Bestimmung parasitärer Elemente für Whitebox-Modelle zur effizienten EMV-Analyse

Parasitäre Effekte können in CST Microwave Studio im Rahmen einer 3D-Simulation direkt berücksichtigt werden. Dennoch besteht in einigen Fällen der Wunsch, ein sogenanntes Whitebox-Modell zu erstellen, das nur aus RLC-Elementen aufgebaut ist und dennoch den Impedanzverlauf und die S-Parameter ausreichend genau wiedergibt. Abbildung 1 zeigt ganz prinzipiell, wie ein solches Whitebox-Modell aus einer 3D-Geometrie abgeleitet werden kann. Oft wird die Struktur hierzu in Bereiche unterteilt, um beispielsweise die kapazitive Kopplung im Bereich von Kunststoffteilen (grüne Körper in der Abbildung) von der Kopplung in Luft zu unterscheiden. Für die einzelnen Bereiche müssen dann partielle Widerstände, partielle Induktivitäten sowie die Kapazitäten bestimmt werden, um diese im Netzwerkmodell richtig einsetzen zu können. 

Hier kann die 3D-Simulation mit CST Studio Suite helfen, die partiellen Induktivitäten sowie Kapazitäten genauer zu bestimmen. Mit dem sogenannten Partial RLC Solver können einzelne Leitersegmente partiell betrachtet werden. Abbildung 2 zeigt, wie dies in CST Studio umgesetzt wird. Die rot dargestellten Flächen werden als Quelle und Senke betrachtet. Die Berechnung selbst läuft sehr schnell und die Parameter für das RLC-Netzwerk werden als Ergebnis herausgegeben.

Zu finden ist der Partial RLC-Solver über die „Project Templates“. Abbildung 3 zeigt, wo der entsprechende Workflow in CST Studio Suite zu finden ist. Neben der Berechnung der partiellen Induktivitäten und Kapazitäten besitzt der Partial RLC Solver auch die Möglichkeit, automatisch eine Netlist zu erstellen. Wird diese für eine einzelne Frequenz erstellt, ist sie sogar „human readable“, kann also vom Anwender interpretiert werden. 

Im Folgenden wird die Variante beschrieben, in der ein manuell erstelltes Whitebox-Modell mit den vom Partial RLC Solver berechneten Induktivitäten und Kapazitäten befüllt wird.

Abbildung 4 zeigt, dass mit dieser einfachen Vorgehensweise sehr schnell Whitebox-Modelle aufgebaut werden können, die eine sehr gute Übereinstimmung zum 3D-Modell haben. In der Abbildung wird die Differential Mode Impedanz aus der Whitebox Modellierung mit der aus dem 3D Modell verglichen. Links ist das Ergebnis gezeigt, wenn partielle Induktivität und Kapazität mit den anfangs genannten Schätzungsmethoden abgeschätzt werden. Das Ergebnis aus dem 3D-Modell ist die grüne Kurve, das abgeschätzte Whitebox-Modell die blaue. Insbesondere die Induktivität weicht hier deutlich ab. 
Rechts in der Abbildung zeigt die rote Kurve das Ergebnis, wenn die Elemente im Whitebox-Modell mit den Daten aus dem Partial RLC-Solver bedatet werden. Hier werden neben der Induktivität sogar die Resonanzfrequenzen hervorragend abgebildet.