Laufzeitunterschiede in Single-Pair-Ethernet-Steckverbindern

Die Zukunftsfähigkeit des Steckgesichts

Die Anforderungen an die Leistungsfähigkeit von Daten-Steckverbindern steigen kontinuierlich. Das Ziel ist immer eine möglichst hohe Signalintegrität. Eine Steckverbinder-Eigenschaft, die in direktem Zusammenhang mit der Signalintegrität steht, sind Laufzeitunterschiede.
 Der gewinkelte SPE-Leiterplatten-Steckverbinder SPE-T1-STRM-90 von Phoenix Contact erlaubt im Vergleich mit RJ45-Steckverbindern in etwa die doppelte Packungsdichte.
Der gewinkelte SPE-Leiterplatten-Steckverbinder SPE-T1-STRM-90 von Phoenix Contact erlaubt im Vergleich mit RJ45-Steckverbindern in etwa die doppelte Packungsdichte.Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG

Die Laufzeit ist die Zeit, die ein elektrisches Signal zum Durchlaufen eines Leiterabschnitts benötigt. Laufzeitunterschiede innerhalb eines differentiellen Leiterpaares können die Signalintegrität eines Übertragungssystems stören. Die Laufzeitunterschiede erhöhen die Dämpfung, weil Energie aus dem Gegentakt-Mode in den unerwünschten Gleichtakt-Mode übertragen wird. Werden die Verluste zu groß, kann der Empfänger die Signalpegel nicht mehr sicher auswerten. Die Folge kann eine gestörte Signalintegrität des differentiellen Übertragungssystems sein. Laufzeitunterschiede werden von nicht exakt zeitgleich eingeprägten Sender-Signalen oder zu großer Asymmetrie im differentiellen Paar verursacht.

 Schnitt durch das CAD-Modell des gewinkelten Leiterplatten-Steckverbinders nach IEC63171-2.
Schnitt durch das CAD-Modell des gewinkelten Leiterplatten-Steckverbinders nach IEC63171-2.Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG

Eine konsequente Miniaturisierung erfordert ein senkrechtes Steckgesicht

Die IEC63171-2 spezifiziert das Steckgesicht eines geschirmten SPE-Steckverbinders für IP20-Anwendungen. Diese Bauartspezifikation überlässt dem Steckverbinder-Hersteller die Ausrichtung des Steckgesichts bezogen auf eine Leiterplattenebene. Phoenix Contact hat sich bewusst für ein senkrecht stehendes Steckgesicht des gewinkelten SPE-Leiterplatten-Steckverbinders entschieden. Diese Anordnung erlaubt eine kompaktere Bauform als ein waagerechtes Steckgesicht und maximale Platzersparnis auf der Leiterplatte. Verglichen mit konventionellen RJ45-Steckverbindern wird so die doppelte Packungsdichte erzielt.

 Versuchsaufbau Phasenmessung mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator.
Versuchsaufbau Phasenmessung mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator.Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG

Anforderungen an die Signalintegrität

Ein gewinkelter Leiterplatten-Steckverbinder mit einem senkrecht angeordneten Steckgesicht erfordert unterschiedliche Kontaktlängen. So betragen die gestreckten Längen der Kontakte 11,3 und 15mm. Steht die Längendifferenz von 3,7mm im Widerspruch zu den Symmetrieanforderungen einer differentiellen Signalübertragung?

Dieser Fragestellung wurde bereits in einer frühen Phase der Produktentwicklung höchste Aufmerksamkeit geschenkt. Deshalb lag ein Schwerpunkt der Entwicklungsaktivitäten auf einer sorgfältigen Analyse der Signalintegrität und Laufzeitunterschiede. Am Anfang stand die Auswahl geeigneter Bewertungskriterien. Es folgten erste theoretische Abschätzungen sowie Simulationen an den frühen Entwicklungskonzepten. Später schlossen sich die Messungen an Prototypen und Serienartikeln mit dem eindeutigen Ergebnis an: Der gewinkelte SPE-Leiterplatten-Steckverbinder von Phoenix Contact übertrifft die Anforderungen der IEC63171.

 Das SPE-Steckverbinder-Paar während der Messung an den koaxialen Messleitungen des vektoriellen Netzwerkanalysators.
Das SPE-Steckverbinder-Paar während der Messung an den koaxialen Messleitungen des vektoriellen Netzwerkanalysators. Bild: Phoenix Contact GmbH & Co. KG

Auswahl geeigneter Bewertungskriterien

Die IEC63171 definiert die Anforderungen an die Signalintegrität eines Single Pair Ethernet-Steckverbinders. Hier sind beispielsweise Grenzwerte für die Einfügedämpfung (IL) und die Unsymmetriedämpfungen (TCL, TCTL) spezifiziert. Diese Parameter ermöglichen schon eine vollständige Bewertung eines SPE-Steckverbinders im Hinblick auf die durch Laufzeitunterschiede verursachte Dämpfung und Modenkonversion.

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