Millimeterwellen: der nächste Schritt in der Verbindungstechnik?

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Vorteile der PMF-Technik mit Millimeterwellen

Im Gegensatz zu optischen Verbindungen, die mit elektromagnetischen Wellen im Nanometerbereich arbeiten, nutzt PMF die wesentlich längere Millimeterwelle. Diese relativ große Wellenlänge ermöglicht eine einfache „Kontaktierung“ zwischen PMF und Transceiver-Chip.

Eine nicht perfekt justierte Faser führt somit nicht zu Übertragungsverlusten. Bei optischen Systemen hingegen ist sind die Toleranzen bei der Faserausrichtung sehr gering, wodurch teure Geräte für die Installation benötigt werden.

Im Vergleich dazu lässt sich die PMF im Feld einfach und ohne Hilfsmittel installieren. Ein weiterer Vorteil besteht in der Möglichkeit, kontaktlose Verbindungen zu realisieren, die sowohl Rotationsfreiheit als auch unbegrenzte Steckzyklen erlauben. Es können selbst bei einem deutlichen Winkelversatz zwischen den Fasern mehrere Zentimeter überbrücken werden.

Die Leistungsfähigkeit wird durch Schmutz und Staub nicht wesentlich beeinträchtigt. Die elektromagnetischen Wellen können sogar durch unterschiedliche Werkstoffe übertragen werden.

Ziel bei der Entwicklung des PMF-Systems ist es, in industriellen Umgebungen die Kommunikation über eine Distanz von bis zu 40 m zu ermöglichen. Erreicht wird dies durch einen neu entwickelten integrierten Schaltkreis mit Schaltfequenzen von 60 GHz. Mit einem Standard Modulationsverfahren (BPSK) werden Datenraten von 1 GBit/s unterstützt.

Im Gegensatz zu Laserdioden (VCSELS) können MM-Wave-ICs mit CMOS-Prozessen hergestellt werden. Da dies erprobte Prozesse für die Massenfertigung sind, können diese ICs für 60-GHz-Transceiver sehr kostengünstig produziert werden.

Tabelle 1 zeigt einen Vergleich der verschiedenen Übertragungstechnologien.

Erfolgsfaktor Verbindungstechnik mit MII-Schnittstelle

Um einen vollständigen Zugriff auf alle verfügbaren Informationen zu ermöglichen, muss jeder Sensor und Aktor im Produktionsbereich via Industrial Ethernet verbunden sein. Mit zunehmenden Datenraten wird die Überbrückung von größeren Entfernungen jedoch immer schwieriger. Das heißt, in manchen Situationen ist ein Kupferkabel die kostengünstigere Lösung und in anderen ein LWL- oder PMF-Kabel.

Welches Kabel die beste Lösung ist, hängt neben der Übertragungsgeschwindigkeit auch von den Umgebungsbedingungen (beispielsweise dem elektrischen Störpegel) ab, in denen das jeweilige Gerät eingesetzt wird.

Um darauf zu reagieren, können Hersteller ihre Geräte mit Steckverbindern für die verschiedenen Medien, sogenannten medienabhängigen Schnittstellen (Medium Dependent Interfaces, MDI), ausstatten. Alternativ können sie auch nur einen Steckverbinder mit einer medienunabhängigen Schnellstelle (Medium Independent Interface, MII) implementieren.

In diesem Fall erfolgt die Umwandlung von medienunabhängig zu medienabhängig vorwiegend im (aktiven) Steckverbinder anstatt auf dem Motherboard. Ein Beispiel für einen solchen Steckverbinder ist der Smal Form Factor Pluggable (SFP). Dieser Steckverbinder ist jedoch nicht für industrielle Umgebungen ausgelegt und bietet nur einen geringen Schutz vor Staub und Wasser.

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Hauptvorteile einer MII-Schnittstelle

Ein einziger Steckverbinder unterstützt Kupfer-, PMF-, LWL- oder Funkverbindungen (z.B. 5G).

Abhängig von der Umgebung kann die entsprechende Verbindungsart vom Systemintegrator im Feld ausgewählt werden (Flexibilität).

Die Geräte werden zukunftssicher: In sich verändernden Umgebungen oder bei neuen Verbindungsarten lässt sich der Steckverbinder problemlos gegen eine andere Version austauschen.

Die Gerätekosten werden reduziert, da nur die benötigte Elektronik verwendet wird (diese befindet sich im Steckverbinder und nicht im Gerät).

Neben den Abmessungen wird auch die Komplexität auf dem Motherboard verringert, wodurch sich der Konstruktionsaufwand reduziert.

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