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Die Untersuchung hinsichtlich der elektromagnetischen Störfestigkeit ist ein Schwerpunkt des EMV-gerechten Leiterplatten (PCB) Designs. Die infolge der fortschreitenden Miniaturisierung stetig kleiner werdenden PCBs weisen immer mehr Intrasystemstörungen auf und bedürfen daher einer sorgfältigeren Betrachtung. Durch den limitierten Platz und aus Kostengründen können konventionelle EMV-Maßnahmen wie z.B. Schirmungen nicht verwendet werden. Darüber hinaus ist häufig die magnetische Nahfeldeinkopplung bei niedrigen Frequenzen ein schwerwiegendes Problem, da durch Masseebenen keine signifikante Emissionsminderung erreicht werden kann. In der Literatur [1] [4] werden einige Verfahren beschrieben, die die magnetische Einkopplung reduzieren können. Jedoch beziehen sich diese Methoden oft auf das (magnetische) Übersprechen zwischen zwei benachbarten Leitungen, was durch sog. GuardTraces erfolgreich bei hohen Frequenzen gedämpft werden kann. Zur Abschirmung eines starken einfallenden Magnetfeldes bei relativ niedrigen Frequenzen können Materialien wie Stahl, Mu-Metall oder Superpermalloy verwendet werden. Ein typisches, praxisnahes Beispiel für magnetische Intrasystemstörungen tritt bei Mixed-SignalSchaltungen schon bei relativ kleinen Frequenzen auf. Das in der Regel breitbandige digitale Rauschen koppelt dabei in die analoge Schaltung ein und kann zu erheblichen PerformanceEinbußen führen. Für eine umfassende Analyse und Optimierung muss Simulationssoftware verwendet werden, die sich mittlerweile in vielen PCB-Designprozess etabliert hat. Jedoch hat man damit nur die grundsätzliche Möglichkeit verschiedene PCB-Layouts durch einen „Trial and Error“ Prozess zu optimieren. Die eigentliche Ursache der magnetischen Feldeinkopplung bleibt unbekannt, was der Komplexität der untersuchten PCBs geschuldet ist. In diesem Beitrag wird eine Methodik präsentiert, die eine Analyse und Reduktion der magnetischen Nahfeldkopplung auf PCB-Ebene erlaubt. Während die eigentlichen Störquellen durch einen Nahfeldscan [5] oder 3DFeldsimulation identifiziert werden, wird deren Reduktion durch das Reziprozitätsprinzip beschrieben. Die Einschränkung der Methodik besteht darin, dass die relevanten PCBStrukturen elektrisch klein in Bezug auf die kleinste Wellenlänge sind und als lineares System interpretierbar sein müssen, um die Reziprozität zu gewährleisten. Als Anwendungsbeispiel wird die PCB eines kommerziellen Hörgeräts (Abb. 1) betrachtet. Die Untersuchungen wurden mithilfe eines 3D-Feldsimulationsprogramms analog zu [6] durchgeführt, da ein Nahfeldscan der Struktur infolge des komplexen 3D-Designs nicht praktikabel war. Nichtsdestotrotz wurden Nahfeldscans an der planaren Platine durchgeführt, um die Quellregionen des störenden Magnetfeldes zu verifizieren. Moderne Hörgeräte beinhalten diverse getaktete Signalverarbeitungsund Verstärkerblöcke in einem digitalen Signalprozessor (DSP) oder anwendungsspezifischen, integrierten Schaltkreis (ASIC). Außerdem werden integrierte Funksysteme für die Kommunikation zwischen den Ohren (e2e) oder zur körperfernen Kommunikation mit Zubehöroder Mobilgeräten verwendet. Im betrachteten Fall liegt ein ultra-leistungsarmes magnetisches Nahfeldkommunikationssystem vor mit einer Resonanzfrequenz von fres = 3.3MHz und einer Ferritstabspule. Jegliche magnetische Störeinkopplung während des Signalempfangs vermindert die Sensitivität des Empfängers. Die getakteten Signale des ASICs erzeugen in Kombination mit den Entstörkondensatoren und Zuleitungen Magnetfelder, die in die Ferritstabspule einkoppeln. Da die PCB nur wenige Zentimeter groß ist, kann sie in Bezug auf die Resonanzfrequenz fres als elektrisch klein angesehen werden. Da die Spule ausschließlich mit einem Kleinsignal betrieben wird, treten keine nichtlinearen Sättigungserscheinungen auf. Außerdem wird der digitale Signalverarbeitungs-ASIC als lineare Störstromquelle innerhalb eines vereinfachten ASIC-Modells (Makromodell) betrachtet. Somit können die koppelnden Schaltungsteile als linear angenommen werden und mithilfe des Reziprozitätsprinzips betrachtet werden.

Das Hochfrequenzverhalten elektrischer Leitungen unter dem Einfluss eines äußeren elektromagnetischen Feldes ist ein wichtiger Teil der EMV-Analyse, da die Signalund Versorgungsintegrität elektrischer Systeme stark durch die induzierten Ströme und Spannungen beeinträchtigt werden können (Abb. 1). Zur quantitativen Beurteilung des Verhaltens wurden in den letzten Jahren zahlreiche Modelle für den Spezialfall der homogenen Leitung mit linearer und nichtlinearer Beschaltung entwickelt (z.B. [1], [2]). In der Praxis treten aber auch häufig inhomogene Leitungsstrukturen (z.B. eine durchhängende Freileitung) auf, wobei die Anzahl der Modelle hierfür deutlich geringer ist. Viele Ansätze beschränken sich auf den Frequenzbereich und ein transientes Systemverhalten wird dabei durch eine IFFT ermittelt ([3], [4]), was die Verwendung nichtlinearer Bauelemente ausschließt. In diesem Beitrag wird das modale Ersatzschaltbild einer inhomogenen Leitung aus [5] durch modale Quellen erweitert, welche den Einfluss des einkoppelnden elektromagnetischen Feldes berücksichtigen. Durch eine quasistatische Analyse kann die Konvergenz des Modells beschleunigt werden, sodass die begrenzte Anzahl der Parallelschwingkreise sicher abgeschätzt werden kann. Da die Netzwerkparameter im Allgemeinen nicht analytisch vorliegen, werden diese mit Hilfe der Methode der Finiten Differenzen numerisch bestimmt. Das resultierende inhärent stabile Netzwerkmodell wird anhand eines transienten Beispiels mit nichtlinearer Beschaltung durch ein kommerzielles Feldberechnungsprogramm, welches durch eine aufwendige 3D-Vollwellensimulation, den Vector Fitting Algorithmus und anschließender Reduktion der Modellordnung ebenfalls ein Ersatzschaltbild aufstellt [6], validiert.

Ein neuartiges, effizientes und stabiles Netzwerkmodell zur Simulation von Parallelplattenstrukturen beliebiger Geometrie wurde entwickelt. Es basiert auf einer neuen, schnell konvergierenden Lösung für die Impedanzparameter. Das Netzwerk beinhaltet die Plattenkapazität, die statischen Eigen- und Gegeninduktivitäten sowie modale Schwingkreise, deren Anzahl über die erforderliche Frequenzbandbreite abgeschätzt werden kann. Zur Berechnung der Netzwerkelemente dient ein neuartiger numerischer Finite-Differenzen-Ansatz, der mit einer homogenen Vernetzung auskommt, die lediglich an die kürzeste zu betrachtende Wellenlänge anzupassen ist. Für eine gegebene Plattengeometrie kann damit eine beliebige Anzahl und Anordnung der Ports ohne Neuvernetzung analysiert werden. Zeit- und Frequenzbereichsrechnungen können mit herkömmlicher Schaltungssimulation bei beliebiger Beschaltung durchgeführt werden (linear/nichtlinear, aktiv/passiv). Die Validierung des vorgestellten Netzwerkmodells mittels 3D-Vollwellensimulation zeigt eine sehr gute Übereinstimmung, bei erheblich geringerem Modellierungs- und Rechenaufwand. Damit eignet sich der entwickelte Netzwerkmodell besonders gut für die praktische Anwendung, wie z.B. zur Optimierung von Spannungsversorgungslagen auf mehrlagigen Leiterplatten.