Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "FIO PARA USO EM UM CABO DA LAN".
Esse pedido reivindica a prioridade do Pedido Provisório co-pendente U.S. No. Serial 60/137.132 intitulado "Tuned Patch Cable" e arqui-vado em 28 de Maio de 1999. Esse pedido também está relacionado com oPedido U.S. co-pendente No. Serial 09/322.857 intitulado "Optimizing LANCable Performance" arquivado em 28 de Maio de 1999; Pedido ProvisórioU.S. co-pendente No. Serial 60/136.674 intitulado "Low Delay Skew Multi-Pair Cable And Method Of Manufacture" arquivado em 28 de Maio de 1999 ePedido U.S. co-pendente No. Serial 09/ intitulado "Low Delay SkewMulti-Pair Cable And Method For Making The Same" arquivado em 25 deMaio de 2000, cujas descrições são todas incorporadas aqui por referência.
Campo da Invenção
A presente invenção refere-se a cabos trançados, e mais parti-cularmente, a cabos de ligações trançados com par torcido para aplicaçõesde LAN de alta velocidade.
Fundamentos da Invenção
Redes de área local (LAN's) agora conectam um amplo númerode computadores pessoais, estações de trabalho, impressoras e servidoresde arquivo no escritório moderno. Um sistema de LAN é tipicamente imple-mentado fisicamente conectando-se todos esses dispositivos com cabos daLAN de par com fio torcido ("par torcido") com condutor de cobre, o maiscomum sendo um cabo da LAN do tipo de par torcido não blindado ("UTP").Um cabo da LAN UTP convencional inclui quatro pares torcidos, isto é, 8fios. Cada um dos quatro pares torcidos funciona como uma linha de trans-missão para transportar um sinal de dados através do cabo da LAN. Cadaextremidade do cabo da LAN geralmente termina em um conector do tipomodular com designações de pino do tipo "RJ-45", de acordo com o padrãointernacional IEC 603-7. Os conectores RJ-45 modulares podem ser na for-ma de plugues ou jaques, e um plugue e jaque conjugados é consideradouma conexão.
Em uma instalação típica, os cabos da LAN UTP são encami-nhados através de paredes, pisos e tetos de uma construção. Os sistemasde cabo da LAN exigem cuidado constante, incluindo manutenção, atualiza-ção e resolução de problemas. Em particular, cabos da LAN e conectoressão submetidos ao rompimento ou desconexão não intencional. Além disso,porque os escritórios e equipamentos devem ser movidos, ou porque novoequipamento pode ser adicionado em uma LAN existente, o cabo UTP é fre-qüentemente manipulado e ajustado. De modo a minimizar a interrupção deum sistema da LAN, dois tipos de conexão são usados. O primeiro tipo deconexão é relativamente rígido, e é instalado em uma configuração substan-cialmente permanente ou fixa. A conexão rígida é usada para conexões ho-rizontais através de paredes, ou entre pisos e áreas de trabalho. Para o se-gundo tipo de conexão, um comprimento relativamente curto de cabo daLAN, chamado pega, é usado. A pega inclui um conector montado em cadaextremidade, e é usada para a interconexão entre a conexão fixa de umaconstrução e o equipamento móvel em cada extremidade do sistema decabo da LAN. As pegas são tipicamente fabricadas e vendidas em compri-mentos predeterminados, por exemplo dois metros, com os plugues modula-res RJ-45 instalados em cada um do cabo flexível.
As pegas são um elemento essencial de um sistema de LAN,tipicamente conectando equipamento móvel com base na LAN em um mó-dulo fixo. Assim, quando o equipamento é instalado, as pegas são usadaspara produzir a interconexão final entre o equipamento e o resto da LAN.Para facilitar a fácil interconexão entre a conexão fixa associada com ummódulo fixo e o equipamento móvel baseado na LAN, a pega é relativamenteflexível. Especificamente, os fios individuais de uma pega são tipicamenteformados de fios condutores de metal trançados, que são mais flexíveis doque os fios com núcleo sólido.
As pegas significativamente causam impacto na qualidade geralda transmissão da LAN. Mesmo embora o cabo e plugues que compõem apega estejam, eles próprios, em conformidade com padrões apropriados, apega montada, quando usada como parte de um canal do usuário, pode fa-zer com que a configuração do canal do usuário fique fora de conformidadecom padrões aceitos. Além disso, as pegas são freqüentemente submetidasa abuso físico nas áreas de trabalho do usuário já que a pega é movida oumanipulada pelo instalador ou o usuário do sistema. Quando a pega é movi-da ou manipulada, os filamentos dentro de um fio podem se separar Iigeira-mente, afetando as propriedades elétricas do fio. Em particular, a separaçãodos filamentos pode resultar em maior atenuação de um sinal de dados evariações de impedância ao longo do comprimento da pega.
Para limitar a separação dos filamentos individuais dentro de umfio durante o uso, é conhecido aplicar uma solução de estanho na superfíciedos fios de cobre trançados para vedar ou unir os filamentos individuais emfilamentos de cobre adjacentes. Entretanto, o estanho é um condutor fraco, epode adversamente afetar as propriedades elétricas do fio, e a construçãodos condutores de cobre estanhados exige uma etapa de fabricação extra edifícil.
Sumário da Invenção
A presente invenção é direcionada a um método de formação defio flexível para comunicações para uso em Redes de Área Local (LAN's). Ométodo da invenção compreende formar um condutor de metal de uma plu-ralidade de filamentos individuais de metal, e submeter o condutor de metala compactação e calor para ligeiramente aderir os filamentos.
Os fios formados de acordo com a presente invenção são maisrobustos do que os fios convencionais de condutor trançado, enquantomantendo flexibilidade significativa. Na realidade, um fio formado de acordocom o método da invenção mantém mais flexibilidade do que um fio tendoligações de estanho entre os filamentos individuais. Além disso, porque osfilamentos são compactados, o diâmetro externo do fio é reduzido, o quetambém reduz os efeitos de atenuação ao longo do comprimento do fio. Si-gnificativamente, as etapas de compactação e aquecimento podem ser apli-cadas simultaneamente, diminuindo o tempo de fabricação e a complexidade.Breve Descrição dos Desenhos
As características e aspectos da invenção da presente invençãose tornarão mais evidentes com a leitura da descrição detalhada seguinte,reivindicações e desenhos, dos quais o seguinte é uma descrição breve:
A Figura 1 é uma vista em perspectiva de um cabo da LAN UTP.
A Figura 2 é uma vista transversal de um condutor padrão desete filamentos da técnica anterior.
A Figura 3 é uma vista transversal do condutor da Figura 2 de-pois da aplicação do presente método da invenção.
A Figura 4 é uma vista transversal de um condutor padrão dedezenove filamentos da técnica anterior.
A Figura 5 é uma vista transversal do condutor da Figura 4 de-pois da aplicação do presente método da invenção.
A Figura 6 é uma vista transversal de uma segunda modalidadede um condutor formado de acordo com a presente invenção.
A Figura 7 é uma vista transversal de uma terceira modalidadede um condutor formado de acordo com a presente invenção.
Descrição Detalhada das Modalidades Preferidas
Um cabo de ligações da LAN com par torcido inclui pelo menosum par de condutores isolados torcidos ao redor um do outro para formar umgrupo de dois condutores. Quando mais do que um grupo de par torcido éagrupado ou cabeado junto, como mostrado na Figura 1, ele é chamadocomo um cabo de múltiplos pares 10. Em uma configuração típica, o cabo demúltiplos pares 10 inclui quatro condutores com par torcido 12. Cada partorcido 12 inclui um par de fios 14. Cada fio 14 adicionalmente inclui umcondutor central respectivo 16. Por razões tanto econômica quanto baseadano uso relacionadas com a flexibilidade, o condutor central 16 tipicamente éformado de uma pluralidade de filamentos de metal. Uma camada corres-pondente 18 de material dielétrico ou isolante também circunda cada con-dutor central 16. O diâmetro D do condutor central 16, expresso em tamanhoAWG, é tipicamente entre aproximadamente 18 a aproximadamente 40AWG, enquanto a espessura do isolamento T é tipicamente expressa empolegadas (ou outras unidades adequadas). O material isolante ou díelétricopode ser qualquer material dielétrico comercialmente disponível, tais comocloreto de polivinila, polietileno, polipropileno ou fluoro-copolímeros (comoTeflon®) e poliolefina. O isolamento pode ser resistente ao fogo quando ne-cessário. Os pares torcidos 12 são adicionalmente circundados por um re-vestimento de cabo protetor, porém flexível 19 com características físicastípicas bem conhecidas para esses versados na técnica.
Mais tipicamente, a conexão da LAN consiste em 4 pares indivi-dualmente torcidos, embora a conexão possa incluir mais ou menos parescomo desejado. Por exemplo, a conexão de algumas LAN é freqüentementeconstruída com 9 ou 25 pares torcidos. Os pares torcidos podem opcional-mente ser envolvidos em blindagem de lâmina (não mostrada), mas a tec-nologia do par torcido é tal que mais freqüentemente a blindagem é omitida.
Como resultado, o cabo da LAN é chamado como uma conexão de "par tor-cido não blindado", ou UTP.
As configurações comuns da técnica anterior dos condutorestrançados de fios individuais são mostradas nas Figuras 2 e 4. Na Figura 2,um condutor trançado 14 é formado de sete filamentos individuais 20 demetal. Na configuração mais comum, um único filamento 22 é circundadopor seis filamentos 24, formando uma seção transversal simétrica. Na Figura4, dezenove filamentos individuais 20 são enrolados para formar um condu-tor trançado 26. Na configuração mostrada na Figura 4, um único filamento22 é circundado por seis filamentos 24, que são então circundados por dozefilamentos 28. Assim, em ambas a Figura 2 e a Figura 4, uma primeira ca-mada, compreendida de um único filamento, é circundada por uma segundacamada, compreendida de seis filamentos individuais. Na Figura 4, uma ter-ceira camada, compreendida de doze filamentos individuais, circunda as du-as primeiras camadas.
Os condutores de sete e dezenove filamentos representam ageometria mais eficiente de um condutor trançado. Entretanto, mesmo nes-sas configurações, a formação de um fio fora dos múltiplos filamentos indivi-duais deixa espaços intersticiais 30 entre filamentos adjacentes 20 e suascamadas definidas, bem como vãos circunferenciais 32 ao longo da superfí-cie externa do condutor central 16. Pelo fato das superfícies externas 34 dosfilamentos individuais 20 interagirem com filamentos adjacentes, o diâmetroexterno mínimo D é limitado. Além disso, como pode ser verificado, quandoum condutor central de múltiplos filamentos 16 é flexionado ou movido, osespaços intersticiais 30 e vãos circunferenciais 32 também flexionam e mo-vem, e a flexão causa a interação física dinâmica indesejável entre os fila-mentos 20 (por exemplo, atrito), dessa maneira adversamente afetando aspropriedades elétricas do fio. Quando as propriedades elétricas mudamdentro do fio, o sinal pode ser perdido durante a transmissão. Também, aflexão extensiva pode resultar na degradação física permanente para o fio eo efeito adverso acompanhante para suas propriedades elétricas.
A perda do sinal é chamada "atenuação", que define a quantida-de de sinal perdido quando um sinal propaga-se para baixo em um fio. Aatenuação é medida em decibéis (dB). Quando o fio trançado flexiona, aatenuação aumenta devido ao movimento dissimilar dos filamentos individu-ais. Adicionalmente, a "impedância" representa a melhor "trajetória" para atransmissão do sinal. A impedância é afetada pelo espaçamento entre fila-mentos condutores adjacentes. Portanto, se um cabo flexiona e os filamen-tos condutores individuais ficam separados, a impedância pode aumentar,tanto em uma localização específica quanto como proporcional ao longo docomprimento do condutor. Em particular, se um sinal atravessando um fioencontra um aumento local na impedância, parte do sinal pode ser refletidoao invés de transmitido devido a uma má combinação da impedância. Comoaplicado aos condutores centrais trançados, se os filamentos seletivamenteseparam e contatam, ou se os espaços intersticiais e vãos circunferenciaisseletivamente se movem e mudam tanto na forma quanto seu relativo, entãoambas a impedância local e a impedância proporcional ao longo de todo ofio são dinamicamente e indesejavelmente modificadas.
Finalmente, pelo menos ao longo da circunferência externa doscondutores centrais 14 e 26 (Figuras 2 e 4), uma porção da camada dielétri-ca 18 (Figura 1) pode fluir para dentro e encher os vãos 32 quando ela éaplicada. Como resultado, a retirada da camada dielctrica do condutor cen -tral pode ser difícil.
É conhecido aplicar uma camada fina de estanho na circunfe-rência externa de cada filamento individual 20, de modo que as camadas deestanho em condutores trançados adjacentes se sobrepõem para formaruma vedação de estanho entre filamentos adjacentes. Dessa maneira, omovimento lateral dos filamentos em relação um ao outro é minimizado. En-tretanto, o estanho concede características elétricas e físicas indesejáveispara o condutor. Significativamente, a aplicação de uma camada de estanhoem cada filamento 20 não elimina os espaços intersticiais ou vãos circunfe-renciais entre filamentos individuais, e na realidade, pode aumentar o tama-nho de cada espaço ou vão, dependendo da espessura da camada de esta-nho.
De acordo com a presente invenção, ao invés de aplicar umacamada de estanho em cada filamento, os condutores centrais são formadosde múltiplos filamentos de metal condutor, e são então compactados eaquecidos para unir os filamentos individuais. Como observado na Figura 3,um condutor central 40 é mostrado depois da aplicação do método da inven-ção em um condutor central de sete trançados da técnica anterior (tal comomostrado na FIG. 2). Um único filamento 42 forma uma primeira camada eseis filamentos adicionais 44 formam uma segunda camada. A primeira ca-mada 42 retém uma forma transversal essencialmente circular depois dacompactação, mas a etapa de aquecimento permite que a primeira camadaseja unida ao longo de sua circunferência externa 46 na segunda camada.
Os seis fios da segunda camada formam um modelo essencial-mente simétrico ao redor da primeira camada. Em particular, cada filamento44 é deformado sob compactação em uma forma geralmente trapezoidal.Um primeiro lado arqueado 48 forma uma porção da interface entre as pri-meira e segunda camadas ao longo da circunferência externa da primeiracamada 46, enquanto um segundo lado arqueado 50 forma uma porção dasuperfície circunferencial externa 52 do condutor central 40. Dois lados seestendendo radialmente 54,56 interconectam o primeiro lado arqueado 48 eo segundo lado arqueado 50 de filamentos adjacentes 44. Como pode serclaramente observado na Figura 3, o espaço intersticial e os vãos circunfe-renciais são essencialmente eliminados entre os filamentos. Como resultado,o diâmetro externo D' do condutor central 40 na Figura 3 é menor do que odiâmetro externo mínimo D do condutor não compactado 14 da Figura 2.
Adicionalmente, quando o calor é aplicado, uma camada fina de metal nacircunferência externa de cada filamento derrete e mistura com uma camadasimilar nos filamentos adjacentes, formando ligações ao longo do primeirolado arqueado 48 e ao longo dos lados se estendendo radialmente 54,56.
Além disso, porque os vãos circunferenciais são eliminados, a superfícieexterna, formada dos segundos lados arqueados 50, é lisa, possibilitandoque um usuário facilmente retire o isolamento do condutor.
A compactação aplicada nos filamentos individuais é preferivel-mente suficiente para compactar o fio trançado, de modo que o novo diâme-tro D' fica entre cinqüenta e noventa porcento (50-90%) do diâmetro mínimooriginal D. A compactação e o calor podem ser aplicados quando os fila-mentos individuais são colocados juntos em uma única etapa de fabricação,dessa maneira reduzindo o tempo de fabricação e complexidade, especial-mente sobre métodos que aplicam primeiro uma camada de estanho na su-perfície externa dos filamentos individuais. Deve também ser observado quepara essas aplicações que não exigem compactação ou um condutor centralde diâmetro reduzido, o calor somente pode ser aplicado aos filamentos paraformar uma ligação entre filamentos adjacentes, como mostrado na Figura 6.
As ligações 60 são formadas entre os filamentos adjacentes 20, causadospela fusão e mistura de uma camada pequena ao longo da circunferênciaexterna dos filamentos adjacentes. A combinação do calor e compactaçãopode portanto ser variada para atingir a ligação desejada entre os filamentose um dado diâmetro reduzido D'.
Para aplicações que exigem um condutor central ligeiramentemaior, qualquer número de filamentos adicionais 20 pode ser adicionadopara atingir o diâmetro desejado D'. Por exemplo, na Figura 5, os dezenovefilamentos individuais do condutor central da técnica anterior mostrado naFigura 4 foram compactados e aquecidos para formar um ccndutor centralde três camadas. Como discutido acima com referência à Figura 3, o con-dutor central 70 mantém uma forma transversal geralmente circular, en-quanto os filamentos de ambas a primeira camada 72 e a segunda camada74 são deformados sob compactação em formas trapezoidais geralmentesimétricas que proporcionam uma interface geralmente lisa entre cada ca-mada. Depois, quando aquecido, as ligações são formadas entre superfíciesadjacentes como discutido acima, devido à fusão e mistura de uma pequenacamada de cada filamento ao longo das superfícies externas adjacentes.
De preferência, a compactação e calor aplicados em um condu-tor central 14 são suficientes tal que quando um fio isolado incluindo o con-dutor central 14 é curvado ao redor de um mandril de 10,16 cm (quatro pole-gadas (4")) entre duas a dez vezes (2-1 Οχ) o diâmetro do condutor isolado(isto é, D'+2T), os filamentos que formam o condutor central 14 permanecemdentro de zero a dez porcento (0-10%) de sua orientação original de fila-mento para filamento. Em uma configuração preferida, cada fio é especifi-camente projetado para permitir atenuação em 100 MHz não maior do quedecibéis por 100 metros com um diâmetro de condutor isolado máximo(D'+2T) de 0,10033 cm (0,0395 polegadas).
Para formar um par de condutor torcido 12 (Figura 1), dois con-dutores centrais isolados fabricados como descrito acima são torcidos comum comprimento trançado predeterminado. Em uma configuração preferidado par de condutor torcido, a diferença da capacitância entre os dois condu-tores isolados compreendendo o par torcido, medida separadamente, nãovaria mais do que 0,1 pico farads (0,1 pF) por 100 metros. Além disso, odesvio do diâmetro externo de condutor para condutor deve ficar na faixa de+/- 0,0127 cm (0,005 polegadas), e a capacitância na variação de 1 KHz en-tre condutores únicos isolados de um par não deve variar mais do que .1pico farads (pF) por 100 metros. Finalmente, a capacitância mútua em 1 KHzentre os elementos do par torcido não deve variar mais do que 0,5 pF por100 metros em um cabo de múltiplos pares.
Um cabo 10 formado de acordo com a presente invenção teráentão uma impedância que não variará mais do que +/- 2 ohms, comparadacom uma leitura inicial antes do teste, para uma impedância média que ficaem uma faixa de aproximadamente 1 MHz a 100 MHz, mesmo depois de serflexionado ao redor de um mandril tendo um diâmetro entre aproximada-mente duas a dez (2-10) vezes o diâmetro externo do cabo. Mais preferivel-mente, o cabo 10 pode ser flexionado ao redor do mesmo mandril repetida-mente e ainda ter uma variância da impedância não maior do que +/- 3ohms, comparada com uma leitura inicial antes do teste, para a mesma faixade impedâncias médias. Em uma modalidade mais preferida, o cabo 10pode ser submetido a flexão até vinte (20) vezes ao redor do mesmo mandrile ainda manter uma variância de impedância não maior do que +/- 3 ohms.
Uma modalidade final da presente invenção é mostrada na Figu-ra 7 que evita o uso do estanho para manter os filamentos individuais no lu-gar. Ao invés disso, pelo menos uma camada de revestimento dielétrico fle-xível 80 é unida nos filamentos para firmemente manter cada filamento nolugar. Em uma modalidade preferida, mostrada na Figura 7, um condutor decobre nu ou cobre revestido 82 inclui sete filamentos individuais 20. Emborao condutor seja mostrado na Figura 7 sem os filamentos individuais 20 uni-dos e compactados, deve ser entendido que a descrição seguinte é aplicávela um condutor compactado e unido tal como esse mostrado na Figura 3. Ocondutor 82, feito de sete filamentos 20, é primeiro revestido com uma ca-mada interna 84 e uma camada externa 86 de material dielétrico isolante. Orevestimento interno 84 é preferível mente um material que, quando em umaforma derretida durante a extrusão, exibe uma viscosidade relativamentebaixa para fluir mais prontamente e encher os espaços intersticiais 30 e vãos32 dos filamentos unidos para formar uma ligação firme, de alta resistêncianos filamentos 20 e ao redor do condutor 82. Como resultado, a remoção dacamada interna 84 exige uma força de retirada relativamente alta. Depois daaplicação, a camada interna 84 age para manter os filamentos 20 firme-mente juntos para evitar a separação dos filamentos devido a flexão do fiodurante o uso normal do cabo acabado. Mais preferivelmente, a camada di-elétrica interna 84 é extrudada para uma espessura aproximada de 0,003"de espessura máxima de parede, que é espessa o suíic;erte para unir osfilamentos enquanto permitindo flexibilidade suficiente do fio durante o uso.
Depois da aplicação da camada interna 84, a segunda camadaexterna 86 é então aplicada em uma tal maneira que forma uma ligação físi-ca com a camada interna 84 depois da extrusão. A camada externa 86 éaplicada em uma espessura predeterminada, de modo que o fio quando co-locado em par, revestido e opcionalmente blindado exibe uma impedânciamédia desejada, tipicamente 100 Ohms. Adicionalmente, a camada externa86 é formada de um material de uma dureza desejada que evita a deforma-ção durante a união com um fio de fabricação semelhante quando até 1500gramas de tensão é aplicada em cada fio (tal como quando formando parestorcidos). Em particular, as duas camadas 84,86 são escolhidas para exibiruma constante dielétrica efetiva ao redor do condutor de 2,6 ou menos.
De preferência, a camada interna é formada de um material depoliolefina de baixa densidade linear ou um material de poliolefina de densi-dade média. A camada externa pode ser formada de uma poliolefina de altadensidade, incluindo Etilenopropileno Fluorado (FEP)1 Clorotrifluoretileno deEtileno (ECTFE) ou tetrafluoretileno (TFE)/perfluorometilviniléter (MFA). Adi-cionalmente, qualquer uma ou ambas as primeira e segunda camadas po-dem ser misturadas com um pacote retardador de chama tal que a camadaisolada dupla exibe um índice de oxigênio limitado (LOI) de 28% ou maior.
Embora os fios formados usando a presente invenção usemmúltiplos filamentos individuais para formar o condutor central, os filamentossão unidos suficientemente para evitar a separação ou vãos entre filamentosindividuais. Como resultado, as propriedades elétricas dos condutores tran-çados são estabilizadas para imitar essas de um condutor rígido emboraainda permitindo a capacidade necessária do fio flexionar ou mover paraproduzir a interconexão entre o módulo fixo e o componente baseado naLAN. Porém, pelo fato de que nenhum estanho é usado para unir os fila-mentos, o fio formado de acordo com a presente invenção é na realidademais flexível do que um condutor estanhado, e as ligações entre os filamen-tos são menos prováveis de romper a despeito da manipulação significativado fio, quando o fio é usado. Além disso, o diâmetro externo mínimo do fioformado de acordo com o método da invenção é também reduzido. A des-peito do diâmetro menor, entretanto, cada fio sofre menos atenuação do si-nal de dados transmitido dessa forma quando comparado com a técnica an-terior. Além disso, se desejado, mais filamentos de um fio podem ser usadosem um espaço definido para adicionalmente melhorar o desempenho do fiosobre fios preexistentes. Alternativamente, mais fios podem ser adaptadosdentro de um revestimento preexistente dimensionado. No caso de condi-ções ambientais especiais (por exemplo, camadas à prova de fogo), a ca-mada isolante pode ser aumentada sem aumentar o tamanho do revestimento.
Modalidades preferidas da presente invenção foram descritas.
Uma pessoa de conhecimento comum na técnica verificará, entretanto, quecertas modificações e formas alternativas surgirão dentro dos ensinamentosdessa invenção. Por exemplo, os diâmetros dos condutores individuais e suacamada isolante podem ser ajustados quando necessário. Portanto, as rei-vindicações seguintes devem ser estudadas para determinar o verdadeiroescopo e conteúdo da invenção.