RJ45-Steckverbinder bereit für 2 GHz Prüfen im Labor und im Feld

Komplexe Überprüfung von Komponenten und Übertragungsstrecken.
Komplexe Überprüfung von Komponenten und Übertragungsstrecken.

Der Frequenzbereich des Modularsteckverbinders RJ45 soll in der neusten Kategorie 8.1 auf bis zu 2 GHz erweitert werden. Was bedeutet das für das Prüfen von Komponenten und Übertragungsstrecken im Labor und im Feld, besonders für die komplexe Überprüfung des Nahnebensprechens?

Bereits in den späten 90ern, als durch die Kategorie 6 (Cat. 6) der Funktionsumfang des Cat. 5- Steckverbinders von 100 MHz auf 250 MHz erweitert wurde, waren sich die Experten einig; damit war für den RJ45-Stecker das Ende der Fahnenstange erreicht. Dem war aber nicht so und bereits 2000 demonstrierten Hersteller, dass eine Erweiterung des Frequenzbereichs auf 500 MHz möglich ist. Heute sind Steckverbinder der Kategorie 6A die am häufigsten verwendeten Typen in der strukturierten Verkabelung von kommerziellen Gebäuden. Mit der Kategorie 6A ist eine Datenübertragung bis 10 Gbit/s entsprechend 10GBASE-T möglich. Im Juni 2016 wurden in der TIA die Vorgaben für eine neue Kategorie 8.1 festgelegt. Diese definiert für den RJ45-Stecker einen erweiterten Frequenzbereich bis 2000 MHz und ermöglicht einer zukünftigen IEEE-Norm 25GBASE-T und 40GBASE-T Datenraten bis zu 25 beziehungsweise 40 Gbit/s über eine paarverdrillte Verkabelung, allerdings mit einer Einschränkung der Länge auf weniger als 30 m.

Die Ausgangsposition für eine Verwendung bis zu 2 GHz ist für den in den späten 70er Jahren in den Bell Laboratories entwickelten RJ45-Stecker eine denkbar schlechte, hatte man bei seiner Entwicklung doch nur eine Anwendung im Sub-Megahertz-Bereich im Sinn. Erst Innovationen durch clevere Entwickler machten dies möglich. Wir nennen dies heute NEXT- Kompensation.

Wie funktioniert NEXT-¬Kompensation?

Ein RJ45-Stecker hat ein sehr schlechtes Nahnebensprechen (NEXT) ganz besonders durch die suboptimale Anordnung der Paarkombination (3,6)/(4,5). Der Grund dafür ist folgender: Um dem Paar (4,5) Platz zu machen, muss die Verdrillung von (3,6) geöffnet werden. Dies verschlechtert sowohl das NEXT als auch die Einhaltung der 100-Ω-Impedanz. Etwas weniger kritisch, aber ebenfalls nicht ideal sind Paarkombinationen (1,2)/(3,6) und (3,6)/(7,8).

Bild 1 zeigt einen Stecker mit einer NEXT-Dämpfung von 37 dB. Dies entspricht einem Nebensprechen von 14 mV bei einer Anregung von 1,0 V. Die Buchse zeigt ein in etwa gleich großes NEXT; allerdings wurde sie so entwickelt, dass die Phasenlage ziemlich genau invers ist. Verbinden wir den Stecker und die Buchse, ergibt sich ein Stecker-Buchsen-NEXT (Mated NEXT) von weniger als 2 mV. Es werden mehr als 80 % des Stecker-NEXT in der Buchse kompensiert.
So mancher Leser wird die Problematik dieser an sich genialen Lösung erkennen:

  • Egal ob ein Stecker ein besseres oder schlechteres NEXT aufweist, in jedem Fall wird sich das für die Übertragungstrecke relevante Mated NEXT verschlechtern, da die Buchse entweder über- oder unterkompensiert.
  • Um eine Interoperabilität zwischen Steckern und Buchsen verschiedener Hersteller zu gewährleisten, ist klar und eindeutig zu definieren, für welches Stecker-NEXT beziehungsweise für welchen NEXT-Bereich die Buchse optimiert sein soll. Dieser wird als Bereich zwischen einem „High Plug“ und „Low Plug“ definiert. Den Wert in der Mitte nennen wir Centered Plug (zentriert).
  • Es muss sichergestellt werden, dass die Buchsen rückwärtskompatibel mit Steckern geringerer Kategorien sind, da ansonsten eine neue Redewendung angebracht wäre: „Die Kette ist schwächer als ihr schwächstes Glied“. Als Beispiel: Wir erwarten also, dass die Kombination eines Cat.-5-Steckers mit einer Cat.-6A-Buchse mindestens die Anforderungen der Cat. 5 erfüllt.

Teststecker

Die Stecker, mit denen wir im Labor Buchsen entwickeln und optimieren und später in unabhängigen Labors homologieren, nennen wir Teststecker. Idealerweise verwenden wir den gleichen Teststecker auch im Feld bei der Abnahmemessung von neu installierten Verkabelungsstrecken.

Cat.-6-Buchsen wurden noch mit mehreren High-, Low- und Center-Steckern geprüft (Bild 2). Bei dieser Methode wird in einer Prüfreihe sichergestellt, dass die Buchse mit allen Steckern innerhalb des erlaubten High- bis Low-Bereichs wie erwartet funktionieren. Rein theoretisch könnte dies mit drei Steckern durchgeführt werden: einer, der für alle Paarkombinationen die High-Anforderungen erfüllt, und jeweils einer für Center- und Low-Anforderungen. In der Praxis konnten solche nie gefunden oder gefertigt werden und neun Prüfstecker waren die Regel. Die Methode war daher sehr umständlich und Messergebnisse waren zusätzlich nur sehr schlecht reproduzierbar – eine definitiv undankbare Kombination und auch der Grund dafür, dass für die Kategorie 6A eine mathematische Methode des De-Embedding und Re-Embeddings entwickelt wurde. Bei dieser Methode werden alle Messungen mit nur einem bis ins letzte Detail charakterisierten „zentrierten Teststecker“ (Centered Plug) durchgeführt und die Konformität der Buchse für alle Stecker im Bereich Low Plug bis zum High Plug mathematisch simuliert. Diese Methode basiert auf einem Beitrag von Entwicklern der Firma Fluke Networks für die internationalen Normungsgremien.

Ein weiterer Unterschied zur Kategorie 6 ist, dass die Kategorie 6A einen auf einer Platine basierenden Teststecker mit einer Kontaktleiste verwendet. Dies hat mehrere Vorteile:

  • Die Varianz, die beim Anschließen der Drähte an den Stecker entsteht – die Piercing-Kontakte dringen unterschiedlich in die Isolation und die Litze ein –, kann so eliminiert werden.
  • Die Fertigungstoleranzen können sehr gering gehalten werden.
  • Es ist einfach, den Vergleich zwischen Labor und Feldmesstechnik durchzuführen.
  • Der Teststecker ist ein Verschleißteil an einem Feldtester und kann so kostengünstig ausgetauscht werden.

Bild 3 zeigt Messtechnik für Cat. 6A/Cat. 8.1 für Feld und Labor. Wir erkennen den zentrierten Teststecker, der sowohl im Labor als auch im Feld seine Anwendung findet und im Feld als Verschleißteil einfach getauscht werden kann. Die Kontaktierung Messadapter zu Teststecker ist exakt an der durch die Norm definierten Referenzebene.

Dieser einfache Tausch bei der Feldmessung ist nur dann praktikabel, wenn sichergestellt ist, dass der Ersatzstecker ebenfalls die Eigenschaften eines Centered-Steckers erfüllt. Da sich der Stecker auf der anderen (rechten) Seite der Referenzebene (=Kalibrierebene) befindet, können etwaige Abweichungen nicht durch eine Kalibrierung kompensiert werden.