EP0254964A2 - Magnetische oder elektromagnetische Abschirmung und damit ausgerüstetes elektrisches Kabel - Google Patents

Abstract

Elektromagnetische Abschirmung mit einer mindestens zweilagigen elektromagnetischen Abschirmung, deren eine Lage durch einen elektrischen Leiter wie einen Metallgeflechtschirm (C;D) gebildet ist und deren zweite Lage durch eine flexible, elektrisch nicht-leitende, mit nicht-magnetischen Metallteilchen dotierte Kunststoffschicht (D) gebildet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische oder magnetische Abschirmung und damit aufgebaute elektrische Kabel.
• Insbesondere bei Anwendungen im Hochfrequenzbereich ist es häufig erforderlich, einen oder mehrere Signalleiter eines elektrischen Kabels mit einer elektromagnetischen Abschirmung zu umgeben. Damit soll einerseits eine störende elektro­magnetische Einstrahlung von außen auf das zu übertragende Signal und andererseits ein Abstrahlen des Signals nach außen verhindert werden.
• Für Hochfrequenzanwendungen
  sind Kabel,
  deren Abschirmung aus einem einfach geflochtenen Schirm besteht, häufig nicht ausreichend. Eine bessere Abschirm­wirkung erreicht man mit zwei aufeinander geflochtenen Schirmen. Bei sehr hohen Anforderungen an die Abschirm­wirkung, wie sie beispielsweise im Bereich der Raumfahrt, Luftfahrt, Telekommunikation und Datenverarbeitung gefordert wird, reicht auch eine derartige Abschirmung nicht aus. Für solche Anwendungsgebiete hat man Kabel mit dreilagiger Abschirmung geschaffen, wobei die Innenlage und die Außen­lage je durch einen Metallgeflechtschirm und die Zwischen­lage durch einen polykristallinen Werkstoff wie beispiels­weise µ-Metall, metallisches Glas und dergleichen gebildet sind.
• Ein derartiger Abschirmungsaufbau führt jedoch zu Kabeln mit nur geringer Flexibilität und mit schwieriger Verar­beitung beim Anschließen an die Kontaktelemente von Steck­ verbindern. Außerdem erreicht man hiermit im wesentlichen nur eine Abschirmung elektrischer Feder, nicht aber mag­netischer Felder. Desweiteren wirkt sich nachteilig aus, daß die elektrisch leitende Zwischenlage den Innenschirm und den Außenschirm elektrisch verbindet und daher die dreilagige Abschirmung im Grunde nur wie eine dickschich­tige Abschirmung wirkt.
• Aus der DE-OS 30 25 504 ist ein Koaxialkabel bekannt, das zwischen zwei Metallschirmen eine magnetische Schicht auf­weist, bei der es sich um einen nicht-leitenden oder nur wenig leitenden magnetischen Mischstoff handelt, der durch Einmischen von Ferritstaub oder anderem magnetischen me­tallischen Staub in ein flexibles Kunststoffträgermaterial hergestellt werden kann.
• Aus der US-PS 4 376920 ist es bekannt, bei einem Koaxial­kabel zwischen zwei Flechtschirmen eine Zwischenschicht mit hohem Verlustfaktor unterzubringen, um eine hohe Ausbei­tungsfunktion für den Weg zwischen den beiden Schirmschichten und damit eine möglichst längenunabhängige Abschirmwirkung zu erreichen. Als Zwischenschicht kann ein elektrisch gut isolierender Kunststoff verwendet werden, in den verlust­bewirkende Pigmente oder andere Verbindungen nicht näher angegebener Art eingelagert sind.
• Aus den US-Patentschriften 3191132 und 3309633 sind elektri­sche Kabel bekannt, deren elektrische Leiter umgebendes flexi­bles, isolierendes Kunststoffmaterial eine Zumischung von Ferritteilchen aufweist, um eine Absorption elektromagneti­scher Wellen hoher Frequenz zu erreichen, ohne eine Absorption solcher Wellen im niederfrequenten Bereich zu haben.
• Die Verwendung von dotierten Isolierschichten führt gegen­über Kabeln mit starren Abschirmschichten zu einer ver­besserten Kabelflexibilität.
• Für Anwendungsgebiete der zuvor beispielsweise genannten Art sollte die Abschirmdämpfung für einen möglichst großen Frequenzbereich größer als 100 dB sein, um Abstrahlung und Einstrahlung von störenden Signalen in einem möglichst großen Frequenzbereich zu verhindern.
• Elektromagnetische Strahlungen auf das zu übertragende Signal wirken sich vor allem bei Digitalsignalen dadurch negativ aus, daß die Impulsflanken abgeflacht werden, was zu Signalverfälschungen und zu einer Verringerung der möglichen Impulsfolgefrequenz führt.
• In vielen Bereichen der Technik ist auch ein Abstrahlen der zu übertragenden Impulse von dem Kabel auf andere elektronische Komponenten oder Signalleiter anderer Kabel unerwünscht. Auf den Gebieten der Telekommunikation und der Datenverarbeitung kann es zu unerwünschtem Nebensprechen kommen und wird durch die Abstrahlung unbefugte Datenan­zapfung möglich.
• Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine elektro­magnetische Abschirmung verfügbar zu machen, die bei hochflexib­lem Kabelaufbau zu einer hohen Abschirmdämpfung sowohl elektri­scher als auch magnetischer Felder in einem möglichst weiten Frequenzbereich führt.
• Eine Lösung dieser Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben und kann den weiteren Ansprüchen gemäß vorteilhaft weiterge­bildet werden.
• Da die eine Lage der Abschirmung aus metalldotiertem Kunststoff besteht und hochflexible Kunststoffe zur Ver­fügung stehen, braucht ein mit der erfindungsgemäßen Ab­schirmung versehenes Kabel keinerlei Einbuße an Flexibilität zu erleiden. Die außerordentlich guten elektromagnetischen Schirmdämpfungseigenschaften werden dadurch erreicht, daß das ein- bzw. abstrahlende magnetische Feld in der Abschirm­lage aus mit nicht-magnetischen Metallteilchen dotiertem Kunststoff gebündelt wird.
• Abschirmungen gegen elektrische Felder, die aus elektrischen Leitern bestehen, wirken dadurch, daß diese elektrischen Leiter eine Äquipotentialfläche bilden, die durch Außen­anschluß beispielsweise auf das Potential 0 gelegt wird. Ladungsträger, die durch lokale elektrische Felder ver­ursacht werden, fließen sofort ab, was die elektrische Abschirmwirkung hervorbringt. Je höher die elektrische Leitfähigkeit umso besser die elektrische Abschirmwirkung.
• Derartige elektrische Leiter bewirken jedoch keine oder nur eine sehr schwache Abschirmung gegenüber Magnetfeldern, wenn man einmal von sehr hohen Frequenzen im GHz-Bereich absieht. Insbesondere in relativ niedrigen Frequenzbe­reichen, beispielsweise im unteren MHz- oder gar KHz-­Bereich, tritt jedoch praktisch keine magnetische Ab­schirmung auf.
• Dadurch, daß man für die magnetisch abschirmende Abschirmlage Kunststoff verwendet, in den metallische Teilchen so eingebettet sind, daß der Kunst­ stoff nicht zum elektrischen Leiter wird, nach Art be­kannter "elektrisch leitender Kunststoffe", sondern ein elektrischer Isolator bleibt, erreicht man eine ver­besserte Abschirmungwirkung gebenüber magnetischen Feldern. Bettet man aber wie bei den bekannten Kabeln Ferritpulver in den Kunststoff ein, erreicht man eine Abschirmdämpfung, die nur relativ wenig über den als Mindestwert gewünschten 100 dB liegt, nur in einem relativ kleinen unteren Frequenz­bereich.
• Verwendet man nicht-magnetische Metallteilchen, wie bei­spielsweise Kupferpulver, entstehen in diesen Metall­teilchen vom hochfrequenten Magnetfeld hervorgerufene, in­duzierte Wirbelströme, die wiederum ein Magnetfeld verur­sachen, das dem äußeren Magnetfeld entgegengesetzt ist. Auch hier kommt es zu einer gebündelten Bindung des ab­zuschirmenden Magnetfeldes wie bei Ferrit-Dotierung. Aller­dings nimmt die Wirbelstromstärke und damit die magnetische Abschirmwirkung mit zunehmender Magnetfeldstärke und steigender Frequenz zu, was nicht nur zu höherer Abschirm­dämpfung als bei Ferrit-Dotierung an sich führt sonder zu einer Ausdehnung des Bereichs guter Abschirmdämpfung in viel höhere Frequenzregionen. Die erfindungsgemäße Maßnahme führt daher zu überraschend guten magnetischen Abschirmer­gebnissen.
• Besonders gute elektromagnetische Abschirmwirkungen er­zielt man mit einer dreilagigen Abschirmung, deren innere und deren äußere Schirmlage je durch einen elektrischen Leiter wie insbesondere ein Metallgeflecht oder eine Metall­folie gebildet sind und deren Mittellage durch die metalldotierte Kunststoffschicht gebildet ist. Letztere führt zu einer elektrischen Isolierung zwischen innerer und äußerer elektrisch leitender Schirmlage. Dies bewirkt eine Reflexion des abzuschirmenden elektrischen Feldes an zwei elektrisch gesehen unterschiedlichen Schirmschichten. Dies führt zu einer besseren elektrischen Abschirmung als drei elektrisch leitende Schirmlagen, die miteinander in elektrischer Verbindung stehen und für die abzuschirmenden elektrischen Felder daher im wesentlichen nur wie eine einzige Schirmschicht wirken.
• Gegenüber der bekannten dreilagigen Abschirmung mit einem inneren Metallgeflechtschirm, einem äußeren Metallgeflecht­schirm und einer dazwischen befindlichen mittleren Ab­schirmlage aus Ferrit-dotiertem Kunststoff führt die er­findungsgemäße Abschirmung mit einer Kunststoffzwischen­schicht, in die nicht-magnetische Metallteilchen eingelagert sind, daher zu einer erheblich besseren magnetischen Ab­schirmung über einen sehr weiten Frequenzbereich, wobei eine gute Kabelflexibilität erhalten bleibt.
• Ein mit der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Ab­schirmung versehenes Kabel kann daher sowohl hohe Flexi­bilität aufweisen als auch eine überragende elektromagneti­sche Abschirmung.
• Die flexible, mit nicht-magnetischen Metallteilchen do­tierte, elektrisch nicht-leitende Kunststoffschicht hat auch selbständig Erfindungsbedeutung. Sie kann dort, wo es auf eine Abschirmung nur magnetischer Felder ankommt, ohne elektrisch abschirmende Schirmlagen vorteilhaft eingesetzt werden, z. B. für magnetisch abzuschirmende Kabel, die hohe Flexibilität behalten sollen.
• Die Erfindung wird nun anhand einer Ausführungsform näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
• Fig. 1 eine Ausführungsform der Erfindung; und
• Fig. 2 Abschirmdämpfungsverläufe in Abhängigkeit von der Frequenz für ein Kabel gemäß Fig. 1 mit einer be­kannten und mit einer erfindungsgemäßen Abschirm­schicht.
• Fig. 1 zeigt als Beispiel ein Koaxialkabel mit einem einzigen Signalleiter A, der von einem Dielektrikum B umgeben ist. Das Dielektrikum B wird von einem ersten Schirm C aus einem Me­tallgeflecht umspannt. Den ersten Schirm C umgibt eine metalldotierte, elektrisch nicht-leitende Kunststoffzwischen­schicht D, die ihrerseits von einem zweiten Schirm E aus einem Metallgeflecht umgeben wird. Die äußerste Schicht des Kabels wird durch einen Kunststoffmantel gebildet.
• Als Materialien für die metalldotierte Kunststoffzwischen­schicht D eignen sich insbesondere PTFE (polytetra­fluoräthylen), in das vorzugsweise Kupferpulver eingebettet ist.
• Messungen an verschiedenen Abschirmungen haben im Frequenzbereich zwischen 0,25 MHz und 110 MHz folgende Schirmdämpfungen ergeben:
  - einfach geflochtener Schirm: ca. 60 dB
  - zwei aufeinander geflochtene Schirme: ca. 85 dB
  - zwei aufeinander geflochtene Schirme mit einer Zwischenschicht aus mit metallischem Pulver dotiertem Kunststoff: > 100 dB
• a) bei Verwendung von Ferrit-dotiertem Kunststoff bis 8 MHz und einem Maximum von ca. 107 dB bei etwa 2 MHz (Kurve F in Fig. 2);
• b) bei Verwendung von mit nicht-magnetischen Metall­teilchen dotiertem Kunststoff bis etwa 90 MHz und einem Maximum von etwa 118 dB bei ca. 8 MHz (Kurve Cu in Fig. 2).
• Fig. 2 zeigt also, daß Kabel, deren mittlere Abschirm- oder Zwischenschicht D mit Kupferteilchen dotiert ist, einerseits eine erheblich höhere Schirmdämpfung und andererseits hohe Schirmdämpfung bis in wesentlich höhere Frequenzbereiche als bei Ferrit-Dotierung auf­weisen.

Claims (9)

1. Elektromagnetische Abschirmung mit mindestens zwei Ab­schirmlagen, von denen eine durch einen elektkrischen Leiter in Form eines Metallgeflechts oder einer Metallfolie ge­bildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß die zweite Abschirmlage durch eine flexible, mit nicht-­magnetischen Metallteilchen dotierte, elektrisch nicht-­leitende Kunststoffschicht (D) gebildet ist.

2. Abschirmung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß in die Kunststoffschicht (D) metallisches Pulver einge­bettet ist.

3. Abschirmung nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß als Kunststoff Polytetrafluoräthylen (PTFE) verwendet wird.

4. Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kunststoff mit Kupfer dotiert ist.

5. Abschirmung nach einem der Ansprüche 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kunststoff mit Pulver eines metallischen Glases dotiert ist.

6. Abschirmung nach einem der vorausgehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Abschirmung dreilagig ist und als Innenlage (C) und als Außenlage (E) je ein Metallgeflecht vorgesehen ist und die metalldotierte Kunststoffschicht die Zwischenlage (D) bildet.

7. Elektrisches Kabel mit mindestens einem Signalleiter,
gekennzeichnet durch
eine elektromagnetische Abschirmung nach einem der An­sprüche 1 bis 6.

8. Magnetische Abschirmung
gekennzeichnet durch
eine flexible, mit nicht-magnetischen Metallteilchen dotierte, elektrisch nicht-leitende Kunststoffschicht.

9. Elektrisches Kabel mit mindestens einem Signalleiter,
gekennzeichnet durch
eine magnetische Abschirmung nach Anspruch 8.

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