Induktivitäten Bedeutung der S<sub>dd21</sub> in der HF-Technik

Der Schnittstellenstandard USB 2.0 begnügte sich mit 480 Mbit/s als Übertragungsrate und zur Gewährleistung hoher Signalqualität reichte noch eine Gleichtaktdrosselspule aus. Beim neuen Standard USB 3.0 indes stieg die Übertragungsgeschwindigkeit auf 5 Gbit/s und für die Rauschunterdrückung sind spezielle HF-Bauelemente vonnöten. Dass sich die am Markt verfügbaren Bauteile qualitativ unterscheiden, lässt sich mit Hilfe der S<sub>dd21</sub>-Messung objektiv nachweisen.

Streuparameter, kurz S-Parameter, sind ein Maß dafür, wie viel Leistung oder Spannung über einen Port vom Chip zur Leiterplatte übertragen wird. Dabei beschreiben die Parameter das Verhalten linearer elektrischer Komponenten mittels Wellengrößen. Besonders in der Hochfrequenztechnik kommt den Streuparametern eine wichtige Rolle zu, da in vielen Fällen Strom und Spannung nicht eindeutig definiert werden können.

Messbar ist jedoch die in einen Port einlaufende Welle bzw. von einem Port reflektierte Welle. Die Erfassung der Parameter mit Hilfe von Wellenwiderständen hat zudem den Vorteil, dass unerwünschte Impedanztrans-formationen an den Ein- und Ausgängen eines Netzwerks vermieden werden.

Die für die Beschreibung eines Netzwerks benötigte Anzahl an S-Parametern hängt von der Anzahl der Ports ab und ergibt sich aus dem Quadrat seiner Port-Zahl. Ein Filterelement mit zwei Ein- und zwei Ausgängen (siehe Bild 1 ) nennt sich 4-Port-Element und wird mit 16 Streuparametern (siehe Gleichung 1 ) beschrieben. Die Streumatrix gibt dabei den Zusammenhang zwischen den einzelnen eingehenden Wellen a 1 , a 2 , a3, a4 und den reflektierten Wellen b1, b2, b3, b4 wieder.

Die Streumatrix ist von der Bezugsimpedanz Z0, dem Leitungswellenwiderstand, abhängig, welche in der HF-Technik für gewöhnlich zu 50 Ω gewählt wird. Netzwerkanalysatoren messen die S-Parameter als Funktion der Frequenz und geben diese als dimensionslose komplexe Zahl an, die häufig in Dezibel und Phase umgerechnet wird. Im Prinzip lassen sich alle Messobjekte mit mehr als zwei Ports mit einem zweitorigen Netzwerkanalysator vermessen. Alle Tore, die gerade nicht vermessen werden, müssen dabei mit der Bezugsimpedanz verbunden sein. Um alle S-Parameter zu bestimmen, sind mit dieser nodalen Methode insgesamt n × (n − 1)/2 komplette 2-Tor-Messungen notwendig. Dieses Verfahren ist zum einen sehr zeitaufwändig und lässt sich wegen der manuellen Kontaktierung des koaxialen Messanschlusses oder von On-Wafer-Messspitzen nicht automatisieren. Zudem führen parasitäre Einflüsse zu Messfehlern.

Physikalische und mathematische Baluns

Mit Baluns lässt sich ein zweitoriger Netzwerkanalysator auf vier Tore erweitern. Je nach Aufbau des Baluns mit 0° oder 180° Phasendifferenz zwischen den beiden Ausgängen lässt sich der Gleichtakt-Modus oder der Gegentakt-Modus anregen. Auch diese Methode birgt zwei Nachteile: Aufgrund der modalen Anregung müssen für die Kalibrierung des Messsystems den Moden angepasste Kalibrierstandards entwickelt und angefertigt werden. Den zweiten liefert der Frequenzgang des Leistungsteilers. Für die Gleichtakt-Anregung kann der Leistungsteiler aus Widerständen und somit mit einer großen Bandbreite hergestellt werden. Dagegen ist die Einhaltung der 180°-Phasenverschiebung nur in einem eingeschränkten Frequenzbereich möglich. Die balungestützte Messtechnik lässt sich nur bis 1,2 bzw. 1,5 GHz betreiben.

Soll ein Mehrtor auf sein Verhalten bei Gegentakt- oder Gleichtakt-Anregung untersucht werden, ist ein modales Messsystem nötig. Ein Problem stellt jedoch die synchrone Anregung mehrerer Ports dar. Das Messsignal zwischen den beiden Messtoren muss über den gesamten Frequenzbereich eine definierte Phasenverschiebung einhalten. Für die Anregung mit der Gleichtaktwelle beträgt diese 0° und für die Gegentaktwelle 180°. Die modale Anregung lässt sich allerdings umgehen, indem das modale Verhalten aus den portbezogenen Streuparametern berechnet wird.

Mixed-Mode-Streuparameter als Basis für Reflexionsauswertungen

Modale Streuparameter, auch Mixed-Mode-Streuparameter genannt, erlauben gegenüber den nodalen Parametern eine differenzielle Auswertung der Reflexion sowie Transmissionsparameter beliebiger 4-Ports.

Dafür werden zwei nodale Ports gedanklich zu einem differenziellen Port zusammengefasst (siehe Bild 2). Die Mixed- Mode-S-Parameter-Messung hat gegenüber der traditionellen balungestützten Messung den Vorteil, dass diese mathematischen Baluns eine ideale Symmetrieübertragung über einen weiten Frequenzbereich bieten und sich mit Messbereichen bis einige GHz für den HF-Bereich eignen.

Darüber hinaus lassen sich sowohl Gleichtakt- als auch Gegentakt-S-Parameter sehr einfach messen und reproduzierbare Ergebnisse erzielen.

Mixed-Mode- und Streuparametermatrix sind ähnlich organisiert: die Spalten repräsentieren die anregenden Ports, die Reihen die empfangenden. Gleichtaktwellen werden in der Gleichung analog zur Streumatrix mit dem Index c gekennzeichnet, Gegentaktwellen mit dem Index d.

Für die Bewertung von Filterschaltungen sind vorrangig die Parameter der Gleich- und Gegentakttransmission Scc21 und Sdd21 von Bedeutung (siehe Gleichung 2). Speziell bei der Messung hochfrequenter differenzieller Datensignale wird die Einfügedämpfung Sdd21 betrachtet, da sie Aufschluss darüber gibt, ob der eingekoppelte Gegentakt phasengleich auch am Ausgang vorliegt.

Gegentaktstörungen breiten sich gleichsinnig mit dem Nutzsignal aus, weshalb bei differenziellen Impulsleitungen die Phasen der beiden Signale synchron auf beiden Leiterbahnen laufen müssen. Das bedeutet auch, dass diese Leitungen an jeder beliebigen Stelle zwischen Sender und Empfänger identische Eigenschaften haben und auch nahezu gleiche elektrische Längen aufweisen müssen. Ist dies nicht der Fall, treffen die an den Empfängern reflektierten Wellen durch die unterschiedlichen Phasenlaufzeiten der Signale auf den Leitungen 1 und 2 nicht mehr mit einer Phasenverschiebung von 180° am Verzweigungspunkt ein. Ein Teil der Gegentaktsignale wird in Gleichtaktenergie umgewandelt. Dadurch entstehen parasitäre Überlagerungen und zusätzliche Reflexionen. Die Phasenverschiebung ist frequenzabhängig. Bei Hochfrequenzleitungen hängt der Wellenwiderstand zusätzlich von den Abmessungen der Leiter ab. Ist das Kabel länger als die Wellenlänge, wie es im HF-Bereich vorkommt, so wird es zu Leitungsreflexionen kommen, wenn die Impedanzverhältnisse innerhalb des Systems nicht angepasst wurden. Aus diesem Grund wird die Eignung eines Leitungsfilters für ein System mit der Sdd21-Messung geprüft.

Messaufbau und -ergebnisse im Überblick

Untersucht wurden die stromkompensierten Drosseln der Serie WE-CNSW, die Hochfrequenz-Varianten WE-CNSW HF sowie Bauelemente von Mitbewerbern (siehe Tabelle). Die Bauelemente werden mitten auf einer Prüfplatine aufgebracht und an den äußeren Enden der Leitungen mit jeweils einem SMA-Konnektor verbunden. Als nächstes wird an beiden Signalpfaden der Drossel ein differenzielles Signal eingespeist. Die bei -3 dB definierte Grenzfrequenz fc gibt an, ab welcher Frequenz eingespeistes und reflektiertes differenzielles Signal nicht mehr um 180° phasenverschoben sind, beziehungsweise ab wann das Nutzsignal durch den Gegentakt parasitär überlagert und dessen Qualität zu stark beeinflusst wird. Ein Netzwerkanalysator berechnet die Einfügedämpfung Sdd21 aus den nodalen Streuparametern.

Weil Gleichtaktdrosseln für Gleichtaktsignale eine hohe Impedanz aufweisen und für differenzielle Gegentaktsi-gnale eine wesentlich niedrigere Impedanz darstellen, lässt sich mit diesen Filterelementen die Gleichtaktunterdrückung und damit die Störfestigkeit erhöhen. Die Konformität zur EMV-Richtlinie ist damit gewährleistet.

Der Unterschied der Filter speziell für Hochgeschwindigkeitsdatenleitungen wie für USB 3.0 lässt sich am besten durch den direkten Vergleich der Leitungsfilter WE-CNSW HF 744233670 mit einer Gleichtaktimpedanz von 67 Ω @ 100 MHz und der Filter des Mitbewerbers A mit einer Gleichtaktimpedanz von 60 Ω @ 100 MHz erläutern (siehe Bild 3).

Obwohl beide über eine hohe Gleichtaktdämpfung verfügen, fällt die Grenzfrequenz der HF-Bausteine aus der Serie WE-CNSW mit 6,5 GHz um 1 GHz höher aus. Das bedeutet, dass sich der Einfluss von Unsymmetrien auf differenzielle Datensignale bei den HF-Bausteinen von Würth Elektronik mit zunehmender Frequenz geringer auswirkt als bei den zum Vergleich herangezogenen Wettbewerbsprodukten.Die Gründe hierfür liegen zum einen in einem speziellen Ferritmaterial und zum anderen in der Wickelgeometrie, die sich durch größere Abstände zwischen zwei Windungen auszeichnet.

Weil alle der vier betrachteten Filter die gleiche Bauform 0805 haben, ist ein größerer Abstand zwischen den Windungen gleichbedeutend mit einer kleineren Windungsanzahl. Je weniger Windungen, desto niedriger die Impedanz und desto mehr verschiebt sich der Resonanzpunkt in Richtung höherer Frequenzen. Bezogen auf die Sdd21-Messung bedeutet dies: Je niedriger die Gleichtaktimpedanz, desto besser die Filtereigenschaften in differenziellen Hochgeschwindigkeitsdatenleitungen.

 

Der Autor:

 Samuel Babijak
studierte Elektrotechnik mit Vertiefungsrichtung Nachrichtentechnik an der Dualen Hochschule Baden-Württemberg (DHBW) in Stuttgart und schloss sein Studium mit dem Bachelor of Engineering ab. Seit 2006 ist er bei Würth Elektronik eiSos als Produktmanager tätig und verantwortet dort den Produktbereich stromkompensierte Datenleitungsfilter.
Samuel.Babijak@we-online.de