Universal Serial Bus (USB) ist wahrscheinlich eine der vielseitigsten Schnittstellen der Welt. Sie wurde ursprünglich von Intel und Microsoft entwickelt und bietet größtmögliche Plug-and-Play-Funktionalität. Seit der Einführung der USB-Schnittstelle im Jahr 1994 hat sich nach 26 Jahren Entwicklung über USB 1.0/1.1, USB 2.0 und USB 3.x schließlich das heutige USB 4 entwickelt. Die Übertragungsrate hat sich von 1,5 Mbit/s auf aktuell 40 Gbit/s erhöht. Mittlerweile unterstützen nicht nur neu eingeführte Smartphones grundsätzlich die Typ-C-Schnittstelle, sondern auch Notebooks, Digitalkameras, Smart-Lautsprecher, mobile Netzteile und andere Geräte nutzen die USB-Schnittstelle der Typ-C-Spezifikation, die sich erfolgreich im Automobilbereich etabliert hat. Anstelle von USB-A verfügt das neue Model 3 von Tesla über USB-C-Anschlüsse, und Apple hat seine MacBooks und AirPods Pro vollständig auf reine USB-Typ-C-Anschlüsse für Datenübertragung und Aufladen umgestellt. Darüber hinaus wird Apple gemäß den Anforderungen der EU auch im zukünftigen iPhone 15 die USB-Typ-C-Schnittstelle verwenden, und es besteht kein Zweifel, dass USB4 die wichtigste Produktschnittstelle auf dem zukünftigen Markt sein wird.
Anforderungen an USB4-Kabel
Die größte Änderung beim neuen USB4 ist die Einführung der Thunderbolt-Protokollspezifikation, die Intel mit usb-if geteilt hat. Durch die Ausführung über Dual Links wird die Bandbreite auf 40 Gbit/s verdoppelt, und Tunneling unterstützt mehrere Daten- und Anzeigeprotokolle. Beispiele hierfür sind PCI Express und DisplayPort. Zudem behält USB4 mit der Einführung des neuen zugrunde liegenden Protokolls eine gute Kompatibilität bei und ist abwärtskompatibel mit USB3.2/3.1/3.0/2.0 sowie Thunderbolt 3. Infolgedessen ist USB4 zum bislang komplexesten USB-Standard geworden und erfordert von den Designern das Verständnis der Spezifikationen für USB4, USB3.2, USB2.0, USB Typ-C und USB Power Delivery. Darüber hinaus müssen Designer die Spezifikationen für PCI Express und DisplayPort sowie die mit dem USB4-DisplayPort-Modus kompatible HDCP-Technologie (High-Definition Content Protection) verstehen. Zudem müssen die uns bekannten Kabel und Stecker höhere Anforderungen stellen, um die elektrischen Leistungsanforderungen der fertigen USB4-Kabelprodukte zu erfüllen.
Eine koaxiale Version von USB4 kam aus dem Nichts
Im Zeitalter von USB 3.1 und 10G haben viele Hersteller Koaxialkabel verwendet, um die Anforderungen an die Hochfrequenzleistung zu erfüllen. Koaxialkabel wurden in der USB-Serie zuvor nicht verwendet. Ihre Anwendungsszenarien umfassen hauptsächlich Notebooks, Mobiltelefone, GPS, Messgeräte und Bluetooth-Technologie. Allgemeine Anwendungsgebiete von Kabeln sind medizinische Koaxialkabel, elektronische Teflon-Koaxialkabel, Hochfrequenz-Koaxialkabel usw. Aufgrund der Marktanforderungen an die Kostenkontrolle erobern Litzenkabel im Zeitalter von USB 3.1 schnell den Markt, um die Leistung der Produkte zu erfüllen. Mit dem USB4-Markt steigen jedoch die Anforderungen an die Hochfrequenzübertragung immer weiter an, und für die Hochgeschwindigkeitsübertragung sind Kabel mit starker Entstörungsfähigkeit und elektrischer Leistungsstabilität erforderlich. Um die Stabilität der Hochfrequenzübertragung zu gewährleisten, ist USB 4 derzeit noch die wichtigste Koaxialversion. Die Produktion und Herstellung von Koaxialkabeln ist komplex. Für Hochfrequenz- und Hochgeschwindigkeitsanwendungen sind entsprechende Produktionsanlagen und ausgereifte und stabile Produktionsprozesse erforderlich. Bei der Herstellung des Produkts spielen die Materialauswahl, die Prozessparameter und die Prozesskontrolle sowie die elektrischen Parameter durch spezielle Labortests eine Schlüsselrolle. Während der gesamten Entwicklung der Koaxialstruktur gibt es Engpässe. Neben Ihren guten Eigenschaften (Materialkosten, hohe Verarbeitungskosten) dreht sich die Marktentwicklung immer darum, wie der höchste Chargenpreis erzielt werden kann. Die Twisted-Pair-Version hat in der Forschung und Entwicklung der Koaxialentwicklung immer eine Lücke geschlossen und ist zum Durchbruch geworden.
Der Aufbau eines Koaxialkabels ist von innen nach außen folgendermaßen zu erkennen: Mittelleiter, Isolierschicht, äußere Leitschicht (Metallgeflecht), Drahtmantel. Ein Koaxialkabel besteht aus zwei Leitern. Der Mittelleiter des Koaxialkabels dient zur Signalübertragung. Das metallische Abschirmnetz erfüllt zwei Aufgaben: Zum einen dient es als gemeinsame Masse für die Stromschleife des Signals, zum anderen dient es als Abschirmnetz zur Unterdrückung elektromagnetischer Störungen des Signals. Zwischen dem Mittelleiter und dem Abschirmnetz befindet sich eine halbgeschäumte Polypropylen-Isolierschicht. Diese Isolierschicht bestimmt die Übertragungseigenschaften des Kabels und schützt den Mittelleiter wirksam. Die Kosten sind jedoch hoch.
Kommt eine USB4-Twisted-Pair-Version?
Da elektronische Schaltungen mit höheren Frequenzen arbeiten, wird es schwieriger, die elektrischen Eigenschaften elektronischer Komponenten zu beherrschen. Wenn die Komponentengröße oder die gesamte Schaltungsgröße im Verhältnis zur Wellenlänge der Betriebsfrequenz größer als eins ist, der Wert der Schaltungsinduktivität/-kapazität oder der parasitäre Effekt der Komponentenmaterialeigenschaften usw., können selbst bei Verwendung einer Kabelpaarstruktur die Tests grundlegender Frequenzparameter die Anforderungen der Kunden nicht erfüllen. Außerdem ist die Struktur und der Durchmesser viel flexibler als bei der koaxialen Version. Warum kann ich ein USB-Paar nicht in Chargen verwenden? Im Allgemeinen gilt: Je höher die Frequenz des verwendeten Kabels, desto kürzer die Wellenlänge des Signals und je kleiner der Versatzabstand, desto besser der Symmetrieeffekt. Ein zu kleiner Spleißabstand führt jedoch zu geringer Produktionseffizienz und zur Verstauchung des isolierten Kerndrahts. Der Abstand des Leitungspaars ist sehr klein, die Anzahl der Torsionen ist hoch und die Torsionsspannung auf den Abschnitt konzentriert sich stark, was zu erheblichen Verformungen und Schäden an der Isolierschicht führt und schließlich zu einer Verzerrung des elektromagnetischen Felds führt, was einige elektrische Indikatoren wie den SRL-Wert und die Dämpfung beeinflusst. Bei einer Isolationsexzentrizität ändert sich der Abstand zwischen den Leitern periodisch aufgrund der Drehung der isolierenden Einzelleitung, was zu periodischen Impedanzschwankungen führt. Die Schwankungsperiode ist relativ lang. Bei Hochfrequenzübertragungen kann diese langsame Änderung durch elektromagnetische Wellen erkannt werden und den Rückflussdämpfungswert beeinflussen. Die USB4-Paar-Version kann nicht in Chargen verwendet werden.
Da es sich nicht um Erdung handelt, aber Sie möchten kein totes Koaxialkabel verwenden, haben die Leute angefangen, die verschiedenen Abschirmungsmethoden für USB4-Produkte zu überprüfen. Der größte Nachteil beim Auswringen ist die leichte Verdrehung der Leiter und der Unterschied zu parallelen Paketen direkt bei der Hausarbeit, um eine Verdrehung der Leiter zu vermeiden. Wie wir alle wissen, werden derzeit SAS, SFP+ usw. in Hochgeschwindigkeitsleitungen verwendet. Das zeigt, dass ihre Leistung höher sein muss als die der verseilten Version. Eine wichtige Funktion von Hochfrequenz-Datenleitungen ist die Übertragung von Datensignalen, aber wenn wir sie verwenden, können alle möglichen störenden Informationen auftreten. Überlegen wir einmal, ob diese Störsignale in den Innenleiter der Datenleitung eindringen und das ursprünglich übertragene Signal überlagern. Können sie das ursprünglich übertragene Signal stören oder verändern und so zu Nutzsignalverlusten oder Problemen führen? Der Unterschied zwischen einer Aluminiumfolienschicht und der Übertragung von Informationen besteht darin, dass sie eine Schutz- und Abschirmfunktion hat und Störungen durch externe Signale bei der Übertragung reduziert. Das Hauptmaterial des Verpackungsbandes und der Aluminiumfolie ist die Verwendung von Aluminiumfolie zur Versiegelung und Abschirmung sowie eine ein- oder beidseitige Beschichtung der Kunststofffolie. Die Lu:Su-Verbundfolie wird als Abschirmung des Kabels verwendet. Kabelfolie benötigt weniger Öl auf der Oberfläche, keine Löcher und hohe mechanische Eigenschaften. Beim Wickeln werden zwei isolierte Kerndrähte und ein Erdungskabel mithilfe einer Wickelmaschine zusammengeführt. Gleichzeitig werden auf der Außenschicht eine Schicht Aluminiumfolie und eine Schicht selbstklebendes Polyesterband verwendet, um das Aderpaar abzuschirmen und die Struktur der umwickelten Kerndrähte zu stabilisieren. Dieser Vorgang hat wichtige Auswirkungen auf die Kabeleigenschaften, einschließlich Impedanz, Laufzeitunterschied und Dämpfung. Daher muss die Herstellung streng nach handwerklichen Anforderungen erfolgen und es müssen Tests auf elektrische Eigenschaften durchgeführt werden, um sicherzustellen, dass die umwickelten Kerndrähte den Anforderungen entsprechen. Natürlich sind nicht alle Datenleitungen mit einer zweilagigen Abschirmung ausgestattet. Manche haben mehrere Lagen, andere nur eine oder gar keine. Abschirmung ist eine metallische Trennung zwischen zwei räumlichen Bereichen, um die Induktion und Abstrahlung elektrischer, magnetischer und elektromagnetischer Wellen von einem Bereich zum anderen zu kontrollieren. Genauer gesagt ist der Leiterkern von einem Abschirmkörper umgeben, um ihn vor der Beeinflussung durch externe elektromagnetische Felder/Störsignale zu schützen und die Ausbreitung des elektromagnetischen Störfelds/Signals nach außen zu verhindern. Die Prüfung von Hochfrequenzsignalen mit USB-Differenzialpaaren ist mit der von Koaxialkabeln vergleichbar, ein USB4-Differenzialpaar wird kommen.
Veröffentlichungszeit: 16. August 2022
