Advanced System Engineering

Elektromagnetische Nahfeld-Messungen

© Foto Fraunhofer ENAS

Hochpräzises vektorielles Nahfeld-Messsystem

© Foto Frauinhofer ENAS

Nahfeld-Messung einer RFID-Struktur mit lokalisierter EMV-Störung

Der More-Moore- und More-than-Moore-Integrationstrend für smarte Elektroniksysteme mit geringem Energiebedarf führt zu einer kontinuierlichen Verkleinerung der verwendeten Komponenten bei gleichzeitiger Zusammenführung von heterogenen Funktionalitäten mit kürzeren Schaltzeiten und somit zu höherer Energieeffizienz. Gleichzeitig verringert sich der Störabstand, was jede neue Generation von Schaltungen sensibler macht. Für die Entwickler elektronischer Schaltungen führt dies zu vermehrten EMV-Fragestellungen. Nicht nur das elektronische Gerät selbst bedarf des Schutzes, sondern zunehmend muss jedes einzelne Bauteil auf einer Leiterplatte betrachtet werden. Diese Randbedingungen erfordern die Fokussierung auf parasitäre Einflüsse während des gesamten Systementwurfs, um ein einwandfreies Design zu garantieren. Durch den Einsatz geeigneter EDA-Werkzeuge und Simulatoren können eine Vielzahl dieser Parameter entwurfsbegleitend untersucht und berücksichtigt werden. Trotzdem liefern diese Verfahren keine hinreichen­de Sicherheit,  da das Verhältnis zwischen größter Abmessung (PCB) und kleinster Struktur (Bonddraht) um mehrere Grö­ßenordnungen auseinander liegen und somit zu hoch komplexen 3D-Modellen führen kann, deren sehr aufwändig ist. Tatsächlich werden die Abstrahlungseigenschaften direkt vom Schaltverhalten der Schaltung und ihrer geometrischen Struktur bestimmt. Darüber hinaus sind die internen Signalpegel und -formen von integrierten Schaltkreisen nicht bekannt, so dass Annahmen getroffen werden müssen.

Die Nahfeldmesstechnik kann dieses Problem entschärfen. Sie er­laubt, schwache elektrische und magnetische Felder auf den hundertstel Millimeter genau aufzuspüren und kann für die Charakterisierung und Beseitigung potentieller elektromagnetischer Interferenzen (EMI) in aktiven Systemen genutzt werden. Dieses Messverfahren zeichnet sich vor allem dadurch aus, dass die EMI-Quellen sowohl örtlich als auch spektral lokalisiert wer­den können. Dank dieser Eigenschaften ist es möglich, Entwurfsfehler bereits im frühen Designstadium schnell und direkt zu identifizieren und zu beheben. Jedoch müssen Nahfeld-Messsysteme an die spezifischen Erfordernisse hinsichtlich der Einhaltung von EMV-Messungen angepasst werden. Der Forschungsschwerpunkt der Abteilung ASE im Bereich dieser Anpassungen liegt auf dem Einfluss der Nahfeld-Sonde auf das zu analysierende Feld selbst. Es wurden Methoden zur Kompensation dieses Einflusses entwickelt.

Diese Kompensation ist notwendig, da die reale Sonde nicht nur sensible auf die gewünschte Feldkomponente (z.B. die Normalkomponente des E-Feldes) sondern auch auf die anderen Feldkomponenten – wie das tangentiale E- und H-Feld reagiert. Hierbei ist die kontinuierliche Verbesserung der mechanischen und elektronischen Bauteile des Nahfeld-Messsystems ein zentrales Forschungsthema der Abteilung ASE.

Neben dem Anwendungsfeld EMV erlaubt die hoch- und breitbandige Empfindlichkeit des entwickelten Nahfeld-Messsystems die elektromagnetische Analyse von sicherheits-relevanten Systemen wie Smart-Cards, was ein neues und vielversprechendes Anwendungsgebiet für dieses fortschrittliche Messsystem darstellt. Durch den Einsatz der Nahfeldmess­technik können Schwachstellen dieser Systeme aufgedeckt und Gegenmaßnahmen gezielt eingeleitet werden.