Messen der Kopplungsdämpfung mit vektoriellem Mehrtor- Netzwerkanalysator VNA, (balunless)

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1 Messen der Kopplungsdämpfung mit vektoriellem Mehrtor- Netzwerkanalysator VNA, (balunless) Zusammenfassung und Einleitung Mit der Einführung von 4 Gbps digitaler Datenübertragung für Anwendungen in Datenzentren hat der Bereich, in dem symmetrische Datenkabel z.b. für strukturierte Verkabelung betrieben werden, inzwischen die GHz Marke erreicht. Die Normentwürfe IEC 46C/976/NP und 46C/977/NP, Kabel für Etagenverkabelung bzw. Geräteanschlusskabel mit Übertragungseigenschaften bis GHz, beschreiben Datenkabel bis.6 bzw. bis GHz. Auch der Normentwurf IO/IEC JTC/C5 N nd PDTR beschreibt Anforderungen an die ystemverkabelung (Kanal) bis,6 bzw. GHz. Die chirmwirkung solcher Kabel wird unter anderem durch die Kopplungsdämpfung als umme aus chirmdämpfung und Unsymmetriedämpfung beschrieben. Zur Messung der Kopplungsdämpfung sowie zur Messung weiterer Übertragungseigenschaften wie Unsymmetriedämpfung, Nebensprechdämpfung usw. wird ein differentielles ignal benötigt. Dies kann z.b. über einen ymmetrieübertrager (5/-Ohm) erzeugt werden. Handelsübliche ymmetrieübertrager sind allerdings nur bis ca., GHz verfügbar. Alternativ kann ein symmetrisches ignal auch mit einem Netzwerkanalysator mit zwei Generatoren erzeugt werden, wobei die Phase eines Generators um 8 phasenverschoben ist. Eine weitere Alternative ist die Messung mit einem Mehrtor-VNA. Im folgenden Bericht ist die Messung der Kopplungsdämpfung mit einem Mehrtor-VNA sowie die entsprechenden 4-Tor-Mischn -Parameter beschrieben. Damit kann die Kopplungsdämpfung bis zu und über 3 GHz gemessen werden. Wirkung gegen elektromagnetische Einflüsse. Allgemeines Um eine Leitung gegen äußere elektromagnetische Beeinflussungen zu schützen, bzw. um Abstrahlung in die Umgebung zu vermeiden, wird diese mit chirmen aus Metallfolien und/oder Geflechten umgeben. Für besonders störanfällige Umgebungen verwendet man auch aufwendigere chirmkonstruktionen aus mehreren Lagen oder mit magnetischen Werkstoffen. Zusätzlich zum chirm trägt auch die ymmetrie der Konstruktion zur gesamten chirmwirkung bei. Die alleinige Wirkung des chirmes wird durch den Kopplungswiderstand und die chirmdämpfung beschrieben. Der Einfluss der ymmetrie wird durch die Unsymmetriedämpfung erfasst. Die Gesamtwirkung von chirm und ymmetrie (symmetrischer Prüflinge) wird durch die Kopplungsdämpfung beschrieben.. Kopplungswiderstand Der Kopplungswiderstand Z T ist definiert als das Verhältnis des pannungsabfalls U längs des chirmes auf der gestörten eite zu dem törstrom I auf der anderen eite des chirmes. Die Dimension des Kopplungswiderstandes ist Milliohm pro Meter. I U l < λ/ I Z T Z T U = I l ZT db( Ω) = + log Ω Bild : Definition des Kopplungswiderstandes

2 .3 chirmdämpfung Die chirmdämpfung ist ein Maß für die Güte des chirms. ie ist das logarithmische Verhältnis von eingespeister Leistung P zu abgestrahlter Leistung P. a ( P / = log P db ) Einzelheiten sind in IEC beschrieben..4 Unsymmetriedämpfung Geschirmte symmetrische Paare können auf verschiedene Arten betrieben werden. Im symmetrischen Betrieb (Gegentaktbetrieb, differential ) fließt dabei durch den einen Leiter der trom +I und durch den anderen der trom I; durch den chirm fließt hierbei kein trom. Im unsymmetrischen Betrieb (Gleichtaktbetrieb, common ) fließt durch beide Leiter jeweils der halbe trom +I/; durch den chirm fließt der rücklaufende trom I, ähnlich wie bei einem Koaxialkabel []. Bei einem idealen Kabel sind beide Betriebsarten voneinander unabhängig, bei realen Kabeln finden jedoch Wechselwirkungen zwischen den beiden Betriebsarten statt. Die Unsymmetriedämpfung a U eines Kabels beschreibt im logarithmischen Maß, wie viel Leistung vom Gegentaktsystem in das Gleichtaktsystem (oder umgekehrt) überkoppelt. ie ist das logarithmische Verhältnis von eingespeister Leistung im Gegentaktbetrieb P d zu der in den Gleichtaktbetrieb übergekoppelten Leistung P c. u ( P P ) a = log / d c Unterschiedliche Leiterwiderstände, Isolationsdurchmesser, Aderkapazitäten, ungleichmäßige Verseilung und wechselnde Abstände der Innenleiter zum chirm sind Ursachen für die Unsymmetrie. Für tiefe Frequenzen nimmt die Unsymmetriedämpfung mit der Länge ab. Mit steigender Frequenz und/oder Länge nähert sich die Unsymmetriedämpfung - ähnlich wie die chirmdämpfung - asymptotisch einem Grenzwert an, der je nach Kabeltyp und Verteilung der Kopplungen db bis 4 db beträgt. Die Unsymmetrie lässt sich sowohl für das sendernahe als auch für das senderferne Ende eines Kabels ermitteln [4]. U n Z W U f Z W U Un Z WU Z WU U Uf Bild - Nah- und Fernunsymmetrie mit ymmetrieübertragern.5 Kopplungsdämpfung Die Kopplungsdämpfung beschreibt die gesamte Effektivität gegen elektromagnetische Beeinflussung (EMB) und berücksichtigt beides die chirmwirkung des chirms und die ymmetrie des Paares.

3 Bei ungeschirmten Paaren (UTP) wirkt nur die ymmetrie, die Kopplungsdämpfung entspricht der Unsymmetriedämpfung. Bei geschirmten symmetrischen Paaren (TP) hingegen wirken der chirm und die ymmetrie. Die Kopplungsdämpfung ergibt sich damit in erster Näherung als umme aus Unsymmetriedämpfung a U des Paares und chirmdämpfung a des Kabelschirmes. Da beide Werte üblicherweise im logarithmischen Maß angegeben werden, können diese in erster Näherung einfach zur Kopplungsdämpfung a C addiert werden. ac = au + a s db Generator Prüfling Messrohr CoMeT 4 symmetrisch/ asymmetrischer Abschluss ymmetrieübertrager chirmhülse Empfänger Bild 3 Messen der Kopplungsdämpfung mit ymmetrieübertrager 3 Gegentaktanregung Zur Messung der Unsymmetrie- und der Kopplungsdämpfung wird ein differentielles ignal (Gegentaktbetrieb) benötigt. Dies kann z.b. über einen ymmetrieübertrager erzeugt werden, der das unsymmetrische ignal eines 5-Ohm Netzwerkanalysators in ein symmetrisches ignal wandelt. Handelsübliche ymmetrieübertrager sind bis ca., GHz verfügbar. Alternativ zu einem ymmetrieübertrager kann ein symmetrisches ignal auch mit einem Netzwerkanalysator mit zwei Generatoren, deren ignale um 8 phasenverschoben sind, erzeugt werden. Allerdings sind solche Geräte kaum verfügbar. Eine weitere häufig angewendete Alternative ist die Messung mit einem Mehrtor-VNA und der Anwendung der entsprechenden Mischn -Parameter. Es werden mindestens 4 Tore benötigt. Für die vollständige Beschreibung eines 4 paarigen Datenkabels werden 6 Tore benötigt wenn man das Umklemmen der Paare während der Messung vermeiden will. Damit kann die Kopplungsdämpfung bis zu und über 3 GHz gemessen werden 4 Mischn -Parameter (virtueller ymmetrieübertrager) Das Übertragungsverhalten von Vierpolen bzw. Zweitoren wie z.b. Koaxialkabel kann durch deren treuparameter (-Parameter) beschrieben werden. In Matrixschreibweise ergibt sich:

4 a b Allgemeines Zweitor b b = a a ( ) = a a b Bild 4 - Allgemeines Zweitor a Wobei a, b die in das Tor einströmenden bzw. ausströmenden normierten Leistungswellen sind Die Definition der treumatrix ist problemlos auf beliebige N-Tore erweiterbar. Für ein Viertor ergibt sich: a a 3 Tor 3 b a Viertor Tor 4 b 3 a 4 b b b b 3 4 = std ( ) a a a a 3 4 = a a x a a 3 4 b b 4 Bild 5 - Viertor Netzwerk Für die Messung symmetrischer Zweitore werden bei einem Mehrtor-VNA die physikalischen Tore des Netzwerkanalysators zu logischen Toren zusammengefasst (Bild 6). symmetrisches Tor symmetrisches Tor logisches VNA Tor a VNA Tor b Prüfling VNA Tor c VNA Tor d logisches unsymmetrisches symmetrisches Tor logisches VNA Tor a Prüfling VNA Tor c VNA Tor d logisches Bild 6 - Physikalische und logische VNA-Tore

5 Dabei wird folgende Nomenklatur verwendet: xyab Nummer des VNA-Tores mit Anregung Nummer des VNA-Tores mit Antwort Modus des VNA-Tores mit Anregung Modus des VNA-Tores mit Antwort Modus s ingle ended (unsymmetrisch, koaxial) d Differential (Gegentaktbetrieb) c Common (Gleichtaktbetrieb) xyab = Eingangssignal am VNA - Tor A im Modus x Ausgangssignal am VNA - Tor B im Modus y die Umrechnung von den unsymmetrischen Viertor treuparametern std zu den Mischn treuparametern mm für ein symmetrisches Zweitor erfolgt über: mm std = M M M = mm = dd dd cd cd dd dd cd cd dc dc cc cc dc dc cc cc Für die Messung eines Zweitores mit einem unsymmetrischen Tor (single ended) und einem symmetrischen Tor ergeben sich folgende Messkonfigurationen: Antwort ingle ended Differential Common ingle ended Anregung Differential Common ss sd sc ds dd dc cs cd cc Die Messung der Kopplungsdämpfung entspricht einer Anregung im Gegentakt (differential ) und Antwort im unsymmetrischen (koaxialen) Modus (single ended), d.h. einer Messung des -Parameters sd. Die Messung der chirmdämpfung entspricht einer Anregung im Gleichtakt (common ) und Antwort im unsymmetrischen (koaxialen) Modus (single ended), d.h. einer Messung des Parameters sc. Für die Messung eines Zweitores mit zwei symmetrischen Toren ergeben sich folgende Messkonfigurationen:

6 Antwort Differential Common Differential Anregung Common dd dd dc dc dd dd dc dc cd cd cc cc cd cd cc cc Die Messung der Leitungsdämpfung eines symmetrischen Paares entspricht einer Anregung und Antwort im Gegentaktbetrieb (differential ), d.h. einer Messung des -Parameters dd. Die Messung der Unsymmetriedämpfung mit Anregung im Gegentaktbetrieb und Antwort im Gleichtaktbetrieb entspricht für die Messung am nahen Ende dem Parameters cd bzw. cd bei Messung am fernen Ende. 5 Messung der Kopplungsdämpfung mit Mehrtor VNA Die Messung der Kopplungsdämpfung von symmetrischen Leitungen erfolgt entweder mit Absorberzangen oder einem triaxialen Messaufbau nach folgenden Normen: IEC , Kopplungsdämpfung oder chirmdämpfung, Verfahren mit Absorberzangen IEC , Kopplungsdämpfung geschirmter symmetrischer Paare, Triaxialverfahren Die Messung mit Absorberzangen hat einige Nachteile gegenüber der Messung mit dem triaxialen Aufbau: Mit Absorberzangen sollte die Messung in geschirmten Räumen erfolgen um Umgebungseinflüsse auszuschließen. Dagegen sind beim triaxialen Aufbau Umgebungseinflüsse durch den Aufbau selbst ausgeschlossen. Es existieren Zangen für den Frequenzbereich von 3 MHz bis MHz und 5 MHz bis,4 GHz. D.h. für die Messung bis GHz sind zwei Messaufbauten erforderlich und oberhalb von.4 GHz sind Messungen mit Zangen nicht möglich. Daher wird vorzugsweise der triaxiale Aufbau nach IEC verwendet, (Bild 7). Empfänger zu prüfender chirm Messrohr mit offenem Messkopf Ferrit-Absorber Generator restliche Kabellänge, ca. m Generator Abschluss Gehäuse Bild 7 Messen der Kopplungsdämpfung nach IEC mit offenem Messkopf

7 Die Rohrlänge beträgt hierbei mindestens m (um den Anteil der chirmdämpfung korrekt zu erfassen) und die Länge des Prüflings ist m (um den Anteil der Unsymmetriedämpfung korrekt zu erfassen). Dazu wird das Messrohr mit einem offenen Messkopf betrieben. Bild 8 - Vergleich der Messungen mit ymmetrieübertrager (Balun) und mit Mehrtor- VNA, Messlänge 3m Bei den Vergleichsmessungen wurde der Einfachheit halber die Länge des Prüflings auf 3m beschränkt und das Messrohr mit einem geschlossenen Messkopf betrieben, (Bild 9). ender Rohr (CoMeT 4) symmetrisch/ asymmetrischer Abschluss ender, 8 Phasenverschoben Prüfling chirmhülse Empfänger Bild 9 Messung der Kopplungsdämpfung mit Mehrtor Die Vergleichsmessungen zwischen Einspeisung über einen ymmetrieübertrager und Verwendung eines Mehrtor-VNA zusammen mit Mischn Parametern zeigen eine sehr gute Übereinstimmung und bestätigen, dass die Kopplungsdämpfung mit einem Mehrtor-VNA bis mindestens 3 GHz gemessen werden kann.

8 Die oben dargestellten Messungen mit einem Mixed- VNA lassen sich sinngemäß auch für symmetrische Kabel und Komponenten mit dem Rohr im Rohr -Verfahren nach IEC sowie in der Triaxialen Zelle nach IEC anwenden. Literatur: [] Thomas Hähner, Bernhard Mund EMV-Verhalten symmetrischer Kabel EMC Journal 4/997. [] Otto Breitenbach, Thomas Hähner und Bernhard Mund: Kabelschirmung im Frequenzbereich von MHz bis GHz, erweiterte Anwendung eines einfachen Meßverfahrens, Frequenz - / [3] Bernhard Mund - Messen der chirmwirkung - EMC Kompendium 997. [4] Thomas Hähner, Bernhard Mund Test methods for screening and balance of communication cables EMC Zürich 999 [5] Bernhard Mund, Thomas chmid: Measuring EMC of HV cables and components with triaxial cell, Wire & Cable Technology international /3-