Kompetenz aus einer Hand.
Ein gemeinsames Labor für Qualitätssicherung und Entwicklung hochwertiger Kabel
Heutzutage sind Hochfrequenzkabel (HF-Kabel) hochspezialisiert und können Signale bis zu 110 GHz übertragen. Ihre elektrischen Eigenschaften hängen von verschiedenen Parametern wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, mechanischer Robustheit, Abschirmungseigenschaften und der Anzahl der Biegungen ab. Da sich diese Parameter nicht alle in einem einzigen Produkt abbilden lassen, ist eine anfängliche, richtige Auswahl auf der Grundlage einer Reihe zuverlässiger Messungen eines HF-Kabels entscheidend für den Erfolg eines Projekts, um unkalkulierbare, kritische Folgekosten zu vermeiden. Die meisten auf dem Markt erhältlichen Kabel werden nur unzureichend hinsichtlich aller relevanten Parameter gemessen, was zu einer hohen Unsicherheit bei der Auswahl des richtigen Kabels für Ihre Anwendung führt. Daher bieten die el-spec GmbH und das Deutsche Elektronen-Synchrotron DESY gemeinsam eine umfassende Reihe von Messungen zur Charakterisierung von S-Parametern sowie von Abschirmungs-, thermischen, mechanischen, kryogenen und magnetischen Eigenschaften an.
Das richtige Kabel für Ihre Anwendung
Die elektrischen Eigenschaften von Hochfrequenzkabeln hängen von verschiedenen Parametern wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, Luftdruck, mechanischer Robustheit, Abschirmungseigenschaften und der Anzahl der Biegungen ab. Da sich diese Parameter nicht alle in einem einzigen Produkt vereinen lassen, ist die richtige Auswahl eines HF-Kabels entscheidend für den Erfolg eines Projekts, um unkalkulierbare Folgekosten zu vermeiden. Leider werden die meisten Kabel auf dem Markt nur unzureichend gemessen und es werden nur die guten Parameter hervorgehoben, was zu einer hohen Unsicherheit bei der Auswahl des richtigen Kabels für Ihre Anwendung führt. Überträgt man das Wissen aus dem Designprozess der EMV-Branche [1] auf HF-Kabel, wie in Abbildung 1 dargestellt, führt eine unsachgemäße Auswahl von HF-Kabeln während der Design- oder Testphase dazu, dass die Kosten in der Produktionsphase exponentiell steigen, z. B. durch die Neuinstallation neuer Kabel oder Ausfallzeiten der Anwendung.
[1] Seite 5, Henry W. Ott, „Electromagnetic Compatibility Engineering“, WILEY, ISBN 978-0-470-18930-6
Zu diesem Zweck bieten die el-spec GmbH und DESY eine Reihe von Messungen an, um HF-Kabel hinsichtlich entscheidender Parameter wie S-Parameter, Abschirmung sowie thermischer, mechanischer und kryogener Eigenschaften zu prüfen. Der zeitaufwändige und kostenintensive Schritt der Testphase sowie das Risiko einer falschen Auswahl können für den Kunden vermieden werden.
Eigenschaften der S-Parameter
Die Darstellung mittels S-Parametern ist die gängigste Methode zur Beschreibung von Hochfrequenzbauelementen. Die S-Parameter liefern relevante Informationen über ein Bauelement. Heutzutage lassen sich S-Parameter problemlos mit Netzwerkanalysatoren messen. Ein Hochfrequenzkabel mit Steckverbindern, das über einen Eingang und einen Ausgang verfügt, ist ein 2-Port-Bauelement. Mit b = S ∙ a ergibt sich die Definition der S-Parameter für ein 2-Port-Bauelement wie folgt:
Schirmungseigenschaften
Die Kenntnis und systematische Charakterisierung einer Kabelabschirmung ist für viele Anwendungen von grundlegender Bedeutung, da die Abschirmung den Rückstrom eines Signals führt und zudem die Signalübertragungsqualität bestimmt, was häufig vernachlässigt wird. Bei höheren Frequenzen bestimmt die Abschirmdämpfung in Verbindung mit der Steckverbinderschnittstelle die Eignung der Kabelabschirmung. Insbesondere bei Geräten und Anwendungen, bei denen hochfrequente Verbindungen empfindlich auf Strahlungseinflüsse reagieren oder diese selbst verursachen, muss das Kabel so spezifiziert sein, dass es internationale Normen zur elektromagnetischen Verträglichkeit erfüllt. Bei niedrigeren Frequenzen bestimmt die sogenannte Übertragungsimpedanz einer Abschirmung den Spannungsabfall, der durch Ströme verursacht wird, die die Abschirmung durchqueren, was für elektronische Systeme mit Schnittstellen wichtig ist. Die Kenntnis der Abschirmdämpfung und der Übertragungsimpedanz eines bestimmten Kabels trägt zu einem ausfallsicheren Betrieb der Elektronik bei.
Messung der Übertragungsimpedanz und der Abschirmdämpfung
Die Abschirmung eines Hochfrequenzkabels führt den Rückstrom eines Signals und bestimmt zudem die Signalübertragungsqualität, was häufig übersehen wird. Abbildung 3 (links) zeigt einen typischen Aufbau eines Hochfrequenzkabels mit zwei Abschirmungsschichten. Abbildung 3 (rechts) definiert die Übertragungsimpedanz eines Kabels im Niederfrequenzbereich, während die Abschirmdämpfung durch das Verhältnis der abgestrahlten Leistung P2 zur Eingangs-HF-Leistung P1 bei einer bestimmten Kabellänge definiert wird.
Um die Qualität verschiedener Kabelabschirmungen und deren Anschluss an den montierten Stecker zu prüfen, zu verbessern und zu verifizieren, haben Innovation & Technology Transfer (ITT), Machine-Beam-Control (MSK) und der Kabelspezialist el-spec ein neues Kabelabschirmungslabor im Innovation Village bei DESY eingerichtet. Die Anlage steht der Beschleuniger- und Forschungsgemeinschaft sowie der Industrie allgemein zur Verfügung. Abbildung 4 (links) zeigt ein Blockdiagramm der Anlage zur Messung der Übertragungsimpedanz eines Kabels und der Abschirmdämpfung gemäß internationalen Standards. Hier wird das zu prüfende Kabel von einem Quellgenerator mit bis zu 8 GHz angesteuert und abgeschlossen. Die vom Kabelabschirmung abgestrahlte Hochfrequenzenergie (HF) wird von einem Vektornetzwerkanalysator erfasst und gemessen. Abbildung 4 (rechts) zeigt eine typische Messung der frequenzabhängigen Übertragungsimpedanz und der Abschirmdämpfung.
Auf diese Weise lassen sich die Qualität der Abschirmung, die spezifische Steckverbinderbaugruppe oder unerwünschte Leckagen während der Produktion und Installation charakterisieren und überwachen. Abbildung 5 zeigt den Aufbau der Kabelabschirmung im Labor im Innovation Village. Als Beispiel zeigt Abbildung 6 eine typische Verschlechterung von Hochfrequenzkabeln durch mechanische Beanspruchung. Die gemessene Abschirmdämpfung eines biegsamen Kabels, das in Laboren weit verbreitet ist, wird in Abhängigkeit von der Anzahl der mechanischen Biegungen dargestellt. Die Abschirmdämpfung verschlechtert sich vom Messgrundwert von etwa -125 dB/m um 15 dB bei 10 Biegungen bzw. um 50 dB bei 100 Biegungen. Wie in Abbildung 6 dargestellt, wird dies durch mikroskopisch kleine Risse im gelöteten Abschirmgeflecht (rot markiert) verursacht.
Thermische Eigenschaften
Die Hochfrequenzeigenschaften eines Kabels, wie S-Parameter, Phasen- und Gruppenlaufzeit, hängen stark von den Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Luftdruck ab. Ihre Charakterisierung ist für den robusten und zuverlässigen Betrieb in vielen Bereichen der Automobil-, Luftfahrt-, Raumfahrt-, Medizin- und Industrieanwendungen sowie in der Forschung von entscheidender Bedeutung. Industrielle Anwendungen konzentrieren sich oft auf große Temperaturbereiche, während in der Forschung häufig Hochfrequenzkabel eingesetzt werden, um Systeme in großen Anlagen auf Pico- und Fs-Genauigkeitsniveau zu synchronisieren. Die Temperatur beeinflusst vor allem die thermische Ausdehnung des Kabels und verändert die dielektrischen Eigenschaften des Kabelmaterials. Die Luftfeuchtigkeit dringt hingegen in das Kabel ein und verändert die Materialeigenschaften ebenfalls sehr langsam.
Messung von S-Parametern, Amplitude und Gruppenverzögerung
Zur Bestimmung der temperaturabhängigen Hochfrequenz-S-Parameter arbeiten el-spec und DESY gemeinsam an der Entwicklung eines Messsystems mit zwei Klimakammern und einem hochentwickelten Softwarepaket für den 24/7-Betrieb. Abbildung 7 zeigt den Aufbau, der sich in einem temperaturgeregelten Labor befindet, um eine hohe Langzeitstabilität zu gewährleisten. Abbildung 1 zeigt den Laboraufbau, bei dem eine Klimakammer ultrastabile Umgebungsbedingungen hinsichtlich Temperatur und Luftfeuchtigkeit für die empfindlichen Messgeräte, z. B. den 4-Port-Netzwerkanalysator ZNA43 von R&S, gewährleistet, während eine zweite Klimakammer dazu dient, das zu untersuchende Bauteil unter verschiedenen Temperatur- und Luftfeuchtigkeitsbedingungen zu charakterisieren.
Abbildung 8 zeigt ein Beispiel für einen schrittweisen Temperaturdurchlauf zur Bestimmung des temperaturabhängigen Koeffizienten eines Hochfrequenzkabels, bei dem S21 in Phase und Amplitude, die Temperatur und Luftfeuchtigkeit in der Klimakammer und am Prüfling sowie die Raumtemperatur und die Sensorstabilitäten über mehrere Stunden hinweg aufgezeichnet werden. Bei sehr guten Kabeln sind extrem lange Messzeiten von bis zu mehreren Wochen erforderlich, insbesondere zur Bestimmung der Koeffizienten für die Luftfeuchtigkeit.
Abbildung 8 fasst die Ergebnisse für ein Standard-HF-Kabel hinsichtlich der S21-Phase und -Amplitude in Abhängigkeit von der Temperatur für verschiedene Frequenzen und bei einer konstanten Luftfeuchtigkeit von 55 % r.H. zusammen. Der gemessene Temperaturkoeffizient des Kabels ist für verschiedene Frequenzen mehr oder weniger unabhängig, hängt jedoch von der Betriebstemperatur ab und beträgt unter 25 °C etwa 250 fs/m/K. Die Amplitude bleibt über einen weiten Temperaturbereich konstant. Mit dieser von der el-spec GmbH bereitgestellten und betriebenen Anlage lassen sich Nullpunktkoeffizienten in Abhängigkeit von der Temperatur sowie Feuchteeffekte systematisch untersuchen, was für die Verteilung hochfrequenter Signale im Bereich moderner Beschleuniger von hoher Relevanz ist[2].
[2] F. Ludwig et al. „State-of-the-art RF Oscillators and Distribution“, FELs EUROPE, WS „Perspectives and Future Challenges in Optical and RF Synchronization Systems“, DESY, Hamburg 12/2023
Magnetische Eigenschaften
In vielen Anwendungsbereichen, in denen Kabel in magnetisch empfindlichen Bereichen verlegt werden, ist der Einsatz nichtmagnetischer Kabel und Steckverbinder von großer Bedeutung. In der Medizin benötigen Kernspintomographen, die bei hohen Magnetfeldern von mehreren Tesla betrieben werden, Kabel und Steckverbinder, die nicht magnetisierbar sind. Im Bereich des Quantencomputings reagieren Quantensensoren äußerst empfindlich auf Magnetfelder, sodass Kabel und Steckverbinder zu ihren Kryogenanlagen frei von Restmagnetfeldern sein müssen. Zu diesem Zweck bietet die el-spec GmbH Messungen zur Bestimmung der Magnetisierung von Steckverbindern an.
Messung der Magnetisierung von Steckverbindern
Um festzustellen, ob Steckverbinder nicht magnetisch sind, zeigt Abbildung 9 einen Aufbau zur Messung ihrer Magnetisierung. Dazu wird die Probe mit einem statischen Magnetfeld magnetisiert und auf einen Differenzmesssensor gelegt. Abb. 9a zeigt einen SMA-zu-SMA-Adapter aus Edelstahl mit einer hohen Magnetisierung von etwa 7 uT im Vergleich zu einem Modell aus Messing mit einer geringen Magnetisierung von etwa 0,1 uT.
