Beheben von EMV-Problemen auf PCB-Level mit Ansys SIwave

Was sind antennenähnliche Strukturen auf dem PCB?

Jeder kann sich unter dem Begriff „Antenne“ etwas vorstellen. Antennen haben die Funktion, hochfrequente Signale aus der Umgebung – wiederum durch Antennen auf Senderseite ausgestrahlt – zu empfangen, um sie angeschlossener Elektronik für die Signalverarbeitung weiterzuleiten. Man denke an die klassische Stabantenne, die es noch auf einigen Autodächern zu bestaunen gibt. Der Stab selbst wirkt als resonante Struktur für hochfrequente Ströme, die dort eine stehende Welle ausbilden. Die Ströme regen elektromagnetische Wellen an, die in die Umgebung abgestrahlt werden. Im Empfangsfall regen Wellen Ströme auf dem Stab an. Die Antenne ist ein reziprokes System. Es stellt sich die Frage, wo bei einem offensichtlichen Sendesystem wie dem Smartphone, ein solch resonanter Stab zu finden ist. Was bestimmt Form und Dimension einer Antenne?

Früher waren Antennen in aller Regel große Strukturen. Selbst die ersten Handys hatten kleine Stabantennen an den Seiten. Das gibt uns einen Hinweis darauf, dass die geometrische Größe eine zentrale Rolle für die Abstrahleigenschaften spielt. Als Faustregel gilt, je länger die Antenne, desto niedriger liegt seine Resonanzfrequenz, bei der sie besonders großes Abstrahlpotenzial hat. Es gibt weitere Faktoren, wie etwa in Reihe mit den Antennenarmen geschaltete Induktivitäten oder parallel liegende Kapazitäten. Antennenentwickler nutzen diese geschickt aus, um die Antennen zu tunen und sie klein gestalten und somit gut in Geräte integrieren zu können. Die Antenne muss nicht wie ein Stab aussehen, sondern kann auch eine gefaltete Struktur aus einem elektrischen Leiter sein, wie etwa eine Kupferleitung oder -fläche auf einem PCB.

Das ist der Knackpunkt bei PCB-Layouts. Auf einem modernen PCB sind in der Regel hunderte von Kupferstreifen und -flächen zu finden, weiterhin Kondensatoren und Spulen. Warum sollte nicht zufällig eine davon Teil einer Antennenstruktur sein, deren Resonanzfrequenz in das breite Frequenzspektrum fällt, das in EMV-Teststandards definiert wird?

Dieser Schwingkreis (Resonator) entspricht einer Antennenstruktur mit Komponenten zum Tunen. Die großen Flächen übernehmen dabei die Funktion des Stabes wie im letzten Abschnitt beschrieben, indem Sie die hochfrequenten Ströme tragen, von denen der wesentliche Teil der Abstrahlung erfolgt.
Die Resonanzfrequenz dieses Parallelschwingkreises ist etwa f_res=1 ⁄ (2π√(LC)). Daraus ist erkennbar, warum gerade die großen und somit hochkapazitiven Spannungsversorgungsflächen mit angeschlossenen Induktoren kritisch hinsichtlich EMV sind. Die großen Werte für L und C schieben die Resonanzen runter in den MHz- bis niedrigen GHz-Bereich, der von vielen EMV-Standards abgedeckt wird.

Wird die Eingangsimpedanz eines solchen Schwingkreises gemessen, so ist für den Gleichfall (DC) nur der reelle Innenwiderstand R_Source sichtbar. Mit zunehmender Frequenz f wird die Impedanz aufgrund des induktiven Anteils (Z_ind~fL) zunächst zunehmen und schließlich aufgrund des kapazitiven Anteils (Z_cap~1/(fC)) abnehmen. In Summe ergibt sich ein lokales Maximum im Impedanzprofil an der Stelle der Resonanzfrequenz. Abbildung 3 zeigt ein typisches Impedanzprofil, gemessen zwischen einem Versorgungsnetz und GND an verschiedenen Positionen auf dem PCB. Die Position der Messung wirkt sich auf die Höhe des Maximums aus, nicht aber auf dessen Frequenz. Grund für die positionsabhängige Impedanz ist die stehende Welle (Spannungs- und Stromverteilung) entlang dieser Flächen, vergleichbar der eines strahlenden Antennenstabs.

An dieser Stelle stellen die simulierten Resonanzen lediglich potenzielle Quellen für Abstrahlung dar. Damit abgestrahlt wird, sind diese Antennen noch mit Signalen entsprechender Frequenz zu treiben. Dazu sind zum einen Strukturen nötig, die das Signal einkoppeln. Das können Signalleitungen sein, die nah an der resonanten Struktur geführt werden, oder auch Vias, die ein Signal durch die resonanten Flächen führen. Zum anderen müssen die auf den Koppelstrukturen geführten Signale gerade einen spektralen Anteil bei der Resonanzfrequenz haben. Dieser Anteil ist jedoch in nahezu jedem gepulsten Signal (z.B. Bitfolgen oder Taktsignale) vorhanden. Folglich sollte für ein EMV-gerechtes Design die einzig handhabbare Ursache für Abstrahlung ausgeschlossen werden, nämlich das Vorhandensein von Antennenstrukturen.

In Abbildung 5 wird der Einfluss beider Varianten (Verstimmung und Dämpfung) auf das Resonanzprofil gezeigt. Im Falle der blauen Kurve wurde das zugehörige Maximum zu einer höheren Frequenz verschoben. Dabei ändert sich das gesamte Impedanzprofil, da sich das Kurzschließen auf alle Resonanzen unterschiedlich stark auswirkt und auch deren Spannungs- und Stromverteilungen beeinflusst, die jedoch am selben Punkt gemessen wurde. Im Falle von Dämfpung durch Einfügen eines Widerstands (rote Kurve) werden alle Maxima etwas gedämpft, jedoch ändert sich ihre Position auf der Frequenzachse nicht.

Abbildung 6 zeigt die simulierte elektrische Feldstärke (Maximalwert über alle Raumrichtungen) im Fernfeld (Abstrahlung). Die erhöhten Feldstärkewerte sind auf die Resonanzen zurückzuführen, die in der Simulation mit 1 Volt frequenzunabhängig (konstantes Spektrum) angeregt wurden. Die Positionen der Maxima entsprechen etwa den zuvor simulierten Resonanzfrequenzen aus Abbildung 3. Besonders die beiden Moden oberhalb von 1 GHz tragen stark zur Abstrahlung bei. Mit dem im letzten Absatz beschriebenen Optimierungsansatz wird die Abstrahlung und somit gemessene Feldstärke deutlich reduziert.

In EMV-Teststandards werden Grenzwerte für diese elektrische Feldstärke vorgegeben, die mit einer Antenne in gewissem Abstand abhängig vom Standard ermittelt wird. Der einzuhaltende Grenzwert ist ebenfalls abhängig vom Standard. Diese gibt es zahlreich für viele verschiedene Anwendungen, beispielsweise für Haushaltsgeräte [EMCSTD], Konsumer-Elektronik oder auch industrielle oder medizinische Geräte [CISPR], um nur einen kleinen Teil davon zu nennen. Was jedoch alle gemeinsam haben ist, dass Feldstärkemaxima wie in Abbildung 6 gezeigt bei nahezu jedem Standard dazu führen werden, die EMV-Prüfung nicht zu bestehen.

In diesem Artikel wurde ein Ansatz gezeigt, mit Hilfe von Simulation Kenntnis über Resonanzen auf einem PCB zu erlangen, welche Ursache für Abstrahlung sind. Mit dieser Kenntnis werden zielgerichtete Gegenmaßnahmen zur Unterdrückung der Resonanzen und somit der Abstrahlung ermöglicht, von denen hier zwei Ansätze gezeigt wurden. Die Simulation und Optimierung kann designbegleitend erfolgen und somit zeit- und kostenintensive Fertigungszyklen ersparen. Bezüglich EMV-gerechtem Design verfolgt dieser Ansatz das Motto „Vorsicht ist besser als Nachsicht“.