Resonanzkatastrophen in Kabeln Neues Polymerfoliensystem minimiert Schirmdämpfungsresonanzen

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Kabel sollen eine hohe Schirmdämpfung und wenige Resonanzen haben. Mit einem neuartigen Kabelaufbau mit Sonderfolie ist es gelungen, die Schirmdämpfung zu erhöhen und die Schirmdämpfungsresonanzen zu verringern.

In allen technischen Bereichen, wie der Industrie, der Medizin, des Haushaltes usw. werden Kabel genutzt. Diese Kabel funktionieren bei DC; im Hz-Bereich, im Bereich kHz bis MHz, im Bereich MHz bis GHz und im oberen GHz-Bereich.

Nun sind aber gerade im höheren Frequenzbereich vor allem in der Praxis Kabel mit Schirmdämpfungsresonanzen behaftet, welche in der EMV von Geräten, Anlagen, elektrischen Systemen zu einem großen Problem führen können. Vorwiegend über die Leitungskabel, Datenkabel, Sensorkabel und andere Kabeln koppeln sich EMV-Feldstörungen aus und ein.

Nach Schwab/Kürner sind in verschiedenen Bereichen Strukturresonanzfrequenzen bei den Leitungen in der Praxis vorhanden. Diese starken Einbrüche der Schirmung nennt man „Resonanzkatastrophen“ [1]. Das ist ein parasitärer Effekt und dieser kann unter Umständen zu EMV-Problemen führen . Mit den herkömmlichen Kabelaufbauten sind diese Schirmdämpfungsresonanzen nur schwer zu minimieren.

Ein Beispiel einer Schirmdämpfungsresonanz [4] soll an dieser Stelle in Bild 1 gezeigt werden. Es sind in Bild 1 bei rund 60 MHz, 90 MHz und 240 MHz eindeutig die Schirmdämpfungsminima zu erkennen. Die Schirmdämpfung wurde mittels des Clamp-Verfahrens gemessen.

Somit ergibt sich als Problemstellung, die Schirmdämpfungsresonanzen [2] zu minimieren und die Gesamtschirmdämpfung zu erhöhen. Die Lösung des Forschungsproblems soll mittels eines neuartigen Kabelaufbaus realisiert werden.

Resonanzkatastrophen minimieren: Möglichkeiten durch einen neuen Kabelaufbau

Es ist möglich, mit einer neuartigen Polymeraußenfolie, einem Ethylen-Propylen-Dien-Kautschuk mit speziellen Füllstoffen – als Hybridwirkung um den Innenleiter angeordnet, ein neues Standardkabel zu entwerfen, das die Probleme der EMV-Resonanzkatastrophen minimiert und gleichzeitig die Schirmdämpfung erhöht.

Eine EMV-Folie, die in einer Leitung zur Erhöhung der Schirmdämpfung sowie zur Minderung der Resonanznachteile angewendet wird, sollte folgende Eigenschaften erfüllen:

• Genaue Form (Rundform, gerade Ränder),

• konstante Dicke,

• nur je eine Sonderfolie für die jeweiligen Außenflächen und

• homogene Verteilung der hybriden Füllfolie.

Nur je eine Materialart wird als Folie mit eingesetzt. Das Prinzip des neuen Leitungsaufbaus ist in Bild 2 zu sehen.

Im Hinblick auf den EMV-Schutz (kHz- bis MHz-Bereich bis in den GHz-Bereich) von Kabeln wurde in Bezug auf die zu erwartenden technischen und technologischen Anforderungen je eine Materialart ausgewählt. Es wurden Messreihen zur Messung der EMV-relevanten Schirmparameter nach dem neuen Aufbau von Kabeln im Vergleich zu einem nicht adaptierten Kabel durchgeführt.

Experimentelle Ergebnisse mit neuartigem Kabelaufbau bei 30 bis 1.000 MHz

Der Messaufbau entsprach im pre compliance Verfahren der Clamp-Methode. Das Kabel wurde mit den erforderlichen Anschlüssen versehen und an einer Seite mit einem 50-Ω-Widerstand terminiert. Über das andere Ende erfolgte die Einkopplung der Hochfrequenzfeldstärke entlang des gesamten Kabels. Mit der „RF Current Probe RDL-10“, welche mit dem Eingang des Spektrumanalysators verbunden war, wurde das Hochfrequenzsignal an einer Stelle des Kabels gemessen.

In Bild 3 ist der Messaufbau der Schirmdämpfung an Kabeln nach dem Clamp-Verfahren zu sehen. Dabei wird von einem HF-Generator (Messsender) über einen Verstärker das Quellsignal an einem mit 50 Ω abgeschlossenen Standardkabel gesendet und über eine Messzange an den HF-Analysator geleitet. Die Kabel-Clamp-Anordnung liegt über einen Isolator auf einer geerdeten Metallmasseplatte. Die Messergebnisse des neuartigen Kabelsystems mit der Hybridpolymerfolie sind in Bild 4 zu sehen.

Beim neuen Standardkabel konnte die Schirmdämpfung um 5 bis teilweise 20 dB erhöht und die Resonanzen um bis zu fast 20 dB kompensiert werden. Im Frequenzbereich 9 kHz bis 100 MHz konnte durch die EMV-Folie und die Sonderfolie ein Resonanzeinbruch im Bereich von ca. 10 bis 16 dB ausgeglichen werden.

Neuartiges Kabel: Höhere Schirmdämpfung und geringere Schirmdämpfungsresonanzen

Nach der Erläuterung der nachteiligen Resonanzen der Schirmdämpfung von metallischen Schirmungen in Standardkabeln wurden als Forschungsproblem Möglichkeiten gesucht, die Schirmdämpfung zu erhöhen und die Resonanzen zu minimieren. Ausgehend von einem neuartigen Kabelaufbau mit Sonderfolie ist es gelungen, die Schirmdämpfung zu erhöhen und die Schirmdämpfungsresonanzen zu verringern.

Bei dem neuen Aufbau der Kabel wurde ein Hybrid-EPDM-Polymerfoliensystem genutzt. Die Schirmung wurde um 5 bis 20 dB verbessert. Die Resonanzeinbrüche von 10 bis 16 dB konnten stark minimiert werden.

Anwendungen des neuartigen EMV-Kabelaufbaus können allgemein Kabel der Bereiche Informationstechnik, Sensortechnik, Automobiltechnik, Elektronik, Medizintechnik und Kommunikationstechnik sein. (kr)

Literatur

[1] Schwab; A., Kürner; W.: Elektromagnetische Verträglichkeit, 6. Auflage, Springer/ VDI Verlag, 2011, ISBN 978-3-642-16610-5, S. 258

[2] Berhe, Aron Tesfalem; Gräbner, Frank: Einflüsse auf die Abschirmung. hf-praxis 2020 3, S. 34-37

[3] Kemter, R., Gräbner, F.: AU23-000123-e, IMG, 2024, S. 2

[4] Hungsberg, F; Gräbner, F.: Laborbericht 1005 / 2004, S.7

* Ass.Prof. (BG) Frank Gräbner ist Leiter der EMV-Forschung bei IMG Electronic & Power Systems in Nordhausen. info@img-nordhausen.de

* Dr.-Ing. Ronny Kemter arbeitet in der EMV-Forschung bei IMG Electronic & Power Systems in Nordhausen.

* B.Eng. Alexej Rjasanow ist Produktmanager bei Optibelt Elastomer Solutions in Höxter.

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