[发明专利]补偿导电线路

说明书

技术领域

本发明设计一种导电线路，适用于传输电流(例如交流电(AC)或直流电(DC))，脉冲或通讯信号(例如声音或数据传输信号)。更具体而言，本发明设计一种构成补偿导电线路的特殊电线，能够减少由导线中的趋肤效应导致脉冲和交流信号的信号失真。

背景技术

通过电线和电缆传输交流信号中所涉及的现象是本发明的关键因素，下面进行简要的说明。

从电磁理论中可以知道在一个带无限导率的理想导线中，电流传导至导线表面，而导线内的电磁场基本为零。因为现实世界的任何导线都不理想，带有限导率，所以围绕导线的外部电磁(EM)场的一部分通过其表面传导至导线，在传导过程中以指数方式衰减，并将其能量转化为热能。渗透导线的电磁场的这一部分(以下称为“失磁”)感应导线中的电流(以下称为“损耗电流”)，导线内这种“损耗电流”的密度与“失磁”强度成正比，在靠近导线表面时最大，朝导线内部衰减。这种现象通常称为“趋肤效应”。“失磁”波被导线内部的系数1/e削减的深度称为“趋肤深度”。“失磁”的传播速度和“趋肤深度”取决于电磁波的频率和导线的电磁特性，是麦克斯韦方程的直接结果。信号频率越高，趋肤深度和波传播速度就越低。导线内电磁波的传播速度比绝缘体或真空中要低得多。

假如我们长时间对导线应用正弦电压信号，这样围绕导线的外部电磁场和导线内部的“失磁”达到“稳定状态”。在这种情况中，在导线的负载端没有信号形状失真。

现在假设应用的信号突然取消，在周围绝缘体中的外部电磁场也迅速取消，因为其传播速度很高。由于传播速度低得多，因此导线内部的“失磁”在信号取消后衰减一段时间，“失磁”感应的“损耗电流”也是如此，所以代表某些“能量储存”或导线“记忆”。另外，“失磁”和“损耗电流”的电磁波在导线内经历相移。可轻易显示在趋肤深度的“失磁”波的相位改变了1弧度——这是一个不容忽视的数字。因此，应用信号的一小部分(外部电磁波)和感应的电流“被记忆”并在导线内部衰减。根据试验和测量，这种导线“记忆”具有电容性。这种“记忆”在信号传输线中产生一种信号形状和相位失真。尽管失真程度很小，尤其是在低频率时很小，但对较高的频率和复杂的多频率或脉冲信号而言，或要求很高的信号传输精度时，例如在高速数据传输线、医疗系统、高品质音频/视频系统等中，则具有重大意义。

已知技术试图降低电线中的趋肤效应，以便维持信号完整性、最低的电损耗和失真。现有技术具体包括表面积增加的几何形状导线，包括带排列好的实心和金属丝导线的电缆，各层导率不同的多层导线，刺激电流通过导率更高的层，为类似目的在导线中使用顺磁材料等等。其它现有技术方法包括定时抗偏移方法，包括用于记录和存储偏移信息的储存，和用于产生和使用纠正的调节。这些方法用于控制趋肤效应本身或趋肤效应的结果。这些方法的问题在于因为“损耗电流”对信号频率的复杂依赖性、导线几何、线路特性阻抗、信号源和负载阻抗，所以很难有效统一控制宽频率范围中的趋肤效应。

2002年11月26日颁布给Disch的6,486,750号美国专利公布了一种电信号相位补偿器，有至少两根导线和一根接地线。2002年11月5日颁布给Otsuka等人的6.476,330号美国专利公布了一种布线衬底，拥有一种适用于传输高频率的信号布线。上述专利均没有使用本文中将描述的无端接补偿导线。

众所周知在信号传输线技术中，在无端接导线中，导线的开(非连接/无端接)端全反射出电磁波。因此形成一种驻波，使用同样的符号反射电场波(电压)，使用颠倒符号反射磁场波(电流)。尽管由于符号颠倒，在无端接导线中的电流在其开端有效取消，但从开端的一段距离中其仍然存在，作为直接电流与反射电流之间的差异。无端接导线中从其开端的电流值取决于电磁波的强度和频率以及从导线开端开始的距离，并与sin(·^*z/lambda)成正比，其中z是从导线开端开始的距离，lambda是波长。

经过试验和计算确定无端接导线中感应的从其开端开始的距离中的电流特性类似于端接导线中的“损耗电流”，但符号相反，电流波从无端接导线的开端反射，符号颠倒。因此，如果我们将端接导线与无端接导线连接，那么无端接导线中的电流将补偿端接导线中的“损耗电流”。

与现有技术相比，本发明中采用一种完全不同的更有效的方法，直接补偿趋肤效应导致的信号传输错误，而不是管理趋肤效应本身。具体而言，主电线(将电流从信号源传输的负载的导线)中“失磁”导致的电“损耗电流”得到额外无端接“补偿”导线中感应的极性相反的类似电流(“补偿电流”)的补偿，无端接导线的一端连接主导线，另一端不连接。下面将具体描述。

发明内容