Konsequente Miniaturisierung erfordert ein senkrechtes Steckgesicht
Bild 02: Schnitt durch das CAD-Modell des gewinkelten Leiterplatten-Steckverbinders nach IEC 63171-2. Die Norm macht keine Angaben bezüglich der Anordnung des Steckgesichts. Phoenix Contact hat sich diesen Gestaltungsfreiraum nach sorgfältiger Analyse der Signalintegrität gezielt zunutze gemacht (Quelle: Phoenix Contact)
Bild 03: Andere Produkte aus dem SPE-Portfolio von Phoenix Contact – wie der gerade SPE-Leiterplatten-Steckverbinder SPE-T1-STSM-180 – haben vollsymmetrische Kontakte. Dies ist jedoch keine Voraussetzung für eine hohe Signalintegrität im Frequenzbereich der SPE-Applikationen
(Quelle: Phoenix Contact)
Bild 04: Versuchsaufbau Phasenmessung mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator. Hier wird der Laufzeitunterschied innerhalb eines Paares einer 2 m langen Twisted-Pair-Leitung als Referenzwert für die Bewertung des gewinkelten SPE-Leiterplatten-Steckverbinders bestimmt. Gemessen wird die Phase der Transmissions-Streuparameter (Quelle: Phoenix Contact; Grafik: etz)
Die IEC 63171-2 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 [1] 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 (Bild 1).
Aber lassen sich hohe Anforderungen an die Signalintegrität mit einem senkrechten Steckgesicht vereinbaren? Ein gewinkelter Leiterplatten-Steckverbinder mit einem senkrecht angeordneten Steckgesicht (Bild 2, 3) erfordert unterschiedliche Kontaktlängen. So betragen die gestreckten Längen der Kontakte 11,3 mm und 15 mm. Steht die Längendifferenz von 3,7 mm im Widerspruch zu den Symmetrieanforderungen einer differenziellen Signalübertragung?
Dieser Fragestellung wurde bereits in einer frühen Phase der Produktentwicklung hohe 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 IEC 63171.
Auswahl geeigneter Bewertungskriterien
Die IEC 63171 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.
Zur weiteren Beurteilung sind eine direkte Messung und Evaluierung des Laufzeitunterschieds entscheidend. Die Herausforderung besteht in der Auswahl eines passenden Referenzwerts, da die IEC 63171 diesen Parameter nicht konkretisiert. Ein erster Anhaltspunkt findet sich in der DIN EN 60603-7-51. Diese Bauartspezifikation aus dem RJ45-Bereich legt einen Laufzeitunterschied von maximal 1,25 ns zwischen den verschiedenen Leiterpaaren eines RJ45-Steckverbinders fest.
Diese Anforderung ist jedoch nicht gleichbedeutend mit dem Laufzeitunterschied innerhalb eines differenziellen Leiterpaares. Offensichtlich gibt es hier normativ keine Anforderungen – was, wie oben beschrieben, auch nicht notwendig ist, weil das System bereits vollständig durch die Übertragungsanforderungen beschrieben ist. Daher wird als weitere Referenz der Laufzeitunterschied im Paar einer hochwertigen Twisted-Pair-Leitung betrachtet.