专利名称：补偿导电线路的制作方法
技术领域：
本发明设计一种导电线路，适用于传输电流(例如交流电(AC)或直流电(DC))，脉 冲或通讯信号(例如声音或数据传输信号)。更具体而言，本发明设计一种构成补偿导电线 路的特殊电线，能够减少由导线中的趋肤效应导致脉冲和交流信号的信号失真。
背景技术：
通过电线和电缆传输交流信号中所涉及的现象是本发明的关键因素，下面进行简 要的说明。从电磁理论中可以知道在一个带无限导率的理想导线中，电流传导至导线表面， 而导线内的电磁场基本为零。因为现实世界的任何导线都不理想，带有限导率，所以围绕导 线的外部电磁(EM)场的一部分通过其表面传导至导线，在传导过程中以指数方式衰减，并 将其能量转化为热能。渗透导线的电磁场的这一部分(以下称为“失磁”)感应导线中的电 流(以下称为“损耗电流”)，导线内这种“损耗电流”的密度与“失磁”强度成正比，在靠近 导线表面时最大，朝导线内部衰减。这种现象通常称为“趋肤效应”。“失磁”波被导线内部 的系数Ι/e削减的深度称为“趋肤深度”。“失磁”的传播速度和“趋肤深度”取决于电磁波 的频率和导线的电磁特性，是麦克斯韦方程的直接结果。信号频率越高，趋肤深度和波传播 速度就越低。导线内电磁波的传播速度比绝缘体或真空中要低得多。假如我们长时间对导线应用正弦电压信号，这样围绕导线的外部电磁场和导线内 部的“失磁”达到“稳定状态”。在这种情况中，在导线的负载端没有信号形状失真。现在假设应用的信号突然取消，在周围绝缘体中的外部电磁场也迅速取消，因为 其传播速度很高。由于传播速度低得多，因此导线内部的“失磁”在信号取消后衰减一段时 间，“失磁”感应的“损耗电流”也是如此，所以代表某些“能量储存”或导线“记忆”。另外， “失磁”和“损耗电流”的电磁波在导线内经历相移。可轻易显示在趋肤深度的“失磁”波的 相位改变了1弧度——这是一个不容忽视的数字。因此，应用信号的一小部分(外部电磁 波)和感应的电流“被记忆”并在导线内部衰减。根据试验和测量，这种导线“记忆”具有 电容性。这种“记忆”在信号传输线中产生一种信号形状和相位失真。尽管失真程度很小， 尤其是在低频率时很小，但对较高的频率和复杂的多频率或脉冲信号而言，或要求很高的 信号传输精度时，例如在高速数据传输线、医疗系统、高品质音频/视频系统等中，则具有 重大意义。已知技术试图降低电线中的趋肤效应，以便维持信号完整性、最低的电损耗和失 真。现有技术具体包括表面积增加的几何形状导线，包括带排列好的实心和金属丝导线的 电缆，各层导率不同的多层导线，刺激电流通过导率更高的层，为类似目的在导线中使用顺 磁材料等等。其它现有技术方法包括定时抗偏移方法，包括用于记录和存储偏移信息的储 存，和用于产生和使用纠正的调节。这些方法用于控制趋肤效应本身或趋肤效应的结果。这 些方法的问题在于因为“损耗电流”对信号频率的复杂依赖性、导线几何、线路特性阻抗、信 号源和负载阻抗，所以很难有效统一控制宽频率范围中的趋肤效应。
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2002年11月沈日颁布给Disch的6，486，750号美国专利公布了一种电信号相位 补偿器，有至少两根导线和一根接地线。2002年11月5日颁布给Otsuka等人的6. 476，330 号美国专利公布了一种布线衬底，拥有一种适用于传输高频率的信号布线。上述专利均没 有使用本文中将描述的无端接补偿导线。众所周知在信号传输线技术中，在无端接导线中，导线的开(非连接/无端接) 端全反射出电磁波。因此形成一种驻波，使用同样的符号反射电场波(电压)，使用颠倒符 号反射磁场波(电流)。尽管由于符号颠倒，在无端接导线中的电流在其开端有效取消，但 从开端的一段距离中其仍然存在，作为直接电流与反射电流之间的差异。无端接导线中从 其开端的电流值取决于电磁波的强度和频率以及从导线开端开始的距离，并与sin(·、/ lambda)成正比，其中ζ是从导线开端开始的距离，lambda是波长。经过试验和计算确定无端接导线中感应的从其开端开始的距离中的电流特性类 似于端接导线中的“损耗电流”，但符号相反，电流波从无端接导线的开端反射，符号颠倒。 因此，如果我们将端接导线与无端接导线连接，那么无端接导线中的电流将补偿端接导线 中的“损耗电流”。与现有技术相比，本发明中采用一种完全不同的更有效的方法，直接补偿趋肤效 应导致的信号传输错误，而不是管理趋肤效应本身。具体而言，主电线(将电流从信号源传 输的负载的导线)中“失磁”导致的电“损耗电流”得到额外无端接“补偿”导线中感应的极 性相反的类似电流(“补偿电流”)的补偿，无端接导线的一端连接主导线，另一端不连接。 下面将具体描述。
发明内容
本发明的主要方面是提供一种特殊构造的“电线”或补偿导电线路，能够减少与信 号传输有关的趋肤效应问题。本发明的另一方面是提供一种补偿导电线路，有一根或多根主导线承载从一个源 到一个负载的电流，和一根或多根无端接补偿导线(无端接补偿电导线)，每一根都有一端 连接主导线，另一端不连接，或为开状态。本发明的另一方面是提供主导线和无端接补偿导线的多种配置。本发明的另一方面是为主导线“失磁”导致的“损耗电流”提供无端接导线或开路 导线中感应的极性相反的类型电流的补偿。本发明的另一方面是更有效地降低信号失真，在宽频率范围内对频率的依赖更 小。本发明的其它方面见以下说明和随附的权利要求，参考说明书附图，其中类似的 参考字符指明几个视图中的相应部分。基于上文描述的背景，本发明的主题是补偿导电线路，包含至少一根主导线，承载 从信号源到负载的电流，和额外的无端接补偿导线，其一端连接主导线，以便补偿主导线中 的“损耗电流”。本发明中，“导线”一词指能够承载电导率[u]的任何材料。该类材料包括 但不限于铜、银、铝、合金等。“绝缘材料”或“绝缘体”一词指用于电绝缘的适用材料，例如 聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、橡胶、珐琅和其它类似材料，包括添加型阻燃剂。所有导线假定 为未绝缘，或适当绝缘。绝缘不做具体说明。
“损耗电流”补偿的有效性取决于以下因素，例如导体的特性，尤其是材料、形状、 主导线和补偿导线在其自身之间和与附近物体之间的电容和电感、信号源、负载阻抗和传 输线特性阻抗。通过选择几何形状，最好是补偿导线的长度和编号，来达到对具体传输线的 优化补偿。对于波长长于传输线长度的电磁波，实际中可以达到全“损耗电流”补偿。事实 上，与现有管理趋肤效应的技术方法相比，本文中描述的“损耗电流”补偿方法对于降低信 号失真而言更有效，在宽频率范围内对频率的依赖也更小。例如，根据“损耗电流”补偿方法建造的数字信号电缆提供了更锐利的信号边缘、 减少相位和定时误差。利用本发明技术的音频连接电缆证明了传统电缆不可达到的声音丰 富性、自然性和清晰性。根据本发明所描述的原理设计的视频电缆提供了比传统视频电缆 的色彩更丰富详细的清晰图片。数字数据传输电缆提供在接收器端更少的信号偏移。本发明包括各种体现和形状因素，例如以下所描述的内容用于输送电信号的补偿导电电路，至少包括一根用于在信号源与负载之间输送电 流的主导线，和至少一根补偿导线；上述至少一根补偿导线的一端应连接到上述至少一根 主导线。而上述补偿导线的另一端是无端接的(未连接的)。上述至少一根补偿导线长度和/或截面形状和/或截面积的选择能对上述至少一 根主导线趋肤效应导致的信号失真进行最大补偿更好。上述至少一根主导线和上述至少一根补偿导线为同一导电材料更好。上述至少一根主导线和上述至少一根补偿导线含四周都是导电镀层材料的一个 内导电线芯更好，而该线芯和镀层材料由不同导电材料构成。上述至少一根主导线和上述至少一根补偿导线为不同导电材料制成更好。上述至少一根主导线和上述至少一根补偿导线为圆形截面形状更好。上述至少一根主导线和上述至少一根补偿导线至少有足够平或金属箔制横截形 状(金属箔制线)更好。上述至少一根主导线和上述至少一根补偿导线为椭圆形横截形状更好。上述至少一根主导线和上述至少一根补偿导线为矩形横截形状更好。上述至少一根主导线和上述至少一根补偿导线以任意方式敷设在其空间更好。上述至少一根主导线和上述至少一根补偿导线至少大体相互平行更好。上述至少一根主导线和上述至少一根补偿导线至少大体相互缠绕更好。上述至少一根主导线和/或上述至少一根补偿导线至少大体缠绕到电解质线芯 更好。补偿导电线路还包括上述至少一根主导线和上述至少一根补偿导线之间的至少
一层绝缘层更好。补偿导电线路还包括上述至少一根主导线和/或上述至少一根补偿导线四周的
至少一层绝缘层更好。根据本发明，电信号传输系统包括上述1至少一根电线。根据本发明，电路板(即印制电路板或线路板等)至少包括嵌入电路板(CB)的一 根电传输线，其中，上述至少一根传输线包括连接到信号源和负载的至少一根主导线，和至 少一根补偿导线；上述至少一根补偿导线的一端连接到上述至少一根主导线，而上述至少 一根补偿导线另一端无端接(无连接)。
上述16的传输线中，主导线由绝缘介质与补偿无端接导线绝缘。根据本发明，电缆包括传输电流或信号的多根电线，其中，根据上述1，至少一根上 述补偿电路补偿导电线路。电线有一端连接到电线的无端接补偿导线更好。主导线和补偿无端接导线能有大量混合的形状因素，包括但不限于金属箔制线、 实心圆形或椭圆形导线，和大量导线捆成束等。每个形状因素由一个绝缘形状因素绝缘或隔离。主导线“失磁”产生的电“损耗电流”由另外的无端接补偿导线中产生的极性相反 的相似电流(“补偿电流”)补偿，该无端接导线一端连接到主导线，另一端无端接(无连 接)。
图Ia为补偿导电线路简单布局图，图中的一根主导线端点在一个负载阻抗，而一 根无端接的补偿导线与信号源处一根主导线连接。图Ib为补偿导电线路简单布局图，图中的两根主导线端点在一个负载阻抗，而两 根无端接的补偿导线与信号源处两根主导线连接。图Ic为补偿导电线路简单布局图，图中的一根主导线端点在一个负载阻抗，而两 根无端接的补偿导线一根连接到源处主导线，另一根连接到约为负载中点的主导线。图Id为补偿导电线路简易布局图，图中一根主导线端点在负载阻抗，两根无端接 补偿导一根连接在信号源处的主导线，另一根在负载阻抗与主导线连接，且每条长度都为 主导线长度的一半。图加为补偿导电线路简易布局图，图中一条主导线及一条无端接补偿导线以任 意方式在相互相关的位置布置。图2b为补偿导电线路简易布局图，图中一条主导线及一条无端接补偿导线以平 行方式布置。图2c为补偿导电线路简易布局图，图中一条主导线及一条无端接补偿导线绕在 主导线上。图2d为补偿导电线路简易布局图，图中一条主导线绕在一条无端接补偿导线上。图2e为补偿导电线路简易布局图，图中一条主导线绕在一条带绝缘核芯的无端 接补偿导线上。图3a、图3b、图3c及图3d为先前各种导线配置的截面图。图4a、图4b及图如为包括多导电层的先前各种导线配置的截面图。图fe为本发明补偿导电线路基本原理图，图中两条都具备无端接补偿导线，从信 号源至负载的传输及返回路径。图恥为与图fe类似的本发明补偿导电线路基本原理图，图中从信号源至负载的 传输及返回路径，但仅一条具备无端接补偿导线。图6a为本发明补偿导电线路基本原理图，图中无端接补偿导线大体绕在主传输 及返回导线上，但在反源点连接至其缠绕的主导线。图6b与图6a类似，但其无端接补偿导线与其缠绕的同一主导线源点连接。
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图7a、图7b及图7c为印制电路板上各种补偿导电线路的简易布局图。图8a、图8b及图8c为印制电路板上各种补偿导电线路的截面布局图。图9a为先前同轴电缆的截面图。图9b为具备无端接补偿导线的，从信号源至负载的传输及返回路径的本发明1同 轴电缆补偿导电线路的基本原理图。以下描述及详细图纸会加深对上述对本发明的简单描述及特征、外观及优势的理解。在详细解释本发明公开的方案之前，必须清楚本发明不仅仅限制于其在某个所示 布置的应用，因为本发明可用于其它方面。同样地，在此所用的术语仅用于描述，并非用于 限制。
具体实施例方式下列图纸为本发明补偿导电线路的结构，并以实例形式进行陈述且无限制。无需 偏离发明范围便可进行几处修改。下列图纸中，“L”代表负载阻抗ZL，而“S”代表信号源。 通常从信号源到负载阻抗有一条信号路径，而从负载阻抗到信号源有一条如图5a、5b、6a 及6b所示的返回路径。通过Id的图Ia及通过加的图加所示的结构布置未显示两条路 径，而仅显示结构方案。并未具体显示所有导线绝缘体，而是按需要假设存在。图Ia为本发明补偿导电线路简易布局图，图中显示一条在信号源S开始，于负载 阻抗L终止的附加主导线11及一条在信号源S与主导线11连接的，左无端接或其另一端 开路的无端接补偿导线12。图Ib为本发明补偿导电线路简易布局图，图中显示两条在负载阻抗L终止的主导 线Ila及lib以及两条在信号源S与两条主导线Ila及lib连接的，其另一端无端接的无 端接补偿导线。图Ic为补偿导电线路简易布局图，图中显示一条在负载阻抗L终止的主导线11 及两条无端接补偿导线12c及12d，一条无端接补偿导线12c在信号源S与主导线连接，另 一条无端接补偿导线12d在离负载阻抗L中点处与主导线11连接。图Id为补偿导电线路简易布局图，图中显示一条在负载阻抗L终止的主导线11 及两条无端接补偿导线1 及12f，一条无端接补偿导线1 在信号源与主导线11连接，另 一条无端接补偿导线12d在负载阻抗与主导线连接，每条长度都为主导线长度的一半。图加为一条以任意方式在相互相关的位置布置的导线21及无端接补偿导线22 的补偿导电线路简易布局图。主导线21从信号源S连至负载阻抗L，而无端接补偿导线22 在信号源S与主导线21连接，其另一端无端接。图2b为一条以平行方式布置的主导线21及无端接补偿导线23的补偿导电线路 简易布局图。主导线21从信号源S连至负载阻抗L，而无端接补偿导线23仅在信号源S与 主导线21连接，其另一端无端接。图2c为一条主导线21及一条无端接补偿导线M绕在主导线21上的补偿导电线 路简易布局图。主导线21从信号源S连至负载阻抗L，而无端接补偿导线23仅在信号源S 与主导线21连接，其另一端无端接。图2d为一条主导线25绕在一条无端接补偿导线沈上的补偿导电线路简易布局图。主导线25从 信号源S连接至负载阻抗L，而无端接补偿导线26仅在信号源S与主导线 25连接，其另一端无端接。图2e为一条主导线27绕在一条具备绝缘核芯29的无端接补偿导线28上的补偿 导电线路简易布局图。主导线27从信号源S连接至负载阻抗L，而无端接补偿导线28仅在 信号源S与主导线27连接，其另一端无端接。图3a、3b、3c和3d为各种现有技术导线构造的截面图。图3a为圆实心导线30的 截面图，而图3c为椭圆形导线32的截面图。这些导线尺寸规格不一。图3b为矩形导线 31。扁平细导线通常指的是箔导线。扁平导线具有高频性能优化作用，如箔导线。图3d为 多股导线，它由多股直径较小的芯导线绕着直径较大的一股内线组成。尽管没有说明但应 该知道现有技术的多股导线可以是不同的几何形状、尺寸、金属材料、外涂层、合金、金属镀 层、绝缘材料等。图4a、4b和4c为具有多个传导层的各种现有技术导线构造的截面图。图4a为具 有镀金层41的圆实心导线40的截面图，而图4c为具有镀金层44的椭圆形导线45的截面 图。这些导线尺寸规格不一。图4b为具有镀金层43的矩形导线42。扁平导线具有高频性 能优化作用。扁平细导线的一种变体通常指的是箔导线。具有多个传导层的导线，如铜镀 银、铝镀镍等，具有高频传导优化作用。还有些导线内含有绝缘核芯以进一步加强高频性能 优化作用。图5a为与本发明有关的补偿导电线路基本示意图，它显示了主导线53从信号源S 到阻抗负载L的传输，主导线53有无端接补偿导线54与信号源S连接。从阻抗负载L到 信号源S的回路导线51有无端接补偿导线52与信号源S连接。无端接补偿导线52或54 原则上与各自的主导线平行，但也可以将它们按任意方式敷设。图5b与图5a类似，为与本发明有关的补偿导电线路基本示意图，它显示了主导线 53从信号源S到阻抗负载L的传输，主导线53有无端接补偿导线54与信号源S连接。从 阻抗负载L到信号源S的回路导线51并没有无端接补偿导线。应注意无端接补偿导线54 也可以但只能与信号源S处的回路连接，或只能与传输路径或回路端负载阻抗L处连接。无 端接补偿导线54原则上与主导线53平行，但也可以将其按任意方式敷设。图6a为与本发明有关的补偿导电线路基本示意图，图中无端接补偿导线62和64 原则上分别卷绕着主传输导线63和回路导线61。无端接补偿导线与其卷绕着的主导线在 相反的源点连接。图6b与图6a类似，但是无端接补偿导线62和64与被卷绕着的同一主导线源点 连接。换言之，补偿导线64被卷绕并在普通源点处与主传输导线63连接，而补偿导线62 被卷绕并在普通源点处与主返回路径导线61连接。图7a、7b和7c为印刷电路板不同补偿传导电路的简单布局图。图7a为PC电路板70补偿传导电路的简单布局，它显示了与负载阻抗L端接的主 导线71及与信号源S处主导线连接的无端接补偿导线72。图7b为PC电路板70补偿传导电路的简单布局，它显示了与负载阻抗L端接的主 导线71及两条与信号源S处主导线71连接的无端接补偿导线72和73。图7c为PC电路 板70补偿传导电路的简单布局，它显示了与负载阻抗L端接的主导线71及一条与信号源S 处主导线71连接的无端接补偿导线74，一条与到负载L约一半距离的源点处主导线71连接的无端接补偿导线75和第三条与负载L处主导线71连接的无端接补偿导线76。图8a、8b和8c为PCB70补偿传导电路的截面布局图。其中使用了现有技术电路板 结构。在图8a中，主导线71和无端接补偿导线72位于PCB70的上表面。在图8b中，主导 线71位于PCB70的上表面，而无端接补偿导线72a位于PCB底面。在图8c中，主导线71b 和无端接补偿导线72b位于多层PCB的中间电源层上。图9a为一根 现有技术的同轴电缆横截面图，图中有内主要导线90、主要导线绝缘 92、外导线94和外绝缘96。使用现有技术的同轴电缆构造。图9b为同轴电缆补偿导电线路基本构造，图示源S至负载L的传输和返回路径， 并具有无终端补偿导线98。标准电缆同图5b相似。源S的一端通常连接到无终端补偿导 线98和主要导线99的每根内主要导线90上。负载L的返回路径为主要导线99的外导线 94，该导线连接到源S返回路径，并同时连接到其外导线94的无终端补偿导线98。上述概要包括涉及电缆、印制板和其它形式的含有一根或多根导线的传输线实现 的各种几何尺寸、构造、容量等。如此所述，所有主要导线和补偿导线能为任何形状、长度、 材料、单股、多股等。可以是相互绝缘、非绝缘缠绕等形式。所有构造和变体的制造都不超 出本发明范围。与现有技术方法相比，本发明的“损耗电流”补偿方法对减少信号失真有效得多， 而对大频率范围的频率依赖性少得多。它能提供更敏锐的信号边沿、更少的相位和计时误
差。 尽管本发明的描述参照优选的实施例，但还是能进行很多修正和更改，而结果仍 然在本发明范围内。本发明披露的特定实施例不能施加任何限制或用作推断。本文中描述 的每个仪器实施例有多种同等的设备。
权利要求
1.一条补偿导电线路包括一根长度为LH的导线，该导线从信号源S连接至负荷L ；以及 一根连接至S的无端接补偿导线。
2.权利要求1的装置还包括在S和L之间的中点连接至导线的第二根无端接补偿导线。
3.权利要求1的装置还包括连接至L的第二根无端接补偿导线，其中第一根和第二根 无端接补偿导线的长度大约为LH的一半。
4.权利要求1的装置，其中第一根无端接补偿导线的形状大约为直线，沿着L的方向延 伸，并且其长度大约与LH相同。
5.权利要求1的装置，其中第一根无端接补偿导线按照相对于导线的任意方式延伸， 并且其长度大约与LH相同。
6.权利要求1的装置，其中第一根无端接补偿导线按大约平行于导线的方向延伸，并 且其长度大约与LH相同。
7.权利要求1的装置，其中第一根无端接补偿导线沿导线缠绕，并且其长度大约与LH 相同。
8.权利要求1的装置，其中导线沿第一根无端接补偿导线缠绕，并且LH比无端接补偿 导线的长度更长。
9.权利要求8的装置，其中无端接补偿导线还包括一个绝缘核芯。
10.权利要求1的装置还包括从L连接至S的第二根导线以及连接至S的第二根无端 接补偿导线。
11.一条补偿导电线路包括在信号源S和负荷L之间连接的第一根和第二根导线；以及 连接至L的第一根无端接补偿导线。
12.权利要求10的装置，其中第一根无端接补偿导线沿第二根导线缠绕，并且第二根 无端接补偿导线被第一根导线环绕。
13.权利要求10的装置，其中第一根和第二根无端接补偿导线被其各自的第一根和第 二根导线环绕。
14.权利要求1的装置，其中导线和第一根无端接补偿导线为一个印刷电路板的组成 部分。
15.权利要求14的装置，其中导线和无端接补偿导线位于该印刷电路板的外表面上。
16.权利要求14的装置，其中导线和无端接补偿导线位于该印刷电路板的接地层上。
17.一条补偿导电线路包括 一个信号源S和负荷L ；第一根和第二根同轴电缆，其各自具有一根带有环绕绝缘子的中间导线和一根外部绝 缘的外导线；其中第一根同轴电缆为无端接补偿导线；其中S的一端通常连接至第一根和第二根同轴电缆的各中间导线的各自端； 其中S的另一端通常连接至第一根和第二根同轴电缆各自相同侧的外导线； 并且其中L连接在第二根同轴电缆的另一端的中间导线和外导线之间。
18.权利要求17的装置，通过连接L穿过第二根同轴电缆一端的中间导线和外导线，并 连接S穿过第二根同轴电缆另一端的中间导线和外导线，完成原电路。
19.权利要求17的装置，其中第一根同轴电缆的一端形成一根无端接补偿导线，其中 间导线和外导线在一端连接至S的各侧，并且另一端无端接。
全文摘要
一种音频、视频和数字信号补偿导电线路，包含一根或多根主导线和一根或多根无端接补偿导线，用于加强电信号的传输性能。一种实施例是电缆，包含一个或多个所述的补偿导线。另一种实施例是印刷电路板(PCB)，在CB中嵌入多根所述的导线。该补偿导电线路有至少一根主导线，目的是承载信号源与负载之间的电流，至少一根无端接补偿导线，该无端接补偿导线的一端连接该主导线，另一端不连接。
文档编号H05K1/02GK102106095SQ200880109857
公开日2011年6月22日 申请日期2008年7月9日 优先权日2007年8月3日
发明者列沃里德·尤里耶维奇·科库林 申请人:列沃里德·尤里耶维奇·科库林