يُعدّ ناقل التسلسل العالمي (USB) من أكثر واجهات الاتصال تنوعًا في العالم. وقد طُوّر في الأصل من قِبل شركتي إنتل ومايكروسوفت، ويتميز بسهولة التوصيل والتشغيل. منذ إطلاق واجهة USB عام 1994، وبعد 26 عامًا من التطوير، مرورًا بإصدارات USB 1.0/1.1، وUSB 2.0، وUSB 3.x، وصولًا إلى USB 4 الحالي، ارتفعت سرعة نقل البيانات من 1.5 ميجابت في الثانية إلى 40 جيجابت في الثانية. حاليًا، لا تدعم الهواتف الذكية الحديثة واجهة Type-C فحسب، بل بدأت أيضًا أجهزة الكمبيوتر المحمولة والكاميرات الرقمية ومكبرات الصوت الذكية وبطاريات الشحن المحمولة وغيرها من الأجهزة في اعتماد واجهة USB Type-C، والتي دخلت بنجاح مجال السيارات. فبدلًا من USB-A، تحتوي سيارة تسلا موديل 3 الجديدة على منافذ USB-C، وقامت آبل بتحويل أجهزة ماك بوك وسماعات AirPods Pro بالكامل إلى منافذ USB Type-C لنقل البيانات والشحن. بالإضافة إلى ذلك، ووفقًا لمتطلبات الاتحاد الأوروبي، ستستخدم شركة آبل أيضًا واجهة USB من النوع C في هاتف iPhone 15 المستقبلي، ولا شك أن USB4 ستكون واجهة المنتج الرئيسية في السوق المستقبلية.
متطلبات كابلات USB4
يُعدّ إدخال مواصفات بروتوكول Thunderbolt، التي شاركتها إنتل مع واجهة USB-IF، أبرز تغيير في USB 4 الجديد. وبفضل تشغيله عبر وصلتين، تضاعفت سرعة نقل البيانات إلى 40 جيجابت في الثانية، كما يدعم بروتوكول Tunnelling العديد من بروتوكولات نقل البيانات والعرض، مثل PCI Express وDisplayPort. إضافةً إلى ذلك، يحافظ USB 4 على توافق جيد مع البروتوكول الأساسي الجديد، فهو متوافق مع الإصدارات السابقة USB 3.2 و3.1 و3.0 و2.0، وكذلك Thunderbolt 3. ونتيجةً لذلك، أصبح USB 4 معيار USB الأكثر تعقيدًا حتى الآن، مما يتطلب من المصممين فهم مواصفات USB 4 وUSB 3.2 وUSB 2.0 وUSB Type-C وUSB Power Delivery. كما يجب على المصممين فهم مواصفات PCI Express وDisplayPort، بالإضافة إلى تقنية حماية المحتوى عالي الوضوح (HDCP) المتوافقة مع وضع DisplayPort في USB 4، وتتطلب الكابلات والموصلات المألوفة لدينا متطلبات أعلى لتلبية متطلبات الأداء الكهربائي لمنتجات كابلات USB 4 النهائية.
ظهرت نسخة محورية من USB4 فجأة.
في عصر USB 3.1 بسرعة 10 جيجابت، اعتمد العديد من المصنّعين بنية الكابل المحوري لتلبية متطلبات الأداء عالي التردد. لم يُستخدم الكابل المحوري في سلسلة USB سابقًا، وكانت تطبيقاته تقتصر بشكل أساسي على أجهزة الكمبيوتر المحمولة، والهواتف المحمولة، وأجهزة تحديد المواقع GPS، وأجهزة القياس، وتقنية البلوتوث، وما إلى ذلك. تشمل التطبيقات الشائعة لهذا الكابل: الكابلات المحورية الطبية، والكابلات المحورية الإلكترونية المغطاة بالتفلون، والأسلاك المحورية للترددات الراديوية، وغيرها. مع متطلبات التحكم في تكلفة الإنتاج في السوق، سرعان ما استحوذت كابلات USB 3.1 على السوق لتلبية متطلبات الأداء. ولكن مع ظهور USB 4، أصبحت متطلبات نقل البيانات عالية التردد أكثر صرامة، ويحتاج نقل البيانات عالي السرعة إلى كابلات تتمتع بقدرة عالية على مقاومة التداخل واستقرار في الأداء الكهربائي. لضمان استقرار نقل البيانات عالي التردد، لا يزال USB 4 السائد حاليًا يعتمد على الكابل المحوري. تُعد عملية إنتاج وتصنيع الكابلات المحورية عملية معقدة، ويتطلب حل مشكلة تطبيقات التردد العالي والسرعة العالية معدات إنتاج مناسبة وعملية إنتاج ناضجة ومستقرة. في إنتاج المنتج، تلعب معايير اختيار المواد، ومعايير العملية، والتحكم في العملية، والمعايير الكهربائية للاختبارات المعملية المتخصصة دورًا رئيسيًا، طوال فترة تطوير الهيكل المحوري، بالإضافة إلى تكلفة المواد، وتكلفة المعالجة الباهظة، فإن جوانب أخرى جيدة، لكن تطوير السوق يدور دائمًا حول كيفية تحقيق أكبر سعر للدفعة، وظل إصدار الزوج الملتوي دائمًا في فجوة البحث والتطوير والاختراق في تطوير المحوري.
يتضح من بنية الكابل المحوري، من الداخل إلى الخارج، على التوالي: الموصل المركزي، طبقة العزل، الطبقة الموصلة الخارجية (شبكة معدنية)، غلاف السلك. يتكون الكابل المحوري من موصلين. يُستخدم السلك المركزي لنقل الإشارات. تؤدي شبكة الحماية المعدنية وظيفتين: الأولى هي توفير مسار التيار للإشارة كأرضية مشتركة، والثانية هي كبح تداخل الضوضاء الكهرومغناطيسية مع الإشارة كشبكة حماية. يفصل بين السلك المركزي وشبكة الحماية طبقة عزل من البولي بروبيلين شبه الرغوي، وتحدد طبقة العزل خصائص نقل البيانات في الكابل، كما أن حمايتها الفعالة للسلك الأوسط لها ما يبرر ارتفاع سعرها.
هل ستتوفر نسخة USB4 ذات الزوج المجدول؟
مع ازدياد تردد تشغيل الدوائر الإلكترونية، يصبح التحكم في الخصائص الكهربائية للمكونات الإلكترونية أكثر صعوبة. فعندما يتجاوز حجم المكون أو حجم الدائرة ككل طول موجة تردد التشغيل، أو قيمة الحث والسعة للدائرة، أو التأثيرات الطفيلية لخصائص المواد، وما إلى ذلك، حتى عند استخدام بنية أزواج الأسلاك، لا يمكن لاختبارات معايير التردد الأساسية تلبية متطلبات العملاء. ورغم مرونة هذه البنية مقارنةً بالبنية المحورية، إلا أن قطرها أكبر بكثير. فلماذا لا يمكن استخدام أزواج USB في الإنتاج بكميات كبيرة؟ بشكل عام، كلما زاد تردد استخدام الكابل، قصر طول موجة الإشارة، وصغرت مسافة التوصيل، مما يحسن من توازن الإشارة. مع ذلك، فإن صغر مسافة التوصيل بشكل مفرط يؤدي إلى انخفاض كفاءة الإنتاج وتلف السلك الأساسي المعزول. تتميز وصلة الخط المزدوج بصغرها الشديد، وكثرة التواءاتها، مما يؤدي إلى تركيز إجهاد الالتواء على المقطع بشكل كبير، وبالتالي تشوه وتلف طبقة العزل، مما يتسبب في النهاية في تشوه المجال الكهرومغناطيسي، ويؤثر على بعض المؤشرات الكهربائية مثل قيمة SRL والتوهين. عند وجود انحراف في العزل، تتغير المسافة بين الموصلات دوريًا نتيجة دوران خط العزل، مما يُحدث تذبذبًا دوريًا في المعاوقة. وتكون فترة هذا التذبذب طويلة نسبيًا. في نقل البيانات عالي التردد، يمكن رصد هذا التغير البطيء بواسطة الموجات الكهرومغناطيسية، مما يؤثر على قيمة فقد العودة. لا يمكن استخدام إصدار USB4 المزدوج في مجموعات.
ليس بالضرورة أن يكون الكابل موصولاً بالأرض، ولكن لا أحد يرغب في استخدام كابل محوري متين، لذلك بدأ الناس في البحث عن طرق مختلفة لحماية كابلات USB4. أكبر عيب هو سهولة التواء الموصل، والفرق بينه وبين الكابل المحوري المتوازي هو تجنب التواء الموصل. كما نعلم جميعًا، تُستخدم حاليًا تقنيات مثل SAS وSFP+ وغيرها في خطوط النقل عالية السرعة، مما يدل على أن أداءها يجب أن يكون أعلى من النسخة المجدولة. يتمثل الدور المهم لخطوط البيانات عالية التردد في نقل إشارات البيانات، ولكن عند استخدامها، قد تظهر أنواع مختلفة من التداخلات. لنفترض أن هذه التداخلات دخلت الموصل الداخلي لخط البيانات وتراكبت على الإشارة الأصلية المرسلة، فهل من الممكن أن تتداخل معها أو تغيرها، مما يتسبب في فقدان الإشارة أو حدوث مشاكل؟ يتمثل الاختلاف في طبقة رقائق الألومنيوم في نقل المعلومات إلينا، حيث تعمل كطبقة حماية وعزل، مما يقلل من تداخل الإشارات الخارجية المستقلة أثناء الإرسال. يُستخدم غلاف رقائق الألومنيوم، المصنوع من مادة أساسية في غلاف الكابل، لعزل الكابل وحمايته. يتم طلاء هذا الغلاف، أحاديًا أو ثنائيًا، بغشاء بلاستيكي، أو برقائق مركبة من نوع Lu:Su، تُستخدم كغلاف للكابل. يتطلب غلاف الكابل كمية أقل من الزيت على السطح، وخلوه من الثقوب، وامتلاكه خصائص ميكانيكية عالية. تتم عملية التغليف بتجميع سلكين معزولين وسلك أرضي معًا باستخدام آلة تغليف. في الوقت نفسه، تُستخدم طبقة من رقائق الألومنيوم وطبقة من شريط البوليستر ذاتي اللصق على الغلاف الخارجي لحماية زوج الأسلاك وتثبيت بنية الأسلاك الأساسية المغلفة. تؤثر هذه العملية بشكل كبير على خصائص السلك، بما في ذلك المعاوقة، وفرق التأخير، والتوهين. لذا، يجب إنتاج هذا الكابل بدقة متناهية وفقًا لمتطلبات التصنيع، وإجراء اختبارات على خصائصه الكهربائية، لضمان مطابقة السلك الأساسي المغلف للمتطلبات. بالطبع، لا تحتوي جميع خطوط البيانات على طبقتين من الحماية. بعضها يحتوي على طبقات متعددة، وبعضها على طبقة واحدة فقط، أو لا يحتوي على أي طبقة حماية على الإطلاق. التدريع عبارة عن حاجز معدني يفصل بين منطقتين مكانيتين للتحكم في انتقال الموجات الكهربائية والمغناطيسية والكهرومغناطيسية بينهما. وبالتحديد، يُحاط قلب الموصل بجسم واقٍ لمنعه من التأثر بالمجال الكهرومغناطيسي الخارجي/إشارة التداخل، ولمنع انتشار إشارة التداخل الكهرومغناطيسي. يمكن مقارنة اختبار إشارة التردد العالي للزوج التفاضلي USB باختبار الكابل المحوري، وسيتم طرح كابل USB4 للزوج التفاضلي قريبًا.
تاريخ النشر: 16 أغسطس 2022
