фирма ПРОНЕТ

Компенсация взаимных влияний в коннекторах СКС

Компенсация взаимных электромагнитных влияний в СКС стала основной проблемой при разработке кабелей и соединительного оборудования, так как скорости передачи данных и соответствующие рабочие частоты продолжают увеличиваться. Производители продолжают разрабатывать более совершенные проводниковые и диэлектрические материалы и конструкции кабелей для улучшения их рабочих характеристик. Разработчики соединительных устройств, в том числе инженеры Molex Premise Networks, также проводят исследования в области методов частотной компенсации и материаловедения для обеспечения максимальной производительности предлагаемых компонентов СКС.

Компенсация зависимых от частоты характеристик кабельных цепей осуществляется несколькими способами: контроль длины и способ скрутки проводников, баланс передаваемого сигнала, поддержание расстояния между проводниками в паре и соседними парами, а также качество диэлектрического материала, примененного для производства изоляции. Эти методы компенсации неприменимы к соединительному оборудованию. Физическая конструкция модульного коннектора (часто именуемого RJ45) вносит ряд проблем в решение рассматриваемой задачи.

Во-первых, соединение между гнездом и штекером коннектора осуществляется через восемь близко расположенных параллельных контактов, что оказывает большое влияние на емкостные эффекты. Влияния также зависят от способа подключения контактов штекера к соответствующим парам кабеля. В последовательности 568 А пара 2 перекрещена с парой 1, в последовательности 568 В – пара 3 с парой 1.

Во-вторых, сигнал должен проходить через ряд промежуточных переходов, в том числе, от кабельной жилы к материалу контактов типа IDC, к печатным платам, от контактов штекера к контактам гнезда и дальше к жиле. Все эти переходы ухудшают параметры проходящего через них сигнала. Наконец, контакты IDC, разработанные некоторыми производителями, расположены параллельно, что также увеличивает возможность появления емкостного взаимодействия.

Существует четыре основных способа обеспечения частотной компенсации в соединительном оборудовании:

• сплетенные проволочные проводники;

• проводящая рамка;

• печатная плата;

• технология поверхностного монтажа.

Каждый из них использует свойства материалов и их конфигурацию для минимизации перекрестных помех на параллельных проводниках и компенсации таких явлений, как смещение задержки и эффект резонанса в коротких линиях.

Сплетенные проводники

Сбалансированные скрученные пары в кабеле компенсируют перекрестные помехи за счет наложения синхронизированных по фазе сигналов на нежелательный шум. Такой же эффект можно создать в коннекторе путем переплетения четырех пар кабеля между контактами IDC и RJ45. Таким образом, влияние, накопившееся между каждой из пар в кабеле, можно скомпенсировать путем создания равного и противоположного эффекта в соединительном устройстве. Данный способ оказался эффективным в диапазоне низких частот и обеспечил поддержание необходимых параметров линии.

Вследствие своей сложности переплетение, как правило, изготовляли вручную. Поэтому компенсация не была постоянной и зависела непосредственно от сборщика на заводе. Соответственно, кривая частотных зависимостей для готовых изделий не всегда соответствовала требованиям. С переходом на более высокие скорости передачи данных и рабочие частоты данный недостаток стал все больше ухудшать работу тракта передачи. Способ сборки оказался очень трудоемким и быстро потерял свою популярность, когда произошло снижение цен на компоненты СКС.

Проводящая рамка (Lead Frame)

Использование проводящей рамки модульного гнезда представляет собой сейчас самый распространенный способ компенсации. Рамка эффективно удлиняет выводы RJ45 по направлению к контактам IDC. Этот способ требует применения производственных процессов штамповки и сгибания металла. Конструкция аналогична концепции сплетенного проводника, но заменяет переплетенные провода переплетенными выводами. Данный способ более эффективен, чем описанный выше, потому что использует высокоточную машинную технологию, а не ручную сборку. Это приводит к более точной и повторяемой конструкции, всегда обеспечивает заданные параметры. Кроме того, этот способ дешевле.

Однако на высоких частотах вследствие своей физической природы и этот метод компенсации имеет рабочие ограничения. Как и контакты RJ45 рамка сделана из фосфорной бронзы. Ее эффективность может быть изменена путем размещения дополнительных компонентов на стратегических участках внутри гнезда. Но свободного пространства внутри гнезда коннектора нет. При разработке нового поколения абонентских розеток специалисты Molex Premise Networks объединили технологии проводящей рамки и поверхностного монтажа для создания высокоточного соединительного устройства, которое имеет улучшенные рабочие характеристики на высоких частотах. Для достижения такого результата использованы все преимущества обоих упомянутых методов компенсации на высоких частотах.

Необходимо заметить, что с переходом СКС на более высокие частоты, например 250 МГц, некоторые производители гнезд RJ45 с проводящими рамками начали использовать разные конструктивные приемы, позволяющие вводить все более сложные методы компенсации.

Печатные платы

Применение печатных плат представляет собой один из самых старых и наиболее распространенных способов частотной компенсации в соединительном оборудовании. Она использует такую же концепцию применения внутреннего емкостного взаимодействия для подавления помехи. Дорожки печатной платы расположены определенным образом с учетом известных конструкторам характеристик взаимного влияния в кабеле. Значения емкости между дорожками имеют порядок единиц пФ.

Как и в случае проводящей рамки, производство печатных плат является управляемым процессом, который позволяет получать повторяемые хорошие характеристики. Кроме того, свойства печатных плат и их дорожек позволяют более просто обеспечить приемлемые параметры на высоких частотах, чем в случае проводящей рамки. Хотя большинство компаний-производителей в последние годы перешли на использование проводящих рамок, некоторые из них в настоящее время рассматривают печатные платы как перспективный способ соответствия предлагаемым требованиям к помехоподавлению на высоких частотах.

Технология поверхностного монтажа.

Технология поверхностного монтажа является естественным продолжением печатных плат. Ее применение позволило более точно размещать интегральные схемы, резисторы и конденсаторы и снизило себестоимость производства.

Технология поверхностного монтажа обеспечивает такие же преимущества для компенсации взаимных влияний, как и печатные платы. Но если метод печатных плат обеспечивает распределенную компенсацию на всей плате (взаимодействие всех дорожек друг с другом), технология поверхностного монтажа обеспечивает лучший контроль частотной компенсации путем создания емкости определенного значения в определенных местах цепи. Конденсатор определенной емкости можно расположить очень близко к источнику перекрестных помех, усиливая баланс между парами. Как правило, это меньшие по величине конденсаторы, чем на печатных платах, с низкими допусками величины емкости (около +/-0,1 пФ). Конечным результатом является более точно изготовленный коннектор. Не требуются сложные дорожки печатных плат различной длины и конфигурации, которые могут повлиять на импеданс линии передачи. Производители могут изготавливать более точные и воспроизводимые изделия, которые занимают меньше места, чем печатные платы.

Компании, которые используют данный метод, обнаружили, что переход к производству высокочастотных коннекторов является просто вопросом замены применявшихся поверхностно установленных конденсаторов на радиочастотные. Характеризуемые более высокой точностью эти конденсаторы минимизировали различия в производстве и упростили работу, обеспечив максимальное приближение к требуемым параметрам взаимного влияния. Технология поверхностного монтажа требует меньшего количества дорожек и позволяет увеличить расстояния между ними. Так как емкостное взаимодействие уменьшается при удалении соседних контуров, дополнительно сокращаются перекрестные помехи.

В продукции Molex Premise Networks используется также технология поверхностного монтажа для решения проблем, связанных с эффектом резонанса коротких линий, который, как правило, искажает результаты измерения параметров взаимного влияния на линиях короче 15 м. Путем балансирования дорожек печатных плат создается сигнальная дорожка к заземлению, которая устраняет избыточный резонанс. Конструкция коннекторов Molex PN учитывает также параметр смещения задержки. В четырехпарном неэкранированном кабеле шаги скрутки каждой пары различаются для минимизации перекрестных помех. В результате различается фактическая длина проводников разных пар. Такие приложения, как Gigabit Ethernet и АТМ 622 Мбит/с, которые используют параллельные схемы передачи по всем парам, очень чувствительны к различиям во времени прохождения сигнала в каждой из четырех пар. Этот фактор становится критическим на сверхвысоких скоростях передачи данных, когда биты информации имеют длительность порядка наносекунд. Элементы системы PowerCat производства Molex Premise Networks имеют специальные контуры выравнивания задержки для снижения ее смещения до значения менее 45 нс, в соответствии со стандартами.