Mit früher EMV-Simulation zu besserer Abschirmung und weniger Testschleifen

Elektronikingenieure setzen heute zwar schon viel daran, Störungen durch sauberes Layout, Filter, Erdungskonzepte und Signalintegrität direkt an der Quelle zu minimieren. Doch bei A&D-Plattformen reicht das nicht aus. Spätestens wenn Blitze, High-Intensity Radiated Fields (HIRF), aktive Störsender oder dichte Avionik-Racks ins Spiel kommen, entscheidet die Abschirmung von Gehäusen, Kabeln und Verbindungen gegenüber den elektromagnetischen Felder darüber, ob Systeme im Einsatz funktionieren oder nicht.

Was elektromagnetische Abschirmung im zeitkritischen A&D-Umfeld leisten muss

Bei der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) geht es immer um zwei Seiten derselben Medaille:

• Immunität = was Ihr System sicher überleben muss

• Emission = was Ihr System maximal erzeugen darf

Standards definieren zwar Grenzwerte, aber die reale A&D-Umgebung ist oft härter: Bordradare und Link-16-Terminals erzeugen im Nahfeld Feldstärken, die weit oberhalb typischer Testwerte liegen. Störsender und Electronic Warfare (EW)-Systeme können gezielt hohe Feldstärken in bestimmten Frequenzbändern aufbauen. Und in hochverdichteten Avionik-Racks addieren sich mehrere Sender, Taktgeber und Hochfrequenzquellen zu einer elektromagnetisch extrem anspruchsvollen Umgebung.

Elektromagnetische Abschirmung ist dabei eines der wichtigsten Werkzeuge, um beide Seiten zu adressieren. Es schützt vor dem, was von außen eindringt, und begrenzt gleichzeitig, was Ihr eigenes System abstrahlt. Wer hier von Anfang an sauber auslegt, reduziert nicht nur EMV-Risiken, sondern spart sich vor allem eines: Zeit in Qualifikation und Zulassung, weil weniger Normabweichungen im Test auftreten.

Was zeichnet eine gute Elektromagnetische Abschirmung in A&D aus?

Elektromagnetische Abschirmung reduziert oder blockiert Felder mithilfe leitfähiger oder magnetischer Barrieren. Sie wirkt grob gesagt über zwei Mechanismen:

• Reflexion von Feldern an leitfähigen
  Oberflächen
• Absorption, bei der Energie im Material „verbraucht“ wird

Abstrahlungs- und Einkopplungspunkte durch Strahlung | © CADFEM Germany GmbH

Wie gut eine elektromagnetische Abschirmung funktioniert, beschreibt die sogenannte Schirmdämpfung oder Shielding Effectiveness (SE) in Dezibel:

Beispiele:

• 20 dB → 10× Reduktion
• 40 dB → 100× Reduktion

• 60 dB → 1.000× Reduktion

In A&D-Anwendungen wird meist auf den Worst Case hin ausgelegt. Nachträglich „noch schnell ein bisschen Abschirmung“ ins Gehäuse zu quetschen, ist selten eine Option. Wenn Abschirmung nicht früh im Systemdesign mitgedacht wird, drohen zusätzliche Prototypen, Re-Designs und Zertifizierungsschleifen, und Plattformen erreichen die Einsatztreife später.

Wo elektromagnetische Abschirmung Zeit und Nerven kostet

Viele EMV-Fehler entstehen nicht im idealisierten Modell, sondern an den unvermeidlichen Details – an Nähten, Öffnungen, Kabeln und Steckern. Und genau dort gehen die Testkampagnen in die Verlängerung.

Gehäuse, Nähte, Öffnungen

Serienfertigung bedeutet Toleranzen: Flächen sind nicht perfekt plan und Spalten, Türen, Wartungsklappen sowie Lüftungsschlitze öffnen den Faraday-Käfig oft genau dort, wo hohe Feldstärken entstehen. Als Daumenregel gilt: Öffnungen sollten deutlich kleiner als λ/20 der relevanten Wellenlänge sein.

Denn schon kleine Schlitze können wie Antennen wirken, was Gehäusedesign und Dichtungsauswahl kritisch macht. Werden solche Effekte erst im EMV-Labor entdeckt, sind zusätzliche Iterationen im mechanischen Design fast unvermeidlich.

Kabel und Stecker

Ungeschirmte oder schlecht terminierte Kabel verhalten sich wie Antennen: Sie strahlen internen Lärm ab und holen externe Felder ins Gerät. Zusätzlich verstärken Masseschleifen und Common-Mode-Ströme die Störungen massiv. Wenn Signale schlecht geschirmt oder falsch geführt werden, kommt in Kabelbündeln außerdem noch Crosstalk hinzu.

Jede nachträgliche Änderung am Kabelbaum – andere Schirme, andere Routing-Strategie, zusätzliche Ferrite – kostet Zeit, Geld und oft zusätzliche Testtage.

PCB-Anschlüsse

Dort, wo Stecker oder Kabel auf die Leiterplatte treffen, kommen oft mehrere Domänen zusammen: hohe Frequenzen, hohe Leistungen und empfindliche Signale. Fehlende lokale Abschirmung oder unklare Rückstrompfade machen diese Bereiche zu Hotspots.

EMV-Simulation in A&D: Gezieltes Abschirmen statt „Blech auf Verdacht“

Nun könnte man an den kritischen Stellen einfach mehr Metall und spezielle Abschirmungen einbauen. Doch gerade im A&D-Bereich, wo es oft auf jedes Gramm und jeden Millimeter ankommt, lässt das Kosten explodieren und zieht Entwicklungszeiten in die Länge – und das ohne Garantie, dass die eigentlichen EMV-Probleme wirklich gelöst werden.

Hier kommt Elektromagnetische Simulation mit Fokus auf EMV-Probleme ins Spiel: Sie zeigt schon früh im Entwicklungsprozess, wo und wie Schutzmaßnahmen wirken und welche Varianten den Test mit der größten Wahrscheinlichkeit im ersten Anlauf bestehen. Mit Tools wie Ansys HFSS und Ansys EMC Plus können Sie unter anderem folgende Fragen beantworten:

• Wie verändern sich Feldstärken im Inneren eines Gehäuses, wenn ich Schlitze, Lüftungsöffnungen oder Dichtkonzepte anpasse?
• Welche Material-, Wandstärken- oder Beschichtungskombination liefert die notwendige Shielding Effectiveness, ohne das Gewicht zu sprengen?
• Wie wirken unterschiedliche Kabelkonfigurationen auf Immunität und Emission?
• Wo liegen die tatsächlichen Kopplungspfade zwischen Leistungselektronik, Avionik, Radar und Kommunikation?

Analyse der elektrischen Feldverteilung (Electric Field) in und außerhalb des Gehäuses sowie die Messung der Feldstärke an einem Punkt (field Probe) in einem Abstand zu dem Gerät und Kabel. | © CADFEM Germany GmbH

Damit wird elektromagnetische Abschirmung vom „Blech-auf-Verdacht“-Ansatz zu einer messbaren Designgröße: Feldverläufe, Strompfade und Shielding Effectiveness lassen sich schon in der Konzeptphase bewerten. Das verringert die Zahl der Überraschungen im Labor – und damit auch die notwendigen Re-Design- und Re-Test-Schleifen, die die Time-to-Readiness nach hinten schieben.

Best Practices: Abschirmung mit EMV-Simulation früh im A&D-Systemdesign verankern

1) Schirmung von Anfang an mitdenken

Abschirmung gehört nicht ans Ende des Designs, sondern in die Architekturphase: Gehäusekonzept, Kabelwege, Anschlüsse und PCB-Aufbau sollten gemeinsam betrachtet werden. Das vermeidet spät erkannte Lücken und spart Iterationen in Integration und Qualifikation.

2) Mechanik und Elektrik gemeinsam planen

Abschirmung ist sehr eng mit der strukturmechanischen Lösung von einem Produkt verbunden. Mechanik- und EMV-Teams sollten früh klären, wo Platz für Dichtungen, zusätzliche Befestiger, durchgehende Bezugsebenen und geschirmte Zonen nötig ist.

3) Auf die Hotspots fokussieren

Elektromagnetische Simulation hilft, die kritischen Stellen schnell zu finden:

• Nähte, Lüftungsöffnungen, Wartungsklappen
• Kabeldurchführungen und Stecker
• Übergänge zwischen abgeschirmten und ungeschirmten Bereichen
• Bereiche mit hoher Feldstärke durch PCBs oder Leistungselektronik

So fließt die Detailarbeit dorthin, wo sie den größten Einfluss auf EMV-Tests und den Zeitplan hat.

4) Iterativ statt monolithisch simulieren

Beginnen Sie mit vereinfachten Modellen wie dem geschlossenen Gehäuse oder idealisierten Schirmen und ergänzen Sie schrittweise reale Details wie Schlitze, Dichtungen und echte Kabelbündel. So behalten Sie Rechenzeit und Komplexität im Griff und gewinnen früh belastbare Aussagen für Ihre EMV-Strategie.

5) Shielding, Filtering, Grounding und Layout immer gemeinsam denken

Erfolgreiche EMV-Konzepte in A&D beruhen fast nie auf einer einzigen Maßnahme. Abschirmung, Filter, Erdung und Layout sind ein Gesamtpaket – und EMV-Simulation ist das Werkzeug, um dieses Paket abgestimmt auszulegen, statt nacheinander auf Verdacht zu optimieren.

Elektromagnetische Simulation als Schlüssel für schnellere EMV-Tests und Einsatzreife

In der Luft- und Raumfahrt sowie in der Verteidigungstechnik ist Abschirmung ein zentraler Baustein, um Grenzwerte für abgestrahlte Emissionen einzuhalten, hohe Immunitätsanforderungen unter realen Einsatzbedingungen zu erfüllen und EMV-Tests möglichst im ersten Anlauf zu bestehen.

Gerade hier spielt EMV-Simulation ihre Stärke aus: Sie macht sichtbar, wie Gehäuse, Kabel und Dichtkonzepte tatsächlich wirken, und gibt Ihnen die Möglichkeit, Abschirmmaßnahmen früh und zielgerichtet zu optimieren. So werden aus Bauchgefühl belastbare Entwurfsentscheidungen – und aus EMV-Risiken planbare, beherrschbare Größen auf dem Weg zur einsatzbereiten A&D-Plattform.