Optimierte Anordnung von Ferritkernen auf Leitungen für eine breitbandige Filterwirkung

Abstract

Der Beitrag stellt eine Fortsetzung der Untersuchungen zur Wirkungsweise von Ferritkernen auf Kabelstrukturen dar. In [1] wurde eine messtechnische Methode zur Charakterisierung von ring- und zylinderförmigen Ferritkernen vorgestellt; mit dem Ziel, die Parameter eines elektrischen Ersatzschaltbildes für einen Ferritkern zu bestimmen. Durch elektrische Feldsimulation an einem dreidimensionalen Modell wurde die Methode validiert [2]. Später wurde eine Alternativmethode für die Ermittlung der Ersatzschaltbildparameter mit Hilfe von an Ringkernen breitbandig gemessenen Permeabilitäts- und Permittivitätsdaten beschrieben [3]. Das Vierpol-Ersatzschaltbild kann dann mit dem Leitungsersatzschaltbild eines Kabels kombiniert und die Leitungstheorie angewendet werden. Beispiele hierzu finden sich in [3] und [4]. Mit Hilfe der Leitungstheorie können die Strom- und Spannungsverteilung entlang der Leitung berechnet werden. Durch den Vergleich dieser Werte mit und ohne Ferritkern lässt sich ein Dämpfungsmaß angeben, welches von der Position entlang der Leitung, von der Position des Ferritkerns und von der Frequenz abhängt. Da das von der Leitung abgestrahlte Feld mit der Stromverteilung zusammenhängt, kann damit auf die Filterwirkung des Bauteils geschlosen werden. In [5] wurde zuletzt eine zum analytischen Ansatz alternative Methode, nämlich die numerische Berechnung der Stromverteilung mit Hilfe von LTspice® [6], anhand einer Übertragungsleitung mit einer darauf befestigten Ferrithülse vorgestellt. Die Validierung erfolgte mit Hilfe des theoretischen Ansatzes sowie numerisch mit CONCEPT-II. Die Berechnung mit Hilfe des SPICE Algorithmus ist sehr effizient. Deshalb wird in diesem Beitrag der Ansatz wieder benutzt. Die Wirkung eines einzelnen Ferritkerns ist abhängig von seiner Position entlang der Leitung sowie von der Frequenz. Für eine breitbandige Filterwirkung könnte man entlang der gesamten Leitungslänge Ferritkerne anordnen, was aber weder wirtschaftlich vertretbar noch einfach handhabbar ist. Aus diesem Grund wurde ein Mittelweg analysiert, welcher auf der Anordnung von drei identischen Ferrithülsen auf einer Leitung basiert. Ziel ist eine möglichst breitbandige Wirkung. Für die Positionen der Hülsen entlang der Leitung bietet das Golomb-Lineal einen Ansatz. Bei diesem Lineal gibt es keine zwei Markierungen an ganzzahligen Positionen mit dem gleichen Abstand zueinander. Die Position der drei Ferrithülsen wird so variiert, daß sie dem Golomb-Lineal der Ordnung 5 nahekommt.