De Universal Serial Bus (USB) is waarschijnlijk een van de meest veelzijdige interfaces ter wereld. Het werd oorspronkelijk ontwikkeld door Intel en Microsoft en kenmerkt zich door hot-plug-and-play-functionaliteit. Sinds de introductie van de USB-interface in 1994, en na 26 jaar ontwikkeling via USB 1.0/1.1, USB 2.0, USB 3.x, is uiteindelijk de huidige USB 4.0-standaard bereikt. De transmissiesnelheid is ook gestegen van 1,5 Mbps naar de huidige 40 Gbps. Tegenwoordig ondersteunen niet alleen de nieuwste smartphones de Type-C-interface, maar ook laptops, digitale camera's, slimme speakers, powerbanks en andere apparaten gebruiken de Type-C-specificatie voor USB. Deze is succesvol geïntroduceerd in de automobielsector. In plaats van USB-A heeft de nieuwe Tesla Model 3 USB-C-poorten, en Apple heeft zijn MacBooks en AirPods Pro volledig omgezet naar pure USB Type-C-poorten voor gegevensoverdracht en opladen. Bovendien zal Apple, conform de eisen van de EU, in de toekomstige iPhone 15 ook gebruikmaken van de USB Type-C-interface, en het lijdt geen twijfel dat USB4 de belangrijkste productinterface op de toekomstige markt zal worden.
Vereisten voor USB4-kabels
De grootste verandering in de nieuwe USB4 is de introductie van de Thunderbolt-protocolspecificatie, die Intel deelde met usb-if. Door gebruik te maken van dual links wordt de bandbreedte verdubbeld tot 40 Gbps, en tunneling ondersteunt meerdere data- en displayprotocollen. Voorbeelden hiervan zijn PCI Express en DisplayPort. Bovendien behoudt USB4 een goede compatibiliteit met de introductie van het nieuwe onderliggende protocol en is het achterwaarts compatibel met USB 3.2/3.1/3.0/2.0, evenals Thunderbolt 3. Hierdoor is USB4 de meest complexe USB-standaard tot nu toe geworden, waardoor ontwerpers de specificaties van USB4, USB 3.2, USB 2.0, USB Type-C en USB Power Delivery moeten begrijpen. Daarnaast moeten ontwerpers de specificaties van PCI Express en DisplayPort kennen, evenals de HDCP-technologie (High-Definition Content Protection) die compatibel is met de USB4 DisplayPort-modus. De kabels en connectoren die we kennen, stellen hogere eisen aan de elektrische prestaties van de uiteindelijke USB4-kabelproducten.
Er dook plotseling een coaxiale versie van USB4 op.
In het USB 3.1 10G-tijdperk kozen veel fabrikanten voor een coaxiale structuur om te voldoen aan de eisen voor hoge frequenties. De coaxiale versie werd voorheen niet toegepast in de USB-serie; de belangrijkste toepassingsgebieden waren notebooks, mobiele telefoons, GPS-apparaten, meetinstrumenten en Bluetooth-technologie. Voorbeelden van dergelijke kabels zijn medische coaxkabels, teflon coaxkabels voor elektronische toepassingen en radiofrequentie coaxkabels. Vanwege de toenemende vraag naar kostenbeheersing in de markt, veroverde de coaxiale versie in het USB 3.1-tijdperk snel de markt. Echter, met de steeds strengere eisen voor hoogfrequente transmissie in de USB 4-markt, waarbij kabels een sterke anti-interferentiecapaciteit en elektrische stabiliteit vereisen, is de coaxiale versie nog steeds de meest gangbare optie voor USB 4. De productie van coaxiale kabels is complex en vereist geschikte productieapparatuur en een volwassen en stabiel productieproces voor toepassingen met hoge frequenties en hoge snelheden. Bij de productie van het product spelen materiaalkeuze, procesparameters en procescontrole, evenals de elektrische parameters die door gespecialiseerde laboratoria worden getest, een cruciale rol. Gedurende de ontwikkeling van de coaxiale structuur is er een knelpunt geweest. Naast de hoge materiaal- en verwerkingskosten zijn andere factoren belangrijk, maar de marktontwikkeling draait altijd om het behalen van de hoogste batchprijs. De twisted pair-versie heeft zich altijd in een lastige positie bevonden op het gebied van onderzoek en ontwikkeling van coaxiale structuren, en heeft nog geen doorbraak bereikt.
De structuur van een coaxkabel is van binnen naar buiten als volgt opgebouwd: centrale geleider, isolatielaag, buitenste geleidende laag (metalen gaas) en draadmantel. Een coaxkabel is een samengestelde kabel met twee geleiders. De centrale draad van de coaxkabel wordt gebruikt voor signaaloverdracht. Het metalen afschermingsnet heeft twee functies: het dient als aarding voor de stroomkring en onderdrukt elektromagnetische interferentie. Tussen de centrale draad en het afschermingsnet bevindt zich een halfschuimende polypropyleen isolatielaag. Deze isolatielaag bepaalt de transmissie-eigenschappen van de kabel en beschermt de centrale draad effectief. De hoge kosten van deze isolatielaag verklaren waarom deze zo duur is.
Komt er een versie met getwiste USB4-kabels?
Naarmate elektronische circuits op hogere frequenties werken, worden de elektrische eigenschappen van elektronische componenten moeilijker te beheersen. Wanneer de componentgrootte of de totale circuitgrootte ten opzichte van de golflengte van de werkfrequentie groter is dan één, en de inductantie- en capaciteitswaarden van het circuit, of de parasitaire effecten van materiaaleigenschappen van componenten, enzovoort, zelfs bij gebruik van een draadpaarstructuur, voldoen de basisfrequentieparameters bij het testen niet aan de eisen van de klant. Bovendien is de structuur flexibeler dan de coaxiale versie en is de diameter veel groter. Waarom kan ik geen USB-draadpaar in batches gebruiken? Over het algemeen geldt dat hoe hoger de gebruiksfrequentie van de kabel, hoe korter de golflengte van het signaal en hoe kleiner de skew pitch, hoe beter het balanceringseffect. Een te kleine skew pitch leidt echter tot een lage productie-efficiëntie en vervorming van de geïsoleerde kerndraad. Bij een zeer kleine pitch van het draadpaar is er veel torsie en is de torsiespanning op het gedeelte sterk geconcentreerd, wat resulteert in ernstige vervorming en beschadiging van de isolatielaag en uiteindelijk in vervorming van het elektromagnetische veld, wat van invloed is op elektrische indicatoren zoals de SRL-waarde en demping. Wanneer er sprake is van isolatie-excentriciteit, verandert de afstand tussen de geleiders periodiek als gevolg van de rotatie en omwenteling van de isolerende enkeladerige kabel, wat leidt tot periodieke impedantieschommelingen. De periode van deze schommelingen is relatief lang. Bij hoogfrequente transmissie kan deze langzame verandering worden gedetecteerd door elektromagnetische golven en de retourverlieswaarde beïnvloeden. De USB4-paarversie is niet geschikt voor serieel gebruik.
Niet direct op de grond, maar ook geen risico's nemen met een coaxkabel, dus begonnen mensen verschillende afschermingsmethoden voor USB4-producten te onderzoeken. Het grootste nadeel was dat de geleider gemakkelijk verdraaid raakt. In tegenstelling tot parallelle pakketverbindingen, die direct op de kabel zijn aangesloten, wordt geleiderverdraaiing voorkomen. Zoals we allemaal weten, worden momenteel SAS, SFP+, enzovoort gebruikt in snelle datalijnen. Dit bewijst dat de prestaties hoger moeten zijn dan die van de gevlochten versie. Een belangrijke functie van hoogfrequente datalijnen is het verzenden van datasignalen, maar tijdens het gebruik kunnen er allerlei storende signalen ontstaan. Stel je voor dat deze storende signalen de binnenste geleider van de datalijn binnendringen en zich op het oorspronkelijke verzonden signaal stapelen. Kan dit het oorspronkelijke verzonden signaal verstoren of veranderen, waardoor er signaalverlies of andere problemen ontstaan? Het verschil met andere aluminiumfolielagen is dat ze informatie naar ons overbrengen en een beschermende en afschermende functie vervullen. Ze worden gebruikt om de interferentie van externe, onafhankelijke signalen tijdens de transmissie te verminderen. Het belangrijkste materiaal voor de kabelmantel en de aluminiumfolie wordt gebruikt voor afdichting en afscherming. Er wordt gebruik gemaakt van een enkelzijdige of dubbelzijdige coating op de plastic folie, of een composietfolie die als afscherming van de kabel dient. Kabelfolie vereist minder olie op het oppervlak, mag geen gaten bevatten en moet hoge mechanische eigenschappen hebben. Het wikkelproces bestaat uit het samenbrengen van twee geïsoleerde kerndraden en aarddraden met behulp van een wikkelmachine. Tegelijkertijd worden een laag aluminiumfolie en een laag zelfklevende polyestertape op de buitenste laag gebruikt om de draadparen af te schermen en de structuur van de gewikkelde kerndraden te stabiliseren. Dit proces heeft een belangrijke invloed op de draadeigenschappen, waaronder impedantie, vertragingsverschil en demping. Omdat dit strikt volgens de fabricage-eisen moet worden geproduceerd en elektrische eigenschappen moeten worden getest, moet worden gegarandeerd dat de gewikkelde kerndraden aan de eisen voldoen. Natuurlijk hebben niet alle datakabels twee afschermingslagen. Sommige hebben meerdere lagen, sommige slechts één laag of helemaal geen. Afscherming is een metalen scheiding tussen twee ruimtelijke gebieden om de inductie en straling van elektrische, magnetische en elektromagnetische golven van het ene gebied naar het andere te beheersen. Concreet wordt de geleiderkern omgeven door een afschermend lichaam om te voorkomen dat deze wordt beïnvloed door het externe elektromagnetische veld/interferentiesignaal, en om te voorkomen dat het interfererende elektromagnetische veld/signaal zich naar buiten verspreidt. USB differentiële paar hoogfrequente signaaltesten kunnen vergelijkbaar zijn met coaxiale testen; de differentiële paar USB4-kabel is in ontwikkeling.
Geplaatst op: 16 augustus 2022
