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HighSpeed-Datenübertragung und EMV

Wir verstehen uns

02. Juni 2021, 09:00 Uhr   |  Martin Adamczyk, ept

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Bild 1. Sender und Empfänger sollen sich verstehen.

Übertragungsrate und EMV werden bei Steckverbindern in der Praxis zumeist separat betrachtet und simuliert, obwohl diese beiden Aspekte miteinander verknüpft sind. Daher ist es wichtig, Störungen zu minimieren und das Kontaktdesign von Steckverbindern entsprechend abzustimmen.

Die fortschreitende Digitalisierung in allen Branchen, wie dem Industrial Internet of Things, Industrie 4.0, Smart Grid sowie Smart Home, erfordert eine schnelle Datenübertragung vom Sensor bis zur Cloud. Signale mit bis zu 20 Gbit/s und mehr sind zuverlässig zu übertragen und die Anwendung muss eine hohe elektromagnetische Verträglichkeit aufweisen. Denn natürlich dürfen diese Datenübertragungen nicht gestört, verfälscht oder gar verhindert werden, weshalb der EMV-Schutz immer mehr an Relevanz gewinnt. Die fortschreitende Miniaturisierung bei den elektrischen Geräten erschwert auch das Bestehen der verpflichtenden EMV-Prüfungen der europäischen Richtlinie, da sensible Bauteile (Störsenken) und Störquellen immer näher im Gerät aneinander platziert werden müssen.

Ziel der Datenübertragung ist, dass der Empfänger den Sender problemlos verstehen kann (Bild 1). Dies wird umso schwieriger, je hochfrequenter das Signal ist. Ein Steckverbinder ist in der Übertragung immer als Störung anzusehen. Ziel bei der Entwicklung von neuen Highspeed-Steckverbindern ist es, diese Störungen innerhalb der Übertragungsstrecke zu minimieren.

Die Qualität der Datenübertragung hängt von folgenden drei Kriterien ab:
Impedanzverlauf
Der Impedanzverlauf eines Steckverbinders ist von besonderer Bedeutung. Sobald sich im Übertragungsweg die Impedanz verändert, wird das Signal reflektiert, was die Qualität der Datenübertragung verschlechtert. Schon eine Material- oder Geometrieänderung kann bewirken, dass die Impedanz schwankt. Aufgrund seiner Geometrie ist ein Steckverbinder ein ungleichmäßiger Abschnitt der Signalleitung.
Einfügedämpfung (Insertion Loss)
Die Einfügedämpfung ist ein Maß dafür, wie stark ein Steckverbinder ein Signal abschwächt, und ist das Verhältnis zwischen (am Bauteil) einfallender und durch-gelassener Signalleistung. Dieser Parameter hilft bei der Bewertung, ob der Empfänger ein Signal über den gesamten Übertragungsweg hinweg eindeutig identifizieren kann. Zieht man als Kriterium für die Datenrate für den Steckverbinder von 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
Übersprechen ist die unerwünschte Beeinflussung eines Signals durch ein Signal auf einer anderen Leitung, wobei je nach Art der Beeinflussung in Nah- und Fernübersprechen unterschieden wird. Die Stärke des Übersprechens hängt maßgeblich von der Signal- und Massebelegung ab. Massekanäle zwischen Signalkanälen verringern deren Einfluss aufeinander. Beim Nahübersprechen (NEXT) wird das Signal gemessen, das von einem auf das andere Paar eingekoppelt wird (Bild 2).

Nach- und Fernübersprechen beim Highspeed-Steckverbinder
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Bild 2. Nach- und Fernübersprechen beim Highspeed-Steckverbinder.

Höhere Frequenzen stören das beeinflusste Paar stärker. Ein betragsmäßig hoher Wert in Dezibel steht für eine hohe Dämpfung des Übersprechens. Bei einem Wert von –20 dB spricht noch zehn Prozent des Signals über, bei -40 dB ist es 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.

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2. EMV als zentrale Herausforderung

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