專利名稱：寬帶扭轉(zhuǎn)盒的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及扭轉(zhuǎn)盒(twist capsule)，尤其涉及使用預(yù)增強(qiáng)電路和可選地均 衡電路而具有擴(kuò)展的高頻響應(yīng)和信號(hào)調(diào)節(jié)的改進(jìn)的寬帶扭轉(zhuǎn)盒，其將高速數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸能 力擴(kuò)展到每秒IO.O千兆比特("Gbps")以上。
背景技術(shù)：
扭轉(zhuǎn)盒是使用環(huán)繞軸的柔性電路傳輸信號(hào)和功率通過(guò)不連續(xù)的旋轉(zhuǎn)或振蕩接口 的設(shè)備。這些設(shè)備通常允許在某個(gè)有限范圍內(nèi)的角旋轉(zhuǎn)。典型的示例包括在呈現(xiàn)振蕩運(yùn)動(dòng) 的萬(wàn)向架組件中攜帶信號(hào)和功率的扭轉(zhuǎn)盒。在美國(guó)專利No.4，693，527 A和4，710，131 A 中示出并描述了各種扭轉(zhuǎn)盒。在美國(guó)專利No.6，296，725 Bl中示出并描述了在扭轉(zhuǎn)盒中使 用的高頻帶狀電纜。這三個(gè)專利的每一公開(kāi)都通過(guò)引用包含在此。 扭轉(zhuǎn)盒以服務(wù)壽命極長(zhǎng)聞名，通常超過(guò)1億個(gè)達(dá)360度的全擺幅周期
(full-excursion cycle)。這種長(zhǎng)服務(wù)壽命要求對(duì)盒的運(yùn)動(dòng)學(xué)的周到關(guān)注。 應(yīng)該小心地維持移動(dòng)導(dǎo)體內(nèi)的低應(yīng)力，所述移動(dòng)導(dǎo)體在大多數(shù)扭轉(zhuǎn)盒中是柔性帶
(flex tape)。扭轉(zhuǎn)盒服務(wù)中的低應(yīng)力和長(zhǎng)服務(wù)壽命要求使用高度柔性的導(dǎo)體以及介電材
料。促進(jìn)扭轉(zhuǎn)盒長(zhǎng)壽命所必需的物理特性也對(duì)能夠憑借其進(jìn)行成功傳輸?shù)男盘?hào)類型，特別
是有關(guān)高速數(shù)據(jù)傳輸施加了嚴(yán)格的電氣限制。主要的電氣限制是阻抗匹配和高頻損耗。已
經(jīng)開(kāi)發(fā)了主要通過(guò)使用利用微波傳輸帶和帶狀線構(gòu)造的多層柔性電路連同利用接地面結(jié)
構(gòu)來(lái)最優(yōu)化電路阻抗和控制電磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)策略，來(lái)允許傳輸通過(guò)這些設(shè)備的中等高速數(shù)字
數(shù)據(jù)信號(hào)的技術(shù)。這些技術(shù)的效率隨頻率的增加而降低，且在lGbps以上的數(shù)據(jù)率的情況
下，對(duì)于要求較大帶寬和相對(duì)高的傳輸線阻抗的傳輸格式特別成問(wèn)題。 薄導(dǎo)體和電介質(zhì)的使用最小化了柔性帶的厚度并提高了旋轉(zhuǎn)壽命，但卻對(duì)所得傳
輸線的阻抗和損耗施加了嚴(yán)格的限制。上述問(wèn)題對(duì)于諸如LVDS、 Fibre Channel (光纖通
道)、XAUI、Infiniband(無(wú)限帶寬)之類被設(shè)計(jì)成圍繞具有相對(duì)高特性或差動(dòng)阻抗(100歐
姆是極為常見(jiàn)的值)的銅傳輸線的高速數(shù)據(jù)傳輸方案尤為尖銳。 長(zhǎng)壽命扭轉(zhuǎn)盒設(shè)計(jì)領(lǐng)域的當(dāng)前狀態(tài)是使用帶有薄聚酰亞胺電介質(zhì)的柔性帶構(gòu)造 來(lái)實(shí)現(xiàn)柔性。促進(jìn)長(zhǎng)壽命的典型厚度值也使得在實(shí)踐上若不創(chuàng)建極窄跡線(trace)則無(wú)法 達(dá)到100歐姆量級(jí)的阻抗值。例如，在使用3密爾聚酰亞胺電介質(zhì)的柔性帶中100歐姆的 差分阻抗要求約2密爾或更窄(即大約0.002〃或大約0.05mm)的導(dǎo)體跡線。如果這一導(dǎo) 體寬度能被可靠地制造，那么對(duì)于許多典型的扭轉(zhuǎn)盒，電路阻抗可以極高，從約5到約10歐 姆量級(jí)或更高。 此外，由于包含高頻諧波能的較快邊緣速度，在要求幾千兆赫("GHz")帶寬的高 速數(shù)據(jù)格式中高頻損耗變得非常重要。由于將高頻載波限于導(dǎo)體的薄表皮上的集膚效應(yīng)， 在高阻抗柔性帶中的極窄導(dǎo)體在高頻處具有較高的損耗。此外，諸如聚酰亞胺的傳統(tǒng)介電 材料在約1GHz的頻率處呈現(xiàn)出高損耗，同時(shí)還呈現(xiàn)出頻率相關(guān)的頻散，這導(dǎo)致不同的頻率 以不同的速度傳播。
以超過(guò)約1. 0Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率使用常規(guī)柔性帶傳輸線構(gòu)造的最終結(jié)果是由頻 散造成的高頻分量的嚴(yán)重衰減和數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)邊緣過(guò)渡的拖尾效應(yīng)。這類傳輸?shù)难蹐D案測(cè)試會(huì) 示出嚴(yán)重的閉眼或根本沒(méi)眼。以下將討論對(duì)高速數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸?shù)男盘?hào)完整性的這些挑戰(zhàn)中 的每一個(gè)挑戰(zhàn)。 典型的柔性電路結(jié)構(gòu)使用夾在在聚酰亞胺介電材料層之間的蝕刻銅跡線。圖1中 示出了作為對(duì)柔性傳輸線中高頻性能的主要限制的介電損耗。感興趣的參數(shù)是損耗因數(shù) (loss tangent,縱坐標(biāo))，其是對(duì)高頻損耗的方便度量。如圖1所示，作為最常用作扭轉(zhuǎn)盒 柔性帶結(jié)構(gòu)中的介電材料，聚酰亞胺在高頻的損耗尤其嚴(yán)重。諸如液晶聚合物("LCP")和 聚四氟乙烯("PTFE")的其他介電材料具有較好的高頻屬性，但卻昂貴地多且更難以制造。 由于歸因于介電損耗和集膚效應(yīng)的高頻能量的損耗增加，高頻數(shù)據(jù)方波的邊緣速度會(huì)劣化 到可能危及數(shù)據(jù)完整性的程度。 這些介電材料的確具有低介電常數(shù)和低頻散的工作優(yōu)點(diǎn)，但是用于以約l.OGbps 及以上通過(guò)柔性帶的數(shù)據(jù)鏈路的高阻抗傳輸線在扭轉(zhuǎn)盒環(huán)境中仍是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)。扭轉(zhuǎn) 盒和柔性帶運(yùn)動(dòng)學(xué)的機(jī)械設(shè)計(jì)需求對(duì)柔性帶傳輸線的電氣設(shè)計(jì)施加了實(shí)踐上的限制，并且 趨于支持低阻抗設(shè)計(jì)。諸如PTFE和LCP的低介電常數(shù)材料在創(chuàng)建高阻抗傳輸線方面是有 利的，但是扭轉(zhuǎn)盒中長(zhǎng)服務(wù)壽命所需的物理限制通常與實(shí)現(xiàn)高阻抗傳輸線結(jié)構(gòu)的物理需求 (諸如100歐姆LVDS接口所需的物理限制)是不一致的。 相應(yīng)地，一般期望提供一種允許傳輸更高帶寬的信號(hào)的用于扭轉(zhuǎn)盒的改進(jìn)的柔性 帶。

發(fā)明內(nèi)容
使用對(duì)僅出于說(shuō)明而非限制目的的一個(gè)或多個(gè)公開(kāi)實(shí)施例的相應(yīng)部件、部分或表
面的附帶參考，本發(fā)明廣義地提供了一種改進(jìn)的扭轉(zhuǎn)盒(IO)，其廣義地包括柔性帶(13);
以及與所述帶操作性相關(guān)聯(lián)以補(bǔ)償歸因于集膚效應(yīng)和/或介電損耗的高頻數(shù)字波形成分
衰減的預(yù)增強(qiáng)電路(11);由此可以增大經(jīng)帶傳輸?shù)男盘?hào)的帶寬。 預(yù)增強(qiáng)電路可以在比特的過(guò)渡時(shí)間期間添加額外的輸出電流。 預(yù)增強(qiáng)電路可放置或定位在輸入連接器或外部互連處，或可位于扭轉(zhuǎn)盒內(nèi)部。 改進(jìn)的柔性帶可以進(jìn)一步包括在扭轉(zhuǎn)盒信號(hào)輸出處的均衡電路(14)。該均衡電路
可以用作當(dāng)數(shù)據(jù)離開(kāi)帶時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的高通濾波器和放大器。 改進(jìn)的柔性帶能夠以超過(guò)l.OGbps的數(shù)據(jù)率傳輸數(shù)據(jù)流。帶的帶寬可以超過(guò) 20GHz。 帶可以提供可控的阻抗傳輸線。
帶的阻抗可以與傳輸線的阻抗匹配。 帶的阻抗可以被確定為隨著帶端部(end)的匹配電阻器的變化而變化。 相應(yīng)地，本發(fā)明的一般目的是提供用于扭轉(zhuǎn)盒的改進(jìn)的柔性帶。 另一個(gè)目的是提供具有預(yù)增強(qiáng)電路的改進(jìn)的扭轉(zhuǎn)盒柔性帶以便補(bǔ)償歸因于集膚
效應(yīng)和介電損耗的高頻數(shù)字波形成分的衰減。 又一個(gè)目的是提供在扭轉(zhuǎn)盒信號(hào)輸出處具有均衡電路的改進(jìn)的扭轉(zhuǎn)盒，所述均衡 電路用作當(dāng)數(shù)據(jù)離開(kāi)扭轉(zhuǎn)盒并進(jìn)入接收器電子元件時(shí)對(duì)數(shù)據(jù)的高通濾波器和放大器。
4
再一個(gè)目的是提供具有處理超過(guò)3. 0Gbps的多千兆比特?cái)?shù)據(jù)速度的能力以及具 有遠(yuǎn)高于10. OGHz的工作帶寬的高帶寬扭轉(zhuǎn)盒柔性帶。 這些和其他目的和優(yōu)點(diǎn)會(huì)從上述和行進(jìn)中的說(shuō)明書、附圖和所附權(quán)利要求中將變 得顯而易見(jiàn)。


圖1是對(duì)各種介電材料的損耗因數(shù)(縱坐標(biāo))相對(duì)于頻率(橫坐標(biāo))的圖示。
圖2是沒(méi)有預(yù)增強(qiáng)電路的扭轉(zhuǎn)盒柔性帶的輸出的眼圖(EYEDIAGRAM)。
圖3是具有預(yù)增強(qiáng)電路的改進(jìn)的扭轉(zhuǎn)盒柔性帶的眼圖。
圖4是具有預(yù)增強(qiáng)電路和均衡電路兩者的改進(jìn)的扭轉(zhuǎn)盒柔性帶的眼圖。
圖5是顯示具有SMPTE 424的差分驅(qū)動(dòng)信號(hào)的本發(fā)明實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)圖。
具體實(shí)施例方式
起初，應(yīng)該清楚地明白相似的參考編號(hào)旨在貫穿各附圖一貫地標(biāo)識(shí)相同的結(jié)構(gòu)元 件、部分或表面，因?yàn)檫@些元件、部分或表面可以由具體實(shí)施方式
作為其完整部分的整個(gè)說(shuō) 明書進(jìn)一步描述或解釋。除非另外指明，附圖旨在結(jié)合說(shuō)明書一起閱讀(例如交叉影線、部 件的排列、比例、程度等)，并且旨在被認(rèn)為是本發(fā)明的整個(gè)書面描述的一部分。如在以下描 述中所使用的，術(shù)語(yǔ)"水平的"、"垂直的"、"左"、"右"、"上"以及"下"以及其形容詞和副詞 派生詞(例如"水平地"、"向右地""向上地"等)僅是指當(dāng)特定附圖面對(duì)讀者時(shí)所示結(jié)構(gòu)的 定向。相似地，術(shù)語(yǔ)"在內(nèi)部"和"在外部"一般指相對(duì)于其伸長(zhǎng)軸或轉(zhuǎn)動(dòng)軸(視情況而定) 的表面的定向。 本發(fā)明通過(guò)使用低阻抗傳輸線以及具有電阻網(wǎng)絡(luò)和有源電子設(shè)備以提供增益、具 有預(yù)增強(qiáng)和可選地具有均衡以實(shí)現(xiàn)比迄今為止柔性帶可能達(dá)到帶寬的更高帶寬，解決了扭 轉(zhuǎn)盒柔性帶設(shè)計(jì)的問(wèn)題。 本發(fā)明通過(guò)使用傳輸預(yù)增強(qiáng)和可選地具有接收均衡電路來(lái)擴(kuò)展扭轉(zhuǎn)盒的帶寬。信 號(hào)預(yù)增強(qiáng)電路用于擴(kuò)展傳統(tǒng)傳輸線的帶寬。該技術(shù)補(bǔ)償了歸因于集膚效應(yīng)和介電損耗兩 者的高頻數(shù)字波形成分的衰減。見(jiàn)例如"Using Pre-Emphasis and Equalization with Stratix GX，，， White Paper, Altera Corp. ， San Jose， CA (2003).
預(yù)增強(qiáng)電路可以在比特的過(guò)渡時(shí)間期間添加額外的輸出電流。這趨向于加速 邊緣速率，并且也向驅(qū)動(dòng)器輸出處的信號(hào)提供了一比特的過(guò)沖量，同時(shí)獲得增加的諧 波能。這一經(jīng)修改的波形仍然由互連(傳輸線)負(fù)載，但是末端效應(yīng)現(xiàn)在是非常不同 且改進(jìn)的。見(jiàn)例如Goldie， J. ， "Eye Opening Enhancements Extend the Reach of High-Speedlnterfaces"，Nation Semiconductor Corp. ， Silicon Valley CA(2008)。)
圖2和3中所示的眼圖案描繪了約3Gbps數(shù)據(jù)速度下的沒(méi)有預(yù)增強(qiáng)(圖2)和使 用預(yù)增強(qiáng)(圖3)的扭轉(zhuǎn)盒，并將兩者加以比較。眼圖案從不可用的性能(圖2)到相當(dāng)好 的性能(圖3)。預(yù)增強(qiáng)一般在信號(hào)進(jìn)入扭轉(zhuǎn)盒的柔性電路區(qū)域之前執(zhí)行，并且預(yù)增強(qiáng)電子 元件可放置在輸入連接器處、外部互連中或位于扭轉(zhuǎn)盒內(nèi)部。 對(duì)信號(hào)完整性的額外改進(jìn)可以通過(guò)在扭轉(zhuǎn)盒信號(hào)輸出處使用均衡來(lái)實(shí)現(xiàn)。均衡用 作高通濾波器和放大器，以在數(shù)據(jù)離開(kāi)扭轉(zhuǎn)盒并進(jìn)入接收器電子元件之前補(bǔ)償數(shù)據(jù)的頻率相關(guān)損耗。如圖4所例示，該信號(hào)處理在以約3Gbps通過(guò)柔性帶時(shí)產(chǎn)生非常張開(kāi)的眼。均 衡電子元件也可放置在扭轉(zhuǎn)盒的內(nèi)部或外部。預(yù)增強(qiáng)和均衡的組合可以允許在比本領(lǐng)域約 1Gbps的當(dāng)前狀態(tài)高得多的數(shù)據(jù)率上使用扭轉(zhuǎn)盒組件。不存在使得這些技術(shù)不能將扭轉(zhuǎn)盒 的高頻性能擴(kuò)展到10Gbps或更高的內(nèi)在原因。 現(xiàn)在參考附圖，圖1是有關(guān)三種不同介電材料的損耗因數(shù)(縱坐標(biāo))相對(duì)于頻率 (橫坐標(biāo))的圖示。損耗因數(shù)是介電材料將所施加的電場(chǎng)轉(zhuǎn)換成熱能的程度的度量，即電介 質(zhì)內(nèi)損耗的度量。如圖1中所示，聚酰亞胺的損耗因數(shù)隨著頻率增大而增大，而LCP的損耗 因數(shù)隨著頻率的增大而略微減小，以及PTFE的損耗因數(shù)隨著頻率的增大基本保持不變。
圖2是不使用預(yù)增強(qiáng)電路的情況下數(shù)據(jù)以約3Gbps傳輸通過(guò)柔性帶的眼圖即電 壓(縱坐標(biāo))相對(duì)于時(shí)間(橫坐標(biāo))。 圖3是使用預(yù)增強(qiáng)電路的情況下數(shù)據(jù)以約3Gbps傳輸通過(guò)柔性帶的眼圖。
伴隨著預(yù)增強(qiáng)電路的增加和使用，扭轉(zhuǎn)盒從不可用(圖2)到相當(dāng)好的性能(圖 3)。預(yù)增強(qiáng)一般在信號(hào)進(jìn)入扭轉(zhuǎn)盒的柔性電路區(qū)域之前執(zhí)行，并且預(yù)增強(qiáng)電子元件可放置 在輸入連接器處、在外部互連中或位于扭轉(zhuǎn)盒內(nèi)部。 額外的改進(jìn)可以通過(guò)在扭轉(zhuǎn)盒信號(hào)輸出處增加均衡電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。均衡用作當(dāng)數(shù)據(jù) 離開(kāi)扭轉(zhuǎn)盒并進(jìn)入接收器電子元件之前數(shù)據(jù)的高通濾波器和放大器。如圖4所例示，該組 合在以約3Gbps通過(guò)柔性帶時(shí)產(chǎn)生張開(kāi)度很大的眼。均衡電子元件也可放置在扭轉(zhuǎn)盒的內(nèi) 部或外部。 圖5是改進(jìn)的扭轉(zhuǎn)盒的一個(gè)實(shí)施例的簡(jiǎn)圖，總體由IO指示。在這種情況下，約 3. 125Gbps的差分驅(qū)動(dòng)信號(hào)被提供給預(yù)增強(qiáng)電路ll，后者則包括LVDS驅(qū)動(dòng)器12和串聯(lián)端 接電阻器R1、R2。電路11的輸出被提供給柔性帶13的輸入端。在帶的輸出端，輸出信號(hào) 被提供給均衡電路14，后者則包括串聯(lián)端接電阻器R3、 R4和LVDS驅(qū)動(dòng)器15。
預(yù)增強(qiáng)和均衡電路的增加使得扭轉(zhuǎn)盒組件能夠在遠(yuǎn)高于被視為實(shí)踐上限的1Gbps 的數(shù)據(jù)率下使用。實(shí)際上，20GHz或以上量級(jí)的信號(hào)帶寬現(xiàn)在是可能的。
各種形式的這種預(yù)增強(qiáng)和均衡電路是可以購(gòu)買到的。
修改 本發(fā)明明確預(yù)期可以作出各種改變和修改。 例如，作為替換的介電材料可用于柔性電路設(shè)計(jì)。圖1示出了 LCP和PTFE兩者作 為改進(jìn)了高頻特性的介電材料。這些材料可用于遞增地改進(jìn)柔性電路的高頻帶寬(優(yōu)于聚 酰亞胺材料)，并能與上文解釋的預(yù)增強(qiáng)和均衡過(guò)程結(jié)合使用。 因此，雖然示出并描述了改進(jìn)的寬帶扭轉(zhuǎn)盒的優(yōu)選形式，并且對(duì)其若干修改進(jìn)行 了討論，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員將會(huì)容易理解可以作出各種其他的改變和修改而不背離由以 下權(quán)利要求定義和加以區(qū)分的本發(fā)明的精神。
權(quán)利要求
一種扭轉(zhuǎn)盒，包括；帶；以及操作上與所述帶相關(guān)聯(lián)的預(yù)增強(qiáng)電路，用于補(bǔ)償歸因于集膚效應(yīng)和/或介電損耗的高頻數(shù)字波形成分衰減；由此可以增加經(jīng)所述帶傳輸?shù)男盘?hào)的帶寬。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)盒，其中所述預(yù)增強(qiáng)電路在比特的過(guò)渡時(shí)間期間添加額 外的輸出電流。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)盒，其中所述預(yù)增強(qiáng)電路被安排在輸入連接器、外部互 連之一中，或者位于所述扭轉(zhuǎn)盒內(nèi)部。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)盒，還包括 所述帶輸出處的均衡電路。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的扭轉(zhuǎn)盒，其中所述均衡電路用作當(dāng)數(shù)據(jù)離開(kāi)所述帶時(shí)對(duì)所述 數(shù)據(jù)的高通濾波器和放大器。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)盒，其中所述帶能夠以超過(guò)1. 0Gbps的數(shù)據(jù)率傳輸數(shù)據(jù)流。
7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)盒，其中所述帶的帶寬超過(guò)10GHz。
8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的扭轉(zhuǎn)盒，其中所述帶提供可控的阻抗傳輸線。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的扭轉(zhuǎn)盒，其中所述帶的阻抗與傳輸線的阻抗匹配。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的扭轉(zhuǎn)盒，其中所述帶的阻抗被確定為隨著所述帶一端的匹 配電阻器的變化而變化。
全文摘要
一種扭轉(zhuǎn)盒(10)廣義地包括柔性帶(13)，以及操作上與所述帶相關(guān)聯(lián)的用于補(bǔ)償歸因于集膚效應(yīng)和/或介電損耗的高頻數(shù)字波形成分衰減的預(yù)增強(qiáng)電路(11)，由此可以增加經(jīng)所述帶傳輸?shù)男盘?hào)的工作帶寬。均衡電路(14)可被安排在所述帶的輸出端處，以便進(jìn)一步擴(kuò)展工作帶寬。
文檔編號(hào)H01R35/00GK101779345SQ200880012679
公開(kāi)日2010年7月14日 申請(qǐng)日期2008年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月18日
發(fā)明者D·S·科勒曼 申請(qǐng)人:莫戈公司