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2-2015

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Praxis Bild 11: Zur

Praxis Bild 11: Zur Erklärung der Variablen in der Gleichung Bild 10: Thermografie-Ergebnis bei 500 kHz (Quelle: B. Archambeault) 7 sollen nicht eingezeichnete andere Komponenten die direkte „heiße“ Verbindung zwischen den ICs (rot) nicht zulassen. Der Rückstrom über die unten liegende Massefläche nimmt dann vermutlich den direkten, in jeder Hinsicht widerstandsärmsten Weg (blau). Diesen Weg würde garantiert auch Gleichstrom nehmen. Doch was für Gleichstrom ohne Bedeutung ist, wiegt für Wechselstrom mit steigender Frequenz immer schwerer: Die angenommene Verbindung wäre recht inhomogen. Ein Wellenwiderstand ließe sich nur differentiell definieren. Dieser Wellenwiderstand wäre in erster Näherung direkt abhängig vom Abstand der Wege zueinander und daher an IC2 am geringsten, an IC1 etwas größer und in der Mitte der Leitung, am Knickpunkt, maximal. Das bedeutet Reflexionen. Für Hochfrequenz wäre dieser Pfad ungeeignet. Hochfrequenz nimmt daher einen anderen Weg, der gleich gezeigt wird. Simulationen führen weiter Aber was ist hier „Hochfrequenz“ Das ist theoretisch schwer zu definieren. Wo Signalreduzierungen bzw. Reflexionen auf dem blauen Pfad praktisch noch nicht vorkommen oder stören würden, läge die obere Signalfrequenz für diesen Pfad. Sie wird also von der Geometrie der „heißen“ Leitung (Länge, Breite, Verlauf) und von der Dicke der Platine sowie deren Material bestimmt. Die Qualität der Massefläche spielt eine untergeordnete Rolle. Wie gesagt: Die mathematische Behandlung dieses Phänomens ist recht komplex. Glücklicherweise hat Dr. Bruce Archambeault hierzu praktische Ergebnisse geliefert, die für die Praxis sehr wichtig und hilfreich sind. Sie sind visuell schnell zu erfassen und viel besser als eine Seite voller Gleichungen. Bild 8 bringt ein Beispiel. Eine U-förmige Leitung liegt über einer Massefläche. Dies kann als Extremfall der oben dargestellten Problematik aufgefasst werden. Dr. Bruce Archambeault führte elektromagnetische Simulationen mit verschiedenen Signalfrequenzen durch und hielt genau fest, über welche Pfade der Strom floss. Oberhalb der Platine bestimmt natürlich die schmale Leitung den Weg, aber die Rückkehrströme können innerhalb der Massefläche verschiedene Hauptwege nehmen. Durch die thermografisch erfasste Erwärmung verraten sich diese Wege. Bild 9 zeigt, wie der Strom bei einem 1-kHz-Signal fließt, nämlich in erster Linie auf einem schmalen Pfad (gelb) direkt von der Last zurück zur Quelle. Jedoch lässt der hellblaue Bereich rechts daneben vermuten, dass bereits bei dieser geringen Frequenz ein kleiner Betrag des Stroms vom direkten Wege abweicht. Dies ist allerdings auch mit sich ausbreitender Wärme vom direkten Weg erklärbar. Grün erscheint der U-förmige Weg auf der Platinenoberseite, während dunkelblaue Farbe Stromlosigkeit signalisiert. Bild 10 zeigt die Situation bei 50 kHz. Der direkte Weg ist verblasst und wird nur noch in geringem Umfang genutzt. Der Strom fließt im Wesentlichen unterhalb des oberen Signalpfades (rote und gelbe Linien). Dies ist damit erklärbar, dass dieser Weg vom physikalischen Aufbau her homogen ist, dass also statt parasitärer Reaktanzen ein Wellenwiderstand wirksam wird. Von der schwachen grüneren Zeile (direkter Weg, kaum genutzt) dehnt sich zudem ein mittlerer Bereich (hellblau) bis fast zum Boden des Us aus. Das heißt: Strom fließt quasi überall. Zuletzt ein Blick auf unser Aufmacherbild: Es informiert über die Pfade mit einem 1-MHz- Signal. Eigentlich ist es nur ein Pfad. Denn hier fließt der Rückkehrstrom nun ziemlich konsequent entlang des oberen Pfads. Der dunkelblaue Bereich bedeutet Stromfreiheit. Er überzieht auch den direkten Weg. Wie breit ist die Spur Die Thermografie lässt vermuten, dass der Rückkehrstrom eine breitere Bahn nutzt als der hinfließende Strom. Die Massefläche leitet jedoch Wärme sehr gut, Kupfer ist ein guter Wärmeleiter. Daher ist die Temperatur als Maß der Breite des vom elektrischen Strom genutzten Teils der Masseebene nur eingeschränkt brauchbar. Man kann hier aber die physikalische Theorie bemühen: Die Verteilung des Strom ab einer bestimmten Frequenz (in unserem Beispiel etwa 1 MHz) wird durch Formel 1 beschrieben (s. u.): In Bild 11 sind die Parameter grafisch dargestellt. Es ist interessant, dass die Gleichung von der Frequenz unabhängig ist, sobald diese eine bestimmte Größe überschritten hat. Wenn man die Gleichung auswertet, dann stellt man eine Gauß´sche Verteilung fest mit einem Gipfel direkt unter dem Zentrum des oberen Pfades. Wenn man den Strom im Bereich x 0 -1 und x = h summiert, stellt man fest, dass 50% des gesamten Stroms in diesem Bereich fließt. Weiter verteilen sich 80% des Stroms zwischen x = -3 h und x = 3 h. Was man intuitiv erwarten würde, gilt tatsächlich: Je dünner die Platine (je kleiner h), je näher oberer Pfad und untere Spur also zusammenliegen, umso konzentrierter erfolgt die Verteilung des Stroms. ◄ Formel 1: (x) Stromdichte I Stromstärke (Effektivwert) W Breite der Spur h Dicke des Dielektrikums x Breite der Spur, in welcher Strom fließt 12 hf-praxis 2/2015

Messtechnik Remote Analyzer mit Receiver-Eigenschaften Narda Safety Test Solutions hat eine neue Generation von RF-Analysatoren vorgestellt: NRA RX. Die 19-Zoll-Geräte analysieren Funkfrequenzen bis 6 GHz im Frequenz- und im Zeitbereich und bieten mit einem neuen Hochfrequenz-Empfangsteil zugleich Receiver-Eigenschaften. Damit eignen sie sich bevorzugt für Radio-Monitoring-Aufgaben. Das RF-Modul wurde speziell für geringes Phasenrauschen und niedrige Eigenstörlinien entwickelt. Die Analysatoren liefern Spektren mit bis zu 600.000 Frequenzpunkten und zeitliche Auflösungen bis ca. 30 ns. Mit Zwischenfrequenz-Bandbreiten bis 32 MHz lassen sich ungewöhnlich hohe Kanalbandbreiten erfassen. Der Anwender kann per Software bis zu 500 zu überwachende Kanäle oder Frequenzbereiche frei definieren. Die Demodulationsfunktion macht FM-, AM-, USB-, LSB- und CW-Signale über einen externen Kopfhörer hörbar. Die Geräte sind vorzugsweise zum Einsatz in automatisierten und ferngesteuerten Messsystemen bestimmt. Ein 10-MHz-Referenzeingang dient der Synchronisation auf die Systemfrequenz. Stand-alone-Betrieb mit einem PC ist ebenso möglich. Zur NRA-RX-Familie: Narda Remote Analyzer erfassen je nach Gerätetyp einen Frequenzbereich von 9 kHz bis 6 GHz mit Auflösungsbandbreiten von 10 Hz bis 32 MHz. Dank Ethernet-Schnittstelle (100BASE- TX) und Klartext-Fernsteuerkommandos in ASCII lassen sie sich in praktisch beliebige Mess- und Monitoring-Umgebungen einbinden. Eine schnelle Übertragung großer Datenmengen ist im Binärformat möglich. Anwendungsbezogene Betriebsarten sind die Analyse von Spektren (Spectrum), die parallele Leistungsmessung verschiedener Kanäle (Multi-Channel Power), die Pegelmessung mit Effektiv- und Spitzenwert (Level Meter) und die Erfassung des Zeitverlaufs eines Signals (Scope and I/Q Data). Alle NRA-RX-Geräte sind eine Höheneinheit hoch und wiegen weniger als 5 kg. Mit einer Leistungsaufnahme unter 20 W arbeiten sie geräuschlos ohne Lüfter. Sie eignen sich deshalb besonders zum Einsatz in mobilen Systemen oder in beengten Umgebungen. ■ Narda Safety Test Solutions GmbH www.narda-sts.com SPEKTRUMANALYSATOREN. SPEKTRALE ERFASSUNG VON STÖRGRÖSSEN – AB 3 Hz BIS 50 GHz (BIS ZU 1,1 THz MIT EXTERNEN MISCHERN). Druckfehler, evtl. technische Änderungen und Irrtum vor behalten. Ihr Spezialist für Mess- und Prüfgeräte www.datatec.de/spektrum hf-praxis 2/2015 13

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