DE69400777T2

DE69400777T2 - Kabel verwendbar auf dem Gebiet der Nachrichten

Info

Publication number: DE69400777T2
Application number: DE69400777T
Authority: DE
Inventors: Stanislas Galaj; Frederic Heliodore; Mehaute Alain Le; Lydie Robert
Original assignee: Alcatel Cable SA
Current assignee: Alcatel CIT SA
Priority date: 1993-05-10
Filing date: 1994-05-06
Publication date: 1997-02-27
Anticipated expiration: 2014-05-07
Also published as: EP0624885B1; FR2705161B1; FR2705161A1; ES2093495T3; EP0624885A1; US5530206A; DE69400777D1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Kabel, das insbesondere in der Fernmeldetechnik verwendbar ist, in der das Nutzsignal einen niedrigeren Energiepegel besitzt.
Die Kabel für die Verbindung zwischen den verschiedenen Systemen übertragen ein Nutzsignal, das ein Gleichstromoder Wechselstromsignal sein kann, aber sie übertragen auch elektromagnetische Störungen unterschiedlicher und immer höherer Frequenzen angesichts des zunehmenden Informationsdurchsatzes.
Der Schutz der elektronischen Systeme gegenüber elektromagnetischen Störungen auf den Verbindungen ist unbedingt notwendig geworden, um einen ordentlichen Betrieb in einem elektromagnetisch "verschmutzen" Umfeld zu gewährleisten und um Schäden zu vermeiden, da die elektronischen Bauelemente mit immer schwächeren Spannungspegeln arbeiten (siehe beispielsweise EP-A-0 190 939).
Die häufigste derzeit verwendete Lösung ist das Ausfiltern dieser Störungen mittels diskreter Elemente. Diese Elemente liegen am Eingang jedes zu schützenden Systems oder am Ausgang der Systeme, die Störungen erzeugen können. Diese Methode hat aber den Nachteil, die Kosten der Systeme zu erhöhen und den Raumbedarf zu vergrößern, und verhindert doch nicht, daß die Kabel als Antennen wirken.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine Verbindung vorzuschlagen, die aus sich selbst heraus die Eigenschaft besitzt, die elektromagnetischen Störungen zu absorbieren, welche durch die elektronischen Bauelemente oder die Verbindungen in den Fernmeldesystemen erzeugt werden.
Gegenstand der Erfindung ist ein Kabel, das im Bereich der Fernmeldetechnik verwendbar ist, eine koaxiale Struktur hat und aus einer Metallseele besteht, die von mindestens zwei Schichten umgeben ist, von denen eine dielektrisch ist, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Schicht, die zumindest über einen Teil der Länge des Kabels zwischen der Seele und der Schicht aus dielektrischem Material liegt, eine Schicht aus halbleitendem Verbundmaterial ist, das eine isolierende Matrix und ein nicht dotiertes leitendes Polymer mit konjugierten Bindungen enthält, wodurch das Kabel die intrinsische Eigenschaft bekommt, daß es die elektromagnetischen Störungen filtert, die über das Kabel im Frequenzbereich unterhalb von 1 GHz verlaufen.
Das Verbundmaterial hat die Eigenschaft, die elektromagnetischen Störungen, die von der Metallseele des Kabels übertragen werden, zu absorbieren. Diese Eigenschaft ist nicht-linear abhängig von der Frequenz der Störung. Die elektromagnetischen Störungen werden für bestimmte Frequenzwerte nicht gedämpft, die dem Durchlaßband der Schicht aus Verbundmaterial entsprechen.
Die Schicht aus Verbundmaterial befindet sich auf mindestens einem Teil der Länge des Kabels. Sie kann sich über die ganze Länge des Kabels oder nur über bestimmte Abschnitte erstrecken.
Das dielektrische Material und die Isoliermatrix der Schicht aus Verbundmaterial sind vorzugsweise von unterschiedlicher Art, um die Diffusion des Polymers in das dielektrische Material zu begrenzen.
Das nicht dotierte leitende Polymer wird unter den Elektronenleiterpolymeren, den Ionenleiterpolymeren, den zwitterionisch leitenden Polymeren und einem ferromagnetischen Polymer ausgewählt, beispielsweise einem Kopolymer von Anilin und Naphthalin.
Vorzugsweise wird das elektronisch leitende Polymer unter den Polymeren und Kopolymeren auf der Basis von Anilin, Thiophen, Pyrrol, Fullerol (kristallisierter nulldimensionaler Kohlenstoff), Phenylen-Vinylen, Phenylen-Sulfid, Isothionaphthene und ihren Derivaten ausgewählt.
Das leitende zwitterionische Polymer wird unter den Polymeren und Kopolymeren auf der Basis von Sulfobetain und dessen Derivaten ausgewählt.
Der Anteil an Polymer liegt oberhalb von 5 Vol.% des Verbundmaterials. Der optimale Gehalt an Polymer in der Matrix liegt in der Nähe der Perkolationsschwelle. Diese Schwelle hängt von der Art des verwendeten Polymers ab. In den meisten Fällen liegt sie oberhalb von 20%. Die Dämpfung der Störungen wird immer wirksamer, wenn der Polymeranteil bis zur Perkolationsschwelle ansteigt. Jenseits dieser Schwelle ist der Dämpfungsgewinn deutlich geringer.
Gemäß einer Variante enthält das Verbundmaterial außerdem einen leitenden Zusatzstoff, der ausgewählt wird unter einem dotierten oder eigendotierten Polymer, Kohlenstoffruß und einer Metallbeigabe. Der Volumenanteil des Zusatzstoffes liegt unter 10% des Verbundmaterials.
Die Dicke der Schicht aus Verbundmaterial liegt zwischen 0,1 und 2 mal der Dicke der Schicht des dielektrischen Materials. Unter diesem Wert bleibt die Absorption unzureichend und oberhalb dieses Werts bringt eine weitere Verdickung nichts mehr. Je größer das Verhältnis der Dicken ist, umso besser ist die Dämpfung.
Gemäß einer Ausführungsvariante ist die Metallseele des Kabels von mehreren Schichten aus Verbundmaterialien umgeben, deren Zusammensetzung und/oder Dicke unterschiedlich sind, wobei diese Schichten aus Verbundmaterial von mindestens einer Schicht eines dielektrischen Materials bedeckt sind.
Unabhängig kann jede der Schichten aus Verbundmaterial über die ganze Länge des Kabels oder nur über bestimmte Abschnitte verlaufen. Die Dicke jeder dieser Schichten kann über die Länge des Kabels gleichbleiben oder nicht.
Die elektromagnetischen Störungen werden in einem Frequenzbereich absorbiert, der von der Art des Polymers und der Dicke der Schicht aus Verbundmaterial abhängt. Durch Veränderung der Dicke kann man auf Relaxationsphänomene reagieren (Veränderung des linearen Widerstands und der linearen Kapazität der Schicht) und damit das Durchlaßband des filternden Kabels verschieben.
Die Absorptionsbedingungen jeder der Schichten aus Verbundmaterial werden durch ihre Dicke, ihre Art und den Anteil des in ihr enthaltenen Polymers definiert. Die Überlagerung mehrerer Schichten mit unterschiedlichen Merkmalen erlaubt ggf. die Einstellung des Durchlaßbands des Kabels.
Ein solches Kabel kann im Fernmeldewesen verwendet werden. Es hat besondere Vorteile in Anwendungen für geringe oder mittlere Spannungen (unterhalb 100 V), wo die Frequenz der übertragenen elektromagnetischen Störungen zwischen 100 kHz und 1 GHz variiert.
Die erfindungsgemäßen filternden Kabel besitzen außerdem folgende Vorteile im Hinblick auf die elektromagnetische Kompatibilität:
- sie verringern die Kopplung zwischen Kabeln, indem sie die Störspannungen absorbieren;
- sie besitzen ein besseres Verhalten hinsichtlich der Aussendung von abgestrahlten Störungen, da sie die Hochfrequenz-Störströme filtern.
Die Erfindung wird nun anhand von nicht beschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen und den beiliegenden zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt ein Beispiel der Struktur eines erfindungsgemäßen Kabels.
Figur 2 zeigt die Dämpfung der elektromagnetischen Störungen abhängig von der Frequenz für verschiedene Verbundmaterialien.
Figur 3 entspricht Figur 2 und betrifft andere Materialien.
Figur 4 entspricht Figur 2 und gilt für Materialien, die entdotiertes oder dotiertes Polythiophen enthalten.
In den Figuren 2 bis 4 ist die Dämpfung α in dB an der Ordinate und die Frequenz F in Hz an der Abszisse aufgetragen.
In Figur 1 ist ein Strukturbeispiel eines erfindungsgemäßen Kabels dargestellt: Eine Schicht 1 einer Dicke von 0,6 mm aus halbleitendem Verbundmaterial und eine Schicht 2 aus dielektrischem Material mit einer Dicke von 2 mm umgeben konzentrisch die zentrale metallische Seele 3 des Kabels mit einem Außendurchmesser von 1,38 mm. Der Masserückleiter der koaxialen Struktur wird durch ein Metallgeflecht 4 gebildet.
Die Schicht 1 aus Verbundmaterial ist nicht an Masse angeschlossen, wodurch ein Stromfluß der Störströme in dieser Schicht verhindert wird. Außerdem ist die Skindicke im betrachteten Frequenzbereich (Δ = 1,6 10&supmin;²m bei 200 MHz) deutlich größer als die Dicke der Schicht aus Verbundmaterial, was die Absorption von äußeren Störungen verringert. Daher ist aus der Sicht der Abschirmungswirksamkeit die Schicht aus Halbleiterverbundmaterial unwirksam.
Das Kabel wird durch Koextrusion hergestellt. Der Schutz des Kabels und der Zusammenhalt der Struktur werden durch eine wärmeschrumpfende Hülle 5 bewirkt.
Das dielektrische Material ist üblicherweise ein Polyäthylen geringer Dichte (LLDPE ATO5600 von ATOCHEM) ohne Peroxid. Dieses Material verhält sich im betrachteten Frequenzbereich (100 kHz bis 1 GHz) als vollkommenes Dielektrikum.

BEISPIEL 1

Man stellt ein Kabel der in Figur 1 gezeigten Art her, indem man als Verbundmaterial eine übliche Halbleiterschicht auf der Basis von Kohlenstoffruß verwendet. Das Material besteht aus einer isolierenden Matrix auf der Basis eines Äthylen- und Butylacrylat-Kopolymers (EBA) und einer Acetylenrußbeigabe mit einem Volumenanteil von 25%.
Die Messung der Dämpfung des Signals abhängig von der Frequenz ist in der Kurve 1 von Figur 2 aufgetragen. Bei einer Frequenz von 100 MHz ist die Dämpfung außerordentlich gering.

BEISPIEL 2

Man stellt ein erfindungsgemäßes Kabel mit einer Struktur analog der in Figur 1 gezeigten her. Das Verbundmaterial enthält eine isolierende Matrix, die ein Äthylen- und Vinylacetat-Kopolymer (EVA - "ELVAX 260") mit 26% Vinylacetat ist, was die Versiegelungskraft begünstigt, und eine Beigabe von entdotiertem Polythiophen mit einem Volumenanteil von 30%.
Die EVA-Matrix, die sich von dem dielektrischen Material unterscheidet, wurde gewählt, da sie einen hohen Zugabenanteil erlaubt und da die Extrusionstemperatur mit den in Betracht gezogenen Beigaben kompatibel ist.
Die Messung der Dämpfung des Signals abhängig von der Frequenz ist in der Kurve 2 von Figur 2 aufgetragen. Für ein Kabel von 3,7 m Länge beträgt die Dämpfung -3 dB bei 50 MHz und -5 dB bei 100 MHz.

BEISPIEL 3

Man stellt ein erfindungsgemäßes Kabel mit einer Struktur analog der in Figur 1 gezeigten her. Das Verbundmaterial, das dem aus Beispiel 2 analog ist, enthält eine isolierende Matrix EVA und eine Beigabe in Form von 30 Vol.% entdotierten Polyanilins.
Die Messung der Dämpfung des Signals abhängig von der Frequenz ist in der Kurve 3 von Figur 2 aufgetragen. Die Dämpfung beträgt -3 dB bei einer Frequenz von 30 MHz und -10 dB bei einer Frequenz von 100 MHz.

BEISPIEL 4

Man stellt ein erfindungsgemäßes Kabel mit einer Struktur analog der in Figur 1 gezeigten her. Das Verbundmaterial, das dem aus Beispiel 2 analog ist, enthält eine isolierende Matrix EVA und eine Beigabe in Form eines ferromagnetischen Kopolymers aus Anilin und Naphthalin mit einem Anteil von 30 Vol.%.
Die Messung der Dämpfung des Signals abhängig von der Frequenz ist in der Kurve 4 von Figur 2 aufgetragen. Die Dämpfung beträgt -3 dB bei einer Frequenz von 10 MHz.

BEISPIEL 5

Man stellt ein erfindungsgemäßes Kabel mit einer Struktur analog der in Figur 1 gezeigten her. Das Verbundmaterial, das dem aus Beispiel 2 analog ist, enthält eine isolierende Matrix EVA und eine Beigabe in Form von 20 Vol.% eines ionenleitenden undotierten Polymers. Dieses Polymer ergibt sich durch Mischen einer Lösung auf der Basis des alkalischen Kations K&spplus; und des Polyoxyäthylens (-CH&sub2;-CH&sub2;-O-)n. Das Polyoxyäthylen komplexiert das Ion K&spplus;, das die Leitfähigkeit des erhaltenen Polymers gewährleistet.
Die Messung der Dämpfung des Signals abhängig von der Frequenz ist in der Kurve 5 von Figur 3 aufgetragen. Die Dämpfung beträgt -3 dB bei einer Frequenz von 30 MHz.

BEISPIEL 6

Man stellt ein erfindungsgemäßes Kabel mit einer Struktur analog der in Figur 1 gezeigten her. Das Verbundmaterial, das dem aus Beispiel 2 analog ist, enthält eine isolierende Matrix EVA und eine Beigabe in Form eines entdotierten leitenden Polymers mit einem Anteil von 30 Vol.% und 5% Zwitterionen im molekularen Zustand.
Die Messung der Dämpfung des Signals abhängig von der Frequenz ist in der Kurve 6 von Figur 3 aufgetragen. Die Dämpfung beträgt -3 dB bei einer Frequenz von 20 MHz.

BEISPIEL 7

Man stellt ein erfindungsgemäßes Kabel mit einer Struktur analog der in Figur 1 gezeigten her. Das Verbundmaterial, das dem aus Beispiel 2 analog ist, enthält eine isolierende Matrix EVA und eine Beigabe von 30 Vol.% eines entdotierten leitenden Polymers sowie 10% PVDF.
Die Messung der Dämpfung des Signals abhängig von der Frequenz ist in der Kurve 7 von Figur 3 aufgetragen. Die Dämpfung beträgt -3 dB bei einer Frequenz von 7 MHz.

BEISPIEL 8

Man stellt ein erfindungsgemäßes Kabel mit einer Struktur analog der in Figur 1 gezeigten her. Das Verbundmaterial, das dem aus Beispiel 2 analog ist, enthält eine isolierende Matrix EVA und eine Beigabe von 25 Vol.% Fullerol.
Die gemessene Dämpfung des Signals gleicht der aus Beispiel 2 für Polythiophen (Kurve 2 in Figur 2).
Man könnte auch ein gepfropftes Fullerol verwenden, beispielsweise ein Bromphenylfulleroid, eine Stickstoffverbindung der Fullerole, die Kopolymere der Fullerole (insbesondere das Xylylol) und Metallo-Fullerole.

BEISPIEL 9

Man stellt ein erfindungsgemäßes Kabel mit einer Struktur analog der in Figur 1 gezeigten her. Das Verbundmaterial, das dem aus Beispiel 2 analog ist, enthält eine isolierende Matrix EVA und eine Beigabe von 30 Vol.% entdotierten Polythiophens und 5% dotierten Polythiophens.
Die Dämpfung des Signals abhängig von der Frequenz ist in Figur 4 durch die Kurve 8 dargestellt. Die Dämpfung beträgt -3 dB bei einer Frequenz von 50 MHz.

BEISPIEL 10

Man stellt ein erfindungsgemäßes Kabel mit einer Struktur analog der in Figur 1 gezeigten her. Das Verbundmaterial, das dem aus Beispiel 2 analog ist, enthält eine isolierende Matrix EVA und eine Beigabe von 30 Vol.% entdotierten Polythiophens und 10% dotierten Polythiophens.
Die Dämpfung des Signals abhängig von der Frequenz ist in Figur 4 durch die Kurve 9 dargestellt. Die Dämpfung beträgt -3 dB bei einer Frequenz von 40 MHz.
Das Kabel kann außen eine oder mehrere zusätzliche Schichten aufweisen, wie z.B, eine elektromagnetische Abschirmungsschicht, eine Schicht aus gefärbtem Material zur Identifizierung, eine feuerabweisende Schicht usw.

Claims

1. Kabel für das Fernmeldewesen mit koaxialer Struktur und einer Metallseele, die von mindestens zwei Schichten umgeben ist, von denen eine dielektrisch ist, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Schicht, die zumindest über einen Teil der Länge des Kabels zwischen der Seele und der Schicht aus dielektrischem Material liegt, eine Schicht aus halbleitendem Verbundmaterial ist, das eine isolierende Matrix und ein nicht dotiertes leitendes Polymer mit konjugierten Bindungen enthält, wodurch das Kabel die intrinsische Eigenschaft bekommt, daß es die elektromagnetischen Störungen filtert, die über das Kabel im Frequenzbereich unterhalb von 1 GHz verlaufen.

2. Kabel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Polymer unter den Elektronenleiterpolymeren, den Ionenleiterpolymeren, den zwitterionisch leitenden Polymeren und einem ferromagnetischen Polymer ausgewählt wird.

3. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das elektronisch leitende Polymer unter den Polymeren und Kopolymeren auf der Basis von Anilin, Thiophen, Pyrrol, Fullerol, Phenylen-Vinylen, Phenylen-Sulfid, Isothionaphthene und ihren Derivaten ausgewählt wird.

4. Kabel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das leitende zwitterionische Polymer unter den Polymeren und Kopolymeren auf der Basis von Sulfobetain und dessen Derivaten ausgewählt wird.

5. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anteil an Polymer oberhalb von 5 Vol.% des Verbundmaterials liegt.

6. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbundmaterial außerdem einen leitenden Zusatzstoff enthält, der ausgewählt wird unter einem dotierten oder eigendotierten leitenden Polymer, Kohlenstoffruß und einer Metallbeigabe, wobei der Anteil dieses Zusatzstoffes unter 10% des Verbundmaterials liegt.

7. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der Schicht aus Verbundmaterial zwischen 0,1 und 2 mal der Dicke der Schicht des dielektrischen Materials liegt.

8. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Seele von mehreren Schichten aus Verbundmaterialien umgeben ist, deren Zusammensetzung und/oder Dicke unterschiedlich sind, wobei diese Schichten aus Verbundmaterial von mindestens einer Schicht eines dielektrischen Materials bedeckt sind.

9. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Störungen in einem Frequenzbereich absorbiert werden, der von der Art des Polymers abhängt.

10. Kabel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetischen Störungen in einem Frequenzbereich absorbiert werden, der von der Dicke der Schicht aus Verbundmaterial abhängt.

11. Anwendung eines Kabels nach einem der vorhergehenden Ansprüche in der Fernmeldetechnik.