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EMC

Chassis-Resonanzfrequenz

Berechnet die niedrigste Resonanzfrequenz eines metallischen Gehäuses (Hohlraumresonator) zur EMV-Problemerkennung.

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Formel

f_mnp = (c/2)√((m/a)² + (n/b)² + (p/c)²)

a,b,c— Chassis dimensions (m)
m,n,p— Mode indices

Wie es funktioniert

Ein metallisches Gehäuse bildet einen rechteckigen Hohlraumresonator. Bei bestimmten Frequenzen prallen elektromagnetische Wellen zwischen den Wänden ab und erzeugen stehende Wellen mit sehr hohen internen Feldstärken. Die Resonanzfrequenzen sind gegeben durch f_mnp = (c/2) √ ((m/a) ² + (n/b) ² + (p/c) ²), wobei a, b, c die Abmessungen in Metern sind und m, n, p ganzzahlige Modusindizes sind (mindestens zwei müssen ungleich Null sein). Die niedrigste Resonanzfrequenz ist typischerweise der Modus TE. Bei Resonanz kann das Gehäuse interne Geräusche verstärken und abstrahlen oder externe Felder leichter durchdringen lassen. Dies ist besonders bei abgeschirmten Gehäusen problematisch: Die Wirksamkeit der Abschirmung ist in der Nähe von Resonanzfrequenzen reduziert. Durch Öffnungen (Lüftungsöffnungen, Displays) wird die SE-Nahresonanz weiter beeinträchtigt.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Ein Elektronikgehäuse aus Stahl ist 300 mm lang, 200 mm breit und 100 mm hoch. Was ist die niedrigste Resonanzfrequenz? Lösung: 1. Abmessungen in cm: a=30, b=20, c=10 2. TE= (3×10/2) × √ ((1/30) ² + (1/10) ²) = 1,5×10¹ × √ (0,00111 + 0,01) = 1,5×10¹ × 0,105 = 1508 MHz 3. TE= 1,5 × 10¹ × √ ((1/30) ² + (1/20) ²) = 1,5 × 10¹ × √ (0,00111 + 0,0025) = 1,5 × 10¹ ◆ × 0,0601 = 902 MHz 4. Niedrigste Resonanzfrequenz = min (1508, 902) = 902 MHz (TE) Ergebnis: Die erste Hohlraumresonanz liegt bei 902 MHz. Bei Frequenzen über 900 MHz kann es bei diesem Gehäuse zu einem verstärkten Ausfall der Abschirmung kommen.

Praktische Tipps

  • ✓Wenn Hohlraumresonanzen in den Betriebsfrequenzbereich des Produkts fallen, fügen Sie im Gehäuse verlustbehaftetes HF-Absorbermaterial (kohlenstoffbeladener Schaum) hinzu, um die Resonanzen zu dämpfen.
  • ✓Platzieren Sie die Leiterplatte außermittig im Gehäuse — dadurch wird eine Kopplung mit dem Hohlraumresonanzknoten in der geometrischen Mitte vermieden.
  • ✓Halten Sie alle Blendenabmessungen unter λ/20 (1,5 cm bei 1 GHz), um den Wirkungsgrad der Schlitzantenne zu minimieren. Verwenden Sie zur Belüftung mehrere kleine Löcher statt einer großen Öffnung.

Häufige Fehler

  • ✗Unter der Annahme, dass eine Metallbox eine unendliche Abschirmung bietet — in der Nähe von Resonanzfrequenzen kann das SE auf nahe Null fallen; dies ist entscheidend für Schaltungen im GHz-Bereich.
  • ✗Moden höherer Ordnung ignorieren — bei Oberschwingungen existieren mehrere Resonanzen; ordne alle Modi unter deiner höchsten Taktfrequenz zu.
  • ✗Denkbare Blenden reduzieren nur die Abschirmung — Aperturen in der Nähe von Resonanzfrequenzen können den Hohlraum verstimmen, aber große Aperturen erzeugen auch Schlitzantennen, die unabhängig voneinander strahlen.

Häufig gestellte Fragen

Nein — Hohlraumresonanzfrequenzen hängen nur von den physikalischen Abmessungen ab (in erster Ordnung). Die Materialleitfähigkeit wirkt sich auf den Q-Faktor und die Resonanzschärfe aus. Ein Material mit höherer Leitfähigkeit erzeugt eine schärfere Resonanz mit höherem Q, während ein Material mit Verlusten (beschichteter Stahl, Aluminium) die Resonanz verbreitert und dämpft.
Ja. Wenn Sie die Gehäuseabmessungen ändern, ändern sich die Resonanzfrequenzen. Durch Hinzufügen von Trennwänden oder Leitblechen im Inneren des Gehäuses wird es in kleinere Hohlräume aufgeteilt, wodurch die Resonanzen auf höhere (und möglicherweise weniger problematische) Frequenzen übertragen werden. Das Hinzufügen von HF-Absorbermaterial ist die praktischste Lösung für die Nachrüstung.
Beides. Bei Resonanz kann der Hohlraum interne Felder konzentrieren und sie durch Öffnungen effizienter wieder abstrahlen als bei Frequenzen, die nicht resonant sind. Umgekehrt können externe Felder mit der Resonanzfrequenz leichter eindringen (Immunitätsproblem). Ein gutes EMV-Design berücksichtigt sowohl Emissions- als auch Störfestigkeitsszenarien.

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