Modellierung und Simulation ausgedehnter Massestrukturen (PDF)

Zur Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit innerhalb von Systemen ist die
genaue Kenntnis von Störquellen, Störsenken und deren Verkopplung notwendig. In Systemen, deren Komponenten (Geräte) über gemeinsame Rückleiter bzw. eine
gemeinsame Masse verfügen, sind diese ein wesentlicher Koppelpfad für Störungen. Zum Beispiel wird in der Luftfahrt zur Gewichtsersparnis häufig der Flugzeugrumpf als gemeinsame Masse für ganz unterschiedliche Stromkreise verwendet. Auch in anderen Bereichen werden häufig mechanische Strukturen als Masse genutzt.
Um Kosten für den Bau von Prototypen zu senken, werden komplexe elektronische Systeme bestehend aus vielen Komponenten zunächst simuliert. Die Simulationen werden
oft mit Simulationsprogrammen, die auf Netzwerken basieren, durchgeführt. Es ist von großem Vorteil, wenn die Störkopplung durch die gemeinsame Masse mit in diese Simulation aufgenommen werden kann, denn dadurch wird die elektromagnetische
Verträglichkeit der Netzrückwirkungen schon im Designprozess berücksichtigt.
Die Voraussetzung für die Integration der Störkopplung über gemeinsame
Massestrukturen in die Systemsimulation ist, dass ein geeignetes Modell zur Verfügung
steht:
- Das Modell darf nicht zu komplex sein, denn eine wesentliche Erhöhung des
Simulationsaufwands (Zeit, Ressourcen) wird von den zuständigen
Systementwicklern, die die Simulation durchführen, nicht akzeptiert.
- Das Modell sollte relativ genau sein. Störkopplungen sollen auf keinen Fall
unterschätzt werden, damit Entwickler nicht Entstörmaßnahmen auf Grund der
Simulation fälschlich einsparen.
- Das Modell sollte so flexibel sein, dass Änderungen der Leitungsführung oder
Anschlusspunkte möglich sind.
Diese Forderungen sind im Prinzip nicht miteinander vereinbar. So ist z.B. für eine sehr genaue Wechselstromsimulation die Leitungsführung sämtlicher Stromkreise zu berücksichtigen. Wenn ein Wechselstrommodell eine beliebige Leitungsführung erlauben
soll, kann es deshalb entweder nicht genau sein, oder es muss sehr komplex sein. In dieser Arbeit werden neue Verfahren gezeigt, die, je nach tatsächlicher Gewichtung der
Forderungen, passende Modelle erzeugen.
Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt darauf, existierende mechanische Strukturen zu modellieren. Hier sind häufig die elektrischen Eigenschaften nicht hinreichend bekannt,
weil bei der Konstruktion und Realisierung nur statische Gesichtspunkte berücksichtigt
werden. Zum Beispiel werden ohne Dokumentation manchmal Bauteile erst lackiert und dann verbunden oder umgekehrt. Klassische Verfahren sind hier auf Schätzwerte angewiesen. Alle hier vorgestellten neuen Verfahren verwenden Messdaten.
Mehrere Verfahren basieren auf Ersatznetzwerken, die im Wesentlichen für jedes Strukturteil ein oder mehrere Netzwerkelemente vorsehen. Für den Gleichstromfall wird eine Methode vorgestellt, die ein Widerstandsmodell aus einer Strukturanalyse und wenigen Messungen ableitet. Für den Wechselstromfall wird dieses Modell mit
Induktivitäten erweitert. Prinzipbedingt können diese Wechselstrommodelle nur eine Abschätzung der realen Störkopplung liefern. Im Experiment zeigt sich jedoch eine gute Übereinstimmung zwischen Messung und Simulation.
Eine weitere Klasse von Verfahren basiert auf speziell entwickelten Messgeräten, den modularen Netzwerkanalysatoren. Die Modelle lassen sich automatisch aus den Messdaten generieren. Das Ergebnis ist ein N-Port-Modell, das sich mit geringem Aufwand auf sehr einfache Ersatznetzwerke (Makromodelle) abbilden lässt. Es wurden
Analysatoren im Zeit- und Frequenzbereich entwickelt.
Die bekannte PEEC-Methode von A. Ruehli wird in vereinfachter Form angewendet und nach den gleichen Kriterien analysiert wie die vom Autor entwickelten Modellierungsverfahren.
Alle in dieser Arbeit vorgestellten Verfahren wurden an dem gleichen Versuchsaufbau überprüft, indem je ein Modell des Aufbaus nach dem jeweiligen Verfahren erstellt wurde.
Die Modelle wurden für Simulationen im Zeit- und Frequenzbereich herangezogen und die Ergebnisse mit direkten Messungen verglichen. In allen Fällen ergab sich eine gute Übereinstimmung.