EMV und Wärmemanagement 5G-Komponenten: Schutz vor EMV und Wärme ableiten

Ein Gastbeitrag von Paul Dawidczyk*

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Ein großes Problem bei HF-Anwendungen ist die steigende Anzahl elektronischer Komponenten innerhalb eines Gehäuses. Sender und Empfänger für 5G-Anwendungen müssen untereinander aber auch gegenüber anderen Komponenten abgeschirmt sein. Hier spielt auch das Thermomanagement eine wichtige Rolle.

Der Mobilfunkstandard 5G verspricht höhere Bandbreiten und geringe Latenzen. Doch die hohen Frequenzen zum Übertragen machen es erforderlich, dass die Komponenten für die Infrastruktur gut abgeschirmt sein müssen.
Der Mobilfunkstandard 5G verspricht höhere Bandbreiten und geringe Latenzen. Doch die hohen Frequenzen zum Übertragen machen es erforderlich, dass die Komponenten für die Infrastruktur gut abgeschirmt sein müssen.
(Bild: (c) denisismagilov - stock.adobe.com)

Damit drahtlose Kommunikation funktionieren kann, dürfen die hochfrequenten Frequenzen nicht oder nur gering gestört werden. Entwickler arbeiten deshalb daran, wie sich die Anzahl der Komponenten auf kleinsten Raum weiter verdichten lässt. Damit steigt der Bedarf an Entwicklungen für die elektromagnetische Verträglichkeit und thermische Wartung.

Mit 5G werden höhere Bandbreiten sowie höhere Datengeschwindigkeiten erreicht. Das alles zusammen mit geringen Latenzen. Die daraus resultierende höhere Leistung und verbesserte Effizienz ermöglichen neue Consumer-Anwendungen, aber auch Möglichkeiten für die Industrie. Mit 5G kann das volle Potenzial des Internets der Dinge (IoT) in Verbindung mit Maschinen, Objekten, Geräten und Menschen realisiert werden.

Das Problem mit den hohen Frequenzen

Das 5G-Mobilfunknetz der nächsten Generation ist nicht das bereits heute verfügbare Netz. Das aktuelle 5G ist im Wesentlichen eine weiterentwickelte Version von 4G. Es ist leistungsfähiger, arbeitet aber mit den gleichen Frequenzen von 700 MHz bis 2,6 GHz. Obwohl ein mittleres Frequenzband von 2,5 bis 6 GHz zur Verfügung steht, wird das wahre Versprechen von 5G und seinem Potenzial im Bereich des K- und des L-Bandes Ultrahochfrequenz 25 bis 50 GHz abspielen. Ab ungefähr 30 GHz ist die Wellenlänge kleiner als 1 cm und man spricht von einem Millimeterwellen.

Eines der Probleme ist der generelle Mangel an Definitionen für den ultrahohen Frequenzbereich. Das ist nur eines von vielen Problemen. Zum Beispiel sind kurze Übertragungslängen von Metern statt Kilometern bei 5G üblich. Denn je höher die verwendeten Frequenzen, umso geringer ist ihre Ausbreitung. Für das volle Potenzial von 5G ist eine dichtere Netzwerkinfrastruktur notwendig. Das kann beispielsweise in Form von Mikroantennen sein, die auf Hausdächern oder Straßenlaternen (Small Cell Sites) platziert werden. Diese Mikroantennen werden aufgrund der kürzeren Wellenlängen wahrscheinlich kompakter sein als frühere Generationen. Es wird wesentlich mehr Sende-/Empfangspunkte geben als bei den derzeitigen 4G-Frequenzanforderungen.

Damit eine starkes Signal aufrechterhalten werden kann, muss die Sendeleistung erhöht werden. Das hat jedoch die negative Folge, dass in integrierten Schaltkreise (ICs) und auf Leiterplatten (PCBs) Verlustwärme erzeugen. Berichten zufolge haben 5G-Signale sogar Probleme, Hindernisse wie Bäume und getönte Fenster zu überwinden.

Anforderungen an Basisstationen, Antennen und Schränke

Die dabei notwendige Infrastruktur für die Netzwerke und damit für eine funktionierende Kommunikation hängt vor allem von einer guten Abschirmung ab, damit es nicht zu elektromagnetischen Störungen (EMI) kommt. Auch das Wärmemanagement ist bei der 5G-Infrastruktur nicht zu vernachlässigen. Basisstationen, Antennen und Schränke für die komplexe Elektronik bestehen aus unterschiedlichen Materialien und verwenden verschiedene Technologien, um EMI abzuschirmen. Darüber hinaus werden neu entwickelte thermisch leitfähige Materialien (TIMs) der nächsten Generation benötigt, damit die Komponenten innerhalb der spezifizierten Betriebstemperaturen arbeiten und gleichzeitig zuverlässig und langlebig sind.

Ein Großteil der derzeit in der Entwicklung befindlichen Infrastruktur für die ultrahohen Frequenzen für 5G ist komplett neu. Führende Anbieter von EMI-Abschirmungen und thermisch leitfähigen Materialien unterstützen genau diese Anwendungen. So arbeiten beispielsweise Kfz-Radarsysteme in einem Frequenzspektrum von 77 GHz. Hier ist bereits Fachwissen vorhanden, wie man effektiv vor EMI abschirmt und gleichzeitig das thermische Management für Infrastrukturgeräte bei 5G-Frequenzen bereitstellt.

Das ist für Entwickler für Anwendungen von Telekommunikationslösungen interessant, die nach Abschirmungen für Frequenzen bis 100 GHz suchen. Warum so hoch? Wenn die Testfrequenzen bis zu 50 GHz betragen, haben viele beabsichtigte Grundfrequenzen einen Oberwellengehalt von viel höherer Niederfrequenz. Die Grundfrequenzen sind in digitale Signalraten und lokale Oszillatoren (LO) innerhalb der Schaltkreise unterteilt.

Ein Ausfall der Infrastruktur ist kostspielig

In den vielen Gehäusen der 5G-Infrastruktur sind ein Sender und ein Empfänger verbaut. Damit ist eine Abschirmung erforderlich. Sie stellt sicher, dass sich Sender und Empfänger nicht gegenseitig stören. Diese elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) gewährleistet, dass alle Schaltkreise harmonisch arbeiten. Es gibt globale Anforderungen an die Strahlungsemissionen, damit die Signale über die Antenne übertragen werden (beabsichtigter Sender) und nicht zufällige Signale, die aus dem Gehäuse herausstrahlen (unbeabsichtigte Strahlung).

Systemgehäuse müssen außerdem ausreichend abgeschirmt sein, damit der Stromkreis im Inneren keinen externen Störungen ausgesetzt ist und eine Systemstörung verursacht. Eine unzureichende EMI-Abschirmung kann dazu führen, dass das Gerät nicht richtig funktioniert, mit geringerer Geschwindigkeit arbeitet oder andere Geräte/Systeme stört.

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Schirmung von 5G-Infrastruktur ist außerdem wichtig, weil Geräte immer kleiner werden. Elektronische Gehäuse messen typischerweise etwa 500 mm x 250 mm x 250 mm. Sie sind oft mit einer Druckgussabdeckung versehen, die als Kühlkörper dient. An der Außenseite befindet sich eventuell eine Umwelt-/EMI-Dichtung, während sich im Inneren möglichen kleineren Dichtungen und Abschirmungen befinden. Sie verhindern ein Übersprechen. Aufgrund der Anforderungen an ein kompaktes Design wird es immer schwieriger, die Infrastrukturgeräte ausreichend gegen EMI abzuschirmen.

Optimal abschirmen mit Filtern

Die THERM-A-GAP mit verschiedenen Trägerfolien sind weich und lassen sich gut verpressen.
Die THERM-A-GAP mit verschiedenen Trägerfolien sind weich und lassen sich gut verpressen.
(Bild: Parker)

Eine optimale Abschirmung besteht darin, EMV-Probleme durch den Einsatz von Filtern und speziellen Komponenten auf den Leiterplatten zu vermeiden. Elektrisch leitfähige CHO-FORM Forn-In-Place- (FIP-)Flachdichtungen von Parker Chomerics sind eine gute Option, wenn wenig Platz zur Verfügung steht und eine Isolierung zwischen den einzelnen Bereichen erforderlich ist. Dank der CHO-FORM-Technologie lassen sich genau platzierbare, formanpassungsfähigen Dichtungen in sehr kleinen Querschnitten aufbringen, die wertvollen Platz frei lassen. Mithilfe der programmierbaren Drei-Achsen-Technologie ist es möglich, direkt auf Metallgussteile, maschinell bearbeitete Metall- und elektrisch leitfähige Kunststoffgehäuse und Abschirmgehäusen aufzutragen. Damit entsteht eine sichere Verbindung während des Aushärtungsprozesses und ein elektrischer Kontakt zu den entsprechenden leitfähigen Oberflächen.

Steigende Frequenzen werden mit Sicherheit zu einem höheren Bedarf an mikrowellenabsorbierenden Komponenten und traditionellen Lösungen wie leitfähigen Dichtungen führen. Abgesehen von den Anforderungen an die EMI-Abschirmung ist es notwendig, die Wärme in dicht gepackten Gehäusen abzuführen. Nur so arbeiten die Systemkomponenten weiterhin effizient, wie vorgesehen und innerhalb der gewünschten Temperaturbereiche. Fehlt das entsprechende Wärmemanagement, führt das häufig zum Ausfall von Geräten/Systemen. Deshalb sind TIM-Lösungen wie THERM-A-GAP Wärmeleitgele und -pads von Parker Chomerics entscheidend für 5G-Anwendungen.

Der Vorteil von Pads für die thermische Anbindung

Für ein verbessertes Wärmemanagement dienen die Wärmeleitgele THERM-A-GAP.
Für ein verbessertes Wärmemanagement dienen die Wärmeleitgele THERM-A-GAP.
(Bild: Parker)

THERM-A-GAP-Pads mit verschiedenen Trägerfolien sind weich und leicht zu verpressen. Damit lassen sie sich thermisch zwischen Kühlkörper und elektronischen Geräten anbinden. Gleichzeitig gleichen sie unebene Oberflächen, Luftspalte und raue Oberflächenstrukturen aus. Die enstprechenden THERM-A-GAP-Gele müssen weder gemischt noch ausgehärtet werden. Sie erfüllen dieselbe Funktion und machen die Verwendung mehrerer Größen von Wärmeleitpads überflüssig. Die bereits vernetzte Gelstruktur bietet eine langfristige thermische Stabilität und Leistung.

Sowohl EMI und Wärmemanagement unterliegen vielen der üblichen Parameter für Projekte dieser Art, einschließlich der thermischen Impedanz, der Abschirmungsleistung, der Konformität, des Gewichts, der Kosten, der Verfügbarkeit und der Umwelteigenschaften wie der Recyclingfähigkeit. Eine nicht unerhebliche Rolle spielen außerdem Benutzerfreundlichkeit und Zuverlässigkeit.

Angesichts der Faktoren ist die Zusammenarbeit mit einem kompetenten Technologiepartner unerlässlich. Weitere Faktoren bei der Auswahl eines Lieferanten sind Expertise in Produktentwicklung, kundenspezifische Lösungen, komplette Elektronikgehäuse und Lieferkettenmanagement. Schließlich führt eine enge Zusammenarbeit zu besseren Projektergebnissen: Vom ersten Konzept bis zum Ende der Produktlebensdauer.

* Paul Dawidczyk ist Global Telecom/IT Market Sales Manager bei Parker Hannifin Chomerics.

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