差分對USB4線纜來啦?

用串行總線（Universal Serial Bus，簡稱USB）可能是這個世界上通用的接口之一，它初是由英特爾與微軟倡導(dǎo)發(fā)起，特點(diǎn)是盡可能實(shí)現(xiàn)熱插拔和即插即用。USB接口自1994年推出以來，經(jīng)過26年的發(fā)展，經(jīng)過USB 1.0/1.1、USB2.0、USB 3.x，發(fā)展到了現(xiàn)在的USB4；傳輸速率也從開始的1.5Mbps，大幅提高到了40Gbps；目前不僅新推出的智能手機(jī)基本上都支持Type-C接口了，還有筆記本電腦、數(shù)碼相機(jī)、智能音箱、移動電源等等設(shè)備也都開始采用Type-C規(guī)格的USB接口了，到如今的汽車領(lǐng)域也成功導(dǎo)入，取代 USB-A,特斯拉新型 Model 3 也是采用 USB-C 端口，另外蘋果也已經(jīng)完全將旗下的MacBook，AirPods Pro改為了純USB Type-C接口來讓用戶傳輸數(shù)據(jù)或充電。而且根據(jù)歐盟的要求，蘋果將會在未來的iPhone15上也采用USB Type-C接口，USB4將是未來市場主要產(chǎn)品接口是無須質(zhì)疑。

USB4線纜產(chǎn)品的要求

新的USB4的改變是引入了英特爾此前分享給USB-IF的Thunderbolt雷電協(xié)議規(guī)范，通過雙鏈路運(yùn)行，傳輸帶寬又翻了一番，達(dá)到了40Gbps，而且可通過隧道（Tunnelling）傳輸技術(shù)支持多種數(shù)據(jù)和顯示協(xié)議，例如PCI Express和DisplayPort。此外，USB4在引入新的底層協(xié)議的同時，仍然保持了良好的兼容性，可向下兼容USB3.2/3.1/3.0/2.0，以及雷電3。也正是如此，USB4成為了迄今為止復(fù)雜的USB標(biāo)準(zhǔn)，從而要求設(shè)計(jì)者必須要了解USB4、USB3.2、USB2.0、USB Type-C和USB Power Delivery技術(shù)規(guī)范。此外，設(shè)計(jì)者還必須了解PCI Express和DisplayPort規(guī)范，以及與USB4 DisplayPort模式 適配的高清內(nèi)容保護(hù)（HDCP）技術(shù)，而我們熟之的線纜和連接器都提出了更高的要求才能滿足USB4線纜成品電氣性能的需求。

同軸版本USB4橫空出世

在USB3.1 10G時代，就有眾多廠商采用同軸結(jié)構(gòu)來滿足高頻性能的要求， 同軸版本在沒有應(yīng)用在USB系列之前，其應(yīng)用場景主要為Notebook，移動電話，GPS，量測儀器，藍(lán)牙技術(shù)等，一般應(yīng)用的線纜描述為，醫(yī)療同軸線，鐵氟龍同軸電子線，無線射頻同軸線材等，隨著市場批量成本的控制要求，在USB3.1時代對絞線滿足性能的產(chǎn)品迅速占領(lǐng)市場，但隨著USB4市場對高頻傳輸?shù)囊笤絹碓节呌趪?yán)謹(jǐn)，而高速傳輸需要線材擁有極強(qiáng)的抗干擾能力及電氣性能穩(wěn)定性，為了保證高頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性,其目前主流的USB4仍然是同軸版本為主，同軸的生產(chǎn)制造工藝是一個復(fù)雜的過程，解決高頻高速應(yīng)用需要有合適的生產(chǎn)設(shè)備及成熟穩(wěn)定的生產(chǎn)工藝。在生產(chǎn)高速產(chǎn)品時，材料選擇，工藝參數(shù)和過程控制，電氣參數(shù)的專門的實(shí)驗(yàn)室檢測都發(fā)揮關(guān)鍵作用，縱觀同軸結(jié)構(gòu)的發(fā)展瓶頸，除了貴（材料成本貴，加工成本貴）其它都很好，但市場的發(fā)展永遠(yuǎn)圍繞著如何實(shí)現(xiàn)批量時候的性價比，對絞版本始終在同軸發(fā)展的間隙里面研發(fā)和突破。

從同軸線的結(jié)構(gòu)中可看到，從內(nèi)到外分別為：中心導(dǎo)線、絕緣層、外層導(dǎo)電層（金屬網(wǎng)）、線材外皮。同軸電纜是一種由兩個導(dǎo)體組成的合成物，同軸電纜的中心導(dǎo)線用于傳輸信號，金屬屏蔽網(wǎng)起了兩個作用：一是作為信號的公共地線為信號提供電流回路，二是作為信號的屏蔽網(wǎng)，抑制電磁噪音對信號的干擾。中心導(dǎo)線與屏蔽網(wǎng)介于半發(fā)泡的聚丙烯絕緣層之間，絕緣層決定了電纜的傳輸特性，而且有效保護(hù)了中間的導(dǎo)線，貴有貴的道理。

USB4對絞版本來了？

當(dāng)電子電路的操作頻率愈來愈高，電子組件的電氣特性就愈難掌握。當(dāng)組件尺寸或整體電路尺寸與操作頻率所對應(yīng)的波長相比大于一比十時，線路的電感電容值，或是組件的寄生效應(yīng)甚至材料特性等，我們在用對絞線結(jié)構(gòu)的時候，基本高頻參數(shù)測試是根本無法滿足客戶的要求，而且其外徑和柔軟度比同軸版本結(jié)構(gòu)相差甚遠(yuǎn)，為何USB采用對絞版本的無法批量應(yīng)用？通常情況下，電纜的使用頻率越高，信號的波長就越短，絞對節(jié)距越小時平衡效果才好。但過小的絞合節(jié)距又會帶來生產(chǎn)效率低和絕緣芯線扭傷的問題；線對節(jié)距很小，扭轉(zhuǎn)的次數(shù)很多，截面上的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力集中嚴(yán)重，造成絕緣層的嚴(yán)重變形和損傷，終造成電磁場的畸變，影響一些電氣指標(biāo)如SRL值、衰減。當(dāng)絕緣偏心存在時，由于絕緣單線的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)造成導(dǎo)體間的距離周期性變化帶來阻抗的周期性波動，波動周期比較長，在高頻傳輸時這種緩慢變化能被電磁波覺察，影響回?fù)p值。USB4對絞版本無法批量使用。

差分對USB4版本來了

不用對絞，但又不想用死貴的同軸，于是開始有人開始驗(yàn)證差分屏蔽方式來做USB4產(chǎn)品，對絞的缺點(diǎn)就是容易扭傷芯線，而差分對就直接用平行包帶進(jìn)行作業(yè)，避免芯線扭傷，我們都知道，目前采用差分對的有SAS，SFP+等高速線都在應(yīng)用， 足以說明其性能一定高于對絞線版本，高頻數(shù)據(jù)線的一個重要作用是傳輸數(shù)據(jù)信號，但我們在使用時周圍卻可能出現(xiàn)各種雜亂的干擾信息。我們想一想假如這些干擾信號進(jìn)入數(shù)據(jù)線的內(nèi)層導(dǎo)體，疊加到本來傳輸?shù)男盘柹?，是不是有可能干擾或改變原來傳輸?shù)男盘枺瑥亩斐捎杏眯盘枔p耗或出現(xiàn)問題？而差分對的鋁箔層則對我們要傳輸?shù)男畔⑵鹬雷o(hù)和屏蔽的作用，用來減少外界無關(guān)信號對傳輸信號的干擾，主要的包帶材料鋁箔麥拉是利用鋁箔的密閉性和屏蔽性，單面或雙面涂敷上塑膜后，構(gòu)成的鋁塑復(fù)合箔，用作電纜的護(hù)罩。電纜箔要求表面帶油量少，無孔洞，具有較高的力學(xué)性能，包帶的過程就是通過繞包機(jī)就是將2根絕緣芯線及地線在一起，同時在外面包上一層鋁箔拉和一層自粘聚酯帶，用于屏蔽線對及穩(wěn)定繞包芯線結(jié)構(gòu)。此過程對線材性能有著重要影響，包括阻抗、延時差、衰減等，因此必須嚴(yán)格按工藝要求生產(chǎn)，并對電性能進(jìn)行測試，以確保繞包芯線是符合要求的。當(dāng)然并不是所有的數(shù)據(jù)線都有兩層屏蔽，有些有多個屏蔽層，有的只有一層，或者甚至沒有。屏蔽是對兩個空間區(qū)域之間進(jìn)行金屬的隔離，以控制電場、磁場和電磁波由一個區(qū)域?qū)α硪粋€區(qū)域的感應(yīng)和輻射。具體講，就是用屏蔽體將導(dǎo)體線芯包圍起來，防止他們受到外界電磁場/干擾信號的影響，同時也能阻止線內(nèi)的干擾電磁場/信號向外擴(kuò)散。USB差分對的高頻訊號測試可以和同軸想媲美，差分對USB4線纜來啦。