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Datenübertragung mit klassischer Leiterplattenanschlusstechnik: Einflussfaktoren auf die Signalqualität

Die Rolle der Schirmung: Schutzschild für die Datenintegrität

Die Bedeutung der Schirmung bei der industriellen Datenübertragung kann kaum überschätzt werden. Gerade in rauen Umgebungen mit elektrischen Störfeldern, Motoren, Frequenzumrichtern oder Hochstromleitungen ist eine saubere und durchgehende Schirmung essenziell, um Störungen zu vermeiden und Signalintegrität zu erhalten.

Ein Schirm, der nicht sauber mit der Geräte- oder Klemmenmasse verbunden ist, wirkt praktisch wie gar keiner. In der Praxis wird jedoch häufig genau an dieser Stelle gespart oder unsauber gearbeitet: Der Schirm wird gar nicht oder nur unzureichend aufgelegt – was zu massiven Reflexionen und erhöhtem Störpotenzial führt.

Die Messungen in Versuchen zeigen deutlich:

  • Ungeschirmte Aufbauten performen am schlechtesten: Return Loss steigt, Impedanzverläufe sind instabil, die Grenzkurven (z. B. bei CAT B) werden teilweise nicht eingehalten.
  • Einseitig geschirmte Aufbauten (Pig-Tail-Auflage) zeigen bereits eine messbare Verbesserung – und das bei minimalem Installationsaufwand.
  • Symmetrisch geschirmte Varianten bieten ein etwas besseres Messergebnis, sind aber oft nicht praktikabel – vor allem bei platzkritischen Applikationen.

Einfluss der Schirmung auf Return Loss: Die verschiedenen Farben der Frequenzverläufe zeigen den Einfluss der verschiedenen Schirmanschlüsse. Die Farben sind der jeweiligen Anschlussart zugeordnet.

Was ist also die empfohlene Vorgehensweise?

Empfehlung aus der Praxis: Den Schirm in jedem Fall auflegen – idealerweise direkt auf einen eigenen Pol oder mit speziell vorgesehenem Zubehör. Eine einfache Pig-Tail-Verbindung ist in der Regel ausreichend und leicht umsetzbar.

Besonders sinnvoll sind dafür spezielle Schirmanschlussklemmen, -schellen oder -folien, die eine definierte Kontaktfläche und mechanische Fixierung gewährleisten. Auch die Integration der Schirmführung ins PCB-Layout (z. B. über Masseflächen) sollte frühzeitig berücksichtigt werden.

Auf die Einfügedämpfung hat dagegen die Schirmung keine relevante Auswirkung in dem betrachteten Frequenzbereich.

Die Abmantellänge: Wenige Millimeter mit großer Wirkung

Ein oft unterschätzter Faktor mit erheblichem Einfluss auf die Signalqualität ist die Abmantellänge – also der freigelegte, ungeschirmte Bereich vor dem Klemmenanschluss. Hier kommt es gleich zu mehreren kritischen Effekten:

  • Verlust der Verdrillung: Die verdrillte Paarstruktur sorgt für störarme, symmetrische Signalübertragung. Wird sie geöffnet, entsteht Unsymmetrie: die Reflexionen nehmen zu.
  • Fehlende Schirmung: Ohne metallischen Schutz ist der freiliegende Bereich anfällig für äußere Einstrahlung und kapazitive Kopplung.
  • Impedanzsprung: Die Impedanz weicht im abgemantelten Bereich von der gewünschten 100-Ohm-Zielimpedanz ab: der Return Loss steigt.

In Versuchen wurden zwei Varianten verglichen:

  • Kurze Abmantelung (~8 mm): Der Return-Loss-Verlauf bleibt weitgehend innerhalb der Spezifikation, auch bei anspruchsvollen Kategorien wie CAT B.
  • Lange Abmantelung (~20 mm): Die Impedanzabweichung wird deutlich, der Verlauf überschreitet die zulässige Grenzkurve – der Anschluss ist nicht mehr normkonform.

Einfluss der Abmantellänge auf den Return Loss. Kurze Abmantelung mit 8mm (links) und langer Abmantelung mit 20mm. Man beachte wieder die farbliche Zuordnung. 

Die Konsequenz: So kurz wie möglich – so lang wie nötig.

Auch wenn in der Praxis manchmal ein paar Millimeter mehr als "unkritisch" gelten: Im Bereich hoher Frequenzen (250 MHz+) machen diese Millimeter einen realen Unterschied. Moderne Klemmenkonstruktionen und passendes Zubehör (z. B. Schirmanschlussklemmen mit definierter Abmantellänge) helfen dabei, reproduzierbar sichere Ergebnisse zu erzielen.

Nebensprechen und Polabstand: Elektromagnetische Verträglichkeit beginnt im Millimeterbereich

Beim Einsatz von mehrpaarigen Datenkabeln – wie z. B. typischen CAT 5-Leitungen mit zwei Datenpaaren – treten zusätzliche Effekte auf: Das sogenannte Nebensprechen, unterteilt in NEXT (Near-End Crosstalk) und FEXT (Far-End Crosstalk, siehe oben). Besonders NEXT ist für die Auswahl und Anordnung von Leiterplattenklemmen von Bedeutung.

Die Ursache liegt in der räumlichen Nähe der Aderpaare zueinander. Wird beispielsweise ein 4-poliges CAT 5-Kabel auf einer ebenso 4-poligen Klemme aufgelegt, liegen die beiden Paare direkt nebeneinander – und beeinflussen sich gegenseitig. Die entstehenden induktiven und kapazitiven Kopplungen führen zu Störsignalen, die in Summe die Grenzwerte überschreiten können.

In Versuchen wurden drei Varianten anschaulich verglichen:

  • Direkt nebeneinander liegende Paare (4-polig): Deutlich höheres NEXT, Grenzbereich wird fast erreicht.
  • Zusätzlicher Leerpol dazwischen (5-polig): NEXT sinkt signifikant, die Kurve bleibt mit sicherem Abstand unterhalb der Normgrenze.
  • Leiter + Schirm im Leerpol (5-polig, Schirmauflage integriert): Deutlich bestes Ergebnis – der Schirm dient gleichzeitig als Abstandshalter und elektromagnetische Barriere.

Diese Erkenntnisse lassen sich direkt in der Praxis umsetzen:

  • Wo möglich Polabstand durch Leerstellen verwenden.
  • Die Polstruktur gezielt zur Schirmintegration benutzen.
  • Bereits im Design beachten, dass mehr als zwei Pole sinnvoll sein können – auch wenn elektrisch nicht alle benötigt werden.

Die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) beginnt nicht erst beim EMV-Filter oder Schirmgehäuse – sie beginnt auf der Klemme, und oft sogar innerhalb weniger Millimeter.

Die mechanische Ausführung einer Datenleitung – von der Schirmauflage über die Abmantellänge bis zur Polanordnung – hat einen direkten und quantifizierbaren Einfluss auf die Übertragungsqualität. Gute Signalintegrität ist kein Zufall, sondern das Ergebnis durchdachter Planung und konsequenter Umsetzung im Detail.

Polanordnung an der Klemme und der Einfluss auf den NEXT (Near-End Crosstalk) bei einem 4-poligen Kabel. Von links nach rechts: Anordnung direkt nebeneinander, mit Leerpol, Schirmung an Leerpol.

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