Kopplungswiderstand und Schirmdämpfung

Auf dem Mantel eines geschirmten Kabels steht ein Kürzel wie F/FTP oder S/FTP. Es sagt, wie das Kabel aufgebaut ist — Folie, Geflecht, Paarschirm, Gesamtschirm. Es sagt nicht, wie gut die Schirmung wirkt, und zwei Kabel mit demselben Kürzel können sich darin um Größenordnungen unterscheiden.

Vergleichbar werden sie erst über zwei Messgrößen. Der Kopplungswiderstand (auch Transferimpedanz) beschreibt die Schirmwirkung bei niedrigen Frequenzen, die Schirmdämpfung bei hohen. Beide sind genormt, beide stehen in guten Datenblättern, und beide fehlen in schlechten.

Kopplungswiderstand: wie viel drinnen ankommt

Der Mechanismus lässt sich in einem Satz beschreiben. Ein äußeres Magnetfeld treibt einen Störstrom durch den Schirm. Dieser Strom erzeugt an der Innenseite des Schirms einen Spannungsabfall, und diese Spannung wirkt im geschützten Leitungssystem — dort, wo das Nutzsignal liegt.

Der Kopplungswiderstand ist das Verhältnis genau dieser beiden Größen: Spannungsabfall innen zu Störstrom außen. Weil beides mit der Länge wächst, wird er als Wert je Meter angegeben, üblich in Milliohm pro Meter. Und weil er beschreibt, wie viel Störung durchkommt, gilt: kleiner ist besser. In neueren Normfassungen wird er teilweise auch logarithmisch als Dezibelwert bezogen auf ein Ohm angegeben — beim Vergleich zweier Datenblätter also zuerst nachsehen, welche der beiden Schreibweisen dort steht.

Sein Gültigkeitsbereich reicht bis etwa 30 MHz. Der Grund ist geometrisch: Die Größe setzt voraus, dass die betrachtete Kabellänge klein gegenüber der Wellenlänge ist. Oberhalb dieser Grenze verliert sie ihre Aussagekraft, weil sich auf dem Schirm selbst Wellen ausbilden.

Schirmdämpfung: was nach außen dringt

Oberhalb von rund 30 MHz übernimmt eine Größe mit anderem Ansatz. Die Schirmdämpfung ist das logarithmische Verhältnis der in das Kabel eingespeisten Leistung zu der Leistung, die aus dem Kabel abgestrahlt wird. Sie ist damit ein Dezibelwert, dimensionslos, und hier ist größer besser — genau umgekehrt zum Kopplungswiderstand.

Für geschirmte symmetrische Datenkabel kommt eine dritte Größe dazu, und sie ist die praktisch aussagekräftigste. Ein symmetrisches Paar strahlt überhaupt nur dann nennenswert ab, wenn seine Symmetrie verletzt ist; wie gut es symmetrisch bleibt, beschreibt die Unsymmetriedämpfung. Was das Paar an Unsymmetrie durchlässt, dämpft anschließend der Schirm. Beide Beiträge stehen in Dezibel und lassen sich deshalb schlicht addieren:

Kopplungsdämpfung = Unsymmetriedämpfung + Schirmdämpfung

Diese Summe ist die Gesamtwirksamkeit eines geschirmten symmetrischen Kabels gegen elektromagnetische Beeinflussung. Sie erklärt in einer Zeile, warum ein ungeschirmtes Kabel mit sehr guter Symmetrie ein geschirmtes mit mäßiger schlagen kann — und warum bei geschirmten Kabeln der Schirm ohne saubere Auflegung wenig hilft. Die handwerkliche Seite dazu steht bei Schirmung.

Wie gemessen wird

Alle drei Größen werden mit demselben Aufbau ermittelt, dem Triaxialverfahren. Der Prüfling wird in ein Messrohr eingebaut und am senderseitigen Ende mit dem Rohr kurzgeschlossen; die Energie, die durch den Schirm nach außen tritt, wird im Rohr gemessen. Aus dem Verhältnis von eingespeister zu gemessener Leistung folgen Schirmdämpfung und, nach Umrechnung, Kopplungswiderstand.

Das Verfahren ist alt — es geht auf DIN 47250 Teil 4 beziehungsweise IEC 96-1 zurück. Für höhere Frequenzen brauchte es einen einzelnen Einfall: Otto Breidenbach bei Kabelmetal in Nürnberg griff Ende der 1980er Jahre die Idee auf, das Kopplungsmessrohr zu verlängern und damit beide Größen mit einem Aufbau messen zu können. Heute reicht der Messbereich von Gleichstrom bis über 12 GHz, und ein besonders empfindliches Prüfverfahren erfasst Kopplungswiderstände bis herab zu einem Mikroohm je Meter.

Die zugehörigen Normen sind IEC 62153-4-3 für den Kopplungswiderstand und IEC 62153-4-4 für die Schirmdämpfung; für Stecker und Komponenten gibt es eigene Teile derselben Reihe.

Häufiges Missverständnis

„S/FTP ist besser geschirmt als F/FTP." Der Aufbau lässt eine Tendenz erwarten, mehr nicht. Die Notation zählt Lagen; sie sagt nichts über Bedeckungsgrad des Geflechts, Materialdicke, Überlappung der Folie oder Verarbeitung. Zwei Kabel mit identischem Kürzel können sich im Kopplungswiderstand um eine Zehnerpotenz unterscheiden. Wer Schirmung vergleichen will, vergleicht Messwerte — und wenn keine da sind, vergleicht er nichts. Die Notation selbst steht bei Schirmungsnotation.

„Der Wert steht im Datenblatt, also ist er vergleichbar." Zwei Fallstricke. Erstens die Schreibweise: Milliohm je Meter oder Dezibel bezogen auf ein Ohm sind dieselbe Information mit umgekehrter Leserichtung. Zweitens der Frequenzbereich: Ein Kopplungswiderstand ohne Frequenzangabe ist so wenig wert wie ein Nebensprechwert ohne Frequenz, denn die Größe ist frequenzabhängig.

„Ein guter Schirmwert löst das Störungsproblem." Diese Größen bewerten das Kabel als Bauteil, gemessen unter Laborbedingungen. Was in der Wand liegt, ist eine Strecke mit Steckverbindern, Auflegestellen und einer bestimmten Erdungssituation, und die Norm für Gebäudeverkabelung war bei der Ausgabe von 2002 an dieser Stelle noch nicht so weit: Die Messung der Kopplungsdämpfung installierter Verkabelung war ausdrücklich noch in Entwicklung, bewertbar nur an Labormustern repräsentativer Kanäle. Für die Praxis heißt das bis heute — ein guter Kabelwert ist eine Voraussetzung und kein Nachweis.

Nicht zu verwechseln mit

• Schirmungsnotation: U/UTP, F/FTP, S/FTP und die übrigen Kürzel beschreiben den Aufbau, nicht die Wirkung, siehe Schirmungsnotation.
• Einfügedämpfung: der Verlust im Nutzsignal. Gleiche Einheit, völlig andere Aussage, siehe Einfügedämpfung.
• Fremdübersprechen: die Kopplung zwischen benachbarten Strecken. Ein guter Schirm hilft dagegen, aber gemessen wird es an der Strecke und nicht am Kabel, siehe Fremdübersprechen.
• Bedeckungsgrad: wie viel Prozent der Oberfläche ein Geflecht abdeckt. Eine Bauangabe, aus der sich die Wirkung nicht berechnen lässt.
• CMRR: die Gleichtaktunterdrückung des Empfängers. Sie arbeitet gegen dieselben Störungen und ist eine Geräteeigenschaft, siehe CMRR.

In der Beschaffung

Ein Projekt verlangt geschirmte Verkabelung, weil Datenleitungen über längere Strecken parallel zu Stromleitungen laufen. Drei Angebote liegen vor, alle mit S/FTP-Kabel, der Preis unterscheidet sich um mehr als das Doppelte.

Die Frage, die sich damit stellt, ist unbequem, aber kurz: Woran soll der Unterschied festgemacht werden? Solange nur die Notation verglichen wird, ist das teuerste Angebot durch nichts begründet und das billigste durch nichts widerlegt. Erst der Kopplungswiderstand über der Frequenz macht aus drei Datenblättern eine Entscheidungsgrundlage — und wo ein Hersteller ihn nicht veröffentlicht, ist genau das die Auskunft.

Das ändert an der Reihenfolge nichts: Ob überhaupt geschirmt wird, ist eine Frage der Verlegesituation und wird bei Schirmung entschieden, nicht hier. Erst wenn sie mit Ja beantwortet ist, wird diese Seite gebraucht — dann aber als einzige Möglichkeit, Angebote sachlich zu vergleichen.

Und danach bleibt die Ausführung entscheidend. Ein Kabel mit hervorragendem Kopplungswiderstand, dessen Schirm an einem Ende nicht aufliegt, ist kein besseres Kabel als ein mittelmäßiges. Deshalb gehört die Auflegung in die Abnahme und nicht in die Bestellung.

Verknüpfte Inhalte

Wann überhaupt geschirmt wird, wie ein Schirm aufgelegt gehört und was ein einseitig aufgelegter Schirm anrichtet, steht bei Schirmung; die Kürzel selbst erklärt Schirmungsnotation, die Ableitung des Schirms über den Beidraht Drain Wire. Warum die Symmetrie des Paares der eigentliche Schutzmechanismus ist, führen Twisted Pair und symmetrische Übertragung aus; was der Empfänger davon noch ausbügeln kann, CMRR. Für Koaxialstrecken ist Koaxialkabel der Anschlusspunkt.

Quellen

Definition und Mechanismus des Kopplungswiderstands, seine Dimension und die Gültigkeitsgrenze von etwa 30 MHz, die Definition der Schirmdämpfung, die Summenbeziehung der Kopplungsdämpfung aus Unsymmetrie- und Schirmdämpfung, der Aufbau des Triaxialverfahrens, die Zuordnung zu IEC 62153-4-3, -4-4, -4-7 und -4-15 sowie die Herkunft des Verfahrens und die Erweiterung durch Otto Breidenbach stammen aus einem Tagungsbeitrag von Bernhard Mund (bedea Berkenhoff & Drebes) zur EMV-Tagung 2014, der für diese Seite im Volltext eingesehen wurde. Dass die Messung der Kopplungsdämpfung an installierter Verkabelung zunächst nicht möglich war, steht in ISO/IEC 11801 in der Ausgabe von 2002.