Kompetenz

HF-Technik (Hochfrequenz-Technik) in der Kabelindustrie

HF-Technik – Was ist das?

Der Begriff Hochfrequenz ist relativ allgemein. Welche Frequenzbereiche zugeordnet werden hängt von verschiedenen Faktoren ab: von der technischen Anwendung, von länderspezifischen Festlegungen und manchmal sogar von dem Jahr, in welchem darüber diskutiert wird.

Bei der Herstellung von elektrischen Leitungen für die Hochfrequenztechnik kann folgende Besonderheit für eine Eingrenzung herangezogen werden:
auf der gleichen Leitung liegt zur gleichen Zeit nicht an jedem Ort derselbe Signalpegel an.

Auszug aus der Leitungstheorie

Ein Signal breitet sich im Raum oder über eine Leitung mit einer endlichen Geschwindigkeit aus. Wechselt nun das Signal in einem Zyklus zum Beispiel sinusförmig seine Polarität, so entspricht dieser Zyklus – je nachdem wie schnell er erfolgt – einer Entfernung. Diese Entfernung wird auch Wellenlänge genannt. Bsp.: In einer Leitung entspricht die Ausbreitungsgeschwindigkeit 2/3 der Lichtgeschwindigkeit, also etwa 200.000 km/s. Ein Signal mit einer Frequenz von 2,5 MHz hat somit eine Wellenlänge (λ) von 80 m (=200.000.000 m/(2.500.000 Hz *s)). Da hier schon spätestens ab einer Leitungslänge von 10 m (λ/8) deutliche Pegelunterschiede zum selben Zeitpunkt an beiden Enden der Leitung vorhanden sind, muss bereits die Leitungstheorie angewendet werden. Das gleiche gilt für eine ähnliche Leitung ab 10 cm bei 250 MHz oder im Gegensatz dazu sogar für ein hörbares Signal von 2,5 kHz und einer entsprechenden Leitungslänge von 10 km.

Wellenlänge

In Kabeln und Leitungen kommt die Leitungstheorie meist dann zur Anwendung, wenn Informationen übertragen werden sollen, wie z.B. Dateien, Daten, Musik, Videos, Sprache usw. In diesem Falle steht dann nicht die Energieübertragung im Vordergrund (Motorantrieb, Heizanwendungen).


Anforderungen an HF-Kabel

Möglichst geringe Dämpfung

Bei Durchgang durch ein Kabel geht ein Teil des Signals verloren. Das Verhältnis von Ausgangssignal zu Eingangssignal nennt man „Einfügedämpfung“.

Ursachen für diese Verluste:

  • Wegen des Skin-Effektes steht bei steigenden Frequenzen immer weniger Metall als Leiter zur Verfügung.
  • Die Wechselwirkung des elektrischen Feldes mit den Dipolen des Dielektrikums führt mit steigenden Frequenzen zu Energieverlusten.
  • Weitere Verlustmechanismen sind z.B. Abstrahlung und Verlust durch parasitäre Leitfähigkeit des Dielektrikums.
Dämpfung

Mit den Größen αD und αM, die die Verlustanteile im Dielektrikum und im Metall beschreiben, kann man den Zusammenhang von Dämpfung und Frequenz mit α = αM × √f + αD × f ausdrücken. In den meisten Fällen wird dieses Verhältnis in dB/Länge angegeben.

Möglichst wenig Abstrahlung / Nebensprechverhalten

HF-Kabel transportieren Leistung vom Sender zum Empfänger. Dabei bauen sich um den Innenleiter eines Koaxes oder zwischen und um die Leiter eines Paares einer symmetrischen Übertragung elektrische und magnetische Felder auf. Durch einen Schirm, z.B. dem Außenleiter des Koaxes oder einem Paar- oder Gesamtschirm werden die Felder nach außen begrenzt. Konstruktiv bedingte Lücken, dünne Schichtstärken bei Folien und natürlich auch immer durch Toleranzen verursachte Unsymmetrien führen zum teilweisen Ablösen von Feldern und zum Energieverlust durch Abstrahlung. Energie, die durch diese Effekte verloren geht, kommt nicht beim geplanten Adressaten an und wird auch an ungewünschten Stellen messbar sein. Durch die Abstrahlungen wird die EMV (elektromagnetische Verträglichkeit) beeinflusst, im ungünstigsten Fall können gesetzliche Grenzwerte verletzt werden. Bei mehrpaarigen Kabeln ist dieser Effekt innerhalb des Kabels unmittelbar über den Wert des Nebensprechens feststellbar. Das Nebensprechen (auch als XT = Crosstalk bezeichnet) ist die unerwünschte Energieübertragung von einem Datenpaar zu einem benachbarten Datenpaar. Dabei kann es bei ungünstigen Voraussetzungen zu so hohen Werten kommen, dass die gewünschte Übertragung verschlechtert oder gar unmöglich wird. Konstruktiv wird diesem Verhalten durch die geeignete Wahl der Paarschlaglängen und gegebenenfalls einem Paarschirm entgegengewirkt.

Gute Anpassung der Leitung an das System / Wellenwiderstand / Return Loss

Sehr wichtig für die Signalübertragung über Leitungen ist der Wellenwiderstand, der vom Aufbau, den Abmessungen und den verwendeten Materialien abhängt. Immer wenn der Wellenwiderstand sich ändert, entstehen Reflektionen. Diese sind unerwünscht, denn reflektierte Signalenergie kann am Ende der Übertragungsstrecke nicht genutzt werden. Ggf. heizt sie den Sender zusätzlich auf und im Falle von Mehrfachreflektionen kann es sogar beträchtlich das Nutzsignal stören. Wichtig ist daher dass sowohl Sender, Übertragungsstrecke (Leitung), als auch Empfänger überall denselben Wellenwiderstand haben. Für einen Leitungshersteller wie LEONI heißt das außerdem, dass auch innerhalb einer Leitung sich Abmessungen und Materialeigenschaften praktisch nicht ändern dürfen.

Bei der Betrachtung einer Übertragungsstrecke mit kleinen Einzelreflektionen können Mehrfachreflektionen vernachlässigt werden (1). Bei starken Einzelreflektionsquellen jedoch nicht (2)!

Symmetrieanforderungen

Bei symmetrischen Leitungen bilden immer mindestens zwei Adern zusammen ein Paar, wobei jede Ader je die Hälfte eines Signales überträgt (differentielle Signalübertragung).

Symmetrische Leitung

Vorteile:

  • Geringere Einfügedämpfung
  • Bei einer guten Symmetrie wird kaum Signalenergie auf den Schirm übertragen und umgekehrt (siehe Schirmdämpfung, Nebensprechen oben)

Um eine gute Symmetrie zu erhalten ist es wichtig, dass an jedem Punkt der Leitung die Abmessungen beider Adern und deren Position unter der Schirmung möglichst identisch sind. Ebenfalls müssen die elektrischen Eigenschaften der Materialien beider Adern absolut identisch sein, da diese die Signalausbreitungsgeschwindigkeit beeinflussen. Da das Nutzsignal in zwei Hälften geteilt wird, darf es nicht sein, dass z.B. die eine Hälfte eines Bits schon nicht mehr am Empfänger am Ende der Leitung anliegt, während der andere Teil noch gar nicht angekommen ist (=> Intra Pair Skew)

Messergebnis eines unsymmetrischen Paares im Frequenzbereich (als Scd21)
Messergebnis eines unsymmetrischen Paares im Zeitbereich (als Sprungfunktion)

Besondere Herausforderungen in der HF-Technik

Skin-Effekt

Wechselströme werden durch die Bildung von Wirbelströmen im Leitungsinnern zur Leiteroberfläche verdrängt. Dieses Phänomen bezeichnet man als Skin-Effekt.

Folge:

  • Der Stromfluss ist auf eine dünne Schicht an der Oberfläche des Leiters begrenzt
  • Erhöhung des Leiterwiderstandes durch die Verringerung des effektiv genutzten Leitungsquerschnittes

Lösung:

  • Einsatz von Leitungen mit möglichst großer Oberfläche, Bsp.: dünnwandige Schlauchrohre bzw. Rohre, HF-Litzen oder Bänder
  • Beschichtung der HF-Leitungen mit hochleitfähigen Edelmetallen wie Silber
  • Schaffung von möglichst glatten und sauberen Oberflächen, um geringstmöglichen Widerstand zu erreichen

Zusätzliche Anforderungen an inline und offline Messtechnik

Für die Fertigung von HF-Kabel ist zusätzliches Messequipment sowohl inline als auch für die Endprüfung erforderlich.

Inline Messgeräte:

  • Laufende Messung von Durchmesser und Zentrizität
  • Laufende Suche nach Knoten und Hochspannungsfehlern
  • Mittlerweile auch für „normale“ Leitungen Standard
  • Für HF-Anwendungen zusätzliche Überprüfung und Steuerung des Verzellungsgrades mit Hilfe von Kapazitätsmessrohren
  • Garantie einer sehr guten, gleichbleibenden Qualität über die gesamte Fertigungslänge durch Vorgabe kleinster Toleranzen und durch Optimierung in der Prozesssteuerung
  • FFT Analyse

Zwischenprüfung / Endprüfung:

  • Netzwerkanalyzer für Messungen im Frequenzbereich
  • TDR/T Oszilloskope und BER-Tester im Zeitbereich

FFT-Analyse

Hochfrequenztaugliche Kabel müssen sehr homogen aufgebaut sein. Insbesondere periodisch eingeprägte Störungen beeinflussen die elektrischen Eigenschaften negativ.

Die Signalanalyse mittels der Fast-Fourier-Transformation (FFT) ist ein mathematisches Verfahren zur Auswertung von Messwerten, das Regelmäßigkeiten in Signalen erkennbar macht.

In der Fertigung können damit verschiedene Parameter überwacht werden. Periodische Störungen, z.B. durch Maschinenfehler, werden so schon im Prozess erkannt und können abgestellt werden.

Mathematische Grundlage ist die Reihenentwicklung nach Fourier. Dieser hatte gezeigt, dass stückweise stetige, periodische Funktionen durch eine Reihe von Sinus- und Cosinusfunktionen angenähert werden können. Die Berechnungen dazu übernimmt ein Computer. Dieser nimmt das Signal im Zeitverlauf entgegen und liefert die Spektralzerlegung als Histogramm.

Isolationsmaterialen für HF-Anwendungen

Als Isolationsmaterialien für HF-Anwendungen kommen nur Materialien in Frage, die eine kleine Dielektrizitätskonstante εr als auch einen kleinen Verlustfaktor tanδ aufweisen.

LEONI verwendet je nach mechanischen, thermischen und elektrischen Anforderungen:

  • PE und Zell-PE
  • PP und Zell-PP
  • FEP und Zell-FEP
  • PTFE Folie und E-PTFE Folien
  • ETFE
Isolationsmaterial

Komplexe Feldsimulationssoftware

Um möglichst schon nach der Erstfertigung einer neuen Leitung, eines Steckers oder kompletten Assemblies alle elektrischen Anforderungen einzuhalten, sind oft mathematisch hochkomplizierte Berechnungen und Simulationen erforderlich. Programme unterschiedlicher Hersteller sowie die benötigte Erfahrung in der Anwendung sind im Hause LEONI vorhanden.


Lösungen

Egal ob sie eine HF-Leitung selber fertigen wollen und noch Drähte/Litzen dazu benötigen, ob sie selber konfektionieren und ihnen noch die passende HF-Leitung fehlt oder ob sie fertige Assemblies oder Kabelbäume mit HF-Komponenten benötigen, LEONI hat die Lösung:

Drähte und Litzen für die HF-Technik

Wir zielen mit unseren Produkten auf den Bereich der Datenleitungen, die in HF-Anwendungen zum Einsatz kommen, z. B. Koaxialleitungen oder Paralink (paarweise verseilte Kabel, anstelle des mittigen Leiters).

Unser Produktportfolio:

  • klassische Hochfrequenzlitzen aus lackierten Einzeldrähten
    Die Einzeldrähte sind meist durch Lack voneinander isoliert. Die besseren Übertragungseigenschaften im HF-Bereich resultieren aus dem größeren Querschnitt, der effektiv am Stromfluss beteiligt ist. Bei nicht isolierten Einzeldrähten wird die Übertragungseigenschaft durch Skin- und Proximity Effekt (s.o.) eingeschränkt.
  • hochpräzise gefertigte Einzeldrähte als Innenleiter für Koaxleitungen
    Diese Drähte werden auf einer eigens dafür entwickelten Anlage gefertigt. Während des Fertigungsprozesses (Inline) wird die Oberfläche gereinigt und mittels FFT-Analyse (s.o.) auf periodische Fehlstellen überprüft. Dies ermöglicht eine „Vorhersage“ der Eignung des HF-Drahtes für den geplanten Einsatz-/Frequenzbereich.
  • Litzen aus Einzeldrähten mit einer höher leitfähigen Beschichtung als das Grundmetall, z.B. Silber
    Zur Optimierung der Übertragungseigenschaften, vgl. Skin- und Proximity-Effekt.
  • Litzen mit sehr glatten (kompaktierten) Oberflächen
    Zur Erhöhung des Materialquerschnittes im Skin (vgl. Skin-Effekt) sowie Reduzierung der Dämpfung resp. Optimierung des Wellenwiderstandes (s.o.).
  • Litzen mit wechselnder Schlaglänge
    Zur Vermeidung von periodisch auftretenden Störstellen in Form von Schlaglängeneinflüssen. Teilweise in Kombination mit Oberflächenbeschichtungen aus hochleitfähigen Edelmetallen.

Katalog Business Unit Special Conductors

Spezialkabel

  • Miniaturisierte Kabel und Konfektionslösungen
  • Flexible Leitungen für bewegte Anwendungen
  • Hochwertige Spezialkabel nach Kundenanforderungen
  • Große Auswahl an Isolationswerkstoffen
  • Kleine Losgrößen
  • Koaxialleitungen z.B. für Mobilfunk
  • Symmetrische 100 Ohm Datenkabel nach Cat5, Cat6, Cat7, Cat7A bis 1GHz und höher
  • Symmetrische Sternvierer
  • Symmetrische ParaLink Leitungen bis 25GHz und höher
  • High Speed Assemblies

Kataloge Business Unit Industrial Solutions

Kataloge Business Unit Telecommunication Systems

  • LEONI Dacar® – Datenleitungen
  • LEONI Dacar® – Koaxialleitungen

Kataloge Business Unit Automotive Cable Solutions


Quelle

LEONI

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