Wenn die Mikrowelle den WLAN-Empfang ausbremst: Forschende spüren elektromagnetische Störquellen auf

Ein Phänomen, das vielen bekannt ist: Das Internetradio bringt Pop- und Rock-Klassiker über WLAN direkt in die heimische Küche und sorgt mit beschwingten Rhythmen für gute Laune. Das Kochen geht gleich viel leichter von der Hand und in kürzester Zeit steht das Lieblingsgericht auf dem Tisch. Doch kaum gesellt sich mit der Mikrowelle ein weiterer Küchenhelfer hinzu, wird der ausgelassene Musikgenuss getrübt: Unangenehmes Rauschen beeinträchtigt die volle und kristallklare Klangqualität. Störsignale wie diese werden durch elektrische, magnetische und elektromagnetische Felder verursacht und können selbst modernste Geräte »in die Knie zwingen«. Als Folgen drohen nicht nur ein Versagen innovativer Technik, sondern auch dramatische Sicherheitsrisiken – und das für Wirtschaft, Wissenschaft und Gesellschaft. Das Fraunhofer ENAS mit seiner Außenstelle an der Universität Paderborn widmet sich genau dieser Herausforderung: Es spürt elektromagnetische Fehlerquellen auf und macht Hightech-Technologien zuverlässig und smart.

Entdeckt und nachgewiesen im 19. Jahrhundert durch die Physiker James Clerk Maxwell und Heinrich Hertz handelt es sich bei elektromagnetischen Feldern (EMF) um physikalische Kraftfelder, die durch ein Zusammenspiel elektrischer und magnetischer Felder entstehen. 

Nicht sichtbar, aber real: Störende elektromagnetische Felder messtechnisch ausfindig machen

Genau das sei eine der großen Herausforderungen beim Einsatz modernster Technologien: Denn treffen die sich ausbreitenden elektromagnetischen Wellen eines Bauteils auf Wellen anderer elektrischer oder elektronischer Geräte und damit auf weitere elektromagnetische Felder, kann durch Überlagerung ein erhöhter Störimpuls entstehen. Bemerkbar macht sich dieser Störimpuls, der auch als unerwünschte elektromagnetische Kopplung oder Interferenz bezeichnet wird, beispielsweise als Rauschen im Radio, auf dem Tablet oder in Kopfhörern.

Gefährlich wird es, wenn ganze Systeme durch derartige Störquellen in ihrer Funktion eingeschränkt werden oder gänzlich zum Erliegen kommen. »Im Fahrzeug beispielsweise spielt eine Vielzahl von Komponenten zusammen, um unsere Sicherheit und die von Fußgängern mithilfe von Fahrerassistenzsystemen zu gewährleisten. Kommt es zu einer Störung infolge unerwünschter elektromagnetischer Interferenzen, könnten Bremsassistenten in ihrer Funktion beeinträchtigt werden, so dass ein Bremsvorgang nicht ordnungsgemäß eingeleitet wird – mit fatalen Folgen für andere Verkehrsteilnehmerinnen und -teilnehmer. Ein ähnliches Phänomen ist auch aus dem Luftverkehr bekannt: Mobiltelefone sind beim Start- und Landemanöver auszuschalten, um unerwünschte Störungen der empfindlichen Bordelektronik, wie Navigationssysteme, und damit Risiken für die Passagiere zu vermeiden«, so der Forscher.

Damit genau das nicht passiert, spüren die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler am Fraunhofer ENAS am Standort in Paderborn derartige Fehlerquellen auf, die zu risikobehafteten Störimpulsen führen können. Dabei haben sie sowohl Störfaktoren zwischen verschiedenen elektrischen und elektronischen Objekten im Blick als auch innerhalb eines geschlossenen Systems. Denn im Zuge der voranschreitenden Miniaturisierung von Systemen werden auf immer kleinerem Bauraum immer mehr Komponenten angeordnet. Diese fortschreitende Verdichtung und Komplexität erhöhen die Störanfälligkeit des Gesamtsystems infolge von ungünstigen Interferenzen deutlich.

Unterstützt wird die Ermittlungsarbeit der Forschenden durch den in Paderborn entwickelten Nahfeldscanner. Er ist in der Lage, berührungslos, automatisiert und äußerst präzise vor allem starke, aber auch schwache und unscheinbare Störfelder in unmittelbarer Nähe der Störquelle, im sogenannten Nahfeld, aufzuspüren und sie strukturiert und übersichtlich darzustellen.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler überwinden auf diese Weise Hürden bestehender Untersuchungsmethoden: »Etablierte Testverfahren und Lösungsansätze zum Identifizieren von Störquellen arbeiten häufig nach dem ›Trial-and-Error‹-Prinzip und sind sehr langwierig, teuer und zeitaufwändig. Unklar bleibt am Ende, ob die Ursachensuche mithilfe funktionaler Experimente zu einem aussagekräftigen Ergebnis führt. Immer neue Redesigns des Produkts sind in der Entwicklungs- und Designphase von Technologien nötig, um Fehler als Quelle unerwünschter Kraftfelder zu eliminieren. Die dabei entstehenden neuen Geometrien oder Anordnungen einzelner Komponenten bergen wiederrum Potentiale für neue unbeabsichtigte Fehler – das kostet unnötig Zeit und stellt ein großes Hindernis bei der Markteinführung von Produkten dar«, erklärt Dr. Christian Hedayat, Leiter der Abteilung »Smart Wireless Systems« am Fraunhofer ENAS.

Dieser Prozess wird durch die Nahfeldscanner-Technologie der Fraunhofer-Forschenden deutlich beschleunigt: Fehlerquellen lassen sich mit ihrer Hilfe exakt ermitteln und im Bauteil präzise lokalisieren. Hierzu setzen die Forschenden auf den von ihnen entwickelten Nahfeldscanner NFS3000. Mit diesem lassen sich elektromagnetische Felder im Bereich von 0 Hz bis 90 GHz und damit niederfrequente sowie hochfrequente Felder lokal aufgelöst von wenigen Millimetern bis Zentimetern über dem Testobjekt sichtbar machen. Das Positioniersystem des NFS3000 erlaubt mit seinem räumlichen Messbereich von 50 Zentimetern x 80 Zentimetern x 50 Zentimetern Messobjekte auf Waferlevel und Komponentenebene zu untersuchen, aber auch komplette Elektrogeräte, Antennen- oder Radartechnologien zu vermessen.

»Für diese Messungen setzen wir spezialisierte Nahfeldsonden ein. Sie werden mit einer Positioniergenauigkeit von einem Mikrometer über das Messobjekt bewegt und scannen das zu testende Bauteil hochgenau und in jede Raumrichtung (x-, y- und z-Richtung). Wird für das Messobjekt, einen speziellen Anwendungsfall oder Frequenzbereich eine noch spezialisiertere Sonde benötigt, entwickeln wir diese auch gemeinsam mit unseren Kunden«, erklärt Christian Hedayat.

Als Ergebnis dieser Messungen entsteht ein farbiges und räumlich abgetastetes Feldbild des Messobjekts. Konstrukteurinnen und Konstrukteure erhalten mit dieser 2D- oder 3D-Darstellung des Bauteils konkrete Hinweise auf starke elektromagnetische Felder mit großem Störpotential, die eine Fehlerkorrektur im Design des Bauteils erfordern. Durch die gezielte Ursachenforschung und unmittelbare Designanpassung können wertvolle Materialressourcen geschont sowie Zeit im Design- und Entwicklungsprozess eingespart werden.

Das Feldbild offenbart somit Fehler- und Störquellen und gibt so Hinweise auf die elektromagnetische Verträglichkeit des Systems, die sogenannte EMV (Electromagnetic Compatibility, EMC). Sie beschreibt das harmonische Zusammenspiel verschiedener elektrischer und elektronischer Systeme und Geräte ohne unerwünschte elektromagnetische Störungen. 

»Hersteller von elektrischen oder elektronischen Lösungen sind gesetzlich verpflichtet, die EMV ihrer Produkte vor Markteintritt zu gewährleisten. Die Einhaltung dieser verpflichtenden EU-Richtlinien wird unter anderem über die CE-Kennzeichnung (Conformité Européenne oder Europäische Konformität) bestätigt. Ein frühzeitiges Mitdenken der EMV und das Ausschließen risikobehafteter elektromagnetischer Störungen von Anfang an, ist unverzichtbar und kann unnötige Kosten sparen. Genau hier können wir als Fraunhofer ENAS Hersteller unterstützen und sie auf dem Weg zur Bewertung der CE-Konformität begleiten«, ist Christian Hedayat überzeugt.