Die Highspeed-Datenübertragung – das Rückgrat von IoT und Industrie 4.0 – steht und fällt mit einer leistungsstarken und zuverlässigen Verbindungstechnik. Denn gerade bei hohen Bitraten können ungünstige Phänomene wie Rauschen, Verzerrungen sowie Einfügeverluste (Insertion Loss) die Signalübertragung beeinträchtigen, insbesondere bei einem Transport über lange Strecken. Jedes Design muss daher mechanisch, elektrisch sowie hinsichtlich der EMI- und EMV-Abschirmung optimiert werden.

Qualität und Geschwindigkeit einer Verbindung hängen von vielen Faktoren ab, nicht zuletzt von der Leistung des Senders und des Empfängers. Nicht umsonst machen die Spezifikationen von Sender und Empfänger einen Löwenanteil der USB-3.0-Spezifikationen aus. Grundsätzlich gilt: Höhere Datenübertragungsgeschwindigkeiten erfordern höhere Signalfrequenzen. Aufgrund dieser höheren Frequenzen treten an der Verbindungsstelle zwischen dem Datensender und dem Steckverbinder besondere physikalische Phänomene auf, die bei Designs für niedrigere Übertragungsgeschwindigkeiten nicht berücksichtigt werden müssen.

Eine Frage der Geometrie

Bei Highspeed-Datenverbindungen ist die maximal geforderte Frequenz (fmax) eines Signals im Verhältnis zu der Entfernung, die es zurücklegen muss, sehr hoch. Zudem wird der Strom von der einen auf die andere Seite des Steckverbinders nicht nur über die metallische Oberfläche der Pins übertragen, sondern auch über die Polarisierung des Dielektrikums. Entsprechend können sich Ingenieure beim Design von Highspeed-Verbindungstechnik nicht allein auf die Gleichstrom-Leitfähigkeit metallischer Oberflächen beschränken, sondern müssen auch den Einfluss der dielektrischen Materialien berücksichtigen.

Hauptursache für Signalverluste bei Kabeln ist die Einfügungsdämpfung, also der Energieverlust bei der Signalübertragung über eine Kabelverbindung. Bei Steckverbindern sind hingegen Reflexionsverluste die zentrale Sorge: Unterscheidet sich die Eingangsimpedanz des Senders von der Eingangsimpedanz des Steckers, wird ein Teil der Eingangsenergie in Richtung des Senders reflektiert. Ein Teil der verbleibenden Energie geht aufgrund metallischer oder dielektrischer Verluste in der Steckverbindung verloren, der ‚Rest‘ erreicht die andere Seite, also den Empfänger. Material sowie Geometrie haben unmittelbare Auswirkungen auf die Impedanz.

Spezifikationen der Bitübertragungsschicht

Das OSI-Referenzmodell unterscheidet bei der Datenkommunikation sieben aufeinander aufbauende Schichten:

• Bitübertragungsschicht (Physical Layer)
• Sicherungsschicht (Data Link Layer)
• Vermittlungsschicht (Network Layer)
• Transportschicht (Transport Layer)
• Sitzungsschicht (Session Layer)
• Darstellungsschicht (Presentation Layer)
• Anwendungsschicht (Application Layer)

Die Gesamtgeschwindigkeit eines Kommunikationssystems auf der Datenübertragungsschicht hängt von deren Architektur sowie den Spezifikationen von Sender und Empfänger ab. Die Sicherungsschicht über der Bitübertragungsschicht ist dafür zuständig, etwaige Bitfehler zu erkennen und gegebenenfalls zu korrigieren.

Der gemessene TDR-Impedanzgang eines nicht optimierten Steckverbinders (links) im Vergleich zu dem eines optimierten Steckverbinders (rechts).

© Fischer Connectors

Normalerweise wird in der Bitübertragungsschicht eine Gesamt-Bitfehlerrate (BER) von 1e-12 toleriert. Um die geforderte BER zu erreichen, geben Normen bestimmte Parameter für die Kabel- und Steckermontage vor, die Einfluss auf die Qualität der Datenübertragung haben. Dazu gehören unter anderem:

• Impedanzverlauf: in der Regel gemessen mit einem Vector Network Analyzer (VNA) oder einem Time-Domain-Reflectrometry-Gerät (TDR) und ausgedrückt als Verhältnis von V/I oder E/H
• Leistungsverzögerung: Latenzzeit der Signalausbreitung
• Einfüge- und Rückflussdämpfung: Dämpfung und Fehlanpassung
• Koppelinduktivität (LK): ermöglicht die Modellierung von Steckverbindern sowohl als Störquelle oder aber Störsenke, ausgedrückt in Henry
• Übersprechpegel (je nach Art der Beeinflussung Nahübersprechen, kurz NEXT oder Fernübersprechen, kurz: FEXT): Feldkopplung zwischen den Kanälen innerhalb eines Kabels, abhängig von der Signal- und Massebelegung der Kanäle
• Verluste bei der Modus-Umwandlung
• Abschirmung: Beeinträchtigung durch und von umgebenden Geräten
• Integrierte Parameter: entstehen aus der Wechselwirkung mehrerer Parameter

Design-Tipps

Aus diesem Wissen um die Einflussfaktoren auf die Qualität einer Highspeed-Datenübertragung lassen sich einige Hinweise für ein gelungenes Design von Stecker-Kabel-Baugruppen ableiten. So erweist sich beim Kontaktdesign ein Material mit hoher Leitfähigkeit als vorteilhaft. Die Leitfähigkeit ergibt sich aus dem spezifischen Widerstand des Metalls, aber auch die kristalline Struktur des Metalls (je geordneter, desto besser die Leitfähigkeit) spielt hierbei eine Rolle. Silber, Kupfer und Gold weisen eine besonders gute Leitfähigkeit auf.

Der Autor: Martin Wimmers ist Geschäftsführer von Fischer Connectors in Zorneding.

© Fischer Connectors

Die relative Dielektrizitätskonstante des Isoliermaterials (heutzutage besser bekannt als Permitivität) sollte ebenfalls nicht außer Acht gelassen werden. So sind beispielsweise Fluorpolymere für ihre guten elektrischen sowie dielektrischen Eigenschaften bekannt, während von PVC als Isolationsmaterial insbesondere in High-Speed-Anwendungen eher abgeraten wird. Das Thema EMV sollte beim Design stets im Vordergrund stehen, denn es beginnt bereits bei der Materialwahl und Fragen der Steckergeometrie wie der Anzahl der Kontaktpunkte. Hier gilt es, das Magnetfeld, das durch die Ableitung des Störstroms in der Umgebung entsteht, möglichst zu reduzieren – etwa durch das Aufteilen des Stromflusses mithilfe mehrfach kontaktierter Schirmbleche. Massekanäle können als ‚Puffer‘ zwischen den einzelnen Signalkanälen den Einfluss dieser aufeinander reduzieren, vor allem das Übersprechen.