Highspeed-Datenübertragung Für hohe Signalintegrität: Material und Geometrie richtig auswählen

Von Martin Wimmers*

Die Industrie 4.0 ist auf eine High-Speed-Datenübertragung angewiesen, um eine Echtzeit-Kommunikation zwischen Maschinen und Anlagen zu ermöglichen. Jedoch müssen Ingenieure beim Design der Kabel-Steckverbinder-Baugruppen einige Besonderheiten beachten, um eine hohe Signalintegrität sicherzustellen.

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Die Fischer Minimax-Serie mit neun Kontakten ist ein Beispiel für einen Steckverbinder, der speziell für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung mit einem einzigen Protokoll (USB 3.2) entwickelt wurde.
Die Fischer Minimax-Serie mit neun Kontakten ist ein Beispiel für einen Steckverbinder, der speziell für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung mit einem einzigen Protokoll (USB 3.2) entwickelt wurde.
(Bild: Fischer Connectors)

Auch bei der Highspeed-Datenübertragung gilt der Grundsatz: Die Gesamtgeschwindigkeit eines Kommunikationssystems hängt von ihrer Architektur sowie den Spezifikationen von Sender und Empfänger ab. Nicht umsonst machen die Eigenschaften von Sender und Empfänger den Löwenanteil der USB 3.0-Spezifikationen aus. Schließlich kann jede einzelne Entscheidung beim Design einer Kabel-Steckverbinder-Baugruppe die Signalintegrität beeinflussen. Je höher die Signalfrequenz und je länger die Übertragungsstrecke, desto anfälliger wird die Verbindung für unerwünschte Effekte wie Einfügeverluste, Verzerrungen, Rauschen oder Übersprechen.

Besonders zu beachten ist beim Design von High-Speed-Verbindungstechnik daher zum einen die Komponentengeometrie, zum anderen die Abschirmung gegen elektromagnetische Interferenzen (EMI) sowie die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV). Einschlägige Normen behandeln bestimmte Parameter für die Kabel- und Steckermontage, welche die Datenübertragungsqualität beeinflussen.

Einfügedämpfung im Kabeldesign vermeiden

Die Einfügungsdämpfung, also der Energieverlust bei der Signalübertragung, ist ein Hauptproblem bei Kabelverbindungen. Der Messwert der Einfügungsdämpfung gibt an, wie der Widerstand der Kabelverbindung die Signalübertragung beeinflusst. Je höher die Signalfrequenzen, desto stärker auch der Widerstand – dies macht das Thema insbesondere bei High-Speed-Datenübertragungen mit ihren hohen Signalfrequenzen so brisant. Die häufigste Ursache für eine unzulässige Einfügedämpfung ist eine Überlänge des Kabels. Auch der fehlerhafte Anschluss von Steckverbindern kann eine Einfügedämpfung erzeugen.

Die Umgebungstemperatur ist ein weiterer Einflussfaktor, da sie das Verhalten der dielektrischen Materialien verändern kann. Deshalb ist PVC für Kabel, die unter hohen Temperaturen zuverlässig funktionieren sollen, nicht das Material der Wahl: Aufgrund seiner besonderen Molekülstruktur kann es ungünstige elektrische Effekte erzeugen.

Eine zentrale Bedeutung kommt der Materialwahl und der Geometrie zu.

Augen auf beim Impedanzverlauf

Bei Steckverbindern hingegen gelten Reflexionsverluste als die Achillesferse. Die kapazitiven und induktiven Eigenschaften eines Steckverbinders – und damit seine Impedanz – hängen zu einem großen Teil von der Größe, Anordnung und dem Durchmesser der Pins ab. Zudem kann sich die Impedanz entlang des Signalpfads auch verändern.

Links der gemessene TDR-Impedanzgang eines nicht optimierten Steckverbinders im Vergleich zu dem eines optimierten Steckverbinders rechts.
Links der gemessene TDR-Impedanzgang eines nicht optimierten Steckverbinders im Vergleich zu dem eines optimierten Steckverbinders rechts.
(Bild: Fischer Connectors)

Wenn sich die Eingangsimpedanz des Senders von der Eingangsimpedanz des Steckers unterscheidet, wird ein Teil der Eingangsenergie in Richtung des Senders reflektiert. Zudem kann ein Teil der nicht-reflektierten Energie aufgrund von metallischen oder dielektrischen Einflüssen in der Steckverbindung absorbiert werden.

Die Impedanz lässt sich senken, indem man entweder den kapazitiven Anteil erhöht oder den induktiven Anteil reduziert, beispielsweise durch dickere Signalpins. Umgekehrt lässt sich die Impedanz durch einen vergrößerten Abstand zwischen den einzelnen Pins erhöhen.

Nahübersprechen/ Fernübersprechen

Zwischen den Kanälen innerhalb eines Kabels kann es zu einer Feldkopplung kommen. Je nach Art der Beeinflussung spricht man von Nahübersprechen oder Fernübersprechen.

Als Nahübersprechen (engl. near end crosstalk, kurz: NEXT) wird das Störsignal bezeichnet, das auf der Senderseite (am „nahen Ende“) empfangen wird.

Das Fernübersprechen (engl.: far end crosstalk, kurz: FEXT) kommt als Störsignal auf der Empfängerseite an.

Um den Übersprechpegel zu minimieren, sind sowohl die Position der Stifte als auch die Zuordnung der Signale zum Stiftlayout entscheidend. In den Abbildungen werden zwei Überschneidungen mit unterschiedlichen Zuordnungen von Signalen im selben Steckverbinder verglichen.
Um den Übersprechpegel zu minimieren, sind sowohl die Position der Stifte als auch die Zuordnung der Signale zum Stiftlayout entscheidend. In den Abbildungen werden zwei Überschneidungen mit unterschiedlichen Zuordnungen von Signalen im selben Steckverbinder verglichen.
(Bild: Fischer Connectors)

Da sowohl das Originalsignal als auch das Störsignal durch die Leitung gedämpft werden, fällt der FEXT-Pegel geringer aus als der NEXT-Pegel. Massekanäle können als „Puffer“ den Einfluss der einzelnen Signalkanäle aufeinander und das daraus resultierende Übersprechen reduzieren.

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Eine Frage des Materials

Neben der Bandbreite und der Bitfehlerrate beeinflusst die Signallaufzeit, besser bekannt als Latenz, die Qualität einer Highspeed-Datenverbindung. Darunter versteht man die Zeit in Millisekunden, die ein Signal vom Sender bis zum Empfänger benötigt. Je weiter Sender und Empfänger voneinander weg sind, desto größer fällt die Latenz aus. Zudem hat das Material Einfluss auf die Geschwindigkeit der Signalausbreitung – man denke nur an Kupferkabel vs. Glasfaserkabel.

Grundsätzlich begünstigen Materialien mit einer hohen Leitfähigkeit die Signalübertragung bei einer Highspeed-Datenverbindung. Dabei spielt nicht nur der spezifische Widerstand des Materials eine Rolle, sondern auch seine kristalline Struktur. Je geordneter das Molekülgitter eines Materials, desto besser leitet es den elektrischen Strom. Silber, Kupfer und Gold weisen aufgrund ihrer Kristallstruktur eine besonders gute Leitfähigkeit auf.

Bei Highspeed-Steckverbindern wird der Strom jedoch nicht nur über die metallische Oberfläche der Pins übertragen, sondern auch über die Polarisierung des Dielektrikums. Die relative Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials (heutzutage besser bekannt als Permitivität) ist daher ein wichtiger Entscheidungsfaktor für die Materialwahl. Fluorpolymere gelten als gute Dielektrika, während von PVC als Isolationsmaterial insbesondere in High-Speed-Anwendungen eher abgeraten wird.

Nicht zuletzt haben die Materialwahl und die Steckergeometrie einen großen Einfluss auf die EMV. Wenn ein Störstrom in die Umgebung abgeleitet wird, bildet sich ein Magnetfeld, das die Signalübertragung beeinträchtigen kann. Abhilfe können mehrfach kontaktierte Schirmbleche am Steckverbinder schaffen, die den Stromfluss aufteilen.

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* Martin Wimmers, Geschäftsführer Fischer Connectors, Zorneding

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