Messung der Kopplungsdmpfung an geschirmten symmetrischen Kabeln bis 2 GHz mit virtuellem Balun

Anwenderforum Elektrische Kabel, Technische Akademie Esslingen [TAE], 21. Oktober 2014

Ahmad Hamadeh, bedea Berkenhoff & Drebes GmbH, Herborner Strae 100, 35614 Alar, hamadeh.ah@googlemail.com

Bernhard Mund, bedea Berkenhoff & Drebes GmbH, Herborner Strae 100, 35614 Alar, bmund@bedea.com

Dr. Christian Pfeiler, Draka Comteq Germany GmbH & Co. KG Wohlauer Strae 15, 90475 Nrnberg, christian.pfeiler@prysmiangroup.com

1 Einleitung

Mit der geplanten Einfhrung von 40 Gbps digitaler Datenbertragung fr Anwendungen in Rechenzentren erweitert sich der Bereich, in dem symmetrische Datenkabel fr strukturierte Verkabelung betrieben werden, betrchtlich. Die Normentwrfe zu IEC 61156-9 [1] und IEC 61156-10 [2], Kabel fr Etagenverkabelung bzw. Gerteanschlusskabel mit bertragungs-eigenschaften bis 2 GHz, beschreiben Datenkabel bis 1,6 bzw. bis 2 GHz. Diese stehen in Bezug zu ISO/IEC TR 11801-99-1 [3], der Anforderungen an die Systemverkabelung (Kanal) bis 1,6 bzw. 2 GHz festlegt.

Die Schirmwirkung dieser Kabel wird unter anderem durch die Kopplungsdmpfung als berlagerung von Schirmdmpfung und Unsymmetriedmpfung beschrieben. Als Mess-verfahren fr die Kopplungsdmpfung gilt u.a. die Norm IEC 62153-4-9, Kopplungsdmpfung mit dem Triaxialverfahren [4]. Zur Messung der Kopplungsdmpfung sowie zur Messung weiterer bertragungseigenschaften wie Reflexions- oder Unsymmetriedmpfung wird ein differentielles Signal bentigt. Dies kann z. B. mit einem Symmetriebertrager (Balun) erzeugt werden. Handelsbliche Symmetriebertrager sind allerdings nur bis ca. 1,2 GHz verfgbar.

Alternativ kann ein symmetrisches Signal auch mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator (VNA) mit zwei Generatoren erzeugt werden, wobei ein Generator um 180 phasenver-schoben arbeitet. Eine weitere Alternative ist die Messung mit einem Mehrtor-VNA, (virtueller Balun). Dabei werden aus den pro Leiter gegen die Bezugsmasse gemessenen Gren die Eigenschaften der symmetrischen Paare mathematisch ermittelt. Der abdeckbare Frequenz-bereich fr die Bestimmung der Reflexions- und Transmissionseigenschaften symmetrischer Paare ist nicht mehr vom Symmetriebertrager sondern allein durch den VNA und die Anschlusstechnik beschrnkt.

Die Anwendbarkeit dieser Art der Signalerzeugung mit einem Mehrtor -VNA auf die Messung der Kopplungsdmpfung nach IEC 62153-4-9 [4] wird im folgenden Bericht untersucht. Ziel ist die Messung der Kopplungsdmpfung bis zu mindestens 2 GHz. Die Erweiterung der Norm IEC 62153-4-9 zu diesen Frequenzen wird insbesondere im Hinblick auf die Frage der erfor -derlichen Messlnge und des zu verwendenden Messkopfes (offener Messkopf oder Standard-Messkopf) diskutiert. Dazu werden auch Messergebnisse nach dem Triaxial-verfahren nach IEC 62153-4-9 und des Zangenverfahrens nach IEC 62153-4-5 [5] verglichen.

2 Schirmungs-Parameter

Allgemeines 2.1

Um eine Leitung gegen uere elektromagnetische Beeinflussungen zu schtzen, bzw. um Abstrahlung in die Umgebung zu vermeiden, wird diese mit Schirmen aus Metallfolien und/oder Geflechten umgeben. Fr besonders stranfllige Umgebungen verwendet man auch aufwendigere Schirmkonstruktionen aus mehreren Lagen oder mit magnetischen Werkstoffen. Im Fall, dass zur Signalbertragung Leiterpaare verwendet werden, trgt auch deren Symmetrie zustzlich zum Schirm zur gesamten Schirmwirkung der Konstruktion bei.

mailto:hamadeh.ah@googlemail.commailto:bmund@bedea.commailto:christian.pfeiler@prysmiangroup.com

Die alleinige Wirkung des Schirmes wird durch den Kopplungswiderstand und die Schirmdmpfung beschrieben. Der Einfluss der Symmetrie wird durch die Unsymmetrie-dmpfung erfasst. Die Gesamtwirkung von Schirm und Symmetrie ( im Fall symmetrischer Prflinge) wird durch die Kopplungsdmpfung beschrieben.

Kopplungswiderstand 2.2

Der Kopplungswiderstand ZT ist definiert als das Verhltnis des Spannungsabfalls lngs des Schirmes auf der gestrten Seite zu dem Strstrom auf der anderen Seite des Schirmes. Die Dimension des Kopplungswiderstandes ist Milliohm pro Meter. Er ist nach der Definition messbar an elektrisch kurzen Prflingen.

I2

U1

l < /10

I2

lI

UZT

2

1 (1)

Bild 1: Definition des Kopplungswiderstandes

Schirmdmpfung 2.3

Die Schirmdmpfung ist ein Ma fr die Gte des Schirms anwendbar fr elektrisch lange

Prflinge. Sie ist das logarithmische Verhltnis von eingespeister Leistung zu abgestrahlter Leistung .

21 /log10 PPaS dB (2)

Einzelheiten zur Messung der Schirmdmpfung sind in IEC 62153-4-4 [6] beschrieben.

Unsymmetriedmpfung 2.4

Geschirmte symmetrische Paare knnen auf verschiedene Arten betrieben werden. Im symmetrischen Betrieb (Gegentaktbetrieb, differential mode) fliet dabei durch den einen

Leiter der Strom und durch den anderen der Strom . Durch den Schirm fliet hierbei kein Strom. Im unsymmetrischen Betrieb (Gleichtaktbetrieb, common mode) fliet durch beide

Leiter jeweils der halbe Strom . Durch den Schirm fliet der rcklaufende Strom , hnlich wie bei einem Koaxialkabel [7, 12].

Bei einem idealen Kabel sind beide Betriebsarten voneinander unabhngig, bei realen Kabeln finden jedoch Wechselwirkungen zwischen den beiden Betriebsarten statt. Die Unsymmetrie-dmpfung aU eines Kabels beschreibt im logarithmischen Ma, wie viel Leistung vom Gegentaktsystem in das Gleichtaktsystem (oder umgekehrt) berkoppelt. Sie ist das logarithmische Verhltnis von eingespeister Leistung im Gegentaktbetrieb Pd zu der in den Gleichtaktbetrieb bergekoppelten Leistung Pc.

cdu PPa /log10 (3) Unterschiedliche Leiterwiderstnde, Isolationsdurchmesser, Aderkapazitten, ungleichmige Verseilung und wechselnde Abstnde der Innenleiter zum Schirm sind Ursachen fr die Unsymmetrie.

Fr tiefe Frequenzen nimmt die Unsymmetriedmpfung mit der Lnge ab. Mit steigender Frequenz und/oder Lnge nhert sich die Unsymmetriedmpfung - hnlich wie die Schirmdmpfung - asymptotisch einem Grenzwert an. Die Unsymmetrie lsst sich sowohl fr das sendernahe als auch fr das senderferne Ende eines Kabels ermitteln [7, 12].

Kopplungsdmpfung 2.5

Die Kopplungsdmpfung beschreibt die gesamte Effektivitt gegen elektromagnetische Beeinflussung (EMB) und bercksichtigt sowohl die Wirkung des Schirms als auch die

Symmetrie des Paares. Eine Messung ist auch an ungeschirmten Paaren (U/UTP) mglich. Dabei wirkt naturgem nur die Symmetrie. Sinngem gilt Gleichung (3) auch fr die Definition der Kopplungsdmpfung.

3 Mischmoden S-Parameter (virtueller Symmetriebertrager)

Zur Messung der Unsymmetrie- und der Kopplungsdmpfung wird ein differentielles Signal (Gegentaktbetrieb) bentigt. Dies kann z. B. mittels eines Symmetriebertragers (Balun) erzeugt werden, der das unsymmetrische Signal eines Netzwerkanalysators in ein symmetrisches Signal wandelt. Handelsbliche Symmetriebertrager sind bis ca. 1,2 GHz verfgbar.

Alternativ kann ein symmetrisches Signal auch mit einem Netzwerkanalysator mit zwei Generatoren, die um 180 phasenverschoben sind, erzeugt werden. Allerdings sind solche Gerte selten verfgbar.

Eine weitere hufig angewendete Alternative ist die Messung mit einem Mehrtor-VNA und der Anwendung der entsprechenden Mischmoden S-Parameter [8]. Fr Messungen an einem Paar werden mindestens vier Tore bentigt. Fr die vollstndige Beschreibung eines vierpaarigen Datenkabels werden demnach 16 Tore bentigt, wenn das Umklemmen der Paare vermieden werden soll.

Definition der Mischmoden-Streuparameter 3.1

Das bertragungsverhalten von Vierpolen bzw. Zweitoren wie z. B. Koaxialkabeln kann durch deren Streuparameter (S-Parameter) beschrieben werden. In Matrixschreibweise ergibt sich:

Tor 1 Tor 2

a2

S22

b2 a1

b1

Allgemeines Zweitor

S

Bild 2: Allgemeines Zweitor

2

1

2221

1211

2

1

2

1

a

a

SS

SS

a

aS

b

b (4)

Dabei sind a und b die in das Tor einstrmenden bzw. ausstrmenden normierten Leistungswellen. Die Definition der Streumatrix ist problemlos auf beliebige N-Tore erweiterbar. Fr ein Viertor ergibt sich:

Tor 1 Tor 3

b3

S22

a3 a1

b1

a2

b2

Tor 2 Tor 4

a4

b4

Viertor

Bild 3: Viertor Netzwerk

4

3

2

1

44434241

43333231

24232221

14131211

4

3

2

1

4

3

2

1

a

a

a

a

SSSS

SSSS

SSSS

SSSS

a

a

a

a

S

b

b

b

b

std

(5)

Fr die Messung symmetrischer Zweitore werden bei einem Mehrtor-VNA die physikalischen Tore des Netzwerkanalysators zu logischen Toren zusammengefasst (Bild 4).

Bild 4: Physikalische und logische VNA-Tore

Dabei wird folgende Nomenklatur verwendet:

Modus

s - Single ended (unsymmetrisch, koaxial)

d - Differential mode (Gegentaktbetrieb)

c - Common mode (Gleichtaktbetrieb)

Bild 5: Nomenklatur von Mischmoden-Parametern

Entsprechend sind die S-Parameter wiederum als Verhltnisse von Leistungswellen zu verstehen.

y Modusim Tor B-VNA am gnalAusgangssi

x Modusim ATor -VNA am gnalEingangssixyABS (6)

Die Umrechnung von den unsymmetrischen Viertor Streuparametern Sstd

zu den Mischmoden Streuparametern S

mm fr ein symmetrisches Zweitor erfolgt ber:

1 MSMS stdmm mit

1100

0011

1100

0011

2

1M und

2221

1211

2221

1211

2221

1211

2221

1211

cccc

cccc

cdcd

cdcd

dcdc

dcdc

dddd

dddd

mm

SS

SS

SS

SS

SS

SS

SS

SS

S (7)

symmetrisches Tor symmetrisches Tor

unsymmetrisches Tor symmetrisches Tor

VNA Tor a

VNA Tor b

logisches

Tor

VNA Tor a logisches

Tor

VNA Tor c

VNA Tor d

logisches

Tor Prfling

Prfling VNA Tor d

logisches

Tor

VNA Tor c

SxyAB

Nummer des VNA-Tores mit Anregung Nummer des VNA-Tores mit Antwort Modus des VNA-Tores mit Anregung

Modus des VNA-Tores mit Antwort

Fr die Messung eines Zweitores mit einem unsymmetrischen Tor (single ended) und einem symmetrischen Tor ergeben sich folgende Messkonfigurationen:

Anregung

Single

ended

Differential

mode

Common

mode

Logisches

Tor 1

Logisches

Tor 2

Logisches

Tor 2

An

two

rt

Single

ended

Logisches

Tor 1 Sss11 Ssd12 Ssc12

Differential

mode

Logisches

Tor 2 Sds21 Sdd22 Sdc22

Common

mode

Logisches

Tor 2 Scs21 Scd22 Scc22

Die Messung der Kopplungsdmpfung entspricht einer Anregung im Gegentakt (differential mode) und Antwort im unsymmetrischen (koaxialen) Modus (single ended), d.h. einer Messung des S-Parameters Ssd12. Die Messung der Schirmdmpfung an einem einzelnen Paar entspricht einer Anregung im Gleichtakt (common mode) und Antwort im unsym-metrischen (koaxialen) Modus (single ended), d.h. einer Messung des S Parameters S sc12.

Fr die Messung eines Zweitores mit zwei symmetrischen Toren ergeben sich folgende Mess -konfigurationen:

Anregung

Differential mode Common mode

Logisches

Tor 1

Logisches

Tor 2

Logisches

Tor 1

Logisches

Tor 2

An

two

rt

Differential

mode

Logisches

Tor 1 Sdd11 Sdd12 Sdc11 Sdc12

Logisches

Tor 2 Sdd21 Sdd22 Sdc21 Sdc22

Common

mode

Logisches

Tor 1 Scd11 Scd12 Scc11 Scc12

Logisches

Tor 2 Scd21 Scd22 Scc21 Scc22

Die Messung der Leitungsdmpfung eines symmetrischen Paares entspricht einer Anregung und Antwort im Gegentaktbetrieb (differential mode), d.h. einer Messung des S-Parameters Sdd21. Die Messung der Unsymmetriedmpfung mit Anregung im Gegentaktbetrieb und Antwort im Gleichtaktbetrieb entspricht fr die Messung am nahen Ende dem S Parameters Scd11 bzw. Scd21 bei Messung am fernen Ende.

Einspeisung des Signals 3.2

Zur Einspeisung des Mess-Signals in den symmetrischen Prfling mssen die 50 Ohm Ausgnge des Multiport NWAs mit den beiden Adern des symmetrischen Kabels verbunden werden. Dabei darf die Symmetrie und Geometrie des Prflings so wenig wie mglich beeinflusst werden und die Anpassung und Symmetrie der Anschaltvorrichtung sollte dem anzuschlieenden Kabel berlegen sein [11].

Fr entsprechende Anlegefelder gibt es verschiedene in der Regel aufwendige kommerzielle Lsungen, allerdings bisher nur fr jeweils 4 Paare. Zur Messung der Kopplungsdmpfung wird ein Anlegefeld fr ein einzelnes Paar bentigt. Fr die nachfolgend

aufgefhrten Messungen wird ein neu gestaltetes Anlegefeld fr ein symmetrisches Paar mit folgenden Eigenschaften eingesetzt:

Tabelle 1 Eigenschaften des Anlegefeldes

Wellenwiderstand Primrseite 2 x 50 Ohm

Wellenwiderstand Sekundrseite 1 x 100 Ohm

Unsymmetriedmpfung Sekundrseite (offen) > 40 dB

Unsymmetriedmpfung Sekundrseite (Abschluss) > 40 dB

Durchgangsdmpfung Primrseite (Kurzschluss) < 0,2 dB

Durchgangsdmpfung Sekundrseite (back to back) < 0,8 dB

4 Absorber

Sowohl bei dem Zangenverfahren nach IEC 62153-4-5 als auch bei dem Triaxialverfahren nach IEC 62153-4-9 sind Absorber zur Vermeidung rcklaufender Wellen und zum Abschluss des Systems erforderlich. Die Messung der Einfgungsdmpfung von Absorberzangen ist in IEC 62153-4-5 beschrieben; sie soll bei der Messung der Kopplungsdmpfung > 10 dB betragen.

Tor 1 ZW

Tor 2

Reflektorplatte

Absorber

2

Zange

1

Bild 6: Einfgungsdmpfung des Absorbers nach IEC 62153-4-5

Zur Qualifizierung von Absorbern fr das Triaxialverfahren wird ein koaxiales System verwendet. Der Messaufbau nach Bild 7 besteht aus einem Messrohr mit zwei Messkpfen und einem Innenleiter, so gestaltet dass das Messrohr mit dem Innenleiter ein 50 Ohm System bildet. Die Absorber werden auf den Innenleiter geschoben. Gemessen wird die Transmission (S21) mit und ohne Absorber. Die Differenz beider Messungen ergibt die Einfgungsdmpfung der Absorber.

Sender Messrohr

Empfnger

Absorber Innenleiter

Bild 7: Einfgungsdmpfung von Absorbern mit Triaxialverfahren

Untersucht wurden sowohl nanokristalline Absorber der Fa. Sekels, Friedberg als auch Ferritabsorber. Die beste Wirkung ber den gesamten Frequenzbereich von 30 MHz bis zu und ber 2 GHz wurde dabei mit einer Kombination aus nanokristallinen Absorbern als und Ferritabsorbern erreicht.

Bild 8: Einfgungsdmpfung von Absorbern mit Triaxialverfahren

Bild 8 zeigt die Einfgungsdmpfung einer Kombination von nanokristalinen Absorbern und von Ferritabsorbern bei einer Lnge 20 cm und von 40 cm.

5 Messung der Kopplungsdmpfung mit Mehrtor VNA

Allgemeines 5.1

Die Messung der Kopplungsdmpfung von symmetrischen Leitungen erfolgt bisher entweder mit Absorberzangen [5] oder einem triaxialen Messaufbau [4]. Die Messung mit Absorber-zangen hat einige Nachteile gegenber der Messung mit dem triaxialen Aufbau. Die Kalibrierung des Wandlungsmaes der Absorberzangen ist komplex und zudem abhngig vom Prfling. Mit Absorberzangen muss ferner die Messung gegebenenfalls in geschirmten Rumen erfolgen, um Umgebungseinflsse auszuschlieen. Insbesondere im Frequenz-bereich bis etwa 100 MHz ist die Wandlungsdmpfung der Zangen gro, mgliche Str-einflsse beispielsweise durch Radiosender sind aber ebenfalls gro, sodass sich hier mehrere Schwchen des Verfahrens berlagern. Dagegen sind beim triaxialen Aufbau Um-gebungseinflsse durch den Aufbau selbst ausgeschlossen.

Generator

Ferrit-Absorber

restliche Kabellnge, ca. 97 m

Empfnger

Messrohr mit offenem Messkopf

zu prfender Schirm

Generator

Gehuse Anlegefeld

Abschluss

Bild 9: Messung der Kopplungsdmpfung nach IEC 62153-4-9 mit offenem Messkopf und Multiport NWA

Es existieren Absorberzangen fr den Frequenzbereich von 30 MHz bis 1000 MHz und 500 MHz bis 2,4 GHz. D.h. fr die Messung bis 2 GHz sind zwei Messaufbauten erforderlich und oberhalb von 2,4 GHz sind Messungen mit Zangen nicht mglich. Aufgrund der einge-schrnkten Verfgbarkeit von Symmetriebertragern fr Frequenzen ber 1,2 GHz wird daher vorzugsweise der triaxiale Aufbau nach IEC 62153-4-9 [4] in Verbindung mit einem Multiport NWA verwendet, Bild 9.

Generator

DUT

Messrohr (CoMeT 40) symmetrisch/ asymmetrischer Abschluss

Empfnger

Schirmhlse

Generator

Anlegefeld

Bild 10: Messen der Kopplungsdmpfung mit Standard-Messkopf und Multiport NWA

Bild 11: Messung der Schirmdmpfung eines RG 058 mit offenem Messkopf und mit Standard-Messkopf.

Grundstzlich zeigt das Verfahren mit dem offenen Messkopf gute Vergleichbarkeit zum Verfahren mit dem Standard-Messkopf. Bild 11 zeigt den Vergleich einer Schirmdmpfungs-messung. Dabei ist wie blich von den ermittelten Maximalwerten auszugehen. Diese unterscheiden sich bei den Messungen nach Bild 11 nur um ca. 2 dB, wohingegen die Mess-ergebnisse bei einzelnen Frequenzen erhebliche Unterschiede aufweisen. Fr den Nachweis, dass Kopplungsdmpfungsmessungen mit dem Symmetriebertrager quivalent sind zu Messungen mit virtuellem Balun, wird auf [10, 13] verwiesen.

Prflingslnge 5.2

Whrend die Schirmdmpfung des Schirmes fr die bei der Kopplungsdmpfung betrachteten Lngen und Frequenzen lngenunabhngig ist, wird bei IEC 62153-9 bisher davon ausgegangen, dass die Unsymmetriedmpfung mit zunehmender Kabellnge zunimmt. Daher wird bei der Messung der Kopplungsdmpfung nach IEC 62153-4-9 mit einer Messlnge von 100 m gearbeitet (siehe Bild 9), wobei sich 3 m im Messrohr befinden und die restlichen 97 m durch den offenen Messkopf in ein geschirmtes Gehuse gefhrt werden.

Die Messungen mit offenem Messkopf bereiten allerdings bei 2 GHz verschiedene Probleme. Der offene Kopf ist im Prinzip ein Dreitor mit unterschiedlichen Wellenwiderstnden. Am offenen Ende mssen Absorber angebracht werden, um rcklaufende Wellen in das Messrohr zu vermeiden. Zudem verhindern die Absorber Streinflsse von auen. Die Gestaltung des offenen Messkopfes bezglich guter Hochfrequenzeigenschaften ist anspruchsvoll. Es liegt daher nahe zu prfen, ob das Triaxialverfahren zur Messung der Kopplungsdmpfung mit offenem Messkopf betrieben werden muss oder ob bei entsprechend hohen Frequenzen auch mit dem Standardmesskopf gearbeitet werden kann. Dazu ist zunchst das Verhalten der Unsymmetriedmpfung symmetrischer Paare bei verschiedenen Lngen zu untersuchen.

Berechnung der Unsymmetriedmpfung symmetrischer Paare 5.3

Modelle fr die analytische Betrachtung der Unsymmetriedmpfung von Paaren sind in beispielsweise in [12] und [9] zu finden. Ausgehend von einem Ersatzschaltbild nach Bild 12

knnen die Lngs-Unsymmetrie und die Quer-Unsymmetrie definiert werden.

( ) ( ) und ( ) ( ) (8)

R1

L2 R

2

L1

G 1/2

G2/2

G1/2

G2/2

C1/2

C2/2

C1/2

C2/2

dx

Bild 12: Ersatzschaltbild eines homogenen symmetrischen Kabels mit gleichmiger Verteilung der primren Leitungsbelge

Die Terme der Unsymmetrie-Kopplungsfunktionen knnen formal in gleicher Weise wie die Kopplungsfunktion fr das Nebensprechen geschrieben werden:

[ ( )

( )] ( )

(9)

(

)

(10)

Der Phaseneffekt durch Aufsummieren der infinitesimal kleinen Kopplungen entlang der

bertragungsleitung wird durch die Summenfunktion ausgedrckt. Bei Vernachlssigung der Kabeldmpfung kann durch folgende Gleichung ausgedrckt werden:

( )

( )

( ( )

) (11)

Dabei krzt sich die Lnge aus den Gleichungen heraus, d.h. bei gleichmiger Verteilung und bei hohen Frequenzen ist die Unsymmetriedmpfung lngenunabhngig. Bei hohen Frequenzen nhert sich der asymptotische Wert:

( ) (12)

und bei tiefen Frequenzen wird die Summenfunktion zu:

| | (13)

Das Verhalten der Unsymmetriedmpfung bei unterschiedlichen Lngen und zuflligen Strungen zeigen bespielhaft die Messungen in Bild 13. Es ist erkennbar, dass bei Frequenzen oberhalb einiger 10 MHz keine nennenswerten Unterschiede auftreten. Insofern erscheint es mglich, auf die 100 m Prflingslnge bei der Kopplungsdmpfungsmessung zu verzichten, wenn die minimale Messfrequenz gengend hoch gewhlt wird.

Bild 13: Nah-Unsymmetriedmpfung eines S/STP-Kabels bei unterschiedlichen Lngen.

Rckflussdmpfung 5.4

Bei der Messung Rckflussdmpfung geschirmter symmetrischer Paare ( ) muss der Prfling mit seinem Wellenwiderstand abgeschlossen werden. Dies gilt sowohl fr den Gleichtaktbetrieb als auch gleichzeitig fr den Gegentaktbetrieb, was ein spezielles Abschlussnetzwerk erforderlich machen kann, siehe Bild 14.

R1 50 Ohm

R1 50 Ohm

R2 ist abhngig vom Kabeltyp

Bild 14: symmetrisch/unsymmetrischer Abschluss

bliche symmetrisch/unsymmetrische Abschlsse sind in Tabelle 2 zusammengestellt.

Tabelle 2 bliche Konfiguration symmetrisch/asymmetrischer Abschlsse

Wellenwiderstand des Paares zum Schirm bzw. zur Folie

R1

Lngswiderstand R2

S/FTP ca. 33 Ohm 50 Ohm 8 Ohm

F/UTP ca. 50 50 Ohm 25 Ohm

U/UTP ca. 75 50 Ohm 50 Ohm

Die Induktivitt der Abschlusswiderstnde soll dabei mglichst klein sein, was insbesondere fr das Gleichtaktsignal durch den mitunter langen Weg zum Schirm problematisch ist .

Bild 15: Rckflussdmpfung eines geschirmten symmetrischen Paares an verschiedenen Lngen an einem Cat7 Kabel

Die gemessene Rckflussdmpfung ( ) symmetrischer Kabel wird zu kurzen Lngen hin typischerweise schlechter (Bild 15). Dies kann auf einen unzureichenden Abschluss-widerstand zurckgefhrt werden. Auch die Notwendigkeit, die Geometrie des Paares zu stren, um es berhaupt kontaktieren zu knnen, spielt eine wesentliche Rolle. Bei der Messung der Rckflussdmpfung an verschiedenen Lngen (Bild 15) wurde ein Abschluss nach Bild 14 mit und eingesetzt. Bei greren Messlngen nimmt der Einfluss des Abschlusswiderstandes um die doppelte, frequenzabhngige Dmpfung des Prflings ab (das Kabel schliet sich selbst ab).

Fr den Abschluss des Gleichtaktsignals gelten dieselben berlegungen. Folglich ist von hnlichen Effekten auszugehen wie in Bild 15 gezeigt. Da im Falle eines unzureichenden Abschlusses des Gleichtaktsignals fr den fr die Kopplungsdmpfung entscheidenden Signalpfad mehr Energie zur Verfgung steht, ist eine deutliche Auswirkung auf Messer-gebnisse der Kopplungsdmpfung zu erwarten, wenn das Gleichtaktsystem unzureichend abgeschlossen ist.

Vergleiche verschiedener Kopplungsdmpfungsmessungen 5.5

Die Messung der Kopplungsdmpfung mit Triaxialverfahren mit offenem Messkopf nach IEC 62153-1-9 mit einer Messlnge des Messrohres von 3 m bei einer gesamten Kabellnge von 500m und die Messung mit Standardmesskopf bei einer Messlnge von 3 m sind in Bild 16 dargestellt. Die Maximalwerte beider Messungen weichen nur geringfgig voneinander ab. Die verbleibenden Unterschiede werden auf die schlechtere Rckflussdmpfung bei kurzen Lngen zurckgefhrt. Fr Messungen mit Standardmesskopf mit einer Messlnge von 3 m muss der Abschlusswiderstand verbessert werden; die Rckflussdmpfung sollte > 10 dB sein.

Die schlechtesten Werte des Zangenverfahrens nach IEC 62135-4-5 (Bild 17) und die schlechtesten Werte der Kopplungsdmpfung mit Triaxialverfahren nach IEC 62153-1-9 mit offenem Messkopf und mit Standardmesskopf (Bild 16) liegen jeweils im Bereich von etwa 85 dB bei 500 MHz und bei etwa 74 dB bei 2 GHz. Es ergibt sich damit eine gute bereinstimmung aller Messverfahren.

Bild 16: Kopplungsdmpfung mit Triaxialverfahren mit offenem Messkopf nach IEC 62153-1-9 und mit Standardmesskopf an einem Cat8.2 Kabel

Bild 17: Kopplungsdmpfung nach IEC 62135-4-5, MDS 22, 500 MHz bis 2 GHz an einem Cat8.2 Kabel

6 Fazit

Im Hinblick auf die Sicherstellung einer verlsslichen Kopplungsdmpfungsmessung bei hohen Frequenzen sind mehrere technisch Randbedingungen zu gewhrleisten und Probleme zu lsen. Fr den hier betrachteten Frequenzbereich von einigen hundert MHz bis 2 GHz kann die Einspeisung und Detektion des Signals mit der Methode der Mischmoden-Parameter erfolgen. Moderne Netzwerkanalysatoren verfgen ber entsprechende Mglichkeiten. Verschiedene Anlegefelder zur Kontaktierung paariger Kabel sind kommerziell verfgbar.

Die Lngenabhngigkeit der Unsymmetriedmpfung ist bei den betrachteten Frequenzen so klein, dass grundstzlich beim Triaxialverfahren gleiche Ergebnisse unter Verwendung des offenen Messkopfs und des Standardmesskopfs bei einer Lnge des Messrohres von 3 m erwartet werden knnen.

Allerdings ist der Einfluss der Rckflussdmpfung bei kurzen Lngen zu beachten. Ein unzu-reichender Abschluss des Kabel-Prflings insbesondere auch bezglich des Gleichtakt-signals erhht die zur Abstrahlung bereitstehende Leistung betrchtlich, die im Falle eines 100 m langen Prflings von dessen Dmpfung reduziert wird. Die Rckflussdmpfung des

Prflings sollte auch bei einer Messlnge von 3 m erfahrungsgem besser als etwa 10 dB sein. Eine verbesserte Version eines symmetrisch/unsymmetrischen Abschlusses ist in Arbeit.

Die vorgestellten Messungen zeigen, dass unter Bercksichtigung der beschriebenen Randbedingungen vergleichbare Ergebnisse vom Triaxialverfahren mit offenem Messkopf und dem Standardmesskopf sowie auch vom Zangenverfahren erwartet werden knnen. Damit stellt das Triaxialverfahren insbesondere fr Frequenzen grer 1 GHz eine gute Alternative zum Zangenverfahren dar, da die fr Frequenzen >1 GHz bentigte Messzange nur in wenigen Labors verfgbar ist.

Neben der Weiterentwicklung der Anlegefelder zur Prflingskontaktierung und der Mglichkeiten, den Prfling optimal abzuschlieen, ist Verhalten des offenen Messkopfes Gegenstand weiterer Untersuchungen. Diese werden der berarbeitung der Normenreihe IEC 62153 dienen.

7 Literatur

[1] 46C/1001/CD - IEC 61156-9 Ed. 1.0: Multicore and symmetrical pair/quad cables for digital communications - Part 9: Cables for horizontal floor wiring with transmission characteristics up to 2 GHz - Sectional specification

[2] 46C/1002/CD - IEC 61156-10 Ed. 1.0: Multicore and symmetrical pair/quad cables for digital communications - Part 10: Cables for work area wiring with transmission characteristics up to 2 GHz - Sectional specification

[3] ISO/IEC TR 11801-99-1 Ed. 1.0: INFORMATION TECHNOLOGY - Guidance for balanced cabling in support of at least 40 Gbit/s data transmission

[4] IEC 62153-4-9, Metallic communication cable test methods - Part 4-9: Electromagnetic compatibility (EMC) - Coupling attenuation of screened balanced cables, triaxial method

[5] IEC 62153-4-5, Metallic communication cables test methods - Part 4-5: Electromagnetic compatibility (EMC) - Coupling or screening attenuation - Absorbing clamp method

[6] IEC 62153-4-4, Metallic communication cable test methods - Part 4-3: Electromagnetic compatibility (EMC) - Surface transfer impedance - Triaxial method

[7] Thomas Hhner, Bernhard Mund EMV-Verhalten symmetrischer Kabel EMC Journal 4/1997

[8] Yangawa, K.; Cross, J. Modal decomposition (non-balun) measurement technique: error analysis and application to UTP/STP characterisation to 500 MHz; Proceedings of the IWCS 1995; pp. 127-133

[9] Christian Pfeiler u.a., Analysis of Balance Parameters of Cables for High Data Rate Digital Communications, Proceedings of the 62nd IWCS Conference, Charlotte, US, Nov. 2013

[10] Thomas Hhner & Bernhard Mund, Balunless Measurement of Coupling Attenuation of Balanced Cables & Components, Wire and Cable Technology International, July 2013

[11] Thomas Hhner, Messung der bertragungseigenschaften symmetrischer Kabel bis in den GHz Frequenzbereich, Technische Akademie Esslingen [TAE], 15. Oktober 2013

[12] Thomas Hhner, Bernhard Mund Test methods for screening and balance of communications cables; Proceedings of EMC Zurich, 1999, pp. 533-538

[13] Lauri Halme, Bernhard Mund: Messen der Schirmwirkung elektrischer Kabel, Anwenderforum Elektrische Kabel, Technische Akademie Esslingen [TAE], 15. Oktober 2013