Diese Anforderung ist jedoch nicht gleichbedeutend mit dem Laufzeitunterschied innerhalb eines differentiellen Leiterpaares. Offensichtlich gibt es hier normativ keine Anforderungen – was, wie oben beschrieben, auch nicht notwendig ist, weil das System bereits vollständig durch die Übertragungsanforderungen beschrieben ist. Daher wird als weitere Referenz der Laufzeitunterschied im Paar einer hochwertigen Twisted-Pair-Leitung betrachtet.

Das Messprinzip für die Signalintegrität

Vektorielle Netzwerkanalysatoren erlauben eine sehr genaue Bestimmung der Laufzeit. Eine Möglichkeit ist die Messung der Phase, aus der sich die Laufzeit berechnen lässt.

Dazu schlägt Olaf Ostwald [1] folgende Gleichung vor:

τ = –1/360° ⋅ (φ₁ – φ₂) / (f₁ – f₂ )

Dabei bedeuten:

τ: Laufzeit [s]; φ₁: Phase Start-Frequenz [°]; φ₂: Phase Stopp-Frequenz [°]; f₁: Startfrequenz [Hz]; f₂: Stoppfrequenz [Hz].

Bild 4 zeigt den Versuchsaufbau bei der Phasenmessung einer 2 m langen Twisted-Pair-Leitung. Diese Messung ist die Basis für die Ermittlung des Referenzwerts.

In einem ersten Schritt erfolgt die Kalibrierung mit einem elektronischen Kalibrierkit an den Enden der koaxialen Messleitungen. Danach wird die Phase der Transmissions-Streuparameter zwischen den Kalibrierebenen gemessen. Bild 5 stellt die gemessenen Phasengänge der beiden Adern im Frequenzbereich von 300 bis 500 MHz dar.

In diesem Frequenzbereich ist jeweils ein vollständiger Phasensprung auf beiden Adern zu erkennen. Jeweils zu Beginn und Ende des Phasensprungs werden die Phase und die Frequenz abgelesen und in Gleichung 1 eingesetzt. Daraus ergeben sich Laufzeiten von 9,63 und 9,60 ns für die beiden Adern.

Folgerichtig liegt ein Laufzeitunterschied von 0,03 ns innerhalb des Paares der Twisted-Pair-Leitung vor. Mögliche Ursachen können kleinste Unterschiede in den Materialien oder in den Geometrien der Adern oder der Aderisolierungen sein, beispielweise durch Fertigungstoleranzen bei der Verdrillung des Leiterpaares.

Da es sich bei der betrachteten Twisted-Pair-Leitung um ein Produkt aus dem mehrpaarigen Ethernet-Bereich handelt, ist davon auszugehen, dass aktuelle Übertragungssysteme mit derartigen Laufzeitunterschieden zuverlässig arbeiten. Deshalb kann dieser Laufzeitunterschied als Referenzwert für die Bewertung des gewinkelten Leiterplatten-Steckverbinders herangezogen werden.

Kontaktlängendifferenz und Symmetrieanforderungen

Jetzt kann die oben skizzierte Frage nach einem möglichen Widerspruch zwischen der Kontaktlängendifferenz und den Symmetrieanforderungen einer differentiellen Signalübertragung sicher beantwortet werden. Dazu wird der gewinkelte Leiterplatten-Steckverbinder im gesteckten Zustand mit einem IEC 63171-2-Feldsteckverbinder vermessen. Beide Prüflinge werden mit exakt gleichlangen Semi-Rigid-Leitungen an einen vektoriellen Netzwerkanalysator angeschlossen (Bilder 6 bis 8).

Wieder wird die Phase der Transmissions-Streuparameter ermittelt (Bild 9). Im untersuchten Frequenzbereich sind jeweils zwei Phasensprünge auf beiden Leitern zu erkennen, die zur Berechnung der Laufzeiten genutzt werden. Im Frequenzbereich von ca. 790 MHz bis ca. 2,39 GHz betragen die Laufzeiten 0,649 und 0,631 ns. Die Differenz liegt bei 0,018 ns. Im Frequenzbereich von ca. 2,33 GHz bis ca. 4,1 GHz machen die Laufzeiten 0,595 und 0,583 ns aus, die Differenz beträgt 0,012 ns.

Beide Werte sind kleiner als der Referenzwert von 0,02 ns, der für den Laufzeitunterschied in einem Paar einer 2 m langen Twisted-Pair-Leitung festgestellt wurde.

Spezifizierte und gemessene Übertragungseigenschaften

Abschließend werden die von der IEC 63171 spezifizierten Übertragungseigenschaften des Steckverbinder-Paares vorgestellt. Ihre Bestimmung erfolgt durch eine Streuparameter-Messung entsprechend Bild 10.

Die Diagramme in Bild 11 veranschaulichen die gemessenen Übertragungseigenschaften des SPE-Steckverbinderpaares. Das SPE-Portfolio von Phoenix Contact ist gemäß IEC 63171 Kategorie B bis 600 MHz freigegeben. Normativ ist heute eine maximale Bandbreite von 1,25 GHz nach Kategorie C vorgesehen. Die betrachteten Steckverbinder erfüllen beide Anforderungen sicher und sind sogar bei noch höheren Frequenzen sehr performant.

Fazit: Der gewinkelte Leiterplatten-Steckverbinder übertrifft die Anforderungen der IEC 63171 und verursacht weniger Laufzeitunterschied als eine typische 2 m lange Twisted-Pair-Leitung. Eine Kontaktlängendifferenz mag aus Sicht der Signalintegrität zunächst unkonventionell erscheinen. Diese Einschätzung trifft im hohen Gigahertz-Bereich sicherlich zu.

Der Frequenzbereich aktueller und zukünftiger SPE-Applikationen wird jedoch maximal im unteren Gigahertz-Bereich liegen. Dort spielen kleine Asymmetrien keine Rolle. Phoenix Contact hat diesen Gestaltungsfreiraum gezielt zur konsequenten Miniaturisierung genutzt, um dem Markt ein kompaktes SPE-Portfolio mit höchster Packungsdichte zu präsentieren. (KR)

Literatur

[1] Ostwald, Olaf: In: Group and Phase Delay Measurements with Vector Network Analyzer ZVR. Application Note 1EZ35_1E. Rohde & Schwarz (Hrsg.): o. O.: 10.07.1997

* Sebastian Stamm ist in der Produktentwicklung für Datensteckverbinder bei Phoenix Contact in Blomberg tätig.

(ID:48691388)