Modales Netzwerkmodell für die Feldeinkopplung in Verbindungsstrukturen innerhalb von Metallgehäusen mit kleinen Öffnungen

Abstract

Schnell schaltende elektronische Baugruppen sind häufig in metallischen Gehäusen untergebracht, um diese von äußeren elektromagnetischen Einflüssen abzuschirmen. Ein vollständig geschlossenes Gehäuse ist aus praktischen Gründen nicht realisierbar, da z.B. Öffnungen für Kabeldurchführungen oder Lüftungsgitter erforderlich sind. Dies stellt insbesondere dann ein Problem dar, wenn die Wellenlänge eines externen Feldes in der Größenordnung des Gehäuses liegt. Das durch die Öffnungen eingestrahlte Feld führt in diesem Fall zur Anregung von Hohlraumresonanzen. Um diese Störeinflüsse abzuschätzen, müssen zeitaufwändige Simulationen oder Messungen durchgeführt werden. Eine Analyse im Zeitbereich ist aufgrund der resonanten Struktur zusätzlich erschwert. Für einfache Hohlraumgeometrien können analytische Ansätze basierend auf den Eigenfunktionen bzw. der dyadischen Green’schen Funktion verwendet werden. Für komplexere Problemstellungen sind numerische Methoden wie z.B. Finite-Elemente-Methode geeignet. Aus der Frequenzbereichsanalyse können Systemmodelle abgeleitet werden, die eine Zeitbereichsanalyse mit beliebigen Portabschlüssen ermöglicht. Diese abgeleiteten Systemmodelle, z.B. basierend auf der iterativen Vector-Fitting-Methode [9], sind nicht zwingend stabil im Zeitbereich und können zu unphysikalischen Lösungen führen. Ein kürzlich veröffentlichtes Netzwerkmodell [12] ermöglicht die Analyse von komplexen Verbindungsstrukturen in geschlossenen Metallgehäusen beliebiger Form. Dieses Modell basiert auf den Eigenfunktionen des Systems, die numerisch berechnet werden. Mit einer geeigneten Portdefinition kann die Einkopplung in jeden Mode bestimmt werden, so dass das Systemverhalten durch eine Admittanzdarstellung beschrieben werden kann. Die typischerweise auftretende langsame Konvergenz wird durch die Extraktion des quasistatischen Induktivitäts- und Kapazitätsnetzwerks umgangen, so dass nur so viele Moden berechnet werden müssen, wie zur Analyse bei einer vorgegebenen maximalen Frequenz erforderlich sind. Um den Einfluss von verlustbehafteten Medien zu berücksichtigen, kann das Netzwerkmodell durch modale Widerstände ergänzt werden. Dadurch, dass das resultierende Netzwerkmodell direkt aus den physikalischen Zusammenhängen abgeleitet wird, garantiert es die Stabilität von Zeitbereichsantworten. In diesem Beitrag wird das bereits vorgestellte Modell für geschlossene Gehäuse erweitert, um die Anregung durch externe elektromagnetische Felder berücksichtigen zu können (Abb. 1). Hierbei werden zunächst elektrisch kleine Öffnungen betrachtet. Die Feldverteilung in einer solchen Öffnung kann sehr einfach durch äquivalente Quellen berechnet werden. Außerdem ist der Einfluss der Öffnungen auf die Feldverteilung in dem Gehäuse so gering, dass weiterhin die ungestörten Eigenfunktionen angesetzt werden können. Im folgenden Abschnitt werden zunächst die benötigten äquivalenten Quellen berechnet und anschließend die Integration in das Netzwerkmodell gezeigt. Abschließend wird das erweiterte Modell anhand eines komplexen Beispiels validiert, wobei eine Analyse sowohl im Frequenzbereich als auch im Zeitbereich mit nichtlinearen Lasten erfolgt.