差動ペアUSB4ケーブル

USB（ユニバーサルシリアルバス）は、おそらく世界で最も汎用性の高いインターフェースの1つです。元々はIntelとMicrosoftによって開発され、可能な限りのホットプラグアンドプレイを特徴としています。1994年にUSBインターフェースが導入されて以来、26年間の開発を経て、USB 1.0/1.1、USB2.0、USB 3.xを経て、最終的に現在のUSB4に開発されました。伝送速度も1.5Mbpsから最新の40Gbpsに向上しました。現在、新しく発売されたスマートフォンは基本的にType-Cインターフェースをサポートしているだけでなく、ノートパソコン、デジタルカメラ、スマートスピーカー、モバイル電源などのデバイスもTYPE-C仕様のUSBインターフェースを採用し始めており、自動車分野への導入に成功しています。Teslaの新型Model 3にはUSB-Aの代わりにUSB-Cポートが搭載され、AppleはMacBookとAirPods Proのデータ転送と充電用の純粋なUSB Type-Cポートに完全に移行しました。さらに、EUの要求に応じて、Appleは将来のiPhone15でもUSB Type-Cインターフェースを採用する予定であり、将来の市場ではUSB4が主な製品インターフェースになることは間違いありません。

USB4ケーブルの要件

新しいUSB4の最大の変更点は、Intelがusb-ifと共有したThunderboltプロトコル仕様の導入です。デュアルリンクで実行することで、帯域幅は40Gbpsに倍増し、トンネリングは複数のデータおよび表示プロトコルをサポートします。例としては、PCI ExpressとDisplayPortがあります。さらに、USB4は新しい基盤プロトコルの導入と良好な互換性を維持し、USB3.2 / 3.1 / 3.0 / 2.0、およびThunderbolt 3との下位互換性があります。その結果、USB4は現在最も複雑なUSB規格となり、設計者はUSB4、USB3.2、USB2.0、USB Type-C、およびUSB Power Deliveryの仕様を理解する必要があります。さらに、設計者はPCI ExpressとDisplayPortの仕様、およびUSB4 DisplayPortモードと互換性のある高精細コンテンツ保護（HDCP）テクノロジを理解する必要があり、私たちが使い慣れたケーブルとコネクタには、USB4ケーブル完成品の電気的性能要件を満たすためのより高い要件があります。

USB4の同軸バージョンが突然現れた

USB3.1 10G時代には、多くのメーカーが高周波性能の要求を満たすために同軸構造を採用しました。同軸バージョンは以前のUSBシリーズには採用されていませんでしたが、その応用シナリオは主にノートパソコン、携帯電話、GPS、測定機器、Bluetooth技術などです。ケーブルの説明の一般的な用途は、医療用同軸線、テフロン同軸電子線、無線周波数同軸線などであり、市場の大量コスト管理の要件により、USB3.1時代には撚り合わせた製品の性能を満たすものが急速に市場を占領しましたが、USB4市場では高周波伝送の要件がますます厳しくなり、高速伝送には電線に強力な耐干渉能力と電気性能の安定性が求められました。高周波伝送の安定性を確保するために、現在主流のUSB4は依然として同軸バージョンが主流であり、同軸の生産と製造プロセスは複雑なプロセスであり、高周波および高速アプリケーションの問題を解決するには、適切な生産設備と成熟した安定した生産プロセスが必要です。製品の製造においては、材料の選択、プロセスパラメータとプロセス制御、専門的な実験室での電気的パラメータのテストなどが重要な役割を果たしており、同軸構造の開発全体にわたってボトルネックとなっているほか、（材料費、加工費が高額であるなど）他の問題もありますが、市場の発展は常に、いかにして最大のバッチ価格を実現するかということを中心に回っており、ツイストペアバージョンは常に同軸開発の研究開発と突破口となってきました。

同軸線の構造は、内側から外側に向かって、中心導体、絶縁層、外側導電層（金属メッシュ）、電線被覆の順に並んでいます。同軸ケーブルは、2本の導体で構成された複合材です。同軸ケーブルの中心線は信号を伝送するために使用されます。金属シールドネットは2つの役割を果たします。1つは共通グラウンドとして信号に電流ループを提供すること、もう1つはシールドネットとして信号への電磁ノイズの干渉を抑制することです。中心線とシールドネットの間には半発泡ポリプロピレン絶縁層が設けられています。この絶縁層がケーブルの伝送特性を決定し、中心線を効果的に保護するため、高価な理由があります。

USB4 ツイストペアバージョンは登場しますか?

電子回路が高周波で動作するにつれて、電子部品の電気特性の把握はますます困難になっています。部品サイズ、あるいは回路全体のサイズが動作周波数の波長に対して1より大きい場合、回路のインダクタンス・容量値、あるいは部品の材料特性の寄生効果などにより、たとえペア線構造を採用していたとしても、基本的な周波数パラメータ試験は顧客の要求を満たすことができず、同軸版よりも構造が柔軟で直径もはるかに大きいため、なぜペアUSBを一括で適用できないのでしょうか？一般的に、ケーブルの使用周波数が高いほど、信号の波長が短くなり、スキューピッチが小さいほど、バランス効果は向上します。しかし、接続ピッチが小さすぎると、生産効率が低下し、絶縁芯線のねじれが発生します。ペア線ピッチが非常に小さいため、ねじれ回数が多く、断面へのねじれ応力が著しく集中し、絶縁層に深刻な変形や損傷を引き起こし、最終的には電磁場の歪みを引き起こし、SRL値や減衰量などの電気指標に影響を与えます。絶縁偏芯がある場合、絶縁単線の回転・回転により導体間距離が周期的に変化し、インピーダンスの周期的な変動が生じます。変動周期は比較的長くなります。高周波伝送においては、この緩やかな変化が電磁波によって検知され、リターンロス値に影響を与える可能性があります。USB4ペアバージョンは一括での使用はできません。

地面には接続しませんが、同軸ケーブルは使用したくないため、人々は製品のUSB4シールド方法の違いを検証し始めました。最大の欠点は、導体がねじれやすいことです。また、並列パケットとの違いは、導体のねじれを避けることです。ご存知のとおり、現在高速回線ではSAS、SFP +などが使用されています。その性能は撚り線バージョンよりも高くなければならないことを示すのに十分です。高周波データ回線の重要な役割はデータ信号を送信することですが、使用するとさまざまな厄介な干渉情報が発生する可能性があります。これらの干渉信号がデータ回線の内部導体に入り、元の送信信号に重なり合う場合、元の送信信号を干渉または変更して、有用な信号損失または問題を引き起こす可能性があるかどうかを考えてみましょう。アルミ箔層の違いは、情報伝達において保護とシールドの役割を果たし、外部からの独立信号による伝送干渉を低減するために使用されます。主なパッケージ素材であるアルミ箔は、プラスチックフィルムに片面または両面コーティングを施したアルミ箔シーリングとシールドに使用されます。この複合箔はケーブルのシールドとして使用されます。ケーブル箔は表面の油分が少なく、穴がなく、優れた機械的特性を備えています。ラッピング工程は、2本の絶縁芯線とアース線をラッピング機でまとめる工程です。同時に、外被にアルミ箔層と粘着性ポリエステルテープ層を使用することで、ペア線をシールドし、ラッピングされた芯線の構造を安定化させます。この工程は、インピーダンス、遅延差、減衰量などの配線特性に重要な影響を与えます。これは、厳格な技術要件に基づいて製造され、電気特性試験を実施して、ラッピングされた芯線が要件を満たしていることを確認する必要があるためです。もちろん、すべてのデータラインが2層シールドを備えているわけではありません。複数の層を持つものもあれば、1層だけのもの、あるいは全くシールドされていないものもあります。シールドとは、2つの空間領域を金属で分離し、一方の領域から他方の領域への電気、磁気、電磁波の誘導と放射を制御することです。具体的には、導体コアをシールド体で囲むことで、外部の電磁場／干渉信号による影響を防ぎ、干渉電磁場／信号が外部に拡散するのを防ぎます。USB差動ペアの高周波信号テストは、同軸ケーブルや差動ペアUSB4ケーブルに匹敵します。