Simulation von stark fehlangepassten und hochresonanten Leitungsnetzwerken im Zeit- und Frequenzbereich

Abstract

In vielen industriellen Anwendungen werden verzweigte Leitungsnetzwerke zur Übertragung von Daten zwischen elektronischen Steuergeräten genutzt. Abhängig von der Netzwerktopologie können dabei unerwünschte Reflexions- und Transmissionseffekte durch Verzweigungsstellen und fehlangepasste Leitungen auftreten, welche die Signalintegrität negativ beeinflussen können und somit die maximal mögliche Taktfrequenz der Signalübertragung verringern. Aufgrund verschiedener Anforderungen an die Positionierung der Steuergeräte und die Wahl der Leitungslängen ist es in der Praxis oftmals nicht möglich, das Netzwerk im Hinblick auf das EMV-Verhalten optimal aufzubauen. Deshalb soll in diesem Beitrag anhand des in Bild 1 dargestellten Beispielnetzwerks gezeigt werden, wie aus den vorhandenen Bauelementen eine Topologie mit möglichst schlechtem Einschwingverhalten aufgebaut werden kann, um daraus Handlungsempfehlungen abzuleiten, welche Konfigurationen bei der Auslegung von Netzwerktopologien nach Möglichkeit vermieden werden sollten. Zur Illustration des Vorgehens wird ein Netzwerk aus 4 elektronischen Steuergeräten (engl. ECU: electronic control unit) und maximal 4 Leitungen verwendet. Die mit vorgegebenen Bauelementen möglichen Netzwerktopologien werden dazu im Zeitbereich simuliert und anschließend wird das hochresonante Verhalten der schlechtesten Netzwerktopologie mit Hilfe von Frequenzbereichssimulationen verdeutlicht. Darüber hinaus wird ein Vorgehen zur Visualisierung der Ausbreitung der Spannungs- und Stromwellen auf dem Leitungsnetzwerk mit dem schlechtesten Einschwingverhalten vorgestellt. Die Idee zu diesem Beitrag liegt die Aufgabenstellung des Student Contest 2021 des German Chapters der IEEE EMC Society zugrunde.