Messtechnische Ermittlung der HF-Parameter und erweiterte, diskrete Modellbildung von Ethernet-Gleichtaktdrosseln

Abstract:
Seit Jahren ist ein Zuwachs von elektronischen Komponenten im Fahrzeug zu beobachten. Der Wunsch nach mehr Komfort und Sicherheit trägt hier maßgeblich dazu bei. Um den Anforderungen gerecht zu werden, sind schnelle Übertragungssysteme im Fahrzeug erforderlich, die die großen Datenmengen verteilen und verarbeiten können. Ein solches System ist zum Beispiel Ethernet, mit dem periphere Komponenten mit hohen Datenraten vernetzt werden können. Eine spezielle Variante für den automobilen Einsatz stellt dabei das One-Pair-Ethernet (OPEN) dar. Dieses Kommunikationssystem nutzt eine bi-direktionale Übertragungstechnik, um 100 MBit/s über eine ungeschirmte Zweidrahtleitung (UTP) zu übertragen. Eine weitere Besonderheit ist die Begrenzung des Nutzsignalspektrums durch einen Tiefpass-Filter auf ca. 70 MHz. Dadurch wird das Risiko einer Empfangsstörung im UKW-Bereich minimiert. Der Einsatz dieses schnellen Übertragungssystems im Fahrzeug stellt jedoch eine große Herausforderung an die Elektromagnetische-Verträglichkeit (EMV) dar. Bereits kleine Asymmetrien im Übertragungspfad führen dazu, dass ein Teil des Nutzsignals (Gegentaktsignal) durch Modenkonversion in ein Störsignal (Gleichtaktstörung) umgewandelt wird. Diese Gleichtaktstörungen werden über die UTP-Leitung abgestrahlt und können zu Grenzwertüberschreitungen bei Emissionsmessungen führen. Zur Unterdrückung dieser Gleichtaktstörungen werden bevorzugt sogenannte common-mode-chokes (Gleichtaktdrosseln) eingesetzt, die jedoch aufgrund von Toleranzen im Aufbau selbst wieder eine Modenkonversion verursachen. Die messtechnische Ermittlung der HF-Parameter von Gleichtaktdrosseln ist bei einigen Parametern schwierig, da die zu messenden Pegel nahe der Messgrenze liegen, ein Beispiel hierfür ist die Modenkonversion. Ein weiterer Aspekt ist neben der Ermittlung der HF-Parameter auch die erweiterte, diskrete Modellierung von Gleichtaktdrosseln, die diese Effekte in der Simulation korrekt darstellt. In dieser Arbeit wird auf die diskrete Modellierung der Gleichtaktdrossel eingegangen und eine neue erweiterte Modellierung einer Drossel aufgezeigt, die neben den bekannten Übertragungsparametern und dem Impedanzverhalten auch die Modenkonversion von Drosseln bis zu einer Frequenz von =70 MHz darstellt. Die Modellierung soll auch in der Praxis eingesetzt werden, was bedeutet, dass das Modell die Drossel bestmöglich abbilden soll, jedoch mit einem vertretbaren Zeitaufwand in der Simulation verarbeitet werden kann. Zudem sollte das Modell natürlich nur die nötigsten Elemente beinhalten, um beherrschbar und verständlich zu bleiben. Des Weiteren wird gezeigt, welchen Einfluss die hinzugekommenen Elemente der Modellierung auf die elektrischen Eigenschaften der Gleichtaktdrossel haben.