זוג דיפרנציאלי של כבלי USB4

USB (Universal Serial Bus) הוא כנראה אחד הממשקים הרב-תכליתיים ביותר בעולם. הוא יזם במקור אינטל ומיקרוסופט והוא כולל חיבור והפעלה מהירים ככל האפשר. מאז הצגת ממשק ה-USB בשנת 1994, לאחר 26 שנות פיתוח, דרך USB 1.0/1.1, USB2.0, USB 3.x, התפתח לבסוף ל-USB4 הנוכחי; קצב השידור עלה גם הוא מ-1.5Mbps ל-40Gbps העדכני ביותר. כיום, לא רק הטלפונים החכמים שהושקו לאחרונה תומכים בעיקר בממשק Type-C, אלא גם מחשבים ניידים, מצלמות דיגיטליות, רמקולים חכמים, ספקי כוח ניידים ומכשירים אחרים החלו לאמץ ממשק USB בעל מפרט TYPE-C, שהוצג בהצלחה בתחום הרכב. במקום USB-A, למודל 3 החדש של טסלה יש יציאות USB-C, ואפל המירה לחלוטין את המקבוקים וה-AirPods Pro שלה ליציאות USB Type-C טהורות להעברת נתונים וטעינה. בנוסף, על פי דרישות האיחוד האירופי, אפל תשתמש גם בממשק USB type-C באייפון 15 העתידי, ואין ספק ש-USB4 יהיה ממשק המוצר העיקרי בשוק העתידי.

דרישות לכבלים USB4

השינוי הגדול ביותר ב-USB4 החדש הוא הצגת מפרט פרוטוקול Thunderbolt שאינטל שיתפה עם usb-if. כשהוא פועל על גבי קישורים כפולים, רוחב הפס הוכפל ל-40Gbps, ו-Tunneling תומך בפרוטוקולי נתונים ותצוגה מרובים. דוגמאות לכך כוללות PCI Express ו-DisplayPort. בנוסף, USB4 שומר על תאימות טובה עם הצגת הפרוטוקול הבסיסי החדש, והוא תואם לאחור עם USB3.2/3.1/3.0/2.0, כמו גם Thunderbolt 3. כתוצאה מכך, USB4 הפך לתקן ה-USB המורכב ביותר עד כה, ודורש ממתכננים להבין את מפרטי USB4, USB3.2, USB2.0, USB Type-C ו-USB Power Delivery. בנוסף, מתכננים חייבים להבין את מפרטי PCI Express ו-DisplayPort, כמו גם את טכנולוגיית HIGH-DEFINITION content Protection (HDCP) התואמת למצב USB4 DisplayPort, ולכבלים ולמחברים שאנו מכירים יש דרישות גבוהות יותר כדי לעמוד בדרישות הביצועים החשמליים של מוצרי כבל USB4 המוגמרים.

גרסה קואקסיאלית של USB4 צצה משום מקום

בעידן USB3.1 10G, יצרנים רבים אימצו מבנה קואקסיאלי כדי לעמוד בדרישות ביצועי התדר הגבוה. גרסת הקואקסיאלית לא יושמה בעבר בסדרת USB, ותרחישי היישום שלה הם בעיקר מחשבים ניידים, טלפונים ניידים, GPS, מכשירי מדידה, טכנולוגיית Bluetooth וכו'. יישומים כלליים של כבלים הם קו קואקסיאלי רפואי, קו קואקסיאלי אלקטרוני טפלון, חוט קואקסיאלי בתדר רדיו וכו', עם דרישות בקרת עלויות בשוק, בעידן USB3.1 של גדילה כדי לעמוד בביצועי המוצר כובש במהירות את השוק, אך עם דרישות שידור בתדר גבוה של שוק USB4 מחמירות יותר ויותר, ושידור במהירות גבוהה דורש חוט בעל יכולת חזקה נגד הפרעות ויציבות ביצועים חשמליים. על מנת להבטיח את יציבות השידור בתדר גבוה, USB4 המיינסטרים הנוכחי הוא עדיין גרסת הקואקסיאלית העיקרית, תהליך הייצור והייצור הקואקסיאלי הוא תהליך מורכב, כדי לפתור את יישומים בתדר גבוה ומהירות גבוהה נדרש ציוד ייצור מתאים ותהליך ייצור בוגר ויציב. בייצור המוצר, בחירת החומרים, פרמטרי התהליך ובקרת התהליך, לפרמטרים החשמליים של בדיקות מעבדה מיוחדות יש תפקיד מפתח. לאורך כל פיתוח המבנה הקואקסיאלי, צוואר הבקבוק של המבנה הוא תקין. בנוסף, עלות החומר ועלות העיבוד (יקרות) היא טובה, אך פיתוח השוק תמיד סובב סביב האופן שבו ניתן להשיג את מחיר האצווה הגדול ביותר. גרסת זוג טוויסט תמיד הייתה בפער של מחקר ופיתוח קואקסיאליים ופריצת דרך.

ניתן לראות זאת ממבנה הקו הקואקסיאלי, מבפנים החוצה, בהתאמה: מוליך מרכזי, שכבת בידוד, שכבת מוליכה חיצונית (רשת מתכת), מעטפת חוט. כבל קואקסיאלי הוא חומר מרוכב המורכב משני מוליכים. החוט המרכזי של כבל קואקסיאלי משמש להעברת אותות. רשת המיגון המתכתית ממלאת שני תפקידים: האחד הוא לספק את לולאת הזרם לאות כקרקע משותפת, והשני הוא לדכא את הפרעות הרעש האלקטרומגנטי לאות כרשת מיגון. בין החוט המרכזי לרשת המיגון נמצאת שכבת בידוד פוליפרופילן חצי-קצפת, שכבת הבידוד קובעת את מאפייני ההעברה של הכבל, ומגנה ביעילות על החוט האמצעי, מסיבות יקרות.

גרסת USB4 זוג מעוות מגיעה?

ככל שמעגלים אלקטרוניים פועלים בתדרים גבוהים יותר, המאפיינים החשמליים של רכיבים אלקטרוניים הופכים קשים יותר לשליטה. כאשר גודל הרכיב או גודל המעגל כולו בהשוואה לאורך הגל של תדר הפעולה גדול מאחד, ערך הקיבול של ההשראות במעגל, או ההשפעה הטפילית של תכונות החומר של הרכיבים וכן הלאה, אפילו כאשר השתמשנו במבנה זוג חוטים, בדיקות פרמטרי התדר הבסיסיים אינן יכולות לעמוד בדרישות הלקוחות, והן גמישות יותר מהגרסה הקואקסיאלית של המבנה וקוטרו גדול יותר. מדוע איני יכול להשתמש בזוג חוטים בקבוצות? באופן כללי, ככל שתדירות השימוש בכבלים גבוהה יותר, כך אורך הגל של האות קצר יותר, וככל שגובה ההטיה קטן יותר, כך אפקט האיזון טוב יותר. עם זאת, גובה שחבור קטן מדי יביא ליעילות ייצור נמוכה ולנקע של חוט הליבה המבודד. גובה הגובה של זוג החוטים קטן מאוד, מספר הפיתולים רב, ומאמץ הפיתול על החתך מרוכז באופן משמעותי, מה שגורם לעיוות ונזק חמורים לשכבת הבידוד, ולבסוף לעיוות של השדה האלקטרומגנטי, המשפיע על כמה אינדיקטורים חשמליים כגון ערך SRL והנחתה. כאשר קיימת אקסצנטריות בבידוד, המרחק בין המוליכים משתנה מעת לעת עקב סיבוב וסיבוב של קו מבודד יחיד, מה שגורם לתנודות תקופתיות בעכבה. תקופת התנודה ארוכה יחסית. בשידור בתדר גבוה, שינוי איטי זה יכול להתגלות על ידי גלים אלקטרומגנטיים ולהשפיע על ערך אובדן ההחזרה. לא ניתן להשתמש בגרסת זוג USB4 בקבוצות.

לא לקרקע, אבל לא רוצים להשתמש בקואקסיאלי המוות שלך, אז אנשים התחילו לבדוק את ההבדלים בדרכי המיגון של USB4 לייצר את המוצר. החיסרון הגדול ביותר של סחיטה הוא קלות של סבוב במוליך, וההבדל עם חבילת נתונים מקבילית ישירות לשיעורי בית, כדי למנוע נקע במוליך. כידוע, כיום משתמשים ב-SAS, SFP + וכו' בהבדל בקווים במהירות גבוהה. מספיק כדי להראות שהביצועים שלו חייבים להיות גבוהים יותר מהגרסה התקודה. תפקיד חשוב של קווי נתונים בתדר גבוה הוא להעביר אותות נתונים, אך כאשר אנו משתמשים בהם, עלולים להופיע כל מיני מידע הפרעות מבולגן. בואו נחשוב אם אותות ההפרעה הללו חודרים למוליך הפנימי של קו הנתונים ומונחים על האות המקורי ששודר, האם ניתן להפריע או לשנות את האות המקורי ששודר, ובכך לגרום לאובדן אות שימושי או לבעיות? ההבדל בין שכבת נייר האלומיניום הוא בהעברת מידע אלינו, תפקידה הוא כמגן ומגן, המשמש להפחתת הפרעות של אותות חיצוניים עצמאיים לשידור. חומר חגורת האלומיניום העיקרי הוא איטום ומגן של נייר אלומיניום, ציפוי חד-צדדי או דו-צדדי על סרט הפלסטיק, רדיד אלומיניום מרוכב המשמש כמגן של הכבל. נייר הכבל דורש פחות שמן על פני השטח, ללא חורים ותכונות מכניות גבוהות. תהליך העיטוף הוא איסוף שני חוטי ליבה מבודדים וחוטי הארקה יחד באמצעות מכונת עיטוף. במקביל, שכבת נייר אלומיניום ושכבת סרט פוליאסטר דביק על הלחם החיצוני משמשות כדי להגן על זוג החוטים ולייצב את מבנה חוטי הליבה. לתהליך זה יש השפעה חשובה על תכונות החוט, כולל עכבה, הפרש השהייה והנחתה, מכיוון שנדרש ייצור זה בהתאם לדרישות הייצור בלבד, ובדיקות לתכונות החשמליות יבצעו כדי להבטיח שעטיפת חוט הליבה תואמת את הדרישות. כמובן, לא לכל קווי הנתונים יש שתי שכבות של מיגון. לחלקן יש שכבות מרובות, לחלקן רק שכבה אחת, או בכלל לא. מיגון הוא הפרדה מתכתית בין שני אזורים מרחביים כדי לשלוט באינדוקציה ובקרינה של גלים חשמליים, מגנטיים ואלקטרומגנטיים מאזור אחד למשנהו. ליתר דיוק, ליבת המוליך מוקפת בגוף מיגון כדי למנוע מהם להיות מושפעים משדה אלקטרומגנטי חיצוני/אות הפרעה, ולמנוע מהשדה/אות האלקטרומגנטי של ההפרעה להתפשט החוצה. בדיקת אותות בתדר גבוה של זוג דיפרנציאלי USB יכולה להיות דומה לכבל קואקסיאלי וזוג דיפרנציאלי של USB4.