Verbessertes EMV-Verständnis durch Simulation

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Schirmgehäuse für elektronische Kontrollen analysieren

Dieses Themengebiet kann natürlich auch im hochfrequenten Bereich untersucht werden, beispielsweise bei Schirmgehäusen für elektronische Kontrolleinheiten (ECUs). Hierbei bedeutet hochfrequent, dass Welleneffekte berücksichtigt werden müssen. Wenn die Schaltflanken der digitalen Elektronik einer solchen ECU bei einer Nanosekunde Anstiegszeit liegen, bedeutet das einen Frequenzgehalt von bis zu einigen Gigahertz. Bei diesen Frequenzen sind die Wellenlängen teilweise unter 10 cm und damit vergleichbar mit der Baugröße der ECU sowie des Schirmgehäuses.

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Bei den hier untersuchten Frequenzen ist die Wirbelstromeindringtiefe in Metalle im Bereich einiger Mikrometer oder sogar unter einem Mikrometer. Folglich wird das Feld über die Dicke eines metallischen Schirmgehäuses vollständig abfallen. Jedoch enthält das Gehäuse aus fertigungstechnischen Gründen beziehungsweise für die Entwärmung der Elektronik meist kleine Ritzen oder Öffnungen, aus denen elektromagnetische Felder ausdringen können.

Die Untersuchung der Schirmwirkung des Gehäuses kann mit Hilfe eines standardisierten Strahlers erfolgen, indem das abgestrahlte Feld der Antenne mit und ohne Gehäuse verglichen wird (Bild 2). Dieser Aufbau lässt sich sehr gut mit ANSYS HFSS nachstellen und simulieren. Hierdurch sind zum Beispiel die maximalen elektrischen Felder in einer gegebenen Entfernung vom Strahler vergleichbar.

Da es zwischen Wellen, die an verschiedenen Öffnungen des Gehäuses austreten, zu Interferenzen kommen kann, hat die Abstrahlcharakteristik oft eine komplexe Struktur aus Haupt- und Nebenzipfeln. Dies macht es in realen Messungen schwierig, die maximalen, abgestrahlten Felder zu bestimmen. Mit einer Simulation ist es hingegen sehr leicht, die gesamte Abstrahlcharakteristik darzustellen und die Maxima in Abhängigkeit von der Frequenz zu bestimmen. Des Weiteren erlaubt die Simulation natürlich auch, die Feldverteilungen im und in der Umgebung des Gehäuses zu zu veranschaulichen, um zu sehen, wie stark die Abstrahlung aus welchen Öffnungen ausdringt (Bild 3).

Das breite Portfolio von ANSYS bietet hierbei auch die Möglichkeit, in einer strukturmechanischen Analyse die Deformation des Gehäuses und des Deckels durch den Verschlussmechanismus oder Verschraubungen und dadurch entstehende Spalte zu berechnen. Diese Spalte können dann in der elektromagnetischen Analyse berücksichtigt werden, um eine realistische Modellierung der Schirmwirkung des Gehäuses zu erreichen. So lassen sich verschiedene Verschlussmechanismen bezüglich ihrer EMV-Dichtigkeit beurteilen.

Gehäuse aus unterschiedlichen Materialien berücksichtigen

Oft werden aufgrund der Kosten oder aus anderen Gründen auch Gehäuse aus unterschiedlichen Materialien verwendet, beispielsweise aus beschichteten Kunststoffen. HFSS bietet die Möglichkeit, auch solche Gehäuse zu untersuchen und zu bewerten, um mit diesen Materialien wirkungsvolle Gehäusekonzepte zu entwickeln.

Bei metallischen Gehäusen können Resonanzen der Schirmung auch entgegenwirken, was bis zur Verstärkung von Störsignalen führen kann (siehe Bild 2 und 3). Simulation und Feldbilder erlauben es, diese Resonanzen zu verstehen und Gegenmaßnahmen zu untersuchen und zu bewerten. Dazu gehören veränderte Kontaktierungen zwischen Deckel und Gehäuse oder eine bezüglich des Gehäuses veränderte Platzierung von strahlenden Leiterbahnen.

Die Schirmwirkung eines Gehäuses gegenüber eingestrahlten Störungen ist ebenfalls ein wichtiges Thema. Dies lässt sich sowohl durch eine direkte Simulation mit einfallenden Wellen als auch aufgrund des Prinzips der Reziprokalität durch die Schirmung gegen Abstrahlung untersuchen.

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