Beschreibung
Vorrichtung und Verfahren zur Signalübertragung von differentiellen Datensignalen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Signalübertragung von differentiellen Datensignalen bei einer High Speed Datenverbindung und insbesondere zur Reduzierung eines Gleichtakt-Signalanteils. Die Vorrichtung um- fasst eine Leiterplatte mit einem Leiterpaar mit einem ersten Signalleiter und einen zweiten Signalleiter zur Übertragung des differentiellen Datensignals.
Im Bereich der Datenübertragung, beispielsweise in Computer-Netzwerken, werden zur Datenübertragung Datenkabel eingesetzt, bei denen typischerweise mehrere Datenleitungen in einem gemeinsamen Kabelmantel zusammengefasst sind. Bei High-Speed-Datenübertragungen werden als Datenleitungen jeweils geschirmte Adernpaare verwendet, wobei die beiden Adern insbesondere parallel zueinander verlaufen oder alternativ miteinander verdrillt sind. Eine jeweilige Ader besteht hierbei aus dem eigentlichen Leiter, beispielsweise ein massiver Leiterdraht oder auch ein Litzendraht, welcher jeweils von einer Isolierung umgeben ist. Das Adernpaar einer jeweiligen Datenleitung ist von einer (Paar-)Abschirmung umgeben. Die Datenkabel weisen typischerweise eine Vielzahl derartig geschirmte Adernpaare auf, die von einem gemeinsamen Kabelmantel umgeben sind. Derartige Datenkabel werden für High Speed-Datenverbindungen eingesetzt und sind für Datenraten von größer 5 Gbit/s ausgebildet.
Derartige Datenkabel werden vorkonfektioniert an Stecker angeschlossen. Bei Anwendungen für Hochgeschwindigkeitsübertragungen sind die Stecker dabei häufig als sogenannte Small Form Pluggable-Stecker, kurz SFP-Stecker ausgebildet. Hierbei gibt es unterschiedliche Ausführungsvarianten beispielsweise sogenannte SFP-, SFP+, QSFP- oder CXP- -Stecker. Diese Stecker weisen spezielle Steckergehäuse auf, wie sie beispielsweise aus der WO 201 1 072 869 A1 oder der WO 201 1 089 003 A1 zu entnehmen sind.
Im Inneren weisen derartige Steckergehäuse eine Leiterplatte oder Platine teilweise mit integrierter Elektronik auf. An dieser Platine ist das jeweilige Datenkabel an einer Steckerrückseite anzuschließen. Hierbei werden die einzelnen Adern des Datenkabels an die Platine angelötet oder angeschweißt. Am gegenüberliegenden Ende der Platine bildet diese typischerweise eine Steckzunge mit Anschlusskontakten aus, welche in einen Gegenstecker eingesteckt wird. Derartige Platinen werden auch als paddle cards bezeichnet.
Die Paarschirmung eines jeweiligen Adernpaares ist dabei - wie beispielsweise aus der EP 2 1 12 669 A2 zu entnehmen - als eine längs gefaltete Folienschir- mung ausgebildet. Die Abschirmung ist daher in einer Längsrichtung des Kabels verlaufend um das Adernpaar gefaltet, wobei die beiden Enden in einem sich in Längsrichtung verlaufenden Überlappbereich überlappen. Bei der für die Abschi rmung verwendeten Schirmfolie handelt es sich um eine mehrschichtige Abschirmung aus zumindest einer leitfähigen (Metall)-Schicht und einer isolierenden Schicht. Als leitfähige Schicht wird üblicherweise eine Aluminiumschicht und als isolierende Schicht eine PET-Folie verwendet. Die PET-Folie ist als ein Träger ausgebildet ist, auf dem zur Ausbildung der leitfähigen Schicht eine metallische Beschichtung aufgebracht ist.
Neben der längs gefalteten Schirmung bei parallel geführten Paaren gibt es grundsätzlich auch die Möglichkeit, eine derartige Schirmfolie helixförmig um das Adernpaar zu wickeln. Allerdings ist bei höheren Signalfrequenzen ab etwa 15 GHz eine solche Umspinnung des Adernpaars mit einer Schirmfolie aufgrund von Resonanzeffekten nicht ohne Weiteres möglich. Bei diesen hohen Frequenzen wird daher die Schirmfolie als längs gefaltete Folie angebracht.
Mit einer derartigen längs gefalteten Folie geht jedoch ein unerwünschter, negativer Nebeneffekt einher. Das so genannte Common Mode-Signal, auch als Gleichtaktsignal bezeichnet, wird bei längs gefalteten Abschirmungen nicht mehr in ausreichendem Maße gedämpft, wie dies bei einer Umspinnung mit einer Schirmfolie der Fall ist.
Bei derartigen Datenkabeln handelt es sich typischerweise um so genannte symmetrische Datenleitungen, die für eine differentielle Datenübertragung ausgebildet sind. Hierbei wird über die beiden Adern das gleiche Signal invertiert übermittelt. Ausgewertet wird der differentielle Signalanteil zwischen diesen beiden Signalen, so dass äußere Effekte, die sich auf beide Signale auswirken, eliminiert sind.
Die Entstehung des Common Mode-Signals oder auch Gleichtaktsignals bei derartigen symmetrischen Leitungen mit parallelen Paaren ist grundsätzlich bekannt. Eine Dämpfung dieses unerwünschten Common Mode-Signals wird zudem dadurch erschwert, dass dieser Common Mode-Signalanteil schneller propagiert wie der eigentlich interessierende differentielle Signalanteil. Die im Vergleich zu umsponnenen Aderpaaren fehlende oder stark verringerte Dämpfung dieses Common Mode-Signals führt daher zu einer Verschlechterung des so genannten Skew bzw. der so genannten Mode Conversion Performance.
Bei derartigen High Speed-Datenverbindungen wird generell eine Steigerung der Übertragungsleistung angestrebt. Die Übertragungsraten und damit der Frequenzbereich solcher Datenkabel steigen daher immer mehr an und damit auch die Probleme im Zusammenhang mit den Common-Mode-Signalanteilen.
Um Common-Mode-Signalanteile herauszufiltern, ist es beispielsweise aus der US 201 1 /0273245 A1 bekannt, in einer Masseebene einer mehrschichtigen Leiterplatte eine mäanderförmige Struktur einzubringen.
In dem Artikel„Miniaturization of Common Mode Filter based on EBG Patch Resonance", Francesco De Paulis et al, DesignCon 2012 "Where Chipheads Connect", Santa Clara, California, USA, 30 January - 02 February 2012,
Proceedings Seiten 2320 - 2338, wird ein Common-Mode-Filter beschrieben, bei dem bei einer mehrlagigen Leiterplatte unterhalb einer Leiterbahn eine matrixför- mige leitende Struktur, die so genannte EBG-Ebene, zwischen der Leiterbahn und einer Masseebene angeordnet ist.
Schließlich ist aus der US 2004/01 19553 A1 bekannt, zur Vermeidung von Störsignalen bedingt durch ein Common-Mode-Signal die beiden Signalleiter über eine Widerstand und eine Kapazität mit Masse elektrisch zu verbinden.
Ausgehend hiervon liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, bei einer derartigen High Speed-Datenverbindung eine verbesserte Datenübertragung mit hohen Signalfrequenzen von größer 10 GHz zu ermöglichen und eine hohe Dämpfung eines Common Mode-Signals zu erreichen.
Die Aufgabe wird gemäß Erfindung gelöst auf eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 6. Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen enthalten. Die im Hinblick auf die Vorrichtung angeführten bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf das Verfahren zu übertragen.
Die Vorrichtung ist insbesondere zur Übertragung von Datensignalen in einer High-Speed Datenverbindung mit einer Übertragungsrate typischerweise größer 10 Gbit pro Sekunde ausgebildet. Sie weist eine Leiterplatte auf mit einem darauf angebrachten Leiterpaar mit einem ersten Signalleiter und einem zweiten Signalleiter, über die im Betrieb ein differenzielles Datensignal übertragen wird. Weiterhin ist dem Leiterpaar eine Auskoppelleitung zugeordnet, welche symmetrisch und unterbrechungsfrei zu den Signalleitern verläuft und in die beim Betrieb Gleichtaktsignalanteile ausgekoppelt werden. Weiterhin ist die Auskoppelleitung über zumindest ein Dämpfungselement mit einem Masseleiter, also mit Masse- oder Grundpotential verbunden.
Mit dieser Ausgestaltung werden selektiv nur die Gleichtakt-Signalanteile aus den Signalleitern in die Auskopppelleitung ausgekoppelt und dort durch das Dämpfungselement gedämpft. Im Dämpfungselement wird daher die Energie des Gleichtakt-Signalanteils verbraucht und die unerwünschten Gleichtakt- Signalanteile werden zumindest teilweise absorbiert.
Diese Ausgestaltung setzt auf der Überlegung an, dass eine selektive Auskopplung der Gleichtakt-Signalanteile bei einer differenziellen Signalübertragung möglich ist. Durch die Auskopplung der störenden Gleichtakt-Signalanteile (Common- Mode-Signalanteile) können diese daher effektiv reduziert, insbesondere gedämpft werden. Der störende Signalanteil wird daher durch Auskopplung aus der Übertragungsstrecke zumindest reduziert.
Die Funktionsweise der Auskoppelleitung beruht darauf, dass die differenziellen Anteile in Summe keine Leistung in die Auskoppelleitung auskoppeln, da sich - aufgrund der symmetrischen Anordnung der Auskoppelleitung - ihre Signalanteile jeweils voneinander subtrahieren. Umgekehrt werden gerade bei den Gleichtaktsignalen die Anteile auf den beiden Signalleitern addiert, so dass sie also über Koppelmechanismen in die Auskoppelleitung eingekoppelt werden.
Die Funktionsweise der Vorrichtung ist daher nach Art eines Richtkopplers ausgebildet, bei dem also bestimmte Signalanteile, hier die Gleichtakt-Signalanteile, innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes aus der Übertragungsstrecke ausgekoppelt werden.
Die Auskoppelleitung erstreckt sich dabei über eine Koppelstrecke unterbrechungsfrei und symmetrisch zu den Signalleitern. Unter unterbrechungsfrei wird dabei verstanden, dass die Auskoppelleitung ein durchgehende leitende Strecke, insbesondere eine durchgehende Leiterbahn bildet. Den beiden Signalleiteren ist dabei insbesondere genau eine Auskoppelleitung zugeordnet, die symmetrisch zu den Signalleitern verläuft. Die Signalleiter selbst verlaufen zueinander zumindest über weite Strecken parallel zueinander.
Unter symmetrischer Anordnung der Auskoppelleitung wird hierbei verstanden, dass die Auskoppelleitung zumindest über einen Großteil ihrer Länge - in einer Querebene senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Signalleiter - zu jedem der Signalleiter jeweils den identischen gleichen Abstand aufweist. In anderen Worten: Die Signalleiter liegen innerhalb einer gemeinsamen Leiterebene. Sie sind
bezüglich einer Mittenebene, die senkrecht zur Leiterebene orientiert ist, (spiegel) symmetrisch angeordnet. Ergänzend ist die Auskoppelleitung bezüglich dieser Mittenebene (spiegel-) symmetrisch ausgebildet. Durch diese symmetrische Anordnung ist grundsätzlich gewährleistet, dass lediglich die Gleichtakt-Signalanteile und nicht etwa auch differenzielle Signalanteile ausgekoppelt werden. Diese symmetrische Anordnung erstreckt sich dabei vorzugsweise über die gesamte Auskoppelleitung, so dass an jeder Längenposition die Auskoppelleitung zu den beiden Signalleitern den gleichen Abstand aufweist. Die Auskoppelleitung bildet daher in gewisser Weise eine Symmetrieachse der gesamten Auskoppelstruktur.
Um die Symmetrie auch im Bereich des Dämpfungselements aufrechtzuerhalten, ist dieses in zweckdienlicher Ausgestaltung - zumindest in einer Projektion oder in Aufsicht betrachtet - symmetrisch zwischen den Signalleitern angeordnet. Aufgrund des erforderlichen Bauraums für das elektronische Bauteil für das Dämpfungselement und den üblicherweise vergleichsweise engen parallelen Verlauf der Signalleiter ist weiterhin in bevorzugter Weiterbildung vorgesehen, dass ein Abstand der Signalleiter zueinander im Bereich des Dämpfungselements vergrößert ist. Die beiden Signalleiter weiten sich hierzu in einem Übergangsbereich in etwa trichterförmig auf und verlaufen anschließend mit vergrößertem Abstand im Bereich des Dämpfungselements parallel zueinander. In diesen Zwischenraum mit dem vergrößerten Abstand ist dann das Dämpfungselement symmetrisch zwischen den Signalleitern angeordnet.
Bei derartigen differenziellen Signalleitungen ist häufig in den jeweiligen Signalleiter ein elektronisches Bauelement, insbesondere ein sogenannter Trennkondensator (DC-Trennkondensator) geschalten. Auch hier ist wiederum im Hinblick auf die gewünschte Symmetrie gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen, dass der Abstand der Signalleiter zueinander im Bereich solcher Bauelemente vergrößert ist. Gleichzeitig oder alternativ weist die Auskoppelleitung im Bereich solcher Bauelemente eine Verjüngung nach Art einer Einschnürung auf. Insbesondere ist eine Vergrößerung des Abstands zwischen den Signalleitern mit einer Verjüngung der Auskoppelleitung kombiniert. Insgesamt ist durch diese Maßnah-
me eine kompakte, platzsparende Anordnung derartiger Bauelemente auf der Leiterplatte bei Aufrechterhaltung der gewünschten Symmetrie ermöglicht.
Zweckdienlicherweise umfasst die Leiterplatte mehrere Lagen, von denen zumindest eine als eine Masselage mit dem Masseleiter ausgebildet ist. Das Dämpfungselement ist zweckdienlicherweise mit dieser Masselage, also mit dem Masseleiter, über eine so genannte Durchkontaktierung durch mehrere Lagen mit dem Masseleiter verbunden. Eine jeweilige Lage der Leiterplatte wird dabei durch eine isolierende Trägerschicht aus Substratmaterial mit darauf angebrachten elektrischen Schichten oder elektrischen Leiterbahnen gebildet. Bei dem Substratmaterial handelt es sich um übliches Substratmaterial für Leiterplatten. Über die Durchkontaktierungen sind daher elektrisch leitende Verbindungen zwischen dem Dämpfungselement und dem Masseleiter ausgebildet. Derartige
Durchkontaktierungen sind ebenfalls in der Leiterplattentechnologie grundsätzlich bekannt. Hierzu werden beispielsweise senkrechte, das Substratmaterial durchdringende Löcher eingebracht, deren Innenwandung leitend ist, sodass eine leitende Verbindung durch das Substratmaterial gebildet ist.
In zweckdienlicher Ausbildung sind randseitig in einer jeweiligen Lage Massebereiche ausgebildet, sodass also die Signalleiter und/oder die Auskoppelleitung zwischen Massepotentialen innerhalb einer jeweiligen Ebene angeordnet sind. Die randseitigen Massebereiche sind dabei wiederum durch vorzugsweise großflächige Leiterbahnbereiche gebildet. Diese sind mit der Masseebene durch vorzugsweise eine Vielzahl sich entlang der Leiterbahnen erstreckenden
Durchkontaktierungen verbunden.
In bevorzugter Weiterbildung ist das Dämpfungselement an einem äußeren Bereich der Auskoppelleitung mit dieser verbunden. Die elektrisch leitende Verbindung mit dem Masseleiter erfolgt hierbei nach innen beabstandet, also beabstandet von dem äußersten Bereich der Auskoppelleitung. Für die Verbindung mit dem Masseleiter ist in der Auskoppelleitung ein Durchbruch ausgebildet, wobei in diesem Durchbruch die Durchkontaktierung angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird eine Maximierung der Länge der Auskoppelleitung bei einer gegebenen Ge-
samtlänge der Leiterplatte ermöglicht. Gleichzeitig wird durch den Durchbruch in der Auskoppelleitung die gewünschte Symmetrie weiterhin aufrechterhalten. Bei dem Durchbruch handelt es sich daher um eine symmetrische Ausnehmung in der Auskoppelleitung, welche zu den beiden Signalleitern den gleichen Abstand aufweist. Die Ausnehmung ist dabei insbesondere kreisförmig.
In zweckdienlicher Ausgestaltung sind dabei zweckdienlicherweise beidendseitig an der Auskoppelleitung jeweils ein Dämpfungselement angeordnet und mit dem Masseleiter verbunden. Hierdurch ist eine effektive Dämpfung des Gleichtakt- Signalanteils erzielt.
Bei dem Dämpfungselement handelt es sich weiterhin vorzugsweise um einen Ohmschen Widerstand. Bei einer typischen Anwendung liegt der Widerstandswert dabei im Bereich von einigen Ohm, beispielsweise im Bereich von 5 bis 50 Ohm und insbesondere etwa im Bereich von 20 Ohm pro Dämpfungselement.
Grundsätzlich besteht die Möglichkeit, die Auskoppelleitung sowie die Signalleiter innerhalb einer Lage nebeneinander anzuordnen. Untersuchungen haben jedoch gezeigt, dass hierbei nur eine begrenzte Dämpfung der Gleichtakt-Signalanteile erreicht wird.
In zweckdienlicher Weiterbildung ist daher vorgesehen, dass die Auskoppelleitung sowie die Signalleiter in unterschiedlichen Lagen angeordnet sind. Bevorzugt sind dabei die Signalleiter innerhalb einer Lage angeordnet. Die Auskoppelleitung ist durch Substratmaterial der Leiterplatte getrennt in einer Lage insbesondere unterhalb zu den beiden Signalleitern ausgebildet. Die Ebene der Auskopppelleitung ist dabei vorzugsweise in einem Abstand von 80μηι bis 200μηι und insbesondere in einem Abstand von etwa 100μηι zu der Ebene der Signalleiter angeordnet. D.h. die Dicke des Substrats zwischen den Signalleitern und der Auskoppelleitung entspricht diesem Abstand.
Gleichzeitig ist eine Substratdicke einer weiteren Leiterplatten läge zwischen Auskoppelleitung und Masseleiter vorzugsweise verschieden hiervon, insbesondere
größer und liegt insbesondere im Bereich zwischen 200μηι und 400μηι und insbesondere im Bereich von etwa 300μηι. Die einzelnen Substrat- oder Trägerschichten der mehrschichtigen Leiterplatte sind entsprechend den jeweiligen elektrischen und / oder mechanischen Anforderungen gewählt. Durch die Wahl einer vergleichsweise dünnen Substratschicht zwischen den Signalleitern und der Auskoppelleitung ist eine effiziente Auskopplung der unerwünschten Gleichtakt- Signalanteile erreicht. Das Substratmaterial zwischen den Signalleitern und der Auskoppelleitung weist weiterhin vorzugsweise eine Dielektrizitätskonstante von etwa 3,4 auf. Insgesamt ist durch diesen Aufbau eine gute Auskopplung erreicht.
Zweckdienlicherweise erstreckt sich die Auskoppelleitung in Querrichtung über die beiden Signalleiter, so dass die Auskoppelleitung im Vergleich zu den Signalleitern deutlich bereiter ist. Generell sind die Signalleiter sowie auch die Auskoppelleitung als flache Leiterbahnen der Platine ausgebildet. Die Herstellung derartiger Leiterbahnen erfolgt in an sich bekannter Weise. Bevorzugt schließt - in einer Projektion betrachtet - die Auskoppelleitung seitlich mit den äußeren Rand der beiden Signalleiter ab, d.h. die Breite der Auskoppelleitung entspricht einem Abstand der äußeren Ränder der Signalleiter.
Vorzugsweise erstrecken sich die Signalleiter nicht geradlinig, sie laufen daher zumindest in Teilbereichen auch schräg zu einer Leiterplattenlängsrichtung. Durch diese Maßnahme wird insbesondere eine Einstellung und insbesondere Vergrößerung der Leiterlänge auf der Leiterplatte erreicht. Durch die Einstellung der Länge wird zugleich auch die Einstellung einer Länge der Koppelleitung und damit der Koppelstrecke erreicht. Die Länge der Koppellstrecke wirkt sich auf das Frequenzband des Gleichtakt-Signalanteils aus, welches ausgekoppelt und gedämpft wird.
In zweckdienlicher Ausgestaltung ist daher auch vorgesehen, dass die Länge der Koppelleitung in Abhängigkeit eines vorgegebenen Frequenzbands gewählt wird, innerhalb dessen die unerwünschten Gleichtaktsignale ausgekoppelt werden. Bevorzugt ist dabei die Länge insbesondere derart gewählt, dass im Bereich zwischen 1 bis 5 GHz und insbesondere bei etwa 3 GHz ein zumindest lokales
Dämpfungsmaximum für das Gleichtaktsignal vorliegt. Die Länge der Koppelleitung liegt bei dem hier betrachteten Einsatzzweck für Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungen für Datenraten > 5 Gbit/sek beispielsweise im Bereich zwischen 10 bis 18 und insbesondere im Bereich zwischen 12 und 15 mm. Insgesamt richtet sich also die Länge der Koppelleitung nach dem Frequenzband, für das die Auskopplung nach Art eines Filters erfolgen soll (Frequenzband, innerhalb dessen ein Absorptionsmaximum liegt). Je größer die Frequenz, desto geringer ist die Koppelllänge gewählt (umgekehrt proportional).
Die Leiterplatte weist üblicherweise einen rückwärtigen Anschlussbereich für ein Datenkabel mit zumindest einem Signalpaar, vorzugsweise mit mehreren Signalpaaren auf. Im vorderen Bereich ist sie bevorzugt als Steckzunge des Steckers ausgebildet und weist Kontaktstreifen auf. Die Auskoppelstruktur und die Auskoppelleitung erstrecken sich - bis auf diese randseitigen Anschluss- oder Kontaktbereiche vorzugsweise über die gesamte verfügbare Länge der Leiterplatte, also über einen Mittelbereich zwischen den randseitigen Anschluss- und Kontaktbereichen. Diese Anschluss- und Kontaktbereiche sind dabei insbesondere durch Kontaktpads, üblicherweise verbreiterte endseitige Leiterbahnbereiche, gebildet. Ergänzend können spezielle Beschichtungen vorgesehen sein.
Zur Kontaktierung des Dämpfungselements an der Auskoppelleitung weist diese ein Anschlusspad auf. Üblicherweise ist das Dämpfungselement auf einer Oberseite der Leiterplatte angeordnet, auf der bevorzugt auch die Signalleiter ausgebildet sind. Zur Kontaktierung der beiden Anschlüsse des Dämpfungselements einerseits mit der Auskoppelleitung und andererseits mit dem Masseleiter sind daher zwei Durchkontaktierungen, einmal zur Auskoppelleitung und einmal zur Masseleitung, ausgebildet.
Die Leiterplatte weist vorzugsweise einen mehrlagigen Aufbau auf und zeigt insbesondere folgenden Schichtaufbau: erste Substratschicht mit Masseschicht - zweite Substratschicht mit Auskoppelleitung - dritte Substratschicht mit Signalleiter und vorzugsweise mit Dämpfungselementen. Weiterhin ist in zweckdienlicher Ausgestaltung ergänzend auf dem Signalleiter noch eine Isolationsschicht, insbe-
sondere ein Lötstopplack aufgebracht. Diese Isolationsschicht bildet dabei zweckdienlicherweise eine oberste Schicht. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit eines doppelseitigen Aufbaus, bei dem also beidseitig einer Mittenebene, beispielsweise einer zentralen Trägerlage oder auch einer zentralen Masselage, sich ein mehrlagiger Schichtaufbau anschließt.
Bevorzugt ist die Leiterplatte in einem Steckergehäuse eines Steckers angeordnet. Insbesondere ist die Leiterplatte weiterhin als eine Steckplatine ausgebildet, deren eines Ende eine freie Steckkontaktzunge mit Kontaktflächen oder -streifen ausbildet. Mit dieser Streckkontaktzunge wird die Leiterplatte in eine entsprechende Aufnahme eines Gegensteckers eingesteckt, sodass über diese Steckkontaktzunge im Betrieb die Datensignale übertragen werden. Bei dem Stecker handelt es sich insbesondere um einen Stecker des Typs Small Form Pluggable (SFP), welcher grundsätzlich in unterschiedlichen Ausführungsvarianten bereitgestellt werden kann (SFP, SFP+, CXP, QSFP).
Gegenüberliegend dem Ende, welches die freie Steckkontaktzunge ausbildet, weist die Leiterplatte den Anschlussbereich auf, an dem das Datenkabel angeschlossen ist. Insgesamt handelt es sich daher bei der Vorrichtung um ein vorkonfektioniertes Datenkabel mit speziellem Stecker. Das Datenkabel weist mehrere, üblicherweise verdrillte, Adernpaare auf, wobei im Betrieb über jeweils ein
Adernpaar das differenzielle Datensignal übermittelt wird. Ein jedes Adernpaar ist dabei vorzugsweise von einer (Folien)Schirmung umgeben. Ein jeweiliger Leiter eines Adernpaars ist jeweils mit einem Signalleiter der Leiterplatte elektrisch kontaktiert, beispielsweise durch Löten, Schweißen etc. Gleichzeitig ist die Schirmung mit einem Massekontakt der Leiterbahn kontaktiert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Diese zeigen in teilweise vereinfachten Darstellungen:
Fig. 1 eine stark vereinfachte schematische Schnittdarstellung durch einen
Stecker mit darin angeordneter Leiterplatte und angeschlossenem Datenkabel,
Fig 2 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung der Leiterplatte,
Fig 3A eine ausschnittsweise Aufsicht auf eine erste Lage der Leiterplatte, Fig 3B eine ausschnittsweise Aufsicht auf eine zweite Lage der Leiterplatte,
Fig 3C eine ausschnittsweise Aufsicht auf eine dritte Lage der Leiterplatte, wobei die einzelnen Figuren 3A, 3B, 3C identische Ausschnitte zeigen, sowie
Fig 4 eine grafische Darstellung eines Gleichtakt-Signals sowie des diffe- renziellen Signals sowie ergänzend der Verlauf einer Modenkonversion, jeweils gegenüber der Signalfrequenz.
In den Figuren sind gleichwirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist in einer schematisierten Querschnittsdarstellung ausschnittsweise ein vorkonfektioniertes Kabel dargestellt mit einem (QSFP-) Stecker 2, an dem ein Datenkabel 4 angeschlossen ist. Der Stecker 2 weist ein Steckergehäuse 6 auf, in dem eine Leiterplatte 8 angeordnet ist. Das Datenkabel 4 umfasst einen Mantel 10, welcher mehrere mit einer Paarschirmung 1 6 versehene Adernpaare 12 umgibt. Ein jeweiliges Adernpaar 12 weist jeweils zwei Leiter auf, die in einem rückwärtigen Anschlussbereich der Leiterplatte 8 mit einer auf dieser angebrachten Leiterbahn elektrisch kontaktiert sind. Die jeweilige Leiterbahn wird nachfolgend als Signalleiter 14 bezeichnet (vgl. hierzu Fig. 2). Eine Paarschirmung 1 6 ist im Anschlussbereich weiterhin mit einem Massekontakt der Leiterplatte 8 kontaktiert.
An dem Anschlussbereich gegenüberliegenden Ende ist die Leiterplatte 8 als Steckzunge ausgebildet. Dieses freie Ende wird in einem hier nicht näher dargestellten Gegenstecker mit Gegenkontakten eingesteckt. Die Leiterplatte 8 erstreckt sich dabei in einer Längsrichtung L vom Anschlussbereich bis zur Steckzunge.
Der spezielle Aufbau der Leiterplatte 8 ergibt sich insbesondere aus der Fig. 2. Diese zeigt ausschnittsweise lediglich eine obere Hälfte der insgesamt mehrlagigen Leiterplatte 8. An den in Fig. 2 dargestellten Aufbau schließt sich im Ausfüh-
rungsbeispiel der Fig. 1 spiegelbildlich nach unten der identische Aufbau nochmals an, sodass bezüglich einer Mittenebene beidseitig ein identischer Schichtaufbau ausgebildet ist. Dies ermöglicht die elektrische Kontaktierung von
Adernpaaren 12 sowohl an einer Oberseite als auch einer Unterseite der Leiterplatte 8. Üblicherweise sind acht Adernpaare kontaktiert, vier an der Oberseite und vier an der Unterseite. Ein jeweiliges Adernpaar 12 definiert dabei einen Signalpfad für die Übermittlung eines differenziellen Datensignals. Vier Adernpaare bilden dabei einen Transmitterpfad und vier Adernpaare einen Empfängerpfad aus. Über den Empfängerpfad werden aus dem Datenkabel 4 kommende Datensignale in die Leiterbahnstruktur der Leiterplatte 8 eingekoppelt.
Wie aus der Fig. 2 zu entnehmen ist, weist die Leiterplatte 8 einen Aufbau mit drei Lagen 18A, B, C auf. Eine jeweilige Lage 18A, B, C ist dabei gebildet durch eine Träger- oder Substratschicht 20A, B, C, auf der jeweils Leiterbahnbereiche ausgebildet sind. Auf der obersten Lage 18A sind die Signalleiter 14 ausgebildet, sowie randseitig Massebereiche 22. Die erste Lage 18A kann daher auch als Signalleiterlage bezeichnet werden. Auf der mittleren Substratschicht 20B ist in der Mitte eine Leiterbahn aufgebracht, die eine Auskoppelleitung 24 bildet. Seitlich hierzu sind wiederum Massebereiche 22 ausgebildet. Die mittlere Lage 18B kann daher auch als Auskoppellage bezeichnet werden. Auf der untersten Substratschicht 20C ist eine vorzugsweise vollflächige leitende Beschichtung angebracht, welche eine Masseschicht und damit einen Masseleiter 26 ausbildet. Im Betrieb ist der Masseleiter 26 mit Masse- oder Grundpotential verbunden. Die unterste Lage 18C kann daher auch als Masselage bezeichnet werden.
Wie sehr gut aus der Fig. 2 zu entnehmen ist, weisen die einzelnen Substratschichten 20A, B, C, unterschiedliche Schichtdicken d auf, wobei die Schichtdicke d der Substratschicht 20A, welche zwischen den Signalleitern 14 und der Auskoppelleitung 24 angeordnet ist, kleiner ist als die Dicke d der nachfolgenden mittlere Substratschicht 20B. Die Auskoppelleitung 24 ist daher über die Substratschicht 20A zu den Signalleitern 14 isoliert, es erfolgt keine galvanisch leitende Verbindung. Vorzugsweise weist die erste Substratschicht 20A eine Dicke d im Bereich
von etwa 100 μηπ und die zweite Substratschicht 20B eine Dicke d im Bereich von beispielsweise 300 μηι auf.
Die Massebereiche 22 der unterschiedlichen Lagen 18A, 18B sind mit dem Masseleiter 26 durch eine Vielzahl von Durchkontaktierungen 28 elektrisch kontaktiert. Wie insbesondere aus den Aufsichten der Fig. 3A, 3B, 3C hervorgeht, sind dabei entlang der gesamten Massebereiche 22 in Längsrichtung der Leiterplatte eine Vielzahl derartiger Durchkontaktierungen 28 ausgebildet. Die einzelnen
Durchkontaktierungen 28 weisen zueinander einen Abstand von lediglich wenigen mm oder darunter auf.
Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, sind die beiden Signalleiter 14 um einen Abstand a beabstandet voneinander angeordnet. Sie weisen jeweils eine Leiterbahnbreite von typischerweise 100 bis 200 μηι und vorzugsweise von etwa 1 75 μηι auf. Der Abstand a zwischen den beiden Signalleitern ist etwas größer und liegt typischerweise bei 250 μηι.
Der unterhalb der Signalleiter 4 angeordnete Auskoppelleiter 24 erstreckt sich in Querrichtung Q über die beiden Signalleiter 14, wobei die Ränder des Auskoppelleiters 24 vorzugsweise mit den äußersten Rändern der beiden Signalleiter 14 fluchten. Der Auskoppelleiter 24 weist daher insgesamt eine Breite auf, die der Breite der beiden Signalleiter zuzüglich des Abstands a zwischen ihnen entspricht. Vorzugsweise liegt die Breite des Auskoppelleiters 24 im Bereich zwischen 500 und 750 μηπ, insbesondere bei 600 μηι.
Die oberste Lage 18A ist noch von einer Isolationsschicht 30 überzogen, welche vorzugsweise durch einen Lötstopplack gebildet ist.
Die Darstellungen der Fig. 3A, 3B, 3C zeigen jeweils den gleichen Ausschnitt. Durch Übereinanderlegen der jeweiligen Darstellungen ergibt sich daher die relative Ausrichtung der einzelnen Leiterbahnbereiche der einzelnen Lagen 18A, B, C zueinander.
Die ausschnittsweise Darstellungen der Fig. 3A, 3B, 3C zeigen hierbei lediglich einen Teilbereich der Leiterplatte 8, und zwar lediglich den Teilbereich der Empfängerpfade, welche mit der Auskoppelleitung 24 versehen sind. Daran schließt sich üblicherweise noch ein Leiterplattenbereich mit den Transmitterpfaden an.
In Fig. 3A ist eine ausschnittsweise Aufsicht auf die erste Lage 18A dargestellt. Fig. 2 zeigte lediglich eine Schnittdarstellung im Bereich eines Leiterpaars mit zwei Signalleitern 14. Fig. 3A zeigt nunmehr eine Aufsicht auf zwei derartige Leiterpaare mit insgesamt vier Signalleitern 14. Ein jeweiliges Leiterpaar ist dabei zur Übertragung eines differentiellen Signals ausgebildet. Wie gut zu erkennen ist, sind jeweils benachbarte, ein Leiterpaar bildende Signalleiter 14 durch einen Massebereich 22 getrennt, sodass ein jeweiliges Leiterpaar beidseitig von Massebereichen 22 eingeschlossen ist.
Eine jeweilige Leiterbahn des Signalleiters 14 erstreckt sich von einem endseiti- gen Anschlusspad 32 bis zu einem gegenüberliegenden Anschlusspad 32. Die Anschlusspads 32 sind beispielsweise jeweils durch verbreiterte, gegebenenfalls zusätzlich beschichtete Leiterbahnbereiche ausgebildet. Die einzelnen Signalleiter 14 verlaufen dabei nicht exakt geradlinig sondern weisen auch schräge Leiterabschnitte 33 auf, wodurch die Gesamtlänge der Signalleiter 14 bei vorgegebener Länge der Leiterplatte 8 gegenüber einem geradlinigen Verlauf vergrößert ist. Die Gesamtlänge der Leiterplatte liegt typischerweise im Bereich von etwa 20 mm.
Auf die oberste Lage 18A sind verschiedene elektronische Bauelemente angebracht, welche einerseits mit den Signalleitern 14 bzw. mit der Auskoppelleitung 24 und dem Masseleiter 26 verbunden sind.
So sind als erste Bauelemente DC-Trennkondensatoren 34 in einem jeweiligen Signalleiter 14 integriert. Hierzu werden entsprechende Kontaktfüße der Trennkondensatoren 34 mit entsprechenden Anschlusspads der Signalleiter 14 verbunden. Aufgrund der Baugröße dieser Bauelemente ist hierbei vorgesehen, dass der Abstand a zwischen den beiden Signalleitern 14 im Bereich dieser Trennkondensatoren 34 vergrößert ist. In diesem Bereich verbreitert sich der Abstand a durch
eine Y-förmige oder trichterförmige Aufweitung der Signalleiter 14. Unmittelbar im Anschluss an die Trennkondensatoren 34 erfolgt eine hierzu symmetrische Verjüngung auf den ursprünglichen Abstand a.
Weiterhin sind auf der obersten Lage 18A Dämpfungselemente 36 in Form von Ohmschen Widerständen angeordnet. Jeder Auskoppelleitung 24 sind dabei an deren gegenüberliegenden Enden jeweils ein derartiges Dämpfungselement 36 zugeordnet. Die Dämpfungselemente 36 sind also jeweils endseitig an gegenüberliegenden Enden der Auskoppelleitung 24 mit dieser elektrisch kontaktiert.
Auch bei diesen Bauteilen 36 ist der Abstand a zwischen den Signalleitern 14 verbreitert. Das Dämpfungselement 36 ist dadurch zwischen den Signalleitern 14 eines jeweiligen Leiterpaares symmetrisch aufgenommen.
Das Dämpfungselement 36 weist jeweils zwei Anschlussbereiche auf, die in Längsrichtung voneinander beabstandet sind. Um nunmehr eine möglichst große Koppelstrecke und damit eine möglichst große Länge der Auskoppelleitung 24 bis zum Anschluss der Dämpfungselemente 36 zu ermöglichen, ist der jeweils außen liegende Anschlussbereich des Dämpfungselements 36 mit der Auskoppelleitung 24 elektrisch kontaktiert. Hierzu ist ein Durchbruch oder eine Durchkontaktierung 28 in der obersten Substratschicht 20A ausgebildet, um das Dämpfungselement 36 mit der darunter liegenden Auskoppelleitung 24 zu kontaktieren.
Der nach innen zur Leiterplattenmitte gerichtete Anschlussbereich ist demgegenüber mit dem Masseleiter 26 der untersten Lage 18C mithilfe einer
Durchkontaktierung 28 kontaktiert.
Wie insbesondere aus der Fig. 3B zu entnehmen ist, ist hierzu in der Auskoppelleitung 24 ein Durchbruch 38 ausgebildet, durch den die Durchkontaktierung 28 hindurchgeführt ist. Im Bereich der Dämpfungselemente 36 weist die Auskoppelleitung eine verbreiterte Leiterbahnbreite auf, sodass ausreichend Platz zum einen für die elektrische Kontaktierung und zum anderen auch für die Ausgestaltung des Durchbruchs 38 ist.
Wie weiterhin anhand der Aufsicht der Fig. 3B zu erkennen ist, weist die jeweilige Auskoppelleitung 24 im Bereich der Trennkondensatoren 34 eine nach Art einer Einschnürung ausgebildete Verjüngung 40 auf. Im Bereich dieser Verjüngung 40 ist die Leiterbahnbreite reduziert. In den Fig. 3B sowie 3C sind die elektronischen Bauteile 34, 36 zur besseren Übersichtlichkeit nochmals dargestellt. Ihre physikalische Anordnung ist jedoch lediglich auf der obersten Substratschicht 20A.
Wie hieraus zu entnehmen ist, folgt der Verlauf der Auskoppelleitung 24 exakt dem Verlauf der Signalleiter 14. Die Auskoppelleitung 24 verläuft daher parallel zu den Signalleitern und folgt deren Verlauf. Lediglich in den Übergangsbereichen, wo der Abstand a der beiden Signalleiter 8 aufgrund der Anordnung der Bauelemente variiert, insbesondere bei den Trennkondensatoren 34, wird von dem streng parallelen Verlauf abgewichen. Allerdings ist die Auskoppelleitung 24 streng symmetrisch und zwar an jeder Längenposition zu den beiden Signalleitern 14 ausgebildet. In einer Querschnittsebene betrachtet weist daher die Auskoppelleitung 24 zu den beiden Signalleitern 14 jeweils den gleichen Abstand auf. Wie aus der Fig. 3B weiterhin zu entnehmen ist, folgen auch die Massebereiche 22 dem Verlauf der Signalleiter 14, sodass insgesamt eine hochsymmetrische Ausgestaltung des Leiterbahn-Layouts erreicht ist.
Anhand der Fig. 3C ist schließlich gut zu erkennen, dass der Masseleiter 26 als eine großflächige Masseebene ausgebildet ist, die zumindest einen Großteil der Leiterplattenfläche überdeckt.
Im Betrieb bei angeschlossenem Datenkabel 4 und einer Highspeed-Datenübertragung wird über jedes Leiterpaar ein differentielles Datensignal SD übertragen. Beispielsweise aufgrund der eingangs beschriebenen, als längsgefaltete Folie ausgebildete Paarschirmung 1 6, sind auch so genannte Gleichtaktsignale Sc enthalten, die für die eigentliche Signalübertragung unerwünscht sind. Diese Signalanteile werden in die Signalleiter 14 ebenfalls mit eingekoppelt. Durch die spezielle Struktur und den speziellen hier beschriebenen Aufbau erfolgt selektiv, nach Art eines Richtkopplers, die Auskopplung zumindest eines Teilbereichs der Gleich-
takt-Signalanteile Sc in die Auskoppelleitung 24. Die Energie dieser ausgekoppelten Signalanteile wird in den Dämpfungselementen 36 verbraucht. Die Auskoppelstruktur mit der Auskoppelleitung 24 und den Dämpfungselementen 36 bildet daher quasi einen Sumpf für die unerwünschten Signalanteile und führt dadurch insgesamt zu einer verbesserten Signalübertragung.
Der Graph gemäß der Fig. 4 zeigt beispielhaft einen modellierten Verlauf von unterschiedlichen Größen. Die Ergebnisse gehen dabei von folgendem Messaufbau aus:
Die Dicke d der obersten Substratschicht 20 A liegt bei 100 μηπ, die Dicke d der mittleren Substratschicht 20B bei 300 μηι. Die oberste Substratschicht 20A weist eine Dielektrizitätszahl εΓ von etwa 3,4 auf. Als Dämpfungselemente wurden Ohm- sche Widerstände mit einem Widerstandswert von 22 Ohm eingesetzt. Die Trennkondensatoren 34 weisen eine Nennkapazität von 100 nF auf.
Ermittelt wurde gemäß Fig. 4 jeweils der Verlauf der Dämpfung der differenziellen Signalanteile SD gegenüber der Frequenz, der Verlauf der Gleichtakt-Signalanteile Sc gegenüber der Frequenz sowie die so genannte Modenkonversion M gegenüber der Frequenz. Dabei wurde weiterhin von einem Gleichtakt-Wellenwiderstand von 50 Ohm ausgegangen. Unter Modenkonversion wird allgemein die Umwandlung von differenziellen Signalanteilen SD in Gleichtaktsignalanteile Sc und umgekehrt verstanden. Eine derartige Modenkonversion ist grundsätzlich unerwünscht.
Auf der linken y-Achse sind dabei die Dämpfungswerte in die dB für den differenziellen Signalanteil SD sowie der Gleichtakt-Signalanteile Sc dargestellt. Auf der rechten y-Achse sind dagegen die Dämpfungswerte dB für die Modenkonversion dargestellt.
Wie gut zu erkennen ist, erfolgt über das gesamte Frequenzspektrum von 0 bis 30 GHz eine nur geringe Dämpfung des eigentlich interessierenden differenziellen
Signalanteils SD- Die Dämpfung nimmt mit zunehmender Frequenz zu und erreicht bei etwa 25 GHz etwa -1 dB.
Im Unterschied hierzu ist eine sehr starke Dämpfung des Gleichtakt-Signalanteils Sc erkennbar, welches mehrere Maxima zeigt. Bei dem hier gewählten Aufbau mit einer Länge der Auskoppelleitung 24 von insbesondere etwa 14 mm wird bei etwa 3 GHz ein lokales Dämpfungsmaximum von etwa -3,2 dB erreicht. Der Gleichtakt- Signalanteil Sc weist weitere lokale Dämpfungsmaxima bei etwa 6 GHz und 10 GHz auf.
Insgesamt wird daher durch den hier beschriebenen Leiterplattenaufbau mit der Auskoppelstruktur eine effektive Dämpfung des unerwünschten Gleichtakt- Signalanteils Sc erreicht. Entscheidend ist hierbei, dass die ankommenden Gleichtaktanteile nicht reflektiert, sondern durch die Auskoppelstruktur auch absorbiert werden. Weitere Untersuchungen haben zudem gezeigt, dass sich dieser Aufbau auch durch ein sehr gutes Anpassungsverhältnis auszeichnet, also einer nur geringen Reflektion der Gleichtakt-Signalanteile Sc zurück in das angeschlossene Datenkabel 4. Entscheidend ist, dass die Signalanteile Sc absorbiert werden. Dies ist vorliegend insbesondere für Frequenzbereiche zwischen 1 und 5 GHz, insbesondere im Bereich von etwa 3 GHz, besonders wirksam erzielt. Die hier beschriebene Leiterplatte 8 wird insbesondere in einem so genannten QSFP- Stecker als so genannte QSFP-Paddle-Card eingebaut.
Bezugszeichenliste
2 Stecker
Datenkabel
6 Steckergehäuse
8 Leiterplatte
10 Mantel
12 Adernpaar
14 Signalleiter
1 6 Paarschirmung
18A, B, C Lage
20A, B, C Substratschicht
22 Massebereich
24 Auskoppelleitung
26 Masseleiter
28 Durchkontaktierung
30 Isolationsschicht
32 Anschlusspad
33 schräge Leiterabschnitte
34 Trennkondensator
36 Dämpfungselement
38 Durchbruch
40 Verjüngung d Schichtdicke
a Abstand
SD differenzieller Signalanteil
Sc Gleichtakt-Signalanteil
M Modenkonversion
L Längsrichtung
Q Querrichtung