Kurzfassung

Gegenstand der Dissertation ist die Entwicklung eines effizienten Verfahrens zur Simulation der elektromagnetischen Emission, die von Leiterplatten ausgeht, welche in elektrisch kurzem Abstand parallel zu einer leitenden Abdeckung angeordnet sind. Solche Anordnungen findet man zum Beispiel in automotiven Steuergeräten, wo die Leiterplatten oft unter einer metallischen Gehäuseabdeckung liegen, in Mobiltelefonen, wo oft metallische Schirmungen oder parallele Leiterplatten zum Einsatz kommen, in schmalen DVD Gehäusen und bei Leiterplatten, die parallel zu metallischen Kühlkörpern platziert sind.

Eine Betrachtung des Speicher- und Rechenzeitaufwandes der verschiedenen numerischen Methoden für die Simulation der Emissionen von komplexer Leiterplatten im Frequenzbereich von wenigen kHz bis einigen GHz zeigt, dass dreidimensionale Vollwellenlösungen mittelfristig nur mit enorm hohem Aufwand möglich sind. Integrierte Bauteile, die zusammen mit ihrem Gehäuse ebenso Quellen der Emission sind, müssen genauso berücksichtigt werden wie externe Beschaltungen, die über Kabel und Stecker mit den Leiterplatten verbunden sind. Beides verschärft das Problem der Komplexität in der Simulation, vor allem, wenn es darum geht im Sinne eines CAD Prozesses eine Optimierung durchzuführen, für die eine Vielzahl von Simulationen erforderlich ist.

In dieser Arbeit werden daher in einem ersten Schritt die Mechanismen der Emissionsentstehung, wie leitungsgebundene Emission, direkte Abstrahlung von Leiterschleifen, oder Common Mode-Auskopplung von Bauteilen auf der Leiterplatte und die Modellbeschreibung dieser Mechanismen in der Literatur betrachtet, um ausgehend davon eine effiziente Simulationsmethode abzuleiten. Dieser Ansatz geht davon aus, dass die Beschreibung der Mechanismen auf einfachere numerische Probleme zurückführt und durch die Herstellung des Bezugs zu Koppelpfad und Quelle sowohl eine Trennung der Simulationsdomänen, wie auch eine effiziente Optimierung möglich ist. Beispiel dafür ist die Beschreibung der Common Mode-Induktivität eines Bauteils auf der Leiterplatte, die unabhängig von dem an die Leiterplatte angeschlossenen Kabel berechnet werden kann, welches als Antenne wirkt.

Die Emission von Leiterplatten, die parallel zu einer metallischen Abdeckung angeordnet sind, geht von den Bauteilen und Leiterbahnen auf der Leiterplatte aus, die ein Feld zwischen der geschlossenen Masselage und der Abdeckung anregen, welches an den Schlitzen von Leiterplatte und Abdeckung auskoppelt. Für die Beschreibung dieses Parallelplattenfeldes wird ein Holraumresonatormodell verwendet, wie es in der Literatur bereits zur Modellierung von Versorgungsflächen über der Masselage verwendet wurde. Das Modell beruht auf einer zweidimensionalen Helmholtzgleichung für die effiziente analytische und numerische Lösungsverfahren zur Verfügung stehen. Es wird gezeigt, dass die Anregung dieses Feldes durch die Quellen auf der Leiterplatte mit einer analytischen Beziehung beschrieben werden kann. Für die Beschreibung der Auskopplung der Emission von den Schlitzen zwischen Leiterplatte und Abdeckung wird ein neuer Ansatz zur Trennung von Simulationsdomänen über Portschnittstellen verwendet, der auf dem Prinzip äquivalenter Quellen beruht. Mit den Schnittstellenports, der Parallelplattenfeldlösung, und der Beschreibung der Anregung wird der Common Mode -Koppelpfad von den Quellen auf der Leiterplatte zu den Schlitzen beschrieben, der unabhängig von der Quelle und auch unabhängig von der externen Umgebung des Gerätes ist. Diese Koppelpfadbeschreibung ist gültig für jede Art von Quelle gleichgültig, ob diese in erster Linie magnetisch, oder elektrisch koppelt. Bei magnetisch koppelnden Quellen und Frequenzen unterhalb der ersten Holraumresonanz besteht ein direkter Zusammenhang zur Common Mode-Induktivität, die in der Literatur zur Beschreibung der Common Mode -Emission von Leiterbahnen und ICs verwendet wird. Der hier beschriebene Ansatz ist gültig, solange der Abstand zwischen Leiterplatte und Abdeckung elektrisch klein bleibt, was in den meisten Anwendungsfällen bis zu höheren Hohlraummoden der Fall ist. Das Common Mode-Koppelverhalten von ICs wird laut Literatur messtechnisch durch mTEM Messungen oder durch Feld-Scan ermittelt. Für die Modellierung der Direktabstrahlung von ICs findet man in der Literatur neben diesen messtechnischen Methoden auch die Modellierung mit Dipolen aus simulierten Strömen. Die messtechnischen Modellierungsmethoden erfordern einen IC-Prototyp. Die Modellierung mit Dipolen stellt keinen direkten Bezug zum Common Mode-Koppelverhalten her und erfordert dreidimensionale Feldsimulation zur Berücksichtigung eines Gerätegehäuses. Die hier gezeigte analytische Beziehung zur Modellierung der Anregung ermöglicht eine Beschreibung mit der Geometrie des IC-Gehäuses und den leitungsgebunden Strömen, wobei der Bezug zum Common Mode-Koppelverhalten erhalten bleibt. Damit kann die Common Mode-Auskopplung von ICs im Gehäuse analytisch oder mit effizienten Simulationsmethoden (z.B. FEM) simuliert werden.

Zur raschen Abschätzung der Emission von Gehäusen mit Schlitz wird mit dem Modellierungsansatz ein rein analytisches Modell zur Berechnung der Freiraumabstrahlung vom Schlitz abgeleitet. Das Modell verwendet dazu eine neue Methode zur Berücksichtigung der Abstrahlverluste bei der Berechnung des Hohlraumfeldes. Die Verluste der Abstrahlung werden dabei berücksichtigt, indem ein Verlustnetzwerk an die Schnittstellenports am Schlitz angeschaltet wird. Das Verlustnetzwerk wird zuvor aus einer analytischen Fernfeldlösung ermittelt.

Die Arbeit zeigt zusätzlich zu diesem rein analytischen Verfahren vielfältige Umsetzungs-möglichkeiten des Simulationsansatzes zur Optimierung von Geräten und zur effizienten Vorhersage der Emission mittels Simulation.

C. Poschalko: The Simulation of Emission from Printed Circuit Boards under a Metallic Cover