Patch-Kabel - oft sträflich vernachlässigt

Übergänge richtig messen

08. August 2011, 06:00 Uhr   |  Falco Lehmann/jos, Key Account Manager Data Voice bei Telegärtner in Steinenbronn

Übergänge richtig messen

Selten sind sich Consultants, Prüflabore und Hersteller so einig: Patch-Kabel werden sträflich vernachlässigt. Günstige Produkte locken mit normkonformen Komponentenkategorien zu niedrigen Preisen. Wer kann sich da dem Reiz entziehen, das knapp bemessene IT-Budget zu schonen und für andere, längst überfällige Maßnahmen einzusetzen?Alle, die mit vermeintlich günstigen Patch-Kabeln schon schlechte Erfahrung gemacht haben, können ein Lied davon singen: Allzu oft sind weder die Konfigurationen der Switches und Router noch die letzten Software-Updates für die Probleme im Netz verantwortlich, sondern das unscheinbare Patch-Kabel. Doch dies merkt man oft erst nach einer langen und aufwändigen Fehlersuche.

Verkabelungen für 10 oder 100 MBit/s sind relativ tolerant, was die Verkabelung angeht. Anders sieht es jedoch bei Hochleistungsnetzen wie Gigabit und 10 Gigabit Ethernet aus. Abstriche bei der Qualität machen sich dort schnell bemerkbar. Doch woran erkennt man, ob man hochwertige Produkte vor sich hat? Wozu gibt es schließlich die Komponentenklassifizierungen nach Norm? Erfahrene Installateure und Consultants bestätigen immer wieder: Die Normen für die IT-Verkabelung sehen wie alle technischen Normen Toleranzen vor. Und so kommt es, dass Komponenten, die die individuellen Kategorien und Klassifizierungen noch erfüllen, in ihrem Zusammenspiel nicht die volle Performance bieten, wenn sie nicht aufeinander abgestimmt sind.

Welche Komponente die größten Probleme in einem Link verursacht, ist schwer festzustellen, schließlich sollten alle vom Hersteller im Labor typgeprüft sein. Exakte, reproduzierbare Messungen sind unverzichtbar als Nachweis, dass die Infrastruktur den geforderten Spezifikationen entspricht, als Grundlage für Gewährleistungsansprüche, für erweiterte Garantievereinbarungen und definierte Service Level Agreements. Doch die messtechnische Überprüfung von Einzelkomponenten, besonders von Patch-Kabeln, ist weitaus schwieriger, als man gemeinhin annimmt. Messtechnik gehört zum Anspruchsvollsten, was die Übertragungstechnik zu bieten hat, und oft genug trennt sich hier die Spreu vom Weizen.

Bei Einführung der Kategorie 6 für Frequenzen bis 250 MHz und Datenraten bis 1 GBit/s ließ eine international anerkannte Norm für die Messtechnik auf sich warten. Man einigte sich schließlich auf die De-embedded-Methode, bei der eine zu messende Buchse über einen speziellen, oft pyramidenförmigen Messadapter mit verdrillten Aderpaaren an den Messplatz angeschlossen wird. Diese Buchse wird gegen zwölf unterschiedliche Referenzstecker gemessen, um möglichst viele der auf dem Markt erhältlichen Stecker-Buchse-Kombinationen abdecken zu können. Das Verfahren, die zwölf Referenzstecker zu erhalten, ist sehr aufwändig.

Trotz des großen Aufwands ist die De-embedded-Messmethode für Messung von Komponenten der Kategorie 6A bis 500 MHz und Datenraten bis 10 GBit/s nicht genau genug. Für präzise Messungen von Komponenten der Kategorie 6A nach DIN EN 50173 (international Category 6A gemäß ISO/IEC 11801) wurde die Re-embedded-Messmethode entwickelt. Anders als bei der De-embedded-Methode betrachtet man die Buchse nicht mehr isoliert, sondern wieder im Gesamtzusammenhang (to de-embedd = "ausbetten", to re-embedd = "wieder einbetten").

Bei der Re-embedded-Methode ist eine Buchse über eine Messaufnahme in eine Platine eingebettet. Statt zwölf verschiedener Referenzstecker, die das ganze verfügbare Produktspektrum repräsentieren, wird nur ein genau definierter und präzise vermessener Referenzstecker verwendet. Die elektrischen Werte dieses Referenzsteckers sind mit minimalen Toleranzen spezifiziert, und damit lassen sie sich zuverlässig von den Werten der gemessenen Stecker-Buchse-Kombination abziehen. Übrig bleiben die Werte für die Buchse - exakt und reproduzierbar. Als solch hochpräziser Stecker kann beispielsweise der Salsa-Plug zum Einsatz kommen.

Obwohl sich mit der neuen Re-embedded-Messmethode Verkabelungskomponenten der Kategorie 6A im Labor messen lassen, machten die physikalischen Gegebenheiten präzise und zuverlässige Messungen von Patch-Kabeln lange Zeit schwierig bis nahezu unmöglich. Dies spiegelt auch die normative Situation wider: Die internationale Norm ISO/IEC 11801 Ed. 2.0 Adm 2 legt die übertragungstechnischen Werte für Patch-Kabel der Category 6A bereits seit April 2010 fest; die ISO/IEC 61935-2 Ed. 3 als Norm für die zugehörige Messtechnik wurde jedoch erst im Juli 2010 von 250 MHz (Category 6) auf 500 MHz (Kategorie 6A) erweitert. Sie definiert Messwerte, Messaufbau und Prüfadapter für Patch-Kabel. Der Messaufbau sieht einen Netzwerkanalysator (Network Analyzer, NWA) als Präzisionsmessgerät vor, einen Prüfkopf (Test Adapter) als Messadapter sowie einen Abschlussprüfkopf (Test Terminator) mit Abschlusswiderständen. Dieser Aufbau fungiert als so genanntes Zweitor, als Anordnung mit einem Eingang und einem Ausgang.

Mit einem Zweitor ist jedoch nur das Nahnebensprechen (NEXT) zwischen jeweils zwei Aderpaaren messbar. Um alle vier Paare gleichzeitig messen zu können, ist ein 8-Port-Netzwerkanalysator nötig, wie er beispielsweise im Telegärtner-Labor eingesetzt wird (Bild). Damit wird aus dem einfachen Zweitor-Aufbau ein Messaufbau mit acht Toren.

Mit Baluns oder balunlos?

Als hochpräzise Messinstrumente, die bis in den höheren GHz-Bereich arbeiten, haben Netzwerkanalysatoren Koax-Anschlüsse. Die RJ45-Buchse des Messadapters, in die das zu messende Patch-Kabel eingesteckt ist, verwendet verdrillte Adernpaare (Twisted Pair). Um die beiden Leitungstypen korrekt miteinander zu verbinden, werden im Standardmessaufbau üblicherweise Messübertrager verwendet, die so genannten Baluns. Sie verbinden Leitungen mit verdrillten Adernpaaren (Balanced Cable) mit Koaxialleitungen (Unbalanced Cable) und nehmen dabei nicht nur die mechanische Anpassung vor, sondern auch die elektrische, denn die beiden Leitungstypen besitzen unterschiedliche elektrische Parameter. Da Baluns wie alle Bauteile jedoch frequenzabhängig sind, beeinflussen sie die Messergebnisse und deren Genauigkeit.

Mit einem eigenen Messadapter, der die Anforderungen der ISO/IEC 61935-2 Ed. 3 übertrifft, war Telegärtner nach eigenen Angaben als erstes Unternehmen weltweit in der Lage, Kategorie-6A-Patchkabel zuverlässig und reproduzierbar zu messen. Die Messingenieure konnten auf die jahrzehntelange Erfahrung bei koaxialen HF-Komponenten zurückgreifen. Aufgrund der durchgehend verwendeten Mehrtor-Netzwerkanalysatortechnik verzichten sie dabei seit über 15 Jahren auf Baluns, was nach Norm zulässig ist.

In der balunlosen Messtechnik werden jetzt Performance und HF-Kennlinie der Prüfkopfbuchse zu den kritischen Größen. Die Kategorie-6A-Buchse des Messadapters ist vollständig eigenkompensiert und verfügt über genügend Reserven gegenüber den nach IEC 61935-2 geforderten Werten. Da Buchsen wie alle Teile einer Steckverbindung einem unvermeidbaren Verschleiß unterworfen sind, ist sie ohne Aufwand austauschbar, selektiert aus der Serienproduktion.

Real-Time Re-Embedding

Nach Norm erfolgt die Qualifizierung der auswechselbaren, vollkompensierten Messadapterbuchse mit dem Salsa-Plug, dessen elektrische Werte genau festgelegt sind. Dies sorgt für reproduzierbare Messergebnisse auch mit unterschiedlichen Buchsen. Die Messvorschriften im Telegärtner-Labor gehen nach Angaben der Techniker dort noch einen Schritt weiter und verwenden auch bei der Qualifizierung von Messbuchsen den bereits erwähnten 8-Port-Netzwerkanalysator. Nur so lassen sich die Wechselwirkungen alle vier Paare der Buchse gleichzeitig messen. Die Re-Embedding-Berechnungen erfolgen dabei direkt und in Echtzeit. Mit Real-Time Re-Embedding ist eine echtzeitfähige Optimierung von Serienprodukten möglich.

IEC 60512-27-100 und ISO/IEC 11801 schreiben für Messungen von Anschlusskomponenten jedoch nicht zwingend die Verwendung des kommerziell erhältlichen Salsa-Plugs vor. Der präzise, leiterplattenbasierende Stecker MFP8 hat die gleichen übertragungstechnischen Kenndaten und ist somit ebenfalls als Referenz verwendbar. Damit soll eine wirtschaftliche Lösung bei gleicher Messqualität möglich sein.

Jeder Übergang zwischen Leitungen oder Bauteilen stellt in der Hochfrequenztechnik eine potenzielle Problemstelle für die Übertragung elektromagnetischer Wellen und Signale dar. Je besser Übergänge gestaltet sind, desto exakter sind die Messergebnisse. Die Übergänge des Messadapters - von den Koax-SMA-Buchsen auf die Leiterplatte und von der Leiterplatte zur Aufnahme der RJ45-Messbuchse - wurden mit einem FEM-3D-Feldsimulator optimiert, um sicherzustellen, dass sie keine signifikanten Beiträge zum NEXT liefern.

3D-Feldsimulation

Mit diesem Verfahren werden raum- und zeitvariante elektromagnetische Felder und Wellen nach der Methode der finiten Elemente simuliert und berechnet, um dreidimensional Aufschluss über das Verhalten der jeweiligen Anordnung zu erhalten. S?, Y- und Z-Parameter von Komponenten und Baugruppen können die Techniker dabei ebenfalls untersuchen und mögliche Störstellen erkennen und beseitigen. Nur so ist es möglich, die besonders kritischen Übergänge optimal und praxisgerecht zu gestalten. Das Ergebnis: genauere Messergebnisse als in der Norm gefordert.

Die beschriebenen Maßnahmen und Ergebnisse waren nur möglich, da Forschung, Entwicklung, Konstruktion und Herstellung auf das Engste miteinander abgestimmt waren. Die räumliche Konzentration an einem Standort in Deutschland lieferte die Voraussetzung für die notwendigen Synergien, sowohl bei der Entwicklung des Messaufbaus wie auch bei Produktdetails: Durch den integrierten Kontaktüberbiegeschutz der RJ45-Buchse können achtpolige RJ45- und sechspolige RJ11/12-Stecker wechselnd gesteckt werden, ohne dass die äußeren Kontakte der Buchse Schaden nehmen. Auch nach häufigem Umstecken der drei Steckertypen bietet die Buchse durch ihre robuste und störresistente Konstruktion die volle Performance. Durch die vollautomatische Fertigung ist ein gleichbleibend hohes Qualitätsniveau bei mehreren Millionen RJ45-Buchsen pro Jahr sicher gestellt, was eine PVP-Zertifizierung der GHMT bestätigt.

Prüfaufbau nach Norm.
Labormessaufbau mit 8-Port-NWA.
Adapter und Buchsenqualifizierung mittels Salsa Plug/MFP8.
Prüfaufbau nach Norm.
LANline.

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