EP Basics: Highspeed-Design Grundlagen der Highspeed-Verbindungstechnik

Von Martin Wimmers *

Die Highspeed-Datenübertragung bildet das Fundament für IoT-Anwendungen in der Smart Factory – und erfordert eine besonders leistungsstarke Verbindungstechnik. Wie sieht das Design von Kabel-Steckverbinder-Baugruppen für hohen Datenraten und lange Übertragungsstrecken aus?

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Highspeed-Datenübertragung: Die hohen Bitraten und langen Übertragungsstrecken stellen besondere Anforderungen an das Design von Kabel-Steckverbinder-Baugruppen. Eine besondere Rolle kommt der Materialwahl sowie der Komponentengeometrie zu.
Highspeed-Datenübertragung: Die hohen Bitraten und langen Übertragungsstrecken stellen besondere Anforderungen an das Design von Kabel-Steckverbinder-Baugruppen. Eine besondere Rolle kommt der Materialwahl sowie der Komponentengeometrie zu.
(Bild: Fischer Connectors)

Qualität und Geschwindigkeit einer Datenverbindung hängen von vielen Faktoren ab, nicht zuletzt von der Leistung des Senders und des Empfängers, wie sie beispielsweise in den USB 3.0-Spezifikationen definiert sind. Die grundsätzliche Besonderheit von Highspeed-Datenverbindungen liegt jedoch in der maximal geforderten Frequenz (fmax), die relativ zum Übertragungsweg sehr hoch ist.

Genau dieser Umstand macht das Design von Highspeed-Verbindungstechnik so anspruchsvoll. Aufgrund der hohen Signalfrequenz können an der Verbindungsstelle zwischen dem Datensender und dem Steckverbinder besondere physikalische Effekte auftreten, die beim Design von Kabel-Steckverbinder-Baugruppen beachtet werden müssen.

Konkret wird die Datenverbindung mit steigenden Bitraten, Signalfrequenzen und wachsenden Übertragungsstrecken anfälliger für Einfüge- und Reflexionsverluste sowie Nah- und Fernübersprechen. Somit können auch kleinste Abweichungen beim Design von Kabel-Steckverbinder-Baugruppen die Signalintegrität beeinflussen.

Was beeinflusst Reflexion und Einfügedämpfung?

Einschlägige Normen behandeln bestimmte Parameter für die Kabel- und Steckermontage und geben Hinweise für ein gelungenes Highspeed-Design.

Reflexionsverluste sind das Hauptproblem, das bei Steckverbindern die Signalintegrität beeinflusst. Sie hängen unmittelbar mit der Impedanz zusammen: Wenn sich die Eingangsimpedanz des Senders von der Eingangsimpedanz des Empfängers unterscheidet, wird die Eingangsenergie teilweise in Richtung des Senders reflektiert.

Der Teil der Energie, die nicht reflektiert wurde, kann durch metallische oder dielektrische Einflüsse im Steckverbinder gedämpft werden. Denn die kapazitiven und induktiven Eigenschaften eines Steckverbinders – und damit seine Impedanz – werden von der Größe, Anordnung und Form der Pins bestimmt.

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Zudem kann sich die Impedanz entlang des Signalpfads auch verändern. Die Impedanz lässt sich erhöhen, indem man mehr Platz zwischen den einzelnen Pins schafft. Sie wird gesenkt, indem man entweder den kapazitiven Anteil erhöht oder den induktiven Anteil reduziert, beispielsweise durch dickere Signalpins.

Reflexionsverluste und Einfügedämpfung – was hat es damit auf sich?

Während Reflexionsverluste als Achillesferse bei Steckverbindern gelten, ist die Einfügedämpfung bei Kabelverbindungen problematisch. Der Messwert der Einfügedämpfung gibt den Einfluss des Widerstands auf die Signalübertragung an. Mit steigenden Signalfrequenzen steigt auch der Widerstand – deshalb sind High-Speed-Datenübertragungen mit ihren hohen Signalfrequenzen besonders betroffen.

Die häufigste Ursache für eine unzulässige Einfügedämpfung ist eine Überlänge des Kabels. Auch der fehlerhafte Anschluss von Steckverbindern kann eine hohe Einfügedämpfung erzeugen. Zudem können hohe Umgebungstemperaturen das Verhalten der dielektrischen Materialien beeinflussen.

Aus diesem Grund ist etwa PVC nicht das Material der Wahl für Kabel, die bei hohen Temperaturen zuverlässig funktionieren sollen. Aufgrund seiner besonderen Molekülstruktur erzeugt der Kunststoff PVC ungünstige elektrische Effekte.

Zwischen den Kanälen innerhalb eines Kabels kann es zu einer Feldkopplung kommen, je nach Ursprungsort entweder Nah­übersprechen oder Fernübersprechen genannt. Als Nahübersprechen (engl. near end crosstalk, kurz: NEXT) wird das Störsignal bezeichnet, das auf der Senderseite (am „nahen Ende“) empfangen wird.

Latenz, Nahübersprechen und Fernübersprechen

Das Fernübersprechen (engl.: far end cross­talk, kurz: FEXT) kommt als Störsignal auf der Empfängerseite an. Da sowohl das Originalsignal als auch das Störsignal durch die Leitung gedämpft werden, fällt der FEXT-Pegel geringer aus als der NEXT-Pegel.

Neben der Bitfehlerrate und der Bandbreite gehört die Latenz, also die Signallaufzeit, zu den wichtigsten Qualitätsindikatoren 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 entfernt sind, desto größer fällt die Latenz aus. Zudem hat das Material Einfluss auf die Geschwindigkeit der Signalausbreitung. Ein gängiges Beispiel ist dabei der Geschwindigkeitsvorteil von Glasfaserkabeln im Vergleich zu traditionellen Kupferkabeln.

Werkstoffwahl: Nicht nur die Leitfähigkeit zählt

Grundsätzlich begünstigen Werkstoffe mit einer hohen Leitfähigkeit die Signalübertragung bei einer Highspeed-Datenverbindung. Dabei spielt nicht nur der spezifische Widerstand des Werkstoffs eine Rolle, sondern auch die Struktur seines Molekülgitters.

Aufgrund ihrer geordneten Kristallstruktur gelten beispielsweise insbesondere die Metalle Silber, Kupfer und Gold als besonders gute Leiter. 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 Isolators (besser bekannt als Permittivität) ist daher ein wichtiger Auswahlfaktor für das Material. Fluorpolymere gelten als gute Dielektrika, während von PVC als Isolationsmaterial insbesondere in Highspeed-Anwendungen eher abgeraten wird.

EMV: Günstige Werkstoffe und Geometrien

Nicht zuletzt haben die Materialwahl und die Steckergeometrie einen großen Einfluss auf die elektromagnetische Verträglichkeit (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.

Zusammenfassend lässt sich feststellen: 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 der Werkstoff. Aber auch klassische Themen der Verbindungstechnik wie die Abschirmung gegen elektromagnetische Interferenzen (EMI) sowie die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) dürfen nicht außer Acht gelassen werden.

* Martin Wimmers ist Geschäftsführer bei Fischer Connectors Germany in Zorneding.

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