Übertragungsstrecke HighSpeed

Ziel der Datenübertragung ist es, dass der Empfänger den Sender problemlos verstehen kann. (Bild: ept)

Kurzgesagt: Steckverbinder und die Highspeed-Datenübertragung

Die fortschreitende Digitalisierung in allen Branchen, wie dem Industrial Internet of Things, Industrie 4.0, Smart Grid sowie Smart Home erfordert eine Highspeed-Datenübertragung vom Sensor bis zur Cloud. Eine äußerst wichtige Aufgabe von Steckverbindern der neuesten Generation ist es, Störungen zu minimieren und das Kontaktdesign der Stecker perfekt darauf abzustimmen.

Bei der Highspeed-Datenübertragung müssen Signale mit bis zu 20 Gbit/s und mehr zuverlässig übertragen werden und eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen. Denn natürlich dürfen diese Datenübertragungen nicht gestört, verfälscht oder gar verhindert werden, weshalb der EMV-Schutz immer mehr an Bedeutung zunimmt. Die fortschreitende Miniaturisierung bei den elektrischen Geräten erschwert auch das Bestehen der verpflichtenden EMV-Prüfungen der europäischen Richtlinie, da sensible Bauteile wie Störsenken durch Störquellen immer näher im Gerät aneinander platziert werden müssen. Ziel der Datenübertragung ist es, dass der Empfänger den Sender problemlos verstehen kann.

Dies wird umso schwieriger, je hochfrequenter das Signal ist. Ein Steckverbinder ist in der Übertragung immer als Störung anzusehen. Das Ziel bei der Entwicklung von neuen Highspeed-Steckverbindern besteht darin, diese Störungen innerhalb der Übertragungsstrecke zu minimieren.

Die Qualität der Datenübertragung ist von folgenden drei Kriterien abhängig

Impedanzverlauf: Der Impedanzverlauf eines Steckverbinders ist von besonderer Bedeutung. Sobald sich die Impedanz im Übertragungsweg des Signals verändert, entstehen Reflexionen. Diese reduzieren die Effizienz der Datenübertragung. Schon eine Material- oder Geometrieänderung kann eine Schwankung der Impedanz verursachen. Ein Steckverbinder ist aufgrund seiner Geometrie ein ungleichmäßiger Abschnitt der Signalleitung.

Insertion Loss/Einfügedämpfung: Der Insertion Loss gibt die Abschwächung des Signals durch den Steckverbinder als Verhältnis von durchgelassenem zu einfallendem Signal wieder. Die Einfügedämpfung hilft bei der Bewertung, ob ein Signal über den gesamten Übertragungsweg hinweg vom Empfänger eindeutig identifiziert werden kann. Zieht man als Kriterium für die Datenrate für das Produkt Zero8 einen typischen Wert der Einfügedämpfung von -3 dB heran, ergibt sich bei 8 GHz eine Übertragungsgeschwindigkeit von 16 Gbit/s. Eine Einfügedämpfung von -3 dB entspricht einem Signalverlust von 30 Prozent bzw. einem Leistungsverlust von 50 Prozent.

Übersprechen: Als Übersprechen wird die unerwünschte Beeinflussung eines Signals durch ein Signal auf einer anderen Leitung bezeichnet. Es wird je nach Art der Beeinflussung in Nah- und Fernübersprechen unterschieden. Die Stärke des Übersprechens hängt maßgeblich von der Signal (S)- und Massebelegung (G) ab. Massekanäle zwischen Signalkanälen verringern deren Einfluss aufeinander.

Beim Nahübersprechen (NEXT) wird das Signal gemessen, das von einem auf das andere Paar eingekoppelt wird. Höhere Frequenzen üben eine größere Störung auf das beeinflusste Paar aus. Ein betragsmäßig hoher dB-Wert steht für eine hohe Dämpfung des Übersprechens. Es wird also nur ein geringer Einfluss im gestörten Paar gemessen. zehn Prozent des Signals sprechen bei einem Wert von -20 dB über, bei einem Wert von -40 dB nur noch ein Prozent.

Beim Fernübersprechen (FEXT) wird der Einfluss eines benachbarten Paares am Ende der Übertragungsstrecke betrachtet. Der Einfluss ist geringer als beim NEXT, weil das Signal durch die Dämpfung entlang der Leitung geringer wird.

Diagramm NEXT/FEXT Zero8
Diagramm NEXT / FEXT Zero8: Beim Fernübersprechen (FEXT) ist der Einfluss geringer als beim NEXT, weil das Signal durch die Dämpfung entlang der Leitung geringer wird. (Bild: ept)

Elektromagnetische Verträglichkeit als zentrale Herausforderung

Elektromagnetische Verträglichkeit bedeutet die Fähigkeit eines technischen Gerätes, nicht durch ungewollte elektrische oder elektromagnetische Effekte gestört zu werden oder andere zu stören. EMV ist wie das Übersprechen zu betrachten, jedoch nicht innerhalb der einzelnen Signalpfade im Stecker, sondern als externe Störquelle.

Hochfrequente Signale sind sehr empfindlich gegen elektromagnetische Störungen. Bereits ein kleiner Impuls kann das Nutzsignal verfälschen.

Highspeed-Übertragung mit externer Störquelle
Die Highspeed-Übertragungsstrecke mit einer externen Störquelle. (Bild: ept)

Elektromagnetische Störungen lassen sich bei Steckverbindern durch ein Schirmkonzept reduzieren. Ein Steckverbinder kann eine Störsenke, aber auch eine Störquelle darstellen und andere Komponenten elektromagnetisch beeinflussen. Aus diesem Grund kann als elektrischer Kennwert das Übersprechen für Steckverbinder nur bedingt verwendet werden.

Als elektrische Kenngröße dient hier die Koppelinduktivität LK (Einheit Henry). Mit diesem Kennwert kann der Steckverbinder als Störquelle oder als Störsenke simuliert werden.

Bei der Simulation wurden sowohl bei der ungeschirmten als auch der geschirmten Ausführung die Boardlocks und die äußeren Signalkontakte auf Massepotential gelegt. Anhand der farblichen Verläufe und den Koppelinduktivitätswerten lässt sich die Wirkung des Schirmkonzeptes deutlich erkennen.

Durch den Einsatz von geschirmten Steckverbindern können Störquellen und Störsenken auf der Leiterplatte näher zueinander positioniert werden.

Mögliche Senke und Quelle auf der Leiterplatte

ICs, Prozessoren, Antennen, Steckverbinder

Mögliche Quellen auf der Leiterplatte

Frequenz-Umrichter, Netzteile & Transformatoren, Antriebe, Lüfter und Pumpen, Relais, Kondensatoren

Zudem können durch den Einsatz von geschirmten Steckverbindern höhere Leistungsklassen bei der EMV-Prüfung des elektrischen Gerätes bei den vorgeschriebenen Burst & Surge-Prüfungen erreicht werden.

Die beiden Einflussfaktoren bei der Steckverbinder-Entwicklung

HighSpeed: Den größten Einfluss hat das Kontaktdesign. Dabei gilt es, Querschnittsveränderungen des Kontaktmaterials zu vermeiden und Material mit hoher Leitfähigkeit zu verwenden. Auch die Dielektrizitätskonstante des Kunststoffmaterials hat Einfluss auf die Signal-Übertragung.

EMV: Voraussetzung ist es, Material mit hoher Leitfähigkeit zu verwenden. Die Anzahl der Kontaktpunkte ist für die elektromagnetische Verträglichkeit eines Steckverbinders entscheidend.

Der induzierte Störstrom im Schirm des Steckverbinders, der sicher abgeleitet werden soll, erzeugt wiederum ein Magnetfeld das die Signalkontakte beeinflussen kann.

Magnetfeld
Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Leiter. (Bild: ept)

Je höher der Strom, desto stärker das Magnetfeld. Durch eine multiple Kontaktierung des Schirmbleches wird der Stromfluss aufgeteilt und das Magnetfeld somit reduziert. Die Signalkontakte des Steckverbinders Zero8 weisen ein Raster von 0,8 mm auf. Die Schirmkontakte sind im Raster von 1,6 mm zueinander angeordnet.

Schirmkonzept Steckverbinder
Schirmkonzept des Steckverbinders Zero8. (Bild: ept)

Quintessenz ist die Betrachtung von HF und EMV

Für eine sichere Datenübertragung müssen die Parameter der HF-Übertragung und EMV betrachtet werden. Das Unternehmen ept bietet für Simulationszwecke:

HF Simulationen: S-Parameter

EMV Simulationen: Koppelinduktivität Parameter innerhalb des Steckverbinders

Die Produktfamilie ept Zero8 für anspruchsvolle Industrieanwendungen

Die Produktfamilie Zero8 von ept ist speziell für anspruchsvolle Industrieanwendungen entwickelt worden und bietet dabei höchste Skalierbarkeit: Die Entwickler können Bauformen, Stapelhöhe und Polzahlen individuell auf ihre Anforderungen anpassen. Socket und Plug gibt es aktuell in der Bauform mid-profile sowie low-profile und wird es zukünftig auch als high-profile und gewinkelte Version geben. Durch die verschiedenen Bauhöhen können mit Zero8-Steckverbindern Leiterplattenabstände von 6,00 bis 21,00 mm realisiert werden - die Polzahlen können zwischen 12 bis 80 variabel angefordert werden.

Auch bei der Schirmung haben Hardware-Entwickler die Wahl. Der Entwickler kann entscheiden, ob er beide Seiten des Steckerpaares mit oder ohne Schirmung haben möchte, oder nur eine Seite mit Schirmung. Alle Zero8-Stecker sind untereinander steckkompatibel und frei kombinierbar, egal ob mit oder ohne Schirmung.

ScaleX-Anschlusstechnologie

Die robuste, doppelseitige ScaleX-Anschlusstechnologie ist ausgelegt für die schwierigen Bedingungen von industriellen Anwendungen und gewährleistet eine sichere Kontaktierung bei mechanischer Belastung wie Schock und Vibration. Außerdem kompensiert sie geräteseitige Toleranzen im gesteckten Zustand in alle Richtungen. Durch die EMV-Schirmung werden die Signale im industriellen Umfeld sehr gut vor äußeren Einflüssen geschützt und die materielle Beschaffenheit garantiert eine Datenübertragungsrate von bis zu 16 Gbit/s. Die Steckergeometrie wurde so konzipiert, dass die Kontakte auch bei fehlerhafter Bedienung nicht zerstört werden können. (neu)

Weiterführende Informationen zum in diesem Artikel erwähnten Produkten finden Sie hier.

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