Bei bestimmten Layout-Geometrien können Powerplanes zu ungewollten Antennen werden

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30 dB mehr Abstrahlung

Von Interesse ist hier vielmehr der auffällige Unterschied zwischen den beiden Kurven: Das System mit „Ausleger“ zeigt zusätzliche Maxima bei etwa 1,3 GHz, 1 GHz und 770 MHz; bei letzterem liegt die Abstrahlung gut 6 dB über der Referenzkurve. Weitere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Abstrahlung insgesamt um gut 12 dB zunimmt, wenn der Ausleger am Rande der Leiterplatte und nicht wie hier in deren Innenbereich liegt. Werden solche „Ausleger“ mit Kabeln verbunden (z.B. Einspeisung), sind auch Überhöhungen von 30 dB möglich! Da das Abstrahlungsverhalten nicht nur von der Position, sondern auch von der Länge und Breite des „Auslegers“ abhängig ist, sind die genannten Werte als exemplarisch für eine gängige Geometrie zu verstehen. Im Einzelfall kann die Zunahme der Abstrahlung unter, aber auch über den hier genannten Werten liegen.

Wie bei einem Großteil aller Emissions-Probleme ist auch hier ein Resonator die Ursache. Der „Ausleger“ verhält sich dabei etwa wie eine λ/4-Stabantenne: In ihrem Fußpunkt, also dort, wo der „Ausleger“ die Powerplane kontaktiert, wird die Antenne vergleichsweise niederohmig mit dem im Powersystem vorhandenen Störpegel angeregt. Spektrale Anteile in der Nähe der λ/4-Resonanzfrequenz des „Auslegers“ können dank der ganz brauchbaren Resonatorgüte einen entsprechend höheren „Antennenstrom“ anregen und damit die beobachteten Abstrahlungsmaxima verursachen.

Auf Ausleger verzichten oder Ferrit einfügen

Ist die Ursache des Problems verstanden, lässt sich in der Regel auch relativ leicht eine Lösung finden. Neben der (zu bevorzugenden!) Trivial-Lösung, auf derartige „Ausleger“ zu verzichten, gibt es auch schaltungstechnische Möglichkeiten dem Problem zu begegnen. Der Grundgedanke ist dabei, die Güte des störenden Resonators massiv zu mindern, indem gezielt Verluste eingefügt werden.

Der in [4] vorgestellte Ansatz lässt sich grundsätzlich auch hier anwenden, setzt aber den Einsatz eines zuverlässigen Simulations-Tools voraus.

Ein wesentliches Merkmal der hier betrachteten „Ausleger“ ist ihre Eigenschaft relativ schmal zu sein. Und genau dies ermöglicht einen weiteren Lösungsansatz, der sich in vielen Fällen aufgrund seiner vergleichsweise einfachen Umsetzbarkeit empfehlen dürfte:

Bild 4: Detail Ferrit im Fußpunkt (Archiv: Vogel Business Media)

Wird die „Stabantenne“ in ihrer λ/4-Resonanz betrieben, findet sich in ihrem Fußpunkt ein Strombauch. Aus rein HF-technischer Sicht wäre folglich ein ohmscher Widerstand, der im Fußpunkt der Antenne eingefügt wird, das Mittel der Wahl. Da es sich bei der betrachteten Struktur aber immer noch um ein Powersystem handelt, muss anstelle eines Widerstandes ein geeigneter Ferrit eingesetzt werden (Bild 4).

Bei der Auswahl sind im Wesentlichen folgende Kriterien relevant:

hoher ohmscher Anteil (R) im relevanten Frequenzbereich,
möglichst geringer induktiver Blindanteil (XL),
möglichst breitbandig,
ausreichende Stromtragfähigkeit.

Bild 3: Abgestrahlte Leistung mit (rot), ohne (blau) Ausleger, mit Ausleger und Ferrit (grün) (Archiv: Vogel Business Media)

Wie in Bild 3 (grüne Kurve mit Kreisen) zu erkennen sind durch den Einsatz einer Ferritperle alle dem „Ausleger“ geschuldeten Überhöhungen verschwunden. Die Auswahl des Ferrits lässt sich natürlich mit Einsatz entsprechender Simulationstools weiter optimieren, was bei komplexeren Geometrien auch anzuraten wäre.

Literatur:

[1] Seminar „EMV von Leiterplatten II“, www.EMV-Praxis.de

[2] http://de.wikipedia.org/wiki/Patchantenne

[3] Handbuch HFSS Version 12, Ansoft

[4] „Der Kantenkondensator“, Nils Dirks, ELEKTRONIKPRAXIS 14/06, S. 136ff

*Nils Dirks ist Inhaber der Dirks Compliance Consulting in Herrsching.