Haupt-Navigation Navigation Inhalt All 3M.com Site Map

3M Twinaxial Kabel: Problem behoben – Lösung im Kasten

Mittwoch 27 August 2013
Twinaxial-Kabelgarnituren von 3M lassen sich knicken und falten und sorgen so für bessere Routingfähigkeit ohne spürbare Leistungsverluste. Ein Bericht von Douglas Gundel, Lead Product Development Engineer

Platzknappheit in Gehäusen

Der Bau von Rechnersystemen für Großunternehmen und die Konfiguration der damit einhergehenden Rechenzentren werfen eine Reihe von Problemen auf. Der Platzbedarf steht dabei ganz oben auf der Liste: Aus jeder neuen Produktgeneration muss noch mehr Leistung herausgeholt werden als aus der Vorgängerversion – und das bei gleichem Volumen. Außerdem sind noch zusätzliche Geräte in den vorhandenen Raum des Rechenzentrums zu zwängen. Kabel und Kabelgarnituren für interne und externe Anwendungen können das Problem obendrein vergrößern, da sie eine raumgreifende Verlegung voraussetzen. Passive Kupferkabel sind nach wie vor eine kostengünstige Option für die Verlegung von Ein- und Ausgangskabeln in leistungsstarken Enterprise-Systemen und ebenso auch für Netzwerkanwendungen mit Reichweiten von maximal 10 Metern. Allerdings können herkömmliche Kupferkabel wertvollen Platz in Anspruch nehmen –Platzknappheit ist die Folge. Im Inneren des Gehäuses kann Kabelhäufung den wichtigen Luftstrom rund um die elektronischen Bauteile und Kühlkörper behindern. Draußen können die Kabel wertvollen Platz in der Höheneinheit blockieren. Neben dem hohen Platzbedarf erfordern die meisten Hochgeschwindigkeitskabel zudem einen großzügigen Biegeradius, sodass noch mehr Raum verloren geht.

Die Lösung: 3M Twinaxial Kabel

Als Reaktion auf die akuten Platzbeschränkungen setzte sich 3M daran, ein dünneres Twin Axial-Kabel mit besserer Routingfähigkeit für hohe Datenübertragungsraten zu entwickeln. Das Ergebnis dieser Entwicklungsarbeit ist ein flaches Twinaxial Kabel, das gefaltet werden kann. Das Kabel ist von Grund auf völlig anders aufgebaut als herkömmliche ummantelte Twinaxial Kabel. Es gewährleistet hohe Signalintegrität über große Entfernungen und kann praktisch ohne Beeinträchtigung der elektrischen Leistung um engste Radien verlegt und geknickt werden. Kabelgarnituren auf Grundlage dieses Kabels sind für interne und externe Anwendungen mit Geschwindigkeiten von bis zu 14 GB/Sekunde pro Kanal ausgelegt. Dabei ist das Geschwindigkeitspotenzial je nach Kabellänge und -konfiguration auch noch deutlich höher.

Perfekte Abschirmung

Mit Blick auf die Minderung von „Kabelsalat“ und die Steigerung der Routingfähigkeit war die Abschirmung bisher eines der größten Hindernisse. Natürlich ist eine Abschirmung vonnöten, um die Signalintegrität in Hochgeschwindigkeitskabeln zu wahren. Bei herkömmlichen Twinaxial-Konstruktionen wird diese Schirmung in der Regel spiralförmig um die isolierten Aderpaare gewickelt. Anschließend wird sie zudem mit einer Folie geschützt, um die ursprüngliche Wickelabschirmung zu stützen und zu erhalten. Bei einem Bündel aus acht solcher Paare ist das Kabel am Ende in der Regel zwischen 4 mm und 8 mm dick – je nach Drahtstärke und dem Werkstoff, der zur Sicherung des Bündels verwendet wird. Kabel mit gewickelter Abschirmung können zwar begrenzt um Ecken gebogen werden. Doch bei der Konstruktion muss darauf geachtet werden, dass die Biegung nicht zu stark ist. Denn Abschirmung und Wickelmaterialien können die präzise Kabelgeometrie, die für die Impedanzkontrolle erforderlich ist, verzerren und somit die Signalleistung verschlechtern. Darüber hinaus kann die umwickelte Schirmung bei wiederholten Brüchen entlang der Kabellänge einen unerwünschten Resonanzeffekt erzielen, der bei bestimmten Frequenzen nicht zu überhören ist.

Flach, flexibel und leistungsstark

Das flache, faltbare Twinaxial-Kabel geht hier einen anderen Weg. Es kombiniert einen sehr niedrigen Biegeradius mit hoher Leistung. Dies wird erreicht durch eine längsseitige Abschirmung und massive Signalleiter, deren Verarbeitung äußerst tolerant ist gegenüber niedrigen Biegeradien. Bei dieser Konstruktion wirkt es sich nicht wesentlich auf die Leistung aus, wenn das Kabel geknickt und gefaltet wird – und das sogar, wenn dies an mehreren Stellen geschieht. Tests zeigen, dass sich jeder Knick (180° Faltung bei 1 mm Biegeradius) an der Knickstelle mit ungefähr 0,5 Ohm (70 ps 20/80 % Anstiegszeit) auf die Impedanz auswirkt. Damit wird selbst strengsten Impedanzvorgaben immer noch problemlos Genüge getan. In vielen gängigen Anwendungen wird das Kabel an mindestens vier oder mehr Stellen geknickt. Diese Zahl lässt sich nun erhöhen, ohne dass die Kabelleistung beeinträchtigt wird oder die Kabelgarnitur die erforderlichen Leistungsanforderungen nicht mehr erbringen kann. Bei einer Dicke von nur 0,88 mm für ein einzelnes Band (Ribbon) von 30 AWG (wobei zwei über- oder nebeneinander liegende Bänder für ein 8-adriges Kabel erforderlich sind) ist dieses faltbare Twinaxial Flachbandkabel deutlich flacher als seine Vorgänger mit umwickelter Abschirmung, stellt diese aber leistungsmäßig in den Schatten. Das Kabel ist nach den Tests von 3M bis zu mindestens 40 GHz frei von größerem Signalverlust in einem bestimmten Frequenzbereich (Resonanz), der bei umwickelten Twinaxial Kabeln normal ist. Das bedeutet: Das Kabel qualifiziert sich für die derzeitigen und zukünftigen seriellen Hochgeschwindigkeitsübertragungsstandard wie SAS 2.1, PCI Express, Ethernet, Infiniband, SFP+, QSFP/QSFP+ und andere. Das Kabel ist auch Low Skew, d. h. die Signal-Laufzeitunterschiede zwischen den einzelnen Paaren sind gering. Außerdem lässt sich der Skew-Effekt, der mitunter bei diskreten, individuellen Twinaxial Paaren auftritt, durch die Ribbon-Konstruktion noch besser kontrollieren. Das ist besonders wichtig bei Geschwindigkeiten von über 10 GB/s.

Neue Möglichkeiten der Kabelverlegung

Für interne Anwendungen eröffnet das faltbare Twinaxial Flachbandkabel mit seinem engen Biegeradius und dem flachen Profil ganz neue Möglichkeiten der Kabelverlegung. Das Kabel kann an Schrankwänden entlanggeführt und so geknickt werden, dass es bündig in Ecken passt. Es kann sich zwischen Prozessoren, Kühlkörpern und Lüftern schlängeln und damit wertvollen Platz bei der mechanischen Konstruktion des Geräts für Bauteile oder den Luftstrom freisetzen. Da es sich im Gegensatz zu Rundkabeln sehr gut anpasst, lässt es sich auch außerhalb des Luftstroms platzieren. Dadurch eröffnet sich die Möglichkeit, Kosten, Komplexität und Stromverbrauch für die Kühlung des Systems einzusparen. In externen Anwendungen ermöglicht die Knickbarkeit des Kabels dichter gepackte Racks und Raumeinsparungen. Ein typisches rundes Kupferkabel kann mehrere Zentimeter in Anspruch nehmen, wenn es an den Ecken geknickt werden muss. Ein faltbares Flachbandkabel hingegen braucht weniger als 1,2 cm dafür. Multipliziert man alle Platzeinsparungen zusammen mit den vielen Racks, die es in einem Rechenzentrum gibt, ergibt sich daraus ein sehr ansehnlicher Raumgewinn.

Der Autor

Douglas Gundel ist derzeit der leitende Produktentwicklungsingenieur für den Bereich Steckverbinderprodukte der 3M Electronic Solution Division. In dieser Funktion leitet er die Entwicklung neuer Kabelplattformen für die Division. Zuvor hat er bei 3M bereits in den Bereichen flexible Schaltungen, Electronic Packaging und elektrochemische Sensoren tätig. Er hat einen Doktorabschluss in Werkstoffwissenschaften der Universität von Virginia.

Bezugsquellen      Mehr Informationen

 
Bild - Twin Axial Kabel