Bei bestimmten Layout-Geometrien können Powerplanes zu ungewollten Antennen werden

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Powerplane als Antenne

Nachfolgend wird eine einfache Power-/GND-Plane-Struktur hinsichtlich ihrer Hochfrequenzeigenschaften untersucht, wobei besonderes Augenmerk auf den Einfluss eines „Auslegers“ auf die insgesamt abgestrahlte elektromagnetische Leistung gelegt wird.

Abstrakt betrachtet handelt es sich bei einem Power-/GND-Plane-System um eine Zwei-Leiter-Anordnung, in die an der Position des Verbrauchers (IC) ein hochfrequenter Strom eingeprägt wird. Eine andere recht gebräuchliche Zwei-Leiter-Anordnung, in die ein hochfrequenter Strom eingeprägt wird, ist die Dipol-Antenne.

Dass der Vergleich mit einer Antenne keineswegs abwegig ist wird deutlich, wenn man sich die sogenannte „Patch-Antenne“ [2] vor Augen führt. Diese, einem Power-/GND-Planesystem auch geometrisch sehr ähnliche Antenne ist unter anderem auch deshalb so verbreitet, weil sie sich sehr leicht in Leiterplatten und damit kostengünstig realisieren lässt.

Eine solche Leiterplattenstruktur, bestehend aus einer unten liegenden GND-Plane, einer darüber liegenden FR4-Schicht sowie einer partiellen Powerplane, ist in Bild 2 dargestellt. Die Powerplane bedeckt nur die Hälfte der Leiterplatte, verfügt aber über einen „Ausleger“, der sich in die andere Hälfte der Leiterplatte erstreckt.

Solche Powerplanes sind typisch für moderne Elektronikdesigns, die sich üblicherweise durch eine Vielzahl von verschiedenen Versorgungsspannungen auszeichnen. Um die Anzahl der Lagen nicht zu hoch werden zu lassen, werden zwei oder mehr Spannungen in einer Ebene untergebracht. Dies führt im Layout nicht selten zu solchen mehr oder weniger schmalen „Auslegern“.

Diese „Patch-Antenne mit Ausleger“ wurde mithilfe des Maxwell-Simulators HFSS V.12 [3] nachgebildet. In der Mitte der Powerplane wurde – in Anlehnung an ein dort platziertes IC – ein HF-Port zwischen GND- und Powerplane positioniert um das System anzuregen.

In Bild 3 ist die abgestrahlte Leistung für den Frequenzbereich bis 2 GHz dargestellt. Die rote Kurve zeigt dabei die Verhältnisse mit Ausleger, die blaue Kurve wurde nach Entfernen des Auslegers ermittelt und dient hier als Referenz. Die Referenzkurve soll nicht weiter diskutiert werden, da die relevanten Fragestellungen bereits in [4] ausführlich behandelt wurden.

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