Messtechnik - Parallele Leitungen. Untersuchungen an gekoppelten Leitungen

1 EINFÜHRUNG

In unserer Belegarbeit zu Signalintegrität werden Untersuchungen an gekoppelten Leitungen und die dabei entstehenden Phänomene vorgenommen, Testfälle simuliert und anschließend analysiert. Als Simulationswerkzeug dient dabei das Microwave Studio der Firma CST.

2 VORÜBERLEGUNGEN

2.1 Versuchsaufbau

Als Grundlage für unsere Untersuchungen werden zwei parallel verlaufende Leiterbahnen der Länge l=140 mm und Breite b=3 mm mit einem Anfangsabstand d=1 mm konstruiert. Alle Leitungsenden werden mit einem Anschlusswiderstand von 50 Ohm abgeschlossen (siehe Abbildung 2.1-A).

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Abbildung 2.1-A: Skizze parallel verlaufende Leitungen

Quelle: www.rooijen.de/studium/emv/Bilder/abb10.jpg

Als Material der Leiterbahnen wird Kupfer definiert. Die Leiterbahnen werden in ein dielektrisches Medium bestehend aus FR-4 integriert (siehe Abbildung 2.1-B).

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Abbildung 2.1-B: Simulationsmodell im Microwave Studio

2.2 Eingangssignal

Als Eingangssignal soll uns ein Rechtecksignal mit der Anstiegszeit tauf=0,5 ns, einer Abfallzeit tab=0,5 ns und einer Impulsdauer tan=1,0 ns dienen (siehe Abbildung 2.2-A).

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Abbildung 2.2-A: Eingangssignal am Port 1 im Microwave Studio

2.3 Erwartete Effekte

Anhand von gekoppelten Leitungen sind Phänomene wie Übersprechen beziehungsweise Nebensprechen (englisch: crosstalk, abgekürzt: XT) zu beobachten. Darunter versteht man im Allgemeinen die gegenseitige Beeinflussung parallel verlaufender Leitungen.

2.2.1 Übersprechen beziehungsweise Nebensprechen

Für den Effekt des Übersprechens, oder auch Nebensprechen genannt, liegt ein einfacher physikalischer Vorgang zugrunde. Ein Leiterpaar stellt ab einen genügen geringen Abstand einen Schwingkreis dar. Wird ein elektrisches Signal über einen Leiter übertragen, so wird dieses Signal auf den anderen Leiter eingekoppelt. Dabei kann die Einkopplung sowohl induktiv, als auch kapazitiv oder auch galvanisch erfolgen, wobei der Signalpegel jedoch sehr niedrig ist. Bei dem Übersprechen sind zwei Arten differenzierbar. Zum einen handelt es sich um das Nahübersprechen (NEXT - near end crosstalking) und zum anderen um Fernübersprechen (FEXT - far end crosstalking) (siehe Abbildung 2.2-A).

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Abbildung 2.2-A: Skizze zu NEXT und FEXT

Als Nahübersprechen wird das Störsignal bezeichnet, das am nahen Ende übergekopplet wird. Im Gegensatz dazu wird als Fernübersprechen das Störsignal bezeichnet, das am fernen Ende empfangen wird. Der Pegel ist dabei niedriger als bei der NEXT-Überkopplung, weil das Sendersignal unter anderem durch die (lange) Leitung gedämpft wird und damit verbunden auch der Signalpegel und die Einstreuung abnimmt.

Kapazitives Übersprechen

Parallel liegende Leitungen wirken wie parasitäre Kapazitäten. Es ist nicht zu meiden, dass unerwünschte Ströme über die Kapazitäten fließen, sobald eine Spannung an einer Leitung anliegt. Diese Ströme erzeugen in der parallel liegenden Leitung wiederum eine Spannung. Diese Form des Überkoppens tritt vor allem bei der Übertragung von Signalen mit hohen Spannungspegeln bei hohen Frequenzbereichen und hohen Leistungsimpedanzen auf.

Induktives Übersprechen

Parallel liegende Leitung wirken nicht nur, wie oben beschrieben, wie eine Kapazität, sondern ebenso wie eine parasitäre Gegeninduktivität beziehungsweise wie ein Transformator. Durch Induktionsvorgänge bewirkt der Strom auf der einen Leitung ebenso einen Strom auf der anderen Leitung. Diese Form des Überkoppelns tritt vor allem bei der Übertragung von Signal mit hohen Strompegeln bei hohen Frequenzbereichen und kleinen Leistungsimpedanzen auf.

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