Univerzalno serijsko vodilo (USB) je verjetno eden najbolj vsestranskih vmesnikov na svetu. Prvotno sta ga razvila Intel in Microsoft, njegova funkcija pa je čim boljša možnost vklopa in uporabe med delovanjem. Od uvedbe vmesnika USB leta 1994, po 26 letih razvoja, se je prek USB 1.0/1.1, USB 2.0, USB 3.x končno razvil do sedanjega USB4; hitrost prenosa se je prav tako povečala z 1,5 Mbps na najnovejših 40 Gbps. Trenutno ne le novo predstavljeni pametni telefoni v osnovi podpirajo vmesnik Type-C, temveč tudi prenosni računalniki, digitalni fotoaparati, pametni zvočniki, mobilni napajalniki in druge naprave so začeli uporabljati vmesnik USB s specifikacijo TYPE-C, ki je bil uspešno uveden v avtomobilski industriji. Namesto USB-A ima Teslin novi Model 3 vrata USB-C, Apple pa je svoje MacBooke in AirPods Pro popolnoma pretvoril v čista vrata USB Type-C za prenos podatkov in polnjenje. Poleg tega bo Apple v skladu z zahtevami EU v prihodnjem iPhoneu 15 uporabljal tudi vmesnik USB tipa C in ni dvoma, da bo USB4 glavni vmesnik izdelka na prihodnjem trgu.
Zahteve za kable USB4
Največja sprememba v novem USB4 je uvedba specifikacije protokola Thunderbolt, ki jo je Intel delil z usb-if. Pri delovanju prek dvojnih povezav se pasovna širina podvoji na 40 Gbps, tuneliranje pa podpira več podatkovnih in prikaznih protokolov. Primeri vključujejo PCI Express in DisplayPort. Poleg tega USB4 ohranja dobro združljivost z uvedbo novega osnovnega protokola, saj je nazaj združljiv z USB 3.2/3.1/3.0/2.0, pa tudi s Thunderbolt 3. Posledično je USB4 postal najkompleksnejši standard USB doslej, ki od oblikovalcev zahteva razumevanje specifikacij USB4, USB 3.2, USB 2.0, USB Type-C in USB Power Delivery. Poleg tega morajo oblikovalci razumeti specifikacije PCI Express in DisplayPort, pa tudi tehnologijo zaščite vsebine visoke ločljivosti (HDCP), ki je združljiva z načinom USB4 DisplayPort, kabli in priključki, ki jih poznamo, pa imajo višje zahteve glede električnih zmogljivosti končnih izdelkov kablov USB4.
Koaksialna različica USB4 se je pojavila iznenada
V dobi USB3.1 10G so mnogi proizvajalci sprejeli koaksialno strukturo, da bi zadostili zahtevam glede visokofrekvenčne zmogljivosti. Koaksialna različica se prej ni uporabljala v seriji USB, njena uporaba pa je predvsem v prenosnikih, mobilnih telefonih, GPS-u, merilnih instrumentih, tehnologiji Bluetooth itd. Splošna uporaba kabla je medicinski koaksialni vodnik, teflonski koaksialni elektronski vodnik, radiofrekvenčni koaksialni kabel itd. Zaradi zahtev trga po nadzoru nad stroški v razsutem stanju je v dobi USB3.1 na trgu hitro zasedel trg sukani kabel, da bi zadostil zmogljivosti izdelka. Vendar pa je trg USB4 z vse strožjimi zahtevami glede visokofrekvenčnega prenosa, visokohitrostni prenos pa zahteva močno odpornost proti motnjam in električno stabilnost. Da bi zagotovili stabilnost visokofrekvenčnega prenosa, je trenutni mainstream USB4 še vedno glavna koaksialna različica. Proizvodnja koaksialnih kablov je zapleten postopek. Za rešitev visokofrekvenčnih in visokohitrostnih aplikacij je potrebna ustrezna proizvodna oprema ter zrel in stabilen proizvodni proces. Pri proizvodnji izdelka, izbiri materiala, procesnih parametrih in nadzoru procesa imajo ključno vlogo električni parametri specializiranih laboratorijskih testov. Med razvojem koaksialne strukture so poleg drugih (stroški materiala, dragi stroški obdelave) tudi drugi dobri dejavniki, vendar se razvoj trga vedno vrti okoli tega, kako doseči največjo ceno serije. Različica Pair of Twist je bila vedno v vrzeli med raziskavami in razvojem koaksialnih struktur ter prebojem.
Iz strukture koaksialnega kabla je razvidno, od znotraj navzven: osrednji vodnik, izolacijska plast, zunanja prevodna plast (kovinska mreža), žična obloga. Koaksialni kabel je kompozit, sestavljen iz dveh vodnikov. Osrednja žica koaksialnega kabla se uporablja za prenos signalov. Kovinska zaščitna mreža ima dve vlogi: ena je zagotavljanje tokovne zanke za signal kot skupna ozemljitev, druga pa je zatiranje motenj elektromagnetnega šuma v signalu kot zaščitna mreža. Osrednja žica in zaščitna mreža sta med izolacijsko plastjo iz polpenastega polipropilena, izolacijska plast pa določa prenosne lastnosti kabla in učinkovito ščiti srednjo žico, zato je drago.
Prihaja različica z zasukanim parom USB4?
Ker elektronska vezja delujejo na višjih frekvencah, je električne lastnosti elektronskih komponent težje obvladati. Ko je velikost komponente ali celotne velikosti vezja v primerjavi z valovno dolžino delovne frekvence večja od ena, vrednost induktivnosti vezja ali parazitski učinek lastnosti materiala komponent in tako naprej, tudi če uporabljamo strukturo parov žic, testiranje osnovnih frekvenčnih parametrov ne more izpolniti zahtev strank, saj je struktura fleksibilnejša od koaksialne različice in njen premer veliko večji. Zakaj ne morem uporabljati parov USB v serijah? Na splošno velja, da višja kot je frekvenca uporabe kabla, krajša kot je valovna dolžina signala in manjši kot je korak nagiba, boljši je učinek uravnoteženja. Vendar pa premajhen korak spajanja povzroči nizko proizvodno učinkovitost in zvijanje izolirane jedrne žice. Korak parov žic je zelo majhen, število torzij je veliko, torzijske napetosti na odseku pa so močno koncentrirane, kar povzroči resne deformacije in poškodbe izolacijske plasti ter končno povzroči popačenje elektromagnetnega polja, kar vpliva na nekatere električne kazalnike, kot sta vrednost SRL in slabljenje. Ko obstaja ekscentričnost izolacije, se razdalja med vodniki periodično spreminja zaradi vrtenja in sukanja izolacijske posamezne žice, kar povzroča periodično nihanje impedance. Obdobje nihanja je relativno dolgo. Pri visokofrekvenčnem prenosu lahko to počasno spremembo zaznajo elektromagnetni valovi in vplivajo na vrednost povratne izgube. Različice s parom USB4 ni mogoče uporabljati v serijah.
Ne gre za ozemljitev, ampak ne želim uporabljati koaksialnega kabla, zato so ljudje začeli preverjati razlike med načini zaščite USB4 in izdelave izdelka. Največja pomanjkljivost je enostavno zvijanje prevodnika, razlika pa je v primerjavi z vzporednim paketom neposredno za domačo nalogo, saj preprečuje zvijanje prevodnika. Kot vsi vemo, se trenutno uporabljajo SAS, SFP+ itd. v visokohitrostnih linijah. To je dovolj, da pokažemo, da mora biti njihova zmogljivost višja od nasedle različice. Pomembna vloga visokofrekvenčne podatkovne linije je prenos podatkovnih signalov, ko pa jo uporabljamo, se lahko pojavijo vse vrste motenj. Pomislimo, ali lahko ti signali motenj vstopijo v notranji prevodnik podatkovne linije in se nanesejo na prvotno preneseni signal, ali je mogoče motiti ali spremeniti prvotno preneseni signal, kar povzroči izgubo koristnega signala ali težave? Razlika med plastjo aluminijaste folije in prenosom informacij je v tem, da igra vlogo zaščite in ščita, ki se uporablja za zmanjšanje motenj zunanjih neodvisnih signalov pri prenosu. Glavni material embalaže in aluminijaste folije je tesnjenje in ščit iz aluminijaste folije, enostranski ali dvostranski premaz na plastični foliji, kompozitna folija lu: su, ki se uporablja kot ščit kabla. Kabelska folija zahteva manj olja na površini, nima lukenj in ima visoke mehanske lastnosti. Postopek ovijanja je združevanje dveh izoliranih jedrnih žic in ozemljitvenih žic s pomočjo ovijalnega stroja. Hkrati se na zunanji strani uporablja plast aluminijaste folije in plast samolepilnega poliestrskega traku za zaščito para žic in stabilizacijo strukture ovijanja jedrnih žic. Ta postopek pomembno vpliva na lastnosti žice, vključno z impedanco, razliko v zakasnitvi in slabljenjem, saj mora biti izdelan strogo v skladu z obrtniškimi zahtevami, zato se opravijo preizkusi električnih lastnosti, da se zagotovi skladnost ovijanja jedrne žice z zahtevami. Seveda nimajo vsi podatkovni vodi dveh slojev zaščite. Nekateri imajo več slojev, nekateri samo enega ali pa sploh nobenega. Zaščita je kovinska ločitev med dvema prostorskima območjema za nadzor indukcije in sevanja električnih, magnetnih in elektromagnetnih valov iz enega območja v drugo. Natančneje, jedro prevodnika je obdano z zaščitnim telesom, ki preprečuje vpliv zunanjega elektromagnetnega polja/motilnega signala nanj in preprečuje širjenje motilnega elektromagnetnega polja/signala navzven. Testiranje visokofrekvenčnega signala diferencialnega para USB je lahko primerljivo s testiranjem koaksialnega diferencialnega para USB4.
Čas objave: 16. avg. 2022
