EMV-gerechte Schirmung

In der Forschung und Entwicklung von neuartigen HF-Materialien für die Gehäusetechnik und in der Werkstoffentwicklung ist man an der Beschreibung der vielfältigen resistiven, dielektrischen und magnetischen Materialeigenschaften interessiert 43; . Ziel dieses FuE-Projekts ist es, die EMV-Eigenschaften von Gehäusen zu verbessern. Es ist eine erhöhte Schirmdämpfung bei gleichzeitiger Glättung der Innenfeldstärkeresonanzen zu erreichen. Elektronik soll ohne innere Feldüberhöhung in Metallgehäusen sicher funktionieren. Dazu sind neue HF-Ferritmaterialien zu entwickeln. Der Schwerpunkt dieses Forschungsprojektes liegt auf der genauen Erarbeitung der Wechselwirkung von EMV-Störenergie mit dem Ferritmaterial, Aufbau eines HF-Ferritmaterials und Test der EMV-Eigenschaften der HF-Materialien bzw. der neuartigen Gehäuse.

Man unterteilt die HF-Materialien grob in RAM (Resistive Radioabsorbing Material)- und CRAM (Currentless Radioabsorbing Material)-Materialien 1; . Der Unterschied der CRAM- und RAM-Materialien liegt darin, dass die RAM von Strom durchflossen sind und die CRAM nicht. Die Unterteilung ist deutlicher in Abb. 2.1 zu sehen.

Unter den RAM-Materialien versteht man die leitfähigen HF-Materialien, unter den CRAM-Materialien die eingeschränkt leitfähigen Materialien.

Das Ziel der Arbeit besteht in der Abscheidung dünner ferritischer Schichten als Absorber-material für die Anwendung in der EMV 43; . Die Arbeiten konzentrieren sich dabei zunächst auf Ni,Zn-Ferritschichten. Es wurden grundsätzliche Untersuchungen zur Eignung der Ferritschichten realisiert.

Die Messungen der magnetischen Eigenschaften ergaben Werte der Koerzitivfeldstärke HC von 0,95 bis 1,28 kOe. Diese extrem hohen Werte der Koerzitivfeldstärke deuten auf eine ausgeprägte Anisotropie der Schichten hin.

Die Anisotropiekonstante der Schicht im ungetemperten Fall beträgt \(K_{1}=-8{,}1\cdot 10^{+6}\,\mathrm{erg}/\mathrm{cm}^{3}\). Diese Größe weist auf eine für ein Weichferrit zu große Anisotropie hin. Das ist ein Hinweis für die besonderen Eigenschaften des nanokristallinen Materials gegenüber dem Volumenmaterial.

Eine REM-Aufnahme zeigt noch relativ „grob“ die Morphologie der Schicht (Abb. 3.1).

Abbildung 3.2 zeigt die Abhängigkeit der ferritischen NiZn-Ferritschichten von der nach dem Sputtervorgang stattfindenden Tempertemperatur zu sehen. Die Koerzitivfeldstärke einer magnetischen Schicht ist exemplarisch ein Hinweis auf die Schichtanisotropie und somit interessant zu betrachten. Man kann sehen, dass die zu fördernde Koerzitivfeldstärke nicht mit der Tempertemperatur steigt.

Auch wenn durch die Fehlanpassung keine optimale Felddurchdringung gewährleistet ist und Absorption verloren geht, wird der Kompromiss realisiert.

Gesinterte HF-Ferrit-Platten weisen eine Reflektionsdämpfung von bis zu 25 bis 35 dB auf (TDK/EUPEN Firmenschriften).

Bei Radarmaterialien beginnend im X- bzw. Ku-Band (neue Bezeichnung H-, I-, J-Band) sind weitere Effekte zu beachten. Zu den bisher diskutierten EMV-Effekten sind die Radareffekte der linearen und nichtlinearen Extinktion integral zu betrachten.

Extinktion ist wie folgt zu erklären:

Während der Materialentwicklung ist es notwendig, mittels der verschiedenen vorhandenen Messplätze möglichst viele Parameter an den Probenserien zu bestimmen, um eine umfassende Beurteilung zu gewährleisten. Dies ist erforderlich, um die Richtung weiterer Versuche und Materialkombinationen zu bestimmen.

Neben der Forderung, die chemisch/physikalischen Eigenschaften der Ausgangsmaterialien möglichst beizubehalten, wird das Erreichen einer Gesamtschirmdämpfung von mindestens 60 dB als realistisch angesehen (vgl. Abb. 4.1 und 4.2).

Die Messanordnung in Abb. 5.1 hat eine Gesamtdynamik von 50 dB. Diese hohe Empfindlichkeit wurde über zwei Vorverstärker realisiert.

Man unterscheidet zwischen Nahfeld- und Fernfeldschirmdämpfung. Ebenso unterscheidet sich die Schirmdämpfung nach der Art der Felder: elektrostatische Schirmung, magnetostatische Schirmung, elektrische Wechselfeldschirmung, magnetische Wechselfeldschirmung und elektromagnetische Wellenfelddämpfung 46; . Eine Schirmwand bestehe aus zwei Grenzflächen. An der Grenzfläche 1 (Außenfläche einer Schirmwand) wird das elektromagnetische Wellenfeld reflektiert. Die durch diese Grenzfläche hindurchtretende Strahlung wird zum Teil absorbiert und an der Grenzfläche 2 reflektiert. Der reflektierte Teil der Welle wird nun wieder absorbiert und teilweise an der Grenzfläche 1 reflektiert. Somit tritt nur noch ein Teil der Quellstrahlung in ein zum Beispiel Gehäuseinneres ein und wird weiter reflektiert.

Es sei ein Doppelschirm 12; gegeben. Der Doppelschirm bestehe aus zwei Teilschirmen.

Ist die Dicke d ₁ des Innenschirmes eher als die Dicke des Außenschirmes d ₂ im Sinne eines erhöhten magnetischen Schirmfaktors zu erhöhen oder sollte primär die Dicke des Außenschirmes erhöht werden?

Bevor auf den Doppelschirm eingegangen wird, sind am Beispiel eines Einfachschirmes einige Begriffe zu erklären.

Durch die Kombination von leitfähigen Polymeren mit einem oder mehreren geeigneten ferroelektrischen und ferromagnetischen Materialien sind durch zusätzlich Absorptionsmechanismen Synergieeffekte der beiden Werkstoffgruppen zu erwarten. Bei der Wahl des Ferroelektrikums ist zu beachten, dass die größten dielektrischen Verlust in der Nähe der Curietemperatur zu erwarten sind. Daher sind geeignete Mischungen von Ferroelektrika mit unterschiedlichen Curietemperaturen zu untersuchen. Neben der Zusammensetzung des Ferroelektrikums ist die Abhängigkeit der Schirmdämpfung und der dielektrischen Verluste von solchen Einflussgrößen, wie Korngröße, Größe der ferroelektrischen Domänen, Texturen usw. zu untersuchen. Weiterhin sind die Wechselwirkungen zwischen den leitfähigen Partikeln im Polymer und den ferroelektrischen Partikeln hinsichtlich der Absorption hochfrequenter elektromagnetischer Felder aus werkstoffphysikalischer Sicht theoretisch und experimentell zu untersuchen. Die Möglichkeiten weiterer Synergieeffekte durch ferromagnetische Materialien sind in den Arbeiten zu berücksichtigen.

Metallgehäuse von Verstärkerschaltungen können, je nach Geometrie und Design der Schaltung, das Entstehen höherer Moden im Inneren des Gehäuses begünstigen. Dies kann unerwünschte Eigenschwingungen (Oszillationen) im Verstärker bei höheren Frequenzen verursachen und damit die Rauscheigenschaften im Nutzfrequenzbereich erheblich verschlechtern.

Abhilfe schaffen bei solch einem Problem Störstrahlungsabsorber im Inneren des Metallgehäuses. Diese bedämpfen die Mehrfachreflektion der von der Schaltung abgestrahlten Energie, sodass die Störstrahlung keinen negativen Einfluss mehr auf die Schaltung selbst ausüben kann.

Abbildung 8.1 zeigt einen Low-Noise-Verstärker für den Frequenzbereich 2,4 bis 2,5 GHz, also für WLAN-Anwendungen. Es zeigte sich bereits während der Entwicklung des Verstärkers, dass das Gehäuseinnere zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses mit einer dünnen Absorberschicht ausgekleidet werden musste. Ursache waren Mehrfachreflektionen von höheren Moden, speziell von der dritten Oberwelle bei 7,2 GHz. Als Störstrahlungsabsorber kam ein dünnschichtiger Absorber der Fa. noretec GmbH & Co. KG zum Einsatz.

Es sollen neue Gehäusematerialien modelliert, synthetisiert und analysiert werden. Ziel dieser neuen Gehäuse ist eine verbesserte Schirmdämpfung und eine Glättung der inneren HF-Feldstärken, wenn in den Gehäusesystemen Elektronik mit HF-Quellen vorhanden sind.

Elektronik im Inneren der Gehäuse soll sicherer arbeiten, wenn feldabsorbierende Schichten und Volumenmaterialien die Resonanzen im Frequenzbereich von 30 bis 2000 MHz in Gehäusen dämpfen. Da diese neue Betrachtungsweise von ferrimagnetischen Schichten im Hinblick auf eine Reflektionsdämpfung neu ist, sind theoretische Modellvorstellungen in einer ersten Näherung aufzustellen.

Es sind ausgehend von den Gefüge- und Struktureigenschaften der Weichferrite und Ferrit-Polymere die HF-Eigenschaften mit der Zielstellung der Erhöhung der Schirmdämpfungseigenschaften von Gehäusen zu entwickeln.

Technologische Fragestellungen der Polymerkeramik und des Schichtaufbaus sollen im Anfangsstadium behandelt werden.

Die wichtigsten Volumeneffekte der Wandlung elektromagnetischer Energie im Ferritmaterial sind zu untersuchen. Erste Hinweise für einen guten Schichteffekt der Wandlung elektromagnetischer Störenergie (EMV-Effekt) in ferritischen Schichten sind zu modellieren, zu synthetisieren und anzuwenden. Weitere Forschungsarbeiten auf dem Gebiet der Untersuchung der HF-Effekte in magnetischen Schichten ist vorzubereiten.

Im folgenden Kapitel wird die Anwendung der neu entwickelten Nanoferritschicht als absorbierende Zwischenschicht auf einer Testleiterplattenstruktur diskutiert. Ein einfacher Streifenresonator koppelt Oberwellen höherer Frequenz aus, welche ein einfaches Oszillatorbauelement erzeugt (Abb. 10.1 und 10.2).

Der mögliche Testaufbau der neuartigen HF-Leiterplatte sieht wie in der folgenden (Abb. 10.3) aus.

Es wurde nach Abb. 10.2 und 10.3 eine Teststruktur aufgebaut, welche jeweils eine Störoberwelle je Frequenz mit einer alten Leiterplattenstruktur auskoppelt, und zum Vergleich wurde eine neue Leiterplattenstruktur (Ferritschicht) konstruiert. Die jeweils gedämpfte elektromagnetische Störstrahlung wurde nun mit der alten Leiterplatte (ohne Ferritschicht) und der neuartigen Leiterplatte (mit Ferritschicht) verglichen.

Es zeigte sich, dass die Werte der Reflektionsdämpfung der Schicht sich auf die Dämpfung der elektromagnetischen Funkstörfeldstärke übertragen lassen.

In Abb. 10.4a ist die Funkstörfeldstärke der Teststruktur des Oszillators mit Streifenleitung auf der Multilayerleiterplatte ohne absorbierende Schicht zu sehen. In Abb. 10.4b wird dieselbe Struktur diesmal mit einer absorbierenden Schicht dargestellt.

Zur Simulation der Testleiterplatte wurde das Programm SONNET verwendet. Dabei wird angenommen, dass sich die Leiterplatte in einer allseitig geschlossenen Box befindet.

Ultradünne Schichten besitzen eine Schichtdicke von einigen Monolagen bis einigen nm (\(d\approx 0{,}1\) bis 10 nm) 45; . Auch ultradünne magnetische Schichten besitzen eine mögliche Absorptionseigenschaft, wenn die elektrische Leitfähigkeit gering gehalten wird.

Eine ultradünne absorbierende Leitungsschicht einer Informationstechnikkoaxialleitung wird als Applikation betrachtet.

Versuche der Wirksamkeit einer Laboreinlagerung von Ferritpartikeln (Korngröße \(D_{50}=50\,\upmu\mathrm{m}\)) haben einen gut messbaren Absorptionseffekt von 4 dB ergeben.

Die vorgestellte Lösung gilt nur bis einige MHz. Die Maschenweite soll ebenso klein gegen die Wellenlänge sein (nach Durchanski 26; ) Die Grafik zum Betrag der komplexen Schirmdämpfung ist in Abb. 13.1 zu sehen. Es ist prinzipiell eine exponentiell fallende Schirmdämpfung in Abhängigkeit von dem steigenden Maschendurchmesser festzustellen.

Für die neuen EMV-Probleme der Informationstechnik, Elektronik, Steuerungstechnik und Industrieelektronik gibt es auf dem Markt keine effektiv nutzbare EMV-Entstörferritmaterialien. Metalle haben deutliche Nachteile der Resonanzen, das heißt der Schirmdämpfungseinbrüche.

In Abb. 14.1 sind EMV-Störungen eines heutigen Prüflings dargestellt. Deutlich sind Frequenzen \(> \) 1 GHz zu sehen.

Die Entwicklung von noch nicht vorhandenen EMV-Entstörmaterialien für einen Frequenzbereich f > 2–9 GHz ist somit nach Abb. 14.1 wichtig für die zukünftige Elektronik 48; ; 49; ; 50; , denn heutige EMV-Entstörferrite sind nicht für zum Beispiel PC-Technik mit CPU-Frequenzen von 2 bis 3 GHz ausgelegt.

In Abb. 14.2 ist die Anwendungsfrequenz von bekannten EMV-Entstörmaterialien zu sehen. Neuartige EMV-Entstörmaterialien der Jahre 2013 bis 2020 dienen als Ergänzung zu einem vorhandenen Metall bzw. einer vorhandenen Metallschicht, die zu Mehrfachreflektionen der HF-Strahlung führen. Oder sie stehen als Sintermaterialien wie SMD-Ferrite/Klappferrite zur Verfügung. Die Reflektionen können lokale Feldstärkeüberhöhungen innerhalb von elektronischen Geräten erzeugen und zu Störungen führen.

Die Nachteile von vorhandenen EMV-Materialien im Jahr 2013 werden mit neu zu entwickelnden EMV-Entstörmaterialien (keine Metalle) verbessert und diese Materialien arbeiten in den Frequenzbereichen, welche ab dem Jahr 2013 immer mehr eine Rolle spielen. Dies ist in Abb. 14.3 zu sehen.

Literaturhinweise: 56; ; 63; .

Kugelschirm Literaturhinweis: 62; .

Kugelschirm Literaturhinweis: 62; .

Kugelschirm Literaturhinweis: 57; .

mit: und: Literaturhinweis: 62; .

Reale Schirmdämpfung eines technischen Aufbaus mit Diskontinuitäten Literaturhinweis: 57; .

Literaturhinweis: 57; .

Falls \(A<10\,\mathrm{dB}\) beträgt, dann erhält die multiple Reflektionsdämpfung eine höhere Bedeutung. Literaturhinweis: 57; .

Diese Schirmdämpfungsformel gilt für dünne Schichten. Die Oberflächenleitfähigkeit wird mit Flächenmessungen ermittelt. Literaturhinweis: 59; .