Effiziente Breitbandanalyse der Abstrahlung elektrischer Verbindungsstrukturen auf modaler Basis
Creators: name: Schreiber, Hannes
name: Leone, Marco
Publisher: name: Aachen : Apprimus
Year: 2022
Subjects: subject: EMV
subject: Verträglichkeit
subject: Elektromagnetik
subject: Konferenzschrift
subject: Dewey Decimal Classification::600 | Technik
subject: Dewey Decimal Classification::600 | Technik::620 | Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau::621 | Angewandte Physik::621,3 | Elektrotechnik, Elektronik

description: Elektrische Verbindungsstrukturen sind ein wichtiger Bestandteil aller elektronischen Systeme, z.B. auf Platinen, in Bussystemen oder als Übertragungskabel. Durch hohe Schaltfrequenzen und steile Schaltflanken können die Abmessungen dieser Strukturen in der Größenordnung der Wellenlänge liegen, sodass die Berechnung des von ihnen abgestrahlten Fernfeldes unverzichtbar bei der EMVAnalyse und damit beim Entwurf elektronischer Systeme ist. Eine gängige Methode zur numerischen Berechnung der Abstrahlung ist die Momentenmethode (MoM). Im Rahmen der Characteristic Mode Analysis (CMA), wie beispielsweise in [8] beschrieben, können aus dem MoM-Gleichungssystem über eine Eigenwertanalyse die auf einer Struktur möglichen modalen Stromverteilungen berechnet werden, was vor allem im Antennen-Design Anwendung findet, aber auch für Fragestellungen im Bereich der EMV sehr hilfreich sein kann. In [9] wird gezeigt, wie damit das EMV-Verhalten einer Struktur hinsichtlich der Abstrahlung durch Analyse der modalen Stromverteilungen verbessert werden kann. In [10] wird das Übersprechen zwischen zwei abstrahlenden Strukturen auf Leiterplattenebene untersucht. Da die CMA jedoch auf dem Fullwave-MoM-Gleichungssystem beruht, muss die Modalzerlegung für jeden Frequenzschritt erneut durchgeführt werden, was mitunter zu einem sehr hohen Rechenaufwand führen kann. Des Weiteren ist es für den Entwickler häufig von großem praktischen Nutzen, das System in ein äquivalentes Netzwerkmodell zu überführen, um es mit beliebigen Abschlüssen in einem Netzwerksimulator untersuchen zu können. Ein häufig angewandtes Verfahren zur Netzwerksynthese ist die Generierung eines Ersatzschaltbildmodells aus der iterativ interpolierten Vollwellenlösung über den Vector-Fitting-Algorithmus ([3]). Dabei geht jedoch der Einblick in das physikalische System verloren, sodass nach der Netzwerksimulation keine Informationen über die Stromverteilung im System vorliegen und somit die Abstrahlung nicht berechnet werden kann. Bereits in vorherigen Arbeiten wurde gezeigt, wie auf Grundlage des quasistatischen MoM-Gleichungssystems ein entsprechendes Eigenwertproblem aufgestellt werden kann, aus dessen Lösung ein äquivalentes Netzwerkmodell (Abbildung 1) generiert werden kann [5]. Auf Grund seines modalen Charakters liefert dieses Modell einen physikalischen Einblick in das System. In diesem Beitrag wird gezeigt, wie aus den Ergebnissen eines solchen modalen Netzwerkmodells im Rahmen einer Schaltungssimulation die Stromverteilung im System und damit auch das abgestrahlte Fernfeld über einen neuartigen modalen Ansatz rekonstruiert werden können (Abbildung 1). Im Folgenden wird zunächst die Aufstellung des Netzwerkmodells auf Grundlage des quasistatischen Eigenwertproblems aus [6] kurz beschrieben. Anschließend wird gezeigt, wie die Gewichtungsfaktoren der einzelnen modalen Stromverteilungen aus den Ergebnissen der Netzwerksimulation direkt abgeleitet werden können. Somit kann die Modalsumme der Stromverteilung auf der Struktur bei beliebiger Beschaltung direkt aus den Ergebnissen der Netzwerksimulation generiert werden. Darauf aufbauend kann dann über eine entsprechende Näherung des Fernfeldintegrals auch für das abgestrahlte Fernfeld eine Modalsumme aufgestellt werden. Die modalen Fernfelder sind anregungsunabhängig und müssen lediglich im Voraus einmal berechnet werden. Da die Gewichtungsfaktoren direkt aus der Netzwerksimulation resultieren kann somit die Fernfeldkugel für jeden Frequenzschritt ohne weiteren erheblichen Rechenaufwand direkt aus den Ergebnissen der Netzwerksimulation aufgestellt werden. Die Gültigkeit der präsentierten Methode und ihre Anwendbarkeit auf EMV-Untersuchungen wird anhand eines Beispiels gezeigt.