Die in diesem Foliensatz vorgestellte Idee ist, vorhandene SPICE-basierte Netzwerksimulatoren für die transiente Simulation der Feldeinkopplung in ein Leitungsnetzwerk zu nutzen. Die entsprechenden Netzlisten mit den zahlreichen unterschiedlichen Spannungsquellen werden anhand der Simulationsparameter automatisiert aus MATLAB heraus erstellt. Vorteilhaft ist dann die Nutzbarkeit der großen Fülle an vorhandenen und teilweise proprietären Halbleiterbauelementbibliotheken sowie die Möglichkeit der automatischen Zeitschrittwahl zur besseren Effizienz und Konvergenz der numerischen Lösung.

1. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Numerische Simulation der Einkopplung transienter
elektromagnetischer Felder in nichtlinear-abgeschlossene
Leitungsnetzwerke mit einem SPICE-Netzwerksimulator
Dr.-Ing. Mathias Magdowski, Prof. Dr.-Ing. Ralf Vick
Lehrstuhl für Elektromagnetische Verträglichkeit
Institut für Medizintechnik
Otto-von-Guericke-Universität, Magdeburg
12. Mai 2020
1

2. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Motivation
Ebene Wellen:
c
E
H
Quelle: Henri Menke, CC BY-SA 4.0,
https://tex.stackexchange.com/
questions/229674/
electromagnetic-wave-propagation-with-tikz
2

3. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Motivation
Ebene Wellen:
c
E
H
Quelle: Henri Menke, CC BY-SA 4.0,
https://tex.stackexchange.com/
questions/229674/
electromagnetic-wave-propagation-with-tikz
Leitungsnetzwerke:
Quelle: Matti Blume, CC BY-SA 4.0,
https://commons.wikimedia.org/w/
index.php?curid=68548407
2

4. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Motivation
Ebene Wellen:
c
E
H
Quelle: Henri Menke, CC BY-SA 4.0,
https://tex.stackexchange.com/
questions/229674/
electromagnetic-wave-propagation-with-tikz
Leitungsnetzwerke:
Quelle: Matti Blume, CC BY-SA 4.0,
https://commons.wikimedia.org/w/
index.php?curid=68548407
Halbleiter:
Quelle: Mister rf, CC BY-SA
4.0, https:
//commons.wikimedia.org/w/
index.php?curid=82254263
2

5. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Vorhandenes Simulationsmodell
Leitung 1
Leitung 2
Leitung 3
Quelle: M. Magdowski und R. Vick, „Transient Simulation of the Plane Wave Coupling to Non-Linearly Loaded Transmission Line Networks,“ in
Proceedings of the Joint International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Asia-Pacific International Symposium on Electromagnetic
Compatibility, Sapporo, Japan: IEICE & IEEE, Juni 2019, S. 383–386, isbn: 978-4-8855-2322-9. doi: 10.23919/EMCTokyo.2019.8893805
3

6. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Messungen in einer GTEM-Zelle
Leitung 1
Leitung 2
Leitung 3
Quelle: J. Kasper, M. Magdowski, R. Vick u. a., „Time Domain Investigation of the Plane Wave Coupling to a Non-Linearly Loaded Transmission
Line Network,“ in ESA Workshop on Aerospace EMC, Budapest, Ungarn, Mai 2019, S. 1–6
4

7. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Gliederung
Einleitung
Simulationsmodell
Leitungsmodell
Ersatzschaltbild
Strategien für die Netzwerksimulation
Darstellung und Diskussion beispielhafter Ergebnisse
Parameter des Leitungsnetzwerks und der einfallenden ebenen Welle
Lineare Abschlüsse
Nichtlineare Abschlüsse
Zusammenfassung
5

8. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Modell des untersuchten Netzwerks
R1 uR1
Knoten 1
R3 uR3
Knoten 4
R2 uR2
Knoten 3
30°
Knoten 2
umitteLeitung 1
Leitung 2
Leitung 3
x
y
z
6

9. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Sinuspuls als Zeitfunktion der anregenden ebenen Welle
0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 2,2 2,4 2,6 2,8 3
−1
−0,5
0
0,5
1
Zeit, t (in ns)
Feldstärke,E(inkV
m)
7

10. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Äquivalentes Ersatzschaltbild
R1 uR1
Ut,1
L1
Utan,1,1
L1
Utan,1,2
C1
C1
C1
R2 uR2
Ut,2
L2 Utan,2,1
L2 Utan,2,2
C2
C2
C2
L3
Utan,3,1
L3
Utan,3,2
Ut,3
R3uR3
C3 C3 C3
Ut,4
umitte
8

11. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Strategien für die Netzwerksimulation
Eigener Netzwerksimulator in MATLAB:
MATLAB
Parameter
Netzliste mit E(r)
Feld-
löser
Ergebnisse
E(r, t)
9

12. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Strategien für die Netzwerksimulation
Eigener Netzwerksimulator in MATLAB:
MATLAB
Parameter
Netzliste mit E(r)
Feld-
löser
Ergebnisse
E(r, t)
Nutzung von LTspice aus MATLAB:
MATLAB
Parameter
SPICE-Netzliste mit E(r, t)
Ergebnisse
9

13. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Netzliste
* Leitungsnetzwerk
R1 1 0 210.194
B1 2 1 V=10*sin(6.28e9*(time-2.89e-11))*(u(time-2.89e-11)-u(time-1.03e-9))
B2 4 3 V=10*sin(6.28e9*(time-6.96e-10))*(u(time-6.96e-10)-u(time-1.70e-9))
R2 5 0 442.284
D1 5 0 standarddiode
.model standarddiode D(Is=1e-6,N=1)
B3 6 5 V=10*sin(6.28e9*(time-6.96e-10))*(u(time-6.96e-10)-u(time-1.70e-9))
R3 7 0 117.268
B4 8 7 V=10*sin(6.28e9*(time-1.42e-9))*(u(time-1.42e-9)-u(time-2.42e-9))
...
10

14. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Netzliste
...
L1 2 9 2.07743e-09
B5 10 9 V=2.96e-3*(8.66e2*sin(6.28e9*(time-2.47e-12))*(u(time-2.47e-12)-...
C1 10 0 4.70203e-14
...
L404 812 813 2.32835e-09
B408 8 813 V=2.96e-3*(7.5e2*sin(6.28e9*(time-1.39e-9))*(u(time-1.39e-9)-...
C404 8 0 4.23284e-14
* Auswahl der darzustellenden Spannungen
.save V(1) V(5) V(3) V(3) V(3) V(7)
* Analyse
.tran 1.995e-08
.end
11

15. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Zwischenübersicht
Einleitung
Simulationsmodell
Leitungsmodell
Ersatzschaltbild
Strategien für die Netzwerksimulation
Darstellung und Diskussion beispielhafter Ergebnisse
Parameter des Leitungsnetzwerks und der einfallenden ebenen Welle
Lineare Abschlüsse
Nichtlineare Abschlüsse
Zusammenfassung
12

16. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Parameter des Leitungsnetzwerks
Leitungslängen: 40 cm; 30 cm und 50 cm
Höhe über der Masseebene: 1 cm
Leiterradien: 0,6 mm; 0,5 mm und 0,4 mm
char. Impedanzen: 210,2 Ω; 221,1 Ω und 234,5 Ω
Anzahl der Zellen: 135; 101 und 168
13

17. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Parameter des Leitungsnetzwerks
Leitungslängen: 40 cm; 30 cm und 50 cm
Höhe über der Masseebene: 1 cm
Leiterradien: 0,6 mm; 0,5 mm und 0,4 mm
char. Impedanzen: 210,2 Ω; 221,1 Ω und 234,5 Ω
Anzahl der Zellen: 135; 101 und 168
Partielle Kapazitäten und Induktivitäten:
C1 = 47,02 fF C2 = 44,80 fF C3 = 42,33 fF
L1 = 2,077 nH L2 = 2,191 nH L3 = 2,328 nH
13

18. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Parameter des Leitungsnetzwerks
Leitungslängen: 40 cm; 30 cm und 50 cm
Höhe über der Masseebene: 1 cm
Leiterradien: 0,6 mm; 0,5 mm und 0,4 mm
char. Impedanzen: 210,2 Ω; 221,1 Ω und 234,5 Ω
Anzahl der Zellen: 135; 101 und 168
Partielle Kapazitäten und Induktivitäten:
C1 = 47,02 fF C2 = 44,80 fF C3 = 42,33 fF
L1 = 2,077 nH L2 = 2,191 nH L3 = 2,328 nH
Abschlusswiderstände:
R1 = 210,2 Ω R2 = 442,2 Ω R3 = 117,3 Ω
13

19. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Anregung aus der Richtung von Leitung 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
−20
−15
−10
−5
0
5
10
15
Zeit, t (in ns)
EingekoppelteSpannung,u(t)(inV)
mit eigenem Netzwerksimulator: uR1 uR2 uR3 umitte
mit LTspice: uR1 uR2 uR3 umitte
14

20. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Anregung aus der Richtung von Leitung 2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
−20
−15
−10
−5
0
5
10
15
Zeit, t (in ns)
EingekoppelteSpannung,u(t)(inV)
mit eigenem Netzwerksimulator: uR1 uR2 uR3 umitte
mit LTspice: uR1 uR2 uR3 umitte
15

21. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Anregung aus der Richtung von Leitung 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
−20
−15
−10
−5
0
5
10
15
Zeit, t (in ns)
EingekoppelteSpannung,u(t)(inV)
mit eigenem Netzwerksimulator: uR1 uR2 uR3 umitte
mit LTspice: uR1 uR2 uR3 umitte
16

22. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Unterschiedliche nichtlineare Abschlüsse parallel zum Lastwiderstand R2
R2
(a) Vorwärtsdiode
R2
(b) Rückwärtsdiode
R2
(c) antiparallele Dioden
17

23. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Eingekoppelte Spannung uR1 am Anfang von Leitung 1
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
−10
−5
0
5
10
Zeit, t (in ns)
Spannung,u(t)(inV)
lineare Abschlüsse
Vorwärtsdiode
Rückwärtsdiode
antiparallele Dioden
18

24. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Eingekoppelte Spannung uR2 am Anfang von Leitung 2
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
−15
−10
−5
0
5
10
Zeit, t (in ns)
Spannung,u(t)(inV)
lineare Abschlüsse
Vorwärtsdiode
Rückwärtsdiode
antiparallele Dioden
19

25. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Eingekoppelte Spannung uR3 am Ende von Leitung 3
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
−4
−2
0
2
4
6
8
Zeit, t (in ns)
Spannung,u(t)(inV)
lineare Abschlüsse
Vorwärtsdiode
Rückwärtsdiode
antiparallele Dioden
20

26. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Eingekoppelte Spannung umitte am Knotenpunkt
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
−5
0
5
10
Zeit, t (in ns)
Spannung,u(t)(inV)
lineare Abschlüsse
Vorwärtsdiode
Rückwärtsdiode
antiparallele Dioden
21

27. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Wenn es irgendwo besser wird, muss es woanders schlechter werden!
Quelle: Joachim S. Müller, CC BY-SA 2.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=22861284
22

28. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Zwischenübersicht
Einleitung
Simulationsmodell
Leitungsmodell
Ersatzschaltbild
Strategien für die Netzwerksimulation
Darstellung und Diskussion beispielhafter Ergebnisse
Parameter des Leitungsnetzwerks und der einfallenden ebenen Welle
Lineare Abschlüsse
Nichtlineare Abschlüsse
Zusammenfassung
23

29. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Zusammenfassung
Ergebnisse:
Framework zur Simulation der Einkopplung ebener Wellen in Leitungsnetzwerke
im Zeitbereich für lineare und nichtlineare Abschlüsse
effiziente und numerisch stabile Berechnung in SPICE
Validierung mit existierender Frequenzbereichslösung (BLT-Gleichungen & MoM)
24

30. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Zusammenfassung
Ergebnisse:
Framework zur Simulation der Einkopplung ebener Wellen in Leitungsnetzwerke
im Zeitbereich für lineare und nichtlineare Abschlüsse
effiziente und numerisch stabile Berechnung in SPICE
Validierung mit existierender Frequenzbereichslösung (BLT-Gleichungen & MoM)
Ausblick:
Feldeinkopplung von inhomogenen Nahfeldern
Analyse statistischer Einkoppelprobleme
24

31. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Jungs! Was macht ihr da?
Wir netzwerken!
Vielen Dank
für Ihre
Aufmerksamkeit!
Gibt es Fragen?
25

32. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Download verfügbar
Material:
Präsentation
Kurzfassung des Beitrags
Paper (auf Nachfrage)
LTspice-Netzlisten
MATLAB-Programme
LaTeX-Quelltexte
https://www.researchgate.net/profile/Mathias_Magdowski/publications
26

33. Einleitung Simulationsmodell Ergebnisse und Diskussion Zusammenfassung
Octave Online Buckets
Einkopplung aus Richtung von . . .
Leitung 1: https://octave-online.net/bucket~KvnjJU5BpHdAebt93Wnpzk
Leitung 2: https://octave-online.net/bucket~Fp9LiCH1CdsFhq5vntmRH7
Leitung 3: https://octave-online.net/bucket~6M2gmBF8xzx2fptZDJcNLW
Simulationen mit nichtlinearen Abschlüssen am Ende von Leitung 2:
Diode in Vorwärtsrichtung: https://octave-online.net/
bucket~7FL9Wq1MbJxrnBfSo6jAgH
Diode in Rückwärtsrichtung: https://octave-online.net/
bucket~43c7BdeYF7JgR2y8dKvt7Y
Zwei antiparallele Dioden: https://octave-online.net/
bucket~MFmcE8wUyzcvc7YtdTjNuZ
27