Probleme durch Schnitte in Masseflächen
Masseflächen in Leiterplatten haben für die EMV eine herausragende Bedeutung. Doch schon bei der Frage, was eine Massefläche sei, gibt es sehr unterschiedliche Vorstellungen: Von einer sehr breiten Leiterbahn über den so genannten „GND Fill“ bis hin zu einer durchgehenden Fläche ist praktisch alles im Gespräch.
Masseflächen in Leiterplatten haben für die EMV eine herausragende Bedeutung. Doch schon bei der Frage, was eine Massefläche sei, gibt es sehr unterschiedliche Vorstellungen: Von einer sehr breiten Leiterbahn über den so genannten „GND Fill“ bis hin zu einer durchgehenden Fläche ist praktisch alles im Gespräch.
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Angesichts der sehr gedrängten Aufbauten, die heute üblich sind, bringt es ein Layouter kaum übers Herz, eine durchgehende Fläche völlig unangetastet zu lassen: Es werden Korridore hineingeschnitten, um darin Leiterbahnen unterzubringen. Diese Art der
Lösung von Routing-Problemen ist vom Standpunkt der EMV (Elektro-Magnetische Verträglichkeit) aus gesehen ungemein gefährlich. Im Folgenden wird gezeigt, welche physikalischen Zusammenhänge in diesem Falle berücksichtigt werden müssen und wie sich diese Probleme praktisch meistern lassen.
Angenommen, eine Leiterbahn führt ein Digitalsignal über eine Massefläche. In diesem Fall existiert ein Stromkreis, der aus der Leiterbahn als „Hinweg“ und der Massefläche als „Rückweg“ besteht. Bei einer unverletzten Fläche funktioniert das hervorragend, bei einer geschlitzten keineswegs. Bereits im Interesse einer guten Signalqualität ist es erforderlich, die Übertragungswege möglichst homogen zu gestalten. Sonst werden bestimmte Anteile des Signals deutlich schlechter übertragen, was empfängerseitig in Form einer Verschlechterung der Signalqualität zu beobachten ist.
Reflexionen verschlechtern die Signalqualität
Neben den Leitungsverlusten sind es vor allem Reflexionen, die den Transport elektromagnetischer Energie vom Treiber zum Empfänger frequenz-selektiv beeinträchtigen. Während die Leitungsverluste aus EMV-Sicht unproblematisch sind, führen die Reflexionen unter anderem zu einer verstärkten Abstrahlung. Und diese kann sehr schnell zu einem Fehlschlag bei der Konformitäts-Prüfung führen. Die Kernfrage lautet also: Wo können Reflexionen entstehen?
Eine elektromagnetische Welle, die sich auf einer Leitung ausbreitet, kann dies ungestört tun, solange sich am Wellenwiderstand der Leitung nichts ändert. Dieser wiederum bestimmt sich aus der Geometrie des Leitungsquerschnittes. Solange sich an der Geometrie der Leiter und ihrer gegenseitigen Anordnung nichts ändert, herrschen entlang der Leitung überall dieselben Feldverhältnisse, die Leitung ist homogen. Dabei ordnet sich der Leitungsstrom, der die Welle begleitet, innerhalb der Leiter (Leiterbahn bzw. Massefläche) immer so an, dass er den Weg der geringsten Impedanz beschreibt. Im ungestörten Fall fließt der Strom an der Unterseite der Leiterbahn und direkt darunter auf der Oberseite der Massefläche.
Führt die Leiterbahn allerdings über einen Schlitz in der Massefläche, muss der Strom den Schlitz umfließen, den begleitenden Feldern fehlt in diesem Bereich der saubere Massebezug. Dies führt zu zwei unangenehmen Erscheinungen: Erstens ändert sich an dieser Stelle die Geometrie der Felder und mit ihr der Wellenwiderstand – die Leitung weist eine Diskontinuität auf. Zweitens greifen die Felder im
Bereich des fehlenden Massebezugs deutlich weiter in den Raum hinaus. Damit sind zwei wichtige Voraussetzungen für den erfolgreichen Betrieb einer Antenne geschaffen!
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