Haben USB-Datenkabel (D+/D-) eine differentielle Impedanz von 90 Ohm und eine einseitige Impedanz von 45 Ohm gegen Masse, und wenn ja, wie wird diese hergestellt?

USB-Kabel erfordern etwas Feinmechanik. Es gibt strenge Anforderungen an den Wert der differentiellen Impedanz, die Qualität der Verbindungen und die Höhe der Verluste pro Kabel. Der Hochgeschwindigkeitsteil des USB-Kabels, selbst bei einer USB 2.0-Datenrate von 480 Mbit/s, besteht aus einem verdrillten Adernpaar, das alle in eine Abschirmung gewickelt ist. Dies macht es zu einem "biaxialen" Kabel. Das Kabel wird so gleichmäßig wie möglich hergestellt, indem eine gute Herstellungsdisziplin ausgeübt wird, die die Wellenreflexion/-streuung verringert, wenn sich Signalübergänge/-kanten entlang des Kanals ausbreiten.

Alle "komplexen Berechnungen" wurden jedoch vor fünfzig bis siebzig Jahren durchgeführt, und das Endergebnis ist ziemlich einfach.

Die charakteristische Impedanz eines verdrillten Drahts (oder planaren Wellenleiters oder Koaxialkabels) ist eine Funktion der Leitergeometrie und der Dielektrizitätskonstante des Isolators zwischen den Leitern. Um ein 90-Ohm-Differenzial herzustellen, werden zwei Drähte mit einem bestimmten Kerndurchmesser und einer bestimmten Isolatordicke miteinander verdrillt (mit einer bestimmten Anzahl von Drehungen pro Meter). Die Verdrillung stellt sicher, dass der Abstand zwischen den Drähten konstant bleibt, da dies ein wichtiger Parameter ist, der die Gleichmäßigkeit der Übertragungsleitung definiert. Aus dem gleichen Grund sollte auch die Isolationsdicke gut kontrolliert werden. Die Anzahl der Drehungen pro Längeneinheit ist ebenfalls wichtig, jedoch in geringerem Maße.

Nun definiert der Isolationsdurchmesser den Abstand zwischen zwei Signalleitern, und elektrische Eigenschaften dieser Geometrie wurden vor langer Zeit berechnet. Ein Hersteller von USB-Kabeln (ich meine Bulk-Kabel) weiß also, welchen Durchmesser er wählen muss, welche Art von Isolierung zu verwenden ist und wie er gedreht werden muss. Die endgültige Auswahl der Drahtparameter erfolgt durch Experimente, bei denen die Kabelqualität und -parameter mit speziellen Geräten gemessen werden. Danach geht das Rohkabel in die Produktion und wird an Kabelhersteller verkauft, die Teile davon an ein Paar USB-Anschlüsse löten und die Enden durch Druckguss einkapseln.

USB-Signalleitungen unterliegen also einer Sonderbehandlung.

Impedanzgesteuerte Kabel sind so konzipiert, dass sie die Datenraten, Impedanz und Toleranz erfüllen. Die Impedanzfehlanpassungstoleranz wird in Rückflussdämpfung, RL [dB] gemessen, die auch als s11 bezeichnet wird, einem von vier Streuparametern für Geräte mit zwei Anschlüssen.

HF-Impedanz für Koax. ist definiert durch das Verhältnis von Außenleiter zu Innenleiter faktorisiert durch die relative Dielektrizitätskonstante. Ähnliche komplexe Verhältnisse werden für Twisted Pair, Microstrip und Stripline verwendet. Diese Verhältnisse sind ziemlich konsistent und schließen die Skin-Effekte von Leitern ein.

Alle Kabellieferanten müssen diese geometrischen Designkriterien einhalten, und ihr Design wird auf Rückflussdämpfung getestet. Das bedeutet nicht, dass jeder Hersteller jedes Kabels in der Produktion auf diese Anforderungen getestet wird oder dass jedes Kabel mit ausgeklügelten Methoden konstruiert und verifiziert wurde, aber qualitativ hochwertige Kabel überprüfen meistens das Design und die Toleranzen für die Herstellbarkeit.

Wenn die Datenraten höher werden, kann das flexible Kabel für eine bessere Konsistenz steifer werden.

Wenn die Leiter dünner oder weiter voneinander entfernt werden und der Luftspalt zwischen den Isolierungen größer wird, steigt die Impedanz.

Die differentielle Signalimpedanz ist normalerweise die Summe jeder Eintaktimpedanz

Dieser hier verwendete Impedanzbegriff wird als "charakteristische Impedanz" bezeichnet, wobei die Länge des Kabels ungefähr >= 5 % der höchstfrequenten Wellenlänge im Signalspektrum beträgt.

Unterhalb dieser Frequenz ist die Kabelinduktivität oder -kapazität für transiente Ströme bzw. hochohmige Schaltungen von Bedeutung und natürlich der DC-Isolationswiderstand.