)中有介紹。在考慮電磁波傳播到傳導(dǎo)性介質(zhì)的有關(guān)特性的時候，進(jìn)入材料中的實際物理能量的群速度基于對它是電場效應(yīng)的考慮，顯著變少。那個速度僅僅是光在自由空間傳播的速度的非常微小的一部分。例如，在描述上述給定的銅的趨膚效應(yīng)數(shù)據(jù)的條件下，該群速度在1MHz下是47m/s而在100MHz僅僅增大到470m/s。環(huán)狀導(dǎo)線的空隙和形狀可以進(jìn)行選擇，以便在不犧牲環(huán)狀導(dǎo)線的質(zhì)量的情況下適合光纖的要求。隨著時間的推移，光纖也許會由于水蒸氣的腐蝕而易受損害?？梢允褂贸招缘幕衔飦硖畛湓谒芰媳桓驳墓饫w周圍的在攜帶這些光纖的中心區(qū)92里的空隙。這些材料吸收進(jìn)入在其它方面密封較好的防水線纜結(jié)構(gòu)的極少量水，并將其固定不動。如此線纜的外護(hù)套94也必須是水相對透不過的。
圖10b表示把本發(fā)明結(jié)構(gòu)利用于改進(jìn)36股(在圖中顯示為端部)其上被覆有銅、導(dǎo)電率50％的#39號磁性材料電線的性能的環(huán)狀導(dǎo)線，下文結(jié)合圖11加以說明。這36股中每股電線都如同圖10b所表示的那樣，用銅材料的第一導(dǎo)電層353被覆一個抗拉鋼纖351。接下來是有高介電常數(shù)各向異性的高頻磁性材料基質(zhì)355，下文將對此進(jìn)行描述，并進(jìn)一步覆蓋以含氟聚合物絕緣體357。為了形成環(huán)狀導(dǎo)線，這些電線被編織成2×18織布編帶，填充外徑.042英寸中空護(hù)套的周圍部分，該護(hù)套適于包括光纖或其他的導(dǎo)線。編帶是將設(shè)計外部直徑緊緊保持在保持公稱設(shè)計阻抗值所需要的數(shù)值的密織布。
另一種形式的環(huán)狀導(dǎo)線，如圖10c所示，本質(zhì)上是防水蒸氣的，它借助堅固的金屬管102為其包容的光纖提供更好的保護(hù)。在圖10c，顯示了一個供光纖用的中心區(qū)96。包圍該區(qū)的壁厚應(yīng)該足夠支持一定的彎曲和所遭遇的磁場強(qiáng)度。該區(qū)域的周圍是層98，該層由管狀磁性材料形成，用來為光纖提供環(huán)狀的支撐護(hù)套。最后，在層98上放置被覆層102。如圖10d所表示的那樣，被覆層102可以有3層。第一個被覆層104由導(dǎo)電層形成。就這個例子來說，第一被覆層104可以是厚度28微米的銅。第二層106由磁基質(zhì)形成，它具有各向異性的μ和ε。就這個例子來說，第二層106的厚度大約10-20微米。第三層108可以由電介質(zhì)被覆層構(gòu)成，就這個例子來說厚度為4-8微米。關(guān)于這些層的概括說明在圖10d中表示。
環(huán)狀導(dǎo)線該說明書的環(huán)狀導(dǎo)線有對這四個導(dǎo)線在本發(fā)明中實行的這些功能進(jìn)行補(bǔ)充的一些元件和結(jié)構(gòu)。環(huán)狀導(dǎo)線可以根據(jù)特定的準(zhǔn)則而選擇。適當(dāng)?shù)沫h(huán)狀導(dǎo)線可以實行這六個功能中的至少一些功能1.攜帶具有可接受高頻色散的兩個信號通路。
2.給在線再生器、UID外圍設(shè)備，以及有關(guān)裝置提供能量，并且選擇性地允許POTS信號流動。
3.保持在每對導(dǎo)線的寬頻帶特性傳播阻抗方面的精度和平衡。
4.將信號損耗保持在可管理水平以下，特別是在高頻。
5.當(dāng)前和未來應(yīng)用所需要的光纖的保護(hù)管道。
6.為四芯線組組件提供補(bǔ)充性的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，以便保持為達(dá)到低XTLK和高EMIR所需的幾何結(jié)構(gòu)。
圖11是上文結(jié)合圖10b所討論的如此一種單電線的截面圖。其設(shè)計在一些明顯的解決途徑上有別于現(xiàn)有技術(shù)，它可以利用一些不太為人所知的波傳播效應(yīng)于導(dǎo)電介質(zhì)內(nèi)和其上。本發(fā)明的這些方面的目的是改進(jìn)載送信號元件的性能以及通過改變下面兩個因素來抑制不必要的外部電磁能量a)單導(dǎo)線的趨膚效應(yīng)特性；以及b)實質(zhì)性地更改一根導(dǎo)線對相鄰導(dǎo)線產(chǎn)生的靠近效應(yīng)相互作用。
對電磁信號能量傳播到導(dǎo)線結(jié)構(gòu)中的方式的修改是以不對稱的方式實現(xiàn)的，該方式鼓勵沿導(dǎo)線長度的傳播，并改進(jìn)信號到導(dǎo)電元件中的滲透。
這些導(dǎo)線至少有這些主要的特征1.它們采用強(qiáng)度相當(dāng)高的鐵磁性材料芯線351，它們是由在軸向磁化的時候也有著明顯剩磁的材料中選出的。
2.高傳導(dǎo)率的金屬被覆層353被施加到如此的芯線的表面上。在圖11所闡明的例子中，為覆蓋著銅的制得電線所選的直流電阻是完全用銅做成的相等直徑的電導(dǎo)的50％。如果用銅作為傳導(dǎo)性材料，僅僅需要在鐵磁性材料上覆蓋相當(dāng)薄的銅層。
3.該導(dǎo)線層還用特殊高頻磁性材料的薄被覆層355覆蓋，它有著適度磁導(dǎo)率，還顯示有下列的其它特性。該被覆層材料355是從各種材料中選出并以成型方法制成，使得它被置于復(fù)合線材上的時候，其磁導(dǎo)率(μr)和介電常數(shù)(εr)可以通過強(qiáng)度以及實際偏置磁場的方向充分改變。當(dāng)電線磁化的時候空間各向異性導(dǎo)致εr和μr。對于給定的應(yīng)用和所關(guān)注的頻率范圍，磁性材料更多地被選擇，使得它具有在該范圍上隨頻率作適當(dāng)期望變化的磁導(dǎo)率，以及有著期望的有限能量耗散性損耗。
4.磁性被覆層355可以是非常細(xì)粒子材料(例如，甚至是納米級)和基質(zhì)粘合劑的混合物，基質(zhì)粘合劑的選擇是允許介電常數(shù)和磁導(dǎo)率能夠在復(fù)合電線的制造期間充分永久地定向和被磁場調(diào)整，使得由此產(chǎn)生了在這兩個參數(shù)(ε和μ)中的明顯且期望的空間各向異性。這在導(dǎo)線的圓周區(qū)域提供了和軸向明顯不同的磁導(dǎo)率，而同樣地在圓周和軸線的介電常數(shù)方面存在著相關(guān)的各向異性。這可以通過讓磁性材料和粘合劑在一些準(zhǔn)流體或半固體形狀中混合，混合物在制造過程期間凝固，但仍然處于具有能夠滿足目標(biāo)的足夠比例的磁場的影響下。
磁性材料可以是一類高頻鐵氧體，比如飛利浦鐵氧體軟磁性材料4型鎳鋅材料在燒制之后壓碎，然后精細(xì)碾磨成粒子大小在5微米以下的占重量98％的顆粒。
已經(jīng)進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)合乎需要的是，可以施加偏置磁場，這樣，場極性以將導(dǎo)致各向異性沿電線長度連續(xù)出現(xiàn)的方式反轉(zhuǎn)，但是，用鐵磁材料線芯的剩余磁化和磁分子的相關(guān)極化沿電線長度方向在空間上周期性地反轉(zhuǎn)?？臻g周期性是結(jié)合鐵磁材料線芯里的退磁效應(yīng)，而且還結(jié)合擬在線纜系統(tǒng)中傳輸?shù)淖罡哳l率頻譜的波長和該頻譜所希望的傳播特性而選出的。
該各向異性系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和作用與現(xiàn)有技術(shù)根本不同。有為數(shù)眾多的例子是，利用磁性材料來如過去所作的努力那樣簡單地“裝載”信號導(dǎo)線，以增加線路的電感，由此提高了其傳輸阻抗，并且由此減少了信號損耗以及糾正頻率響應(yīng)衰落。關(guān)于這一點的美國專利有1,586,887 Elmen，″Inductively Loading Signaling Conductors″；1,672,979 Fondiller″Loaded Conductor″；2,669,603 Prache″Transmission Line With Magnetic Loading″；2,787,656Raisbeck；4,079,192 Josse″Conductor For Reducing Leakage AtHigh Frequencies″。并且，按效應(yīng)不同的分類有3,668,574 Barlow″Hybrid Mode Electric 20 Transmission Line Using AccentuatedAsymmetrical Dual Surface Waves″；4,017,344 Lorber etal.″Magnetically Enhanced Coaxial Cable With Improved TimeDelay Characteristics″；5,574,260 Broomall等人的″CompositeConductor Having improved High Frequency Signal TransmissionCharacteristics″。Elinen和Prache是在線路中電感加載和集總電感線圈效應(yīng)相等的例子。Prache是首批分析磁性材料對加載線纜阻抗的電介質(zhì)效應(yīng)的人員之一。Raisbeck的美國專利2,787,656(1957年4月2日)通過在分析中加入包括被Prache疏忽的介電損耗在內(nèi)的全部損耗而完成如此的分析。Raisbeck的分析在他于Bell SystemTechnical Journal 1958年3月刊(第361-374頁)上發(fā)表的文章中有進(jìn)一步的詳述。此類工作的重點是把給定尺寸(主要是在共軸類型的線路中)的傳輸損耗減少到最小。它們并不試圖直接改變諸如表面或靠近的效應(yīng)。
Fondiller的較早美國專利1,672,979(1928年6月12日)以一種擠壓方法用磁性材料包裹電線，他還通過沿電線發(fā)送“強(qiáng)直流電流”將該電線磁化。所闡述的被覆材料是在粘合劑里的鐵粉。該專利解釋道直流磁化的目的是提高被覆層的磁導(dǎo)率，因此增加每單位長度的電感，遵循的是通過提高傳輸線阻抗水平來降低損耗的已定方案。并沒有不對稱特性或其它磁或電介質(zhì)效應(yīng)的有關(guān)披露。
Josse用磁性材料包裹電線的主要目的是減少來自靠近電線中的渦流的損耗，將該原理適用于Litz電線應(yīng)用場合。他還對超導(dǎo)線纜和非常高電流功率傳輸線頻率應(yīng)用采用該處理工藝，在該應(yīng)用的焦點似乎是渦流效應(yīng)。
后面一組的三個專利(Barlow，Lorber等，以及Broomall等)是截然不同的。它們?nèi)棵枋隽瞬蝗菀妆还诺鋫鬏斁€路和導(dǎo)線理論解釋的實驗性結(jié)果。它們?nèi)慷家蔑@現(xiàn)出非經(jīng)典特性的實驗性數(shù)據(jù)。僅僅Barlow發(fā)展了一個有關(guān)影響波傳播的表面波特性的理論。Lorber在他的結(jié)構(gòu)中觀察到異常低的時間延遲，但是建議提高與線纜的分路電容串聯(lián)的有效電感來對它進(jìn)行解釋。在他的說明書的其他部分中，暗示了這個觀察特性應(yīng)歸因于一個“波導(dǎo)”效應(yīng)。Lorber還引用Kehler和Coren的1970論文(參看Kehier，et al.，Susceptibility & Ripple Studies in Cylindrical Films，Journalof Applied Physics，卷41，3期，(1970年5月1日)第1346、1347頁)，該論文證實在被采用作為共軸結(jié)構(gòu)中的中心導(dǎo)線的一小段薄磁性覆蓋的電線里在110MHz下存在著非經(jīng)典的傳播效應(yīng)。
Broomall等人發(fā)展了他們的純粹根據(jù)趨膚效應(yīng)特性解釋不規(guī)則傳播效應(yīng)的理論。他們的結(jié)構(gòu)和Lorber不同之處是采用了磁襯底作為它們的基本結(jié)構(gòu)，但是它們也建議了一個將磁性材料放在中間層中的三層結(jié)構(gòu)。他們所給的例子僅僅表明在損耗和延遲特性方面有適度的改善，而沒有對傳播占支配地位的過程給出建議。他們的教導(dǎo)并沒有清楚地說明如何使他們的方法優(yōu)化適用于其他的材料和尺寸。
如此說來，Barlow是這些例子中清楚地提出了對波傳播過程的直接效應(yīng)的唯一一例。正如前文所作的討論那樣，趨膚效應(yīng)可以更有效地被看作是在所有這三個專利所采用各種手段的高傳導(dǎo)性和/或可透過性介質(zhì)內(nèi)的傳播效應(yīng)。Barlow在他的說明書中承認(rèn)分析數(shù)學(xué)處理方法的缺乏。他把他發(fā)現(xiàn)的一類實驗論述為他稱作是non-TEM模式的一種新穎傳播模式的示范。他采用電介質(zhì)層開發(fā)新穎的模式，并且給出一個很寬的厚度范圍，擬使其覆蓋1MHz到10GHz的頻率范圍。他的雜志論文和在專利給出的曲線表明在衰減作為所加的電介質(zhì)薄層的函數(shù)關(guān)系存在著明顯的改變。
很有可能這三個專利都能從改變能量傳播的能量陷井特性中得到充分理解。
這些所引用的現(xiàn)有技術(shù)都沒有涉及本發(fā)明提出的傳播效應(yīng)，它們也沒有在連結(jié)點各向異性對介電常數(shù)和磁導(dǎo)率的影響和發(fā)展方面提供教益。上文所討論的鐵氧體型材料僅僅是有顯微結(jié)構(gòu)特性的可能材料的一個例子，該可能材料使得在適度值(1特斯拉以下)的磁場的影響下，它們的電磁特性(電介質(zhì)，并且磁性)相對于磁場的強(qiáng)度和方向有明顯的改變。其它的晶體、半晶體或者甚至有些無定型物質(zhì)可以展示顯現(xiàn)出可比較的各向異性的內(nèi)部排序特性。本發(fā)明在某種程度上利用這樣的效應(yīng)來完成對產(chǎn)生于這些特性的不尋?？臻g分布的傳播特性的增強(qiáng)。
5.復(fù)合電線可以被絕緣外層357進(jìn)一步覆蓋。然后絕緣結(jié)構(gòu)將復(fù)合電線各組分分離成在如圖10a所示的支持纖芯上的編織或者螺旋狀包纏的環(huán)狀導(dǎo)線。
環(huán)形導(dǎo)線的選擇性實施例圖10c是可以用于四芯線組線纜的環(huán)形導(dǎo)線的又一非限制性實施例。首先參看圖10d，這個空芯環(huán)形導(dǎo)線可以磁性材料單管98被覆以導(dǎo)電(金屬)層104，后加以磁基質(zhì)薄層106，然后再在其上被覆以非常薄的絕緣層108而構(gòu)成。這一結(jié)構(gòu)類似于前文所述單線的層狀結(jié)構(gòu)。對于許多應(yīng)用，這種單一的管狀磁芯結(jié)構(gòu)是較為有利的。例如，它允許四個環(huán)形導(dǎo)線各自將光纖圍在防汽管中，而不要求整根線纜都完全進(jìn)行水汽防護(hù)。這樣一種管還有可能增加光纖和充分吸收的保護(hù)性填充物可用的中心空間的直徑。可磁化管中的剩磁、導(dǎo)電層的尺寸確定、以及基質(zhì)層的各向異性特性都可以加以調(diào)節(jié)，以使損耗足夠低并提供均勻的傳播特性，從而導(dǎo)致其性能基本上和前文所述的金屬絲網(wǎng)相同，也許比其更好。這簡化了線纜的結(jié)構(gòu)并且降低了成本，其結(jié)果是線纜更輕，尺寸上也略為減少。該線纜例子的抗張強(qiáng)度構(gòu)件可能是一個被置于線纜中剛好在外套覆層之下的抗蝕高強(qiáng)度編織帶。所述的外覆層應(yīng)當(dāng)采用EMI對稱化器，而阻抗匹配的外殼層具有阻性的空間阻抗設(shè)計，兩者均如上所述。
這些環(huán)形導(dǎo)線至少具有下列獨(dú)特且新穎的特性，它們在許多基本點上均不同于發(fā)明人所了解的現(xiàn)有技術(shù)。
現(xiàn)有技術(shù)的磁“裝填”結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)針對用于發(fā)射和傳遞電磁能量的導(dǎo)線系統(tǒng)的損耗特性，一般著重于簡單地提高傳播電磁能量的傳輸線的阻抗值。按照這一策略，這種導(dǎo)線損耗的電阻大小成為傳輸系統(tǒng)阻抗的較小部分，因而減少了由于這一原因而損耗的那部分能量。這些嘗試本質(zhì)上不會影響傳播特性，它們也不會降低(特別是在高頻下)支配著導(dǎo)線交流電阻的趨膚效應(yīng)電阻。這些方案的缺點是為降低損耗犧牲了可用帶寬。一些例外情況已經(jīng)涉及了上文提到的渦流和接近效應(yīng)。該技術(shù)大多數(shù)是在采用了窄帶或固定頻率策略的電力傳輸應(yīng)用之中，而這一策略并不能應(yīng)用到寬帶信號能量傳輸之中，也不適合于此(參看美國專利3,160,702，Lapsley；和3,594,492，Bader.)。
另一方面，本發(fā)明改變了導(dǎo)線中的趨膚效應(yīng)，更改了能量沿傳輸線通路傳播的方式。這樣的一個方案不必提高結(jié)構(gòu)的阻抗來達(dá)到改進(jìn)的目的，而且?guī)捯参匆虼硕苡绊憽?br> 對導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的審慎選擇要求除了使傳輸能量損耗適于任何給定應(yīng)用要求以外，還能夠?qū)崿F(xiàn)其它的目的。這種對各項選擇所作的平衡例如有先進(jìn)的四芯線組結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)目標(biāo)，該目標(biāo)著重強(qiáng)調(diào)信噪比，因而更強(qiáng)調(diào)在XTLK和EMIR特性方面的高性能。這些特性一起要求網(wǎng)絡(luò)性能能夠滿足最后一英里線纜系統(tǒng)的要求。
孤子傳播在一些條件下，在所研究的線纜中的傳播表現(xiàn)出非常低的能量擴(kuò)散特性，其類型和在十九世紀(jì)中葉(1834年由J.S.Russell)首先觀測到的孤子傳播特性有關(guān)，這是一種由拖輪在蘇格蘭的運(yùn)河上航行時產(chǎn)生的傳播距離很遠(yuǎn)的不尋常水波。在Russell之后，其它人隨著Korteweg & deVries研究出一個重要的基本描述(1895年)也從數(shù)學(xué)上探究了這一現(xiàn)象。Fermi及其他人在1955年研究出這種水系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，但接下來的主要成就是在Zabusky & Kruskal將分析進(jìn)一步深入時取得的，他們杜撰了新的術(shù)語“孤子”用以解釋這些波現(xiàn)象的類似于相干群的特性。關(guān)于這一主題的大多數(shù)數(shù)學(xué)和實際工作是在此后的30年內(nèi)作出的。孤子傳播已被應(yīng)用于光纖系統(tǒng)，其光模態(tài)取得了顯著的改進(jìn)。如今在應(yīng)用中的光纖采用的即是孤子技術(shù)。
根據(jù)本發(fā)明的電磁傳播條件的新穎各向異性本性允許采用空間傳播非線性(即，相對突然而且空間周期性變化的μ和ε)，來發(fā)射和接收此類孤子模式下的能量，其色散度非常低，因此有非常好的高速波形逼真度。孤子傳播的優(yōu)點是較低的能量損耗，較長的行程，較大的有效信號帶寬，這是因為孤子群速度具有載運(yùn)信號能量達(dá)一段可觀距離同時在時間和空間上保持其能量和形狀的特征。
用以實現(xiàn)這一目標(biāo)的信號源和負(fù)載耦合裝置可以采用較為復(fù)雜且成本較高的結(jié)構(gòu)，但是在需要的時候應(yīng)易于證明其是正確的。發(fā)明人還未發(fā)現(xiàn)將此類方法采用于在基本為電的能量傳輸模式下亞光波段內(nèi)進(jìn)行電磁波的孤子傳播的現(xiàn)有技術(shù)。上文所引用的三份專利(Barlow，Lorber，and Broomall)全都建議非傳統(tǒng)的傳播方式，但它們既未解釋也未教導(dǎo)能夠達(dá)成此類適宜狀態(tài)的方法。本發(fā)明的該實施例預(yù)期了如上所述的這種各向異性結(jié)構(gòu)安排，它將不僅展示數(shù)字信號較高速分量的低色散性，還促進(jìn)了信號傳輸?shù)牡蛽p模式的發(fā)展。在前面有關(guān)特殊環(huán)形導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的章節(jié)中所討論的其它各向異性波傳播效應(yīng)可以通過選擇磁場而加以改變，并獲得對于任何給定信號而言的最佳值。
定位器制造實例出于對四芯線組線纜所需對稱性精確度的考慮，合乎需要的是不論定位器的環(huán)境條件的預(yù)期(或通常)的改變帶來什么樣的變化，定位器應(yīng)能夠保持基本不變的電磁功能性。通常的熱塑性擠壓形狀包含了顯著的內(nèi)應(yīng)力，該應(yīng)力導(dǎo)致在成形之后，特別是在室外使用過程的老化期間發(fā)生形狀和尺寸上的變化。為了從根本上克服這種問題，發(fā)明人開發(fā)了種種技術(shù)來降低在成形處理期間這種應(yīng)力的產(chǎn)生。
可以采用熱塑性熔體、模壁和擠壓機(jī)的振動來提高流率以及改進(jìn)成品質(zhì)量?，F(xiàn)有技術(shù)采用在0.7和20000Hz之間的振動頻率來達(dá)到在制備一些熱塑性產(chǎn)品時的各種目標(biāo)。
發(fā)明人采用了一種新穎的技術(shù)來處理熱塑材料。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)在擠壓處理期間頻繁地重復(fù)進(jìn)行急劇減壓和受壓會導(dǎo)致在所得到的擠出物形狀中產(chǎn)生平滑得多的流動和低得多的內(nèi)應(yīng)力。圖8b和9b中所示的這種從高到低再高的壓力循環(huán)是快速的，足以使這一過程是絕熱的。
該循環(huán)從效果上看是一種抗鍛造工藝，通過該工藝引入的擴(kuò)展波促使鉤住和互鎖的聚合物鏈開扣、解鎖。本發(fā)明的一個重要特點是在最終成形期間壓力釋放，變?yōu)榇笾孪喈?dāng)于大氣壓的壓力，以及在從略高于玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度冷卻到基本固化狀態(tài)期間維持如此的低壓。由于不同瞬時材料和工藝的變化很小，可以利用模制材料的共同流動同時形成定位器的各部分。
對于其玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度低到足以在低于600°F的溶化溫度下提供充分的可塑性的熱塑材料來說，優(yōu)選采用如下文實例A所示的過程。對于其它熱塑材料，比如聚四氟乙烯(PFTE)(它實際上并不完全熔化而是需要有一個燒結(jié)處理，實例B這個實施例可能更為適當(dāng)。下文將對這些實例加以注解和說明，并將之圖解于圖8和9中。
實例A這個處理過程的一個重要因素是在熔體成形和擠壓處理期間壓力的釋放以脈動形式快速而頻繁地進(jìn)行。這些熱塑聚合物的分子構(gòu)型的特點是分子量和聚合物鏈長度都發(fā)生變化，這促使各鏈之間互鎖，導(dǎo)致非牛頓流動特性，從而由典型的高壓形成方法產(chǎn)生牢固(locked-in)的應(yīng)力。
圖8a表示的是和擠壓機(jī)主體203相連的擠壓模頭201。一個擠壓螺桿205位于擠壓機(jī)主體203之中。和活塞209一起使用的是一或多個液壓活塞組件207，它用于調(diào)節(jié)體積的變化并進(jìn)而調(diào)節(jié)壓力。使壓力明顯降低所需的體積量變化可以較小。因而在最后的混合室周圍剛好位于擠出模之前的小液壓活塞僅需運(yùn)動一個非常短的沖程，即足以允許產(chǎn)生快速的壓力變化，而其慣性比努力使螺桿式塑化機(jī)或主壓力活塞運(yùn)動時可能出現(xiàn)的慣性要小得多。發(fā)明人還發(fā)現(xiàn)擠壓模沿鏜孔的形狀應(yīng)當(dāng)為小的錐形，以免在接近最后成形孔的地方出現(xiàn)湍流式混合。
對于這一處理過程，比較恰當(dāng)?shù)膲毫梢允菑募s0psi到2000psi，而這一壓力可以在大約每1到10毫秒的時間內(nèi)循環(huán)一次。循環(huán)壓力可以在熱的擠出物冷卻到比如從-50℃到+50℃起伏的玻璃態(tài)轉(zhuǎn)變溫度時作用在其上。
脈動擠壓階段之后是在浴槽211中作受控制的緩慢冷卻退火，其用意在于防止在擠出物中形成明顯的冷卻梯度，以防引入應(yīng)力。這種冷卻退火流程圖表示在圖8c中。圖8c是在擠壓之后擠出物立即進(jìn)入的擠出物(大約100℃-300℃)處理爐的簡要結(jié)構(gòu)安排。在步驟213，熱的擠出物從模頭脫出。在步驟215，熱的擠出物暴露在比擠出物溫度低20-50℃的溫度下的第一浴槽，在下一步217，有點冷卻的熱擠出物暴露在比步驟215溫度低20-50℃的溫度下的第二浴槽。在下一步219，擠出物暴露在比步驟217溫度低20-70℃的溫度下的第三浴槽。最后，在步驟221，擠出物暴露在溫度保持在大約145-150°F下的潔凈浴槽。在潔凈浴槽之后，進(jìn)行溫和的沖洗(步驟223)，清潔擠出物，然后作溫和的空氣干燥。每個步驟的持續(xù)時間經(jīng)設(shè)定能夠使擠出物在進(jìn)入下一退火步驟之前保持溫度平衡。每個步驟的時間因擠出物的截面形狀和尺寸而改變。
在檢查這一脈動性釋放壓力的方法的成品結(jié)果時，完全冷卻樣品和老化樣品的整個擠出長度都浸入均勻加熱的浴槽中，確定是否能觀察到任何變形。當(dāng)采用和未采用實例A所略述的處理過程生產(chǎn)出的擠出材料互相比較時，其差別是顯而易見的，未經(jīng)這種技術(shù)處理的部件發(fā)生明顯的變形。而經(jīng)過處理的部件沒有形狀或尺寸上的變化，或幾乎不存在變化。所觀察到的改進(jìn)據(jù)信是由于互鎖和加有應(yīng)力的分子鏈在脈沖的短暫低壓部分期間解鎖和釋放而造成的。擠壓的最后成形階段可以在低壓條件下進(jìn)行，在該條件下流動特性明顯得到了改進(jìn)。凝固階段應(yīng)當(dāng)在和將提供模具接觸的壓力一樣低的壓力下進(jìn)行，通常在1巴左右。
脈沖化的釋壓處理增強(qiáng)了擠出物的流動性。所采用的錐形根據(jù)要產(chǎn)生的截面的形狀和尺寸而定。從2到15度的錐度可以包括對于大多數(shù)小的形狀和類似聚乙烯、聚丙烯、高分子量聚乙烯和一些共聚混合物的材料而言的最佳范圍。進(jìn)行錐度控制的一個重要參數(shù)是局部體積縮減的比例，該局部的體積縮減會產(chǎn)生將擠出物排出的壓力升高，和絕熱溫度上升。所需要的錐度大小將因熔體特性(粘性和非牛頓特性)而變化。角度的選擇可以和局部體積有直接關(guān)系，而且在理想情況下，它將因復(fù)雜形狀下的局部厚度而變化。對于許多的熔體特性，有效的縮減量可以在大約1到7個百分比的范圍內(nèi)。
擠出物的初始出口在進(jìn)入第一個退火浴槽之前具有非常短的空氣冷卻段。這個第一浴槽溫度的選擇可以由實驗作出，只是為了以相對于其形狀、段厚度和出口體積速度而言最小的應(yīng)力穩(wěn)定這一特定材料?？紤]到在脫離模具時由于壓力降總是有一定的絕熱冷卻，無論何處這一溫度可以比擠出物出口溫度低20°F到100°F。發(fā)明人已經(jīng)發(fā)現(xiàn)三個階段的連續(xù)浴槽溫度降低也許足以完成應(yīng)力的釋放并使大多數(shù)的模具穩(wěn)定。擠出物和浴槽接合的長度以及它在其中所花費(fèi)的時間是由擠出物從浴槽中脫出時的溫度的穩(wěn)定性決定的。在最后的退火浴槽之后，一個潔凈浴槽將退火浴槽的任何殘余物除去。對于高溫?zé)崴懿牧?，初始的浴槽可以含有適宜于工作溫度的低酸性凈化的礦物油之一。潔凈浴槽清除這類殘余物和任何其它重要的表面雜質(zhì)。
實例B由于在10MHz到1GHz頻段其具有較低的介質(zhì)常數(shù)和極低的損耗特性而極受歡迎的含氟聚合物有著困難得多的成形特性。這些材料不能象在實例A中所討論的熱塑塑料那樣熔化。以微粒形狀開始的含氟聚合物材料按照和粉末冶金類似的方式處理。將其壓成一定形狀，可以采用粘合劑進(jìn)行，使其成為“生坯”，然后燒結(jié)成最終的固態(tài)。發(fā)明人發(fā)現(xiàn)，在這種生坯的壓力成形期間，類似的脈沖壓力釋放對成形之后的燒結(jié)處理過程的產(chǎn)物和均勻性有積極影響。圖9a、b、c敘述了一種應(yīng)用于這種材料和形狀的方法。在完全燒結(jié)和熟化處理PTFE之后，例如在惰性氣氛下和在產(chǎn)生1到3個百分比的快速高-低-高容量變化的壓力脈沖化成形模中對受熱材料進(jìn)行后處理，增強(qiáng)了最終形狀的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性。這一系列的改變壓力的處理步驟構(gòu)成了用于這類材料的實例B。
參看圖9a，圖中表示的是一個惰性氣氛室251，一個帶狀253的燒結(jié)材料連續(xù)流饋入其中。在惰性氣氛室251內(nèi)有一個帶狀加熱室255對帶253加熱。錐形的成形模裝置257接納帶253。脈動壓力活塞259對加熱燒結(jié)帶253施加退火壓力波，由此減輕內(nèi)應(yīng)力并改進(jìn)形狀的穩(wěn)定性。脈動壓力活塞259可以采用時間圖案和圖9b相似的脈動波。壓縮比由模擋板設(shè)定。
圖9c的流程圖中表示了這些步驟。具體地說，步驟261表示了在引入惰性氣氛腔251之前的熱壓縮FTPE帶。步驟263表明該帶以低壓進(jìn)入燒結(jié)腔中。在步驟265，熱燒結(jié)的帶饋送到圖9a所示的脈動惰性氣氛模裝置中。步驟267是最后一步，在該步驟熱帶以低壓送入冷卻腔中。
螺旋性扭曲本發(fā)明四芯線組線纜的最后成形步驟包括對定位器作適當(dāng)?shù)呐で?。所期望的螺旋扭曲是在這樣一個處理過程中完成的，該過程僅僅裝配沒有導(dǎo)線的中心定位器，然后在受熱階段通過被保持在低于玻璃態(tài)過渡溫度(Tg)的某溫度下的一個成形模系統(tǒng)將所期望的螺旋性扭曲加給該組件。冷卻后的組件隨后在下一階段部分地打開，使導(dǎo)線得以安裝在它們的槽口中。接下來，組件在進(jìn)入下一階段的時候受壓閉合，由此內(nèi)層的屏蔽(或鏡)材料裝配到線纜初級產(chǎn)品上。然后這一組件可以作最后的被覆操作，覆蓋以屏蔽層部分、抗拉構(gòu)件和外套層。
在擠壓處理之后，定位器準(zhǔn)備進(jìn)行安裝。用于定位器的合適熱塑材料可以是這樣的定位器材料的電阻率在105-1018歐姆-秒，其介電常數(shù)在大約1.05到4.0之間，并且其低的介電損耗在目標(biāo)頻段，一般高達(dá)或大于1GHz的頻率上具有小于0.1的損耗正切值。
其它材料特性是，定位器材料應(yīng)當(dāng)具有老化和風(fēng)化特性，使得對于-50℃to+50℃的溫度范圍和0到100％的濕度范圍，電磁功能性的變化應(yīng)當(dāng)小于1％。供定位器用的塑性材料的可接受彎曲模量值在0.07E+9Pascals的最小值(0.01E+6psi，軟聚乙烯并且可能也是PTFE的典型值)到6.89E+9Pascals(1.00E+6psi，PAEK的典型值)之間。這些類型的材料可進(jìn)行不同程度的模制，或需要加以“燒結(jié)”，使得它們能夠跨越上述類型范圍。以玻璃填充的聚丙烯也可以是候選的一種材料。這些材料的各種混合物也可以使用。
為取得良好平衡而驅(qū)動并端接本說明書所預(yù)期的網(wǎng)絡(luò)操作有三個感興趣的頻域1)用于電源或極低頻信令的DC或低頻段，正如POTS振鈴電壓在約20Hz；2)從約375Hz到約3400Hz的低頻或話音頻段；3)達(dá)到1GHz左右的供數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)用的寬帶高頻段。
所預(yù)期的驅(qū)動裝置和端接裝置可以將這三個范圍有效分開，從而隔離它們之間的任何互作用。從現(xiàn)有的世界標(biāo)準(zhǔn)來看，最為合適的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)制式是被接受為當(dāng)前標(biāo)準(zhǔn)的SONET或SDH，目前世界范圍內(nèi)大多數(shù)的光纖通訊正按此標(biāo)準(zhǔn)工作。這一時分復(fù)用方案的基幀或“時間矩形波串”被設(shè)定為125微秒的持續(xù)時間，即每1/8000秒一組。這兩種制式的時隙結(jié)構(gòu)都表示在圖14中。每幀的組織由810個時隙或“鴿籠”表示，它們以9行乘90列的矩陣283排列。每個時隙281包含一個8比特的字或字節(jié)。對于每個125微秒幀，字節(jié)按序逐行流動，自1開始并在810結(jié)束。這樣每幀有6480比特，這在每秒8000次的情況下基本比特率為每秒51.84兆比特。這僅僅是STS-1制式在處于電形態(tài)時的基本或最小比特率。當(dāng)用于為例如光纖通路產(chǎn)生光信號的時候，這一制式被稱為0C-1光載波。SONET和SDH標(biāo)準(zhǔn)包括采用被稱為B3ZS的8比特編碼方案，這一方案的作用是通過以允許對真實的源數(shù)據(jù)解碼或恢復(fù)的方式修改數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)來避免過長的一或零的長串。這一方案當(dāng)初的開發(fā)目的包括避免過多的低頻能量將信號的基線移動，如果基線發(fā)生移動，就會干擾數(shù)字信號的準(zhǔn)確恢復(fù)。這樣，這一制式避免在51.84MHz信號中有過多的低頻分量。
基本的STS-1幀用作為進(jìn)一步分時的框架，辦法是設(shè)置可達(dá)192倍于該基本制式中的數(shù)據(jù)。即，每個125微秒幀將810單元的每一個細(xì)分為192個字，每個字僅僅8比特長。這又使比特率增加了高達(dá)192倍，結(jié)果得到目前最大的9.9456GHz數(shù)據(jù)比特率。在全世界所采用的正在工作的通訊系統(tǒng)中，當(dāng)前的標(biāo)準(zhǔn)通常采用基本速率的3、12、24、48、96和192倍。對此處披露的某些類型最后一英里系統(tǒng)設(shè)定的電信號模式通常是STS-3(155.52MHz)或STS-12(622.08MHz)。在這些情況下，所需要的僅僅是在本發(fā)明所采用的平衡驅(qū)動或端接裝置的那部分具有非常有限的低頻響應(yīng)。
大多數(shù)信號處理電路拓?fù)鋱D，特別是那些使用集成電路技術(shù)的拓?fù)鋱D是單端或非平衡的設(shè)計。必須采用一定的裝置將平衡的四芯線組設(shè)計耦合到此類非平衡單端電路中并從其中耦合出來，同時保留線纜的EMIR和XTLK性能。為此目的，此前已經(jīng)采用了性能類于變換器的巴倫器件。C.L.Ruthroff在IRE會議文集1959年八月版第1337-42頁發(fā)表了和這一主題有關(guān)的經(jīng)典文件。這種設(shè)計已經(jīng)限制了共模抑制(CMR)和一些相關(guān)的帶寬局限性。采用多孔鐵氧體芯的準(zhǔn)傳輸線裝置已經(jīng)被利用于構(gòu)成巴倫器件，但是它們難以在較寬的帶寬上取得好于25-30dB的CMR。兩個例子是授予Crowhurst的美國專利No5,220,297，″Transmission Line Transformer Device″；和授予McCorkle的美國專利5,379,006″Wideband(DC to GHZ)Balun″。
圖12和13給出了本發(fā)明可以采用的驅(qū)動器和端接裝置的細(xì)節(jié)。在新穎的驅(qū)動器和平衡接收機(jī)系統(tǒng)中，端接阻抗基本上被“△”構(gòu)型的電阻控制。在這兩種情況下，這些小的薄膜電阻陣列通過所示的高通濾波器501和集成到每個△電阻陣列中的實際較小的電容將線路上的DC和低頻分量隔離。
圖12所示的平衡驅(qū)動器包括驅(qū)動線纜的推挽式信號電流源503和505，外加源和端接電阻陣列，由此使過渡階段或“一”或“零”狀態(tài)中的阻抗變化最小。特別是，圖12是進(jìn)入驅(qū)動高頻提升電路507的STS制式的數(shù)據(jù)流。高頻提升電路507用于補(bǔ)償損耗。高頻提升電路507采用接收機(jī)孔徑提升電路509(圖13)調(diào)節(jié)，以滿足BER技術(shù)指標(biāo)。高頻提升電路的輸出被送往分相器508。分相器508的輸出是兩個相位相差180度的信號。線511所表示的第一信號進(jìn)入一個寬帶電流源驅(qū)動器503。線513所示的另一信號進(jìn)入寬帶電流驅(qū)動器505。一個平衡的高通濾波器501接收這兩個信號。這些信號通過電阻陣列515，進(jìn)入四芯線組線纜517中。如圖12所示，還有從輔助低頻裝置接收輸入信號的低通濾波器519，以及直流電源。這些低頻信號又被送入線纜517中，以提供圖2的線路55和57。
圖13所示的平衡線路的接收端結(jié)束于與推挽共發(fā)共基長尾輸入放大器相連的無源電阻陣列515’。這一階段將信號耦合到系統(tǒng)或耦合到在整個帶寬上具有非常好CMR的時鐘控制的數(shù)字比較器。圖13詳細(xì)表示了平衡線纜接收機(jī)系統(tǒng)。線纜517的接收端被置于無源電阻陣列515’中。信號的低頻分量通過低通濾波器519’來提供輔助的低頻服務(wù)并提供直流功率。高頻分量通過高通濾波器501’。高頻分量進(jìn)入平衡的輸入放大器521。平衡的輸入放大器可以具有微分共發(fā)共基長尾輸入放大器對的構(gòu)造。平衡輸入放大器的CMP在帶寬范圍內(nèi)可以大于40dB。平衡輸入放大器的輸出端可以通過直流恢復(fù)電路同步箝位系統(tǒng)523。箝位系統(tǒng)的輸出被送到接收機(jī)孔徑提升電路509。接收機(jī)孔徑提升電路509可以修整所謂的“眼圖”，以達(dá)到BER技術(shù)指標(biāo)。接收機(jī)孔徑提升電路509的輸出是數(shù)據(jù)流。
這樣的驅(qū)動器和接收器階段顯示了好于50dB CMR的性能。在完全集成的設(shè)計中，這種水平的性能應(yīng)當(dāng)以較低的成本嚴(yán)格達(dá)到。這里所討論的這些類型的輸入和輸出階段可以較容易地置入再生器模塊之中，供前文所披露的線纜系統(tǒng)使用。
在前文討論的附圖中還顯示有暫態(tài)電壓箝位裝置，用來避免來自各種可能源的高壓脈沖。(例如靜電放電，附近的閃電或EMP，或連接或瞬時現(xiàn)象)。
將該四芯線組用于“火警線(FireWire)”的應(yīng)用最近供計算機(jī)外圍設(shè)備使用的新的串行數(shù)據(jù)總線標(biāo)準(zhǔn)開始取得廣泛的應(yīng)用。這一新的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 1394或其在國際IEC 1883中的相近內(nèi)容。名稱“火警線”被廣泛地運(yùn)用來稱呼這種新的總線線路和系統(tǒng)。這些系統(tǒng)的物理互連線纜采用位于其總體屏蔽層之內(nèi)的兩根雙絞線和兩根電源線?；鹁€的本意是指將各種附件和個人計算機(jī)相連的較短長度。這些標(biāo)準(zhǔn)在范圍和操作數(shù)據(jù)率方面均有增長，使得最初的100兆每秒的界限現(xiàn)在擴(kuò)大到400兆比特每秒，并經(jīng)建議將進(jìn)一步增加到1200兆比特每秒。這樣的線纜在經(jīng)本發(fā)明修改之后可能完全適合于一幢住宅或?qū)懽謽莾?nèi)的許多當(dāng)前和未來類型的設(shè)備、信息裝置和附件連接起來。
本發(fā)明的線纜形狀能夠很容易地達(dá)到這一目標(biāo)。該線纜可以簡單地加以修改，使其內(nèi)部包含兩個電源引線。尺寸縮減之后的款式當(dāng)然可以設(shè)計供室內(nèi)環(huán)境下使用。這種形狀的線纜的獨(dú)特優(yōu)點使其能夠開發(fā)作此種用途，并且對于這一更為有限的應(yīng)用而言其成本的節(jié)約是顯著的。
有趣的是，標(biāo)準(zhǔn)所選擇的根總線周期仲裁采用的是和SDH與SONETT協(xié)議相同的時間間隔-125微秒?？紤]到所披露的全局通訊系統(tǒng)的總是保持連接狀態(tài)的有源用戶接口以及火警線的高數(shù)據(jù)速率目標(biāo)，這些系統(tǒng)看起來配合得很好，其數(shù)據(jù)功能很容易和局部環(huán)境接口。新穎線纜結(jié)構(gòu)的這種火警線形狀和其此類的應(yīng)用均為本說明書所包含。
制造方法實例該例子利用了圖7形狀的定位器，但是在該定位器中省略了為光纖所留的徑向定位器空間。本例所選擇的材料是PTFE。經(jīng)過組裝的芯的直徑是0.420英寸。它是通過上文所述的“生”擠壓、燒結(jié)和最終的煅燒過程而形成的。它經(jīng)預(yù)組裝，然后在惰性氣氛的受熱管道中成形，得到一個每英尺1.8圈的螺旋性扭曲。這些單管狀環(huán)形導(dǎo)線(UTAc)中心相隔0.200英寸，而正交的四芯線組居中于芯支柱的0.420英寸直徑中。
UTAc由0.0384英寸的OD管形材料制成，它由軸向可磁化到大于0.6特斯拉的高鎳鐵合金(含18-30％Ni)經(jīng)軟退火而形成。管的內(nèi)徑約為0.026英寸。該管以具有連續(xù)長度的經(jīng)成形、碾軋和熔合的材料的形式制造，得到的是內(nèi)表面光滑的“無縫”構(gòu)造。它經(jīng)鍍銅并電鍍拋光以達(dá)到一定的光滑、明亮的表面光潔度，其厚度為28微米。該表面然后加上被覆層，辦法是將包含如上所述的Ni-Zn鐵氧體粉末的尿烷瓷釉(urethane enamel)的磁基質(zhì)在經(jīng)過軸向磁化場的凝固之后擠壓成最終的額外的11-14微米定形厚度。這可以在電鍍制管之后以一個連續(xù)的操作來進(jìn)行。然后固化的組件在類似于用來將絕緣材料涂敷在磁線上的多階段浸漬和烘干處理過程中被涂以軟的尿烷瓷釉材料?？梢院鼙憷貙υ搶舆M(jìn)行色編號，以標(biāo)明制成后的線纜中四個UTAc的每一個。由此便結(jié)束了單管環(huán)形導(dǎo)線的成形過程，在這一階段導(dǎo)線應(yīng)當(dāng)存放在直徑最小為四英尺的卷軸上。
接下來的導(dǎo)線處理步驟是利用為計劃中的已完成線纜的游程長度(從例如4000英尺到可利用的最短長度，通常為400英尺)而選擇的適當(dāng)長度，來把所需要數(shù)目的光纖拉入選定的管中。這些光纖是單模的，以塑料包裹，并且進(jìn)行色編號以供鑒別。它們和超吸收性化合物一起沿一般平直的路徑被細(xì)的鋼絲導(dǎo)桿拽入管中，所述的超吸收性化合物起纖維拽拉操作的潤滑劑。根據(jù)應(yīng)用的不同，光纖可以僅插入一個UTAc中，也可以插入幾個UTAc中。建議的最小含光纖量是在兩個電信號對的每對中每UTAc一根光纖。
四個長度適當(dāng)選定的管接下來在PTFE定位器的一連續(xù)分離和再組裝過程中組裝起來。在該時刻，預(yù)先選定的芯線纜長度準(zhǔn)備按照上文在“屏蔽設(shè)計”一段概要說明的時間表進(jìn)行屏蔽層裝配。外覆蓋層應(yīng)當(dāng)采用EMI“對稱化”第一屏蔽層(對稱化器)和具有上文所述的阻性空間阻抗設(shè)計的第二(最外面的)屏蔽層(阻抗匹配外殼)。這些屏蔽步驟結(jié)束了線纜成品的組裝。完成后的線纜應(yīng)當(dāng)存放在最小四英寸直徑的卷軸上。
在線纜制造之后，端部的端接在不同的環(huán)境下進(jìn)行，其中線纜端部回切至適當(dāng)長度，以便根據(jù)光纖被一些支持性塑料緩沖管緩沖的合適服務(wù)長度來剪裁光纖。這些光纖可以保留在這一狀態(tài)下供未來使用或端接至所選的連接器。同時，管狀環(huán)形導(dǎo)線由收縮的套管接續(xù)器進(jìn)行電連接，以向源驅(qū)動器和接收器端接設(shè)備提供非常短的電連接。
本例中的線纜可以使用在Node系統(tǒng)中，其速率為STS-3或155兆比特/秒，或?qū)τ跀?shù)據(jù)傳輸而言為622兆比特/秒(STS-12)上文描述了本發(fā)明的一些實施例。然而應(yīng)當(dāng)理解的是，可以在不偏離本發(fā)明的精神和范疇的情況下作出各種修改。例如在同軸線纜中可以有利地采用對稱和阻抗匹配的外殼。這種外殼還可以采用在雙軸線纜(圖15)中，其中兩個同軸線纜1601和1603位于一個護(hù)套1609中。在這個實施例中提供了雙同心環(huán)形導(dǎo)線1605和1607。類似地，參看圖16，一些線纜制式比如Super VHS或Y/C采用的是兩個同軸線纜，這里回程不是同軸的。這一些可以類似地受益于阻抗匹配的外殼1707。當(dāng)然，任何一根線纜也可以進(jìn)一步受益于一個對稱層。
還應(yīng)當(dāng)注意的是，每根線纜(比如1701和1703)也可以是四芯線組線纜。三軸線纜也在本發(fā)明的考慮范圍之內(nèi)。
因此，其它的實施例都在下列權(quán)利要求書的范疇之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.減少電信號線纜對電磁干擾的敏感度的裝置，所述線纜具有中心軸和一定長度并占據(jù)一個空隙，并且包括a)具有基本上相等的長度在所述線纜內(nèi)沿縱向放置的至少兩根環(huán)形電導(dǎo)線；b)放置在所述線纜內(nèi)并沿著所述線纜的長度的主要部分延伸的定位器，所述定位器由基本上絕緣的材料形成，以便保持布置在其中的所述至少兩個電導(dǎo)線的位置；c)包含可透過電磁場材料的對稱化器，所述對稱化器基本圍繞所述定位器，所述材料用于攔截入射的外來電磁干擾能量，所述材料經(jīng)構(gòu)筑和安排在所述對稱化器內(nèi)有足夠的對稱性，由此滲透到所述線纜中的入射外來電磁干擾能量產(chǎn)生在所述中心軸周圍的基本對稱的分布場；由此，在以平衡方式端對端傳輸通過所述導(dǎo)線對的信號中出現(xiàn)的入射外來電磁干擾能量得到明顯的減少。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述線纜具有同軸線纜的結(jié)構(gòu)。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其特征在于，所述至少兩個電導(dǎo)線是同軸的。
4.如權(quán)利要求1所述的線纜，其特征在于，螺旋形扭曲具有每英尺在1圈和3圈之間的螺旋性。
5.如權(quán)利要求1所述的線纜，其特征在于，所述螺旋形扭曲具有每英尺大約2圈的螺旋性。
6.如權(quán)利要求1所述的線纜，其特征在于，所述定位器是基本上四重對稱的。
7.如權(quán)利要求6所述的線纜，其特征在于，所述定位器呈十字形。
8.如權(quán)利要求1所述的線纜，其特征在于，所述定位器是基本上圓對稱的。
9.如權(quán)利要求1所述的線纜，其特征在于，所述材料是基本上四重對稱的。
10.如權(quán)利要求1所述的線纜，其特征在于，所述材料基本上是圓對稱的。
11.如權(quán)利要求1所述的線纜，其特征在于，所述導(dǎo)線數(shù)是四。
12.如權(quán)利要求1所述的線纜，其特征在于，所述攔截輻射入射的外來電磁能量的材料具有由所述外表面呈現(xiàn)給入射的外來電磁干擾能量的電磁阻抗，該阻抗基本上是阻性的、其數(shù)值在大約50～500歐姆的范圍中。
13.如權(quán)利要求12所述的線纜，其特征在于，所述材料具有大約377歐姆的電磁阻抗值。
14.如權(quán)利要求1所述的線纜，其特征在于，所述攔截輻射入射的外來電磁能量的材料具有由所述外表面呈現(xiàn)給入射的外來電磁干擾能量的電磁阻抗，該阻抗的數(shù)值和該空隙未被所述信號線纜占據(jù)時的電磁阻抗相同。
15.如權(quán)利要求1所述的線纜，其特征在于，還包括在所述外殼內(nèi)的一個對稱化器，所述對稱化器包括一個外層和一個內(nèi)層，該外層用于使入射電磁干擾能量減少，而內(nèi)層則是為了使傳輸通過外層的入射電磁干擾能量所引起的場基本對稱。
16.如權(quán)利要求15所述的線纜，其特征在于，該外層包括傳導(dǎo)性材料。
17.如權(quán)利要求15所述的線纜，其特征在于，該內(nèi)層包括傳導(dǎo)性材料。
18.減少電信號線纜對電磁干擾的敏感度的裝置，所述線纜具有中心軸和一定長度并占據(jù)一個空隙，并且包括a)構(gòu)成具有基本上相等的長度且在所述線纜內(nèi)沿縱向放置的導(dǎo)線對的至少兩根電導(dǎo)線；b)放置在所述線纜內(nèi)并沿著所述線纜的長度的主要部分延伸的定位器，所述定位器由基本上絕緣的材料形成，以便保持布置在其中的所述至少兩個電導(dǎo)線的位置；c)包含可透過電磁場材料的對稱化器，所述對稱化器基本圍繞所述定位器，所述材料用于攔截入射的外來電磁干擾能量，所述材料經(jīng)構(gòu)筑和安排在所述對稱化器內(nèi)有足夠的對稱性，由此滲透到所述線纜中的入射外來電磁干擾能量產(chǎn)生在所述中心軸周圍的基本對稱的分布場；以及包含具有外表面的可透過電磁場材料的外殼，所述外殼基本圍繞所述定位器，所述材料用于攔截入射的外來電磁干擾能量，并且其由所述外表面呈現(xiàn)給入射的外來電磁干擾能量的電磁阻抗的數(shù)值基本上是阻性的并且具有和該空隙未被所述信號線纜占據(jù)時的電磁阻抗相同的大小；由此在以平衡方式端對端傳輸通過所述導(dǎo)線對的信號中出現(xiàn)的入射外來電磁干擾能量得到明顯的減少。
19.減少電信號線纜對電磁干擾的敏感度的裝置，所述線纜具有中心軸和一定長度并占據(jù)一個空隙，并且包括a)具有基本上相等的長度且在所述線纜內(nèi)沿縱向放置的至少兩根環(huán)形電導(dǎo)線；b)放置在所述線纜內(nèi)并沿著所述線纜的長度的主要部分延伸的定位器，所述定位器由基本上絕緣的材料形成，以便保持布置在其中的所述至少兩個電導(dǎo)線的位置；c)由可透過電磁場材料制成的阻抗匹配外殼，所述外殼基本圍繞所述定位器，所述材料用于攔截入射的外來電磁輻射干擾能量，并且所述材料由其外表面呈現(xiàn)給入射的外來電磁干擾能量的電磁阻抗的數(shù)值基本上是阻性的并且具有和該空隙未被所述信號線纜占據(jù)時的電磁阻抗相同的大小。
20.如權(quán)利要求19所述的線纜，其特征在于，所述定位器是基本上四重對稱的。
21.如權(quán)利要求19所述的線纜，其特征在于，所述定位器是基本上圓對稱的。
22.如權(quán)利要求19所述的線纜，其特征在于，所述定位器基本上由熱塑材料制成。
23.如權(quán)利要求19所述的線纜，其特征在于，所述攔截入射的外來電磁輻射能量的材料具有由其外表面呈現(xiàn)給入射的外來電磁干擾能量的電磁阻抗，該阻抗的數(shù)值基本上是阻性的、在大約100～500歐姆的范圍中。
24.如權(quán)利要求19所述的線纜，其特征在于，所述復(fù)合材料具有大約377歐姆的電磁阻抗值。
25.如權(quán)利要求19所述的線纜，其特征在于，還包含一個對稱化器，所述對稱化器包括一個外層和一個內(nèi)層，該外層用于使入射電磁干擾能量衰減，而內(nèi)層則是為了使通過外層傳輸進(jìn)來的入射電磁干擾能量所引起的場基本對稱。
26.如權(quán)利要求25所述的線纜，其特征在于，該外層包括傳導(dǎo)性材料。
27.如權(quán)利要求25所述的線纜，其特征在于，該內(nèi)層包括鐵氧體。
全文摘要
提供了一個線纜系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠包容電氣和光的線纜鋪設(shè)。系統(tǒng)的導(dǎo)線(71、73、75和79)采用和空隙阻抗匹配從而減少它們受電磁干擾的橫截面的層(79)。系統(tǒng)還采用了層(79)，該層將電磁干擾信號對稱化，從而降低干擾和串音對導(dǎo)線所攜帶信號的影響。系統(tǒng)還包括用以連接到全局電氣和光纖的網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點接口器件。節(jié)點接口器件經(jīng)線纜連接到用戶接口器件。
文檔編號H04B10/12GK1430229SQ02119979
公開日2003年7月16日 申請日期2002年5月15日 優(yōu)先權(quán)日1997年7月29日
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