Wie kann Ferritmaterial Magnetfelder umleiten, so dass die Leistungsfähigkeit der HF-Kommunikation verbessert wird und elektromagnetische Störungen unterdrückt werden? Ferritmaterialien weisen, wenn sie in einem Magnetfeld H platziert werden, die Fähigkeit zur Konzentration des Magnetflusses auf. Diese Fähigkeit wird durch die relative Permeabilität quantifiziert:
Man kann nützliche ebenso wie unerwünschte Magnetfelder (Störfelder) kontrollieren, indem man die Ferrite gezielt formt und platziert. Ein Teil des konzentrierten Flusses wird aufgrund von Ummagnetisierungsverlusten und Wirbelströmen in Wärme umgewandelt. Zur Quantifizierung dieser Verluste und der Effizienz der Flussumleitung kann man die Permeabilität in den Idealanteil µ' und den Verlustanteil µ" unterteilen. Dies ist als komplexe Permeabilität bekannt:
Ferritmaterialien mit einem hohen µ"-Wert sind nützlich beim Umgang mit Störungen, während ein hoher µ'-Wert zur Maximierung der Magnetflusssteuerung erforderlich ist. Beide Parameter hängen von der Frequenz ab, das heißt, das Material muss so ausgewählt werden, dass es in dem von der Anwendung vorgegebenen Frequenzbereich auch verwendbar ist. Technologien wie NFC und die drahtlose Energieübertragung stellen für Effizienz und Schirmung eine Herausforderung dar. Sie funktionieren mit magnetischer Kopplung bei geringen Abständen und sind in der Regel von hochintegrierten elektronischen Schaltungen umgeben, bei denen Platz und Gewicht begrenzt ist.
Zwar können klassische leitfähige Schirmungen gegen unerwünschte Störkopplungen schützen, indem sie ein Gegenfeld erzeugen, doch fällt die Effizienz der gewünschten Übertragung in diesem Fall drastisch ab.
Sinnvoll ist es natürlich, das Magnetfeld dort zu konzentrieren, wo es benötigt wird. So schützt man das Umfeld und erhöht die Effizenz der Übertragung. Dazu werden Materialien mit hohem µ'- und niedrigem µ"-Wert im Bereich der Kommunikationsfrequenz benötigt.
Würth Elektronik eiSos bietet verschiedene Ferrittypen, die diese Anforderungen erfüllen. Zum Beispiel die dielektrisch-magnetische Folie WE-FAS. Dieses Verbundmaterial ist aus einem Polymer geformt, das mit Ferritpulver gefüllt ist. Es bietet maximale Flexibilität, weist jedoch aufgrund des Polymers reduzierte magnetische Eigenschaften auf. Der µ"-Wert erstreckt sich bis hinauf zu mehreren Gigahertz und die Folie kann zudem das elektromagnetische Feld abschwächen. Oder die flexible Folie aus gesintertem Ferrit WE-FSFS. Sie bietet bei geringer Stärke (ab 0,1 mm) hohe Permeabilität und niedrige Verluste. Das Material setzt sich aus einer dünnen Ferritplatte mit Sollbruchstellen zusammen, die jeweils zwischen einer Schicht Klebefolie und einer Außenbeschichtung aus PET angeordnet wird, welche sowohl Materialschutz, als auch einen hohen Oberflächenwiderstand und eine gute Up/Down-Isolierung bietet.
Drahtlose Energieübertragung und NFC
Wenn große Leistungen durch Magnetkopplung übertragen werden, durchfließt der vom Sender generierte Magnetfluss den Empfänger, gleichzeitig aber auch die Ladeeinheit und das mobile Gerät (Abbildung 1). Durch die Streufelder erwärmen sich die benachbarten leitfähigen Komponenten, etwa der Akku, und induzieren Störungen in die Stromschleifen (z. B. ICs, Leiterbahnen). Durch die Anordnung von Ferritfolien an den Sender- und Empfängerspulen wird der Fluss auf den dazwischen liegenden Bereich konzentriert und die außerhalb dieses Bereichs gelegenen Schaltungen werden geschützt (Abbildung 2).
Es gibt verschiedene Standards für die drahtlose Energieübertragung, die bei unterschiedlichen Frequenzen arbeiten. Das Material für die Ferritfolie wird entsprechend (das heißt mit größtmöglichem µ‘- und minimalem µ“-Wert) ausgewählt. Der Verlustanteil µ" bei WE-FSFS 354 ist über einen Wert von 2 MHz hinaus niedriger als 2, während µ' größer als 200 ist – dies ist die optimale Schirmung für Qi- und PMA-Standards. Bei höheren Frequenzen bietet sich die WE-FSFS 364 aufgrund der niedrigen Verluste an: µ" verbleibt unter 2 bis hinauf zu 13,56 MHz, während µ' auch dann noch über 100 liegt.
Near-Field-Communication(NFC)-Anwendungen wie mobiles Bezahlen, ÖPNV oder Zugangskontrolle verwenden für den Datenaustausch die Frequenz 13,56 MHz. Sender- und Empfängerspulen müssen so abgestimmt sein, dass sie bei dieser Frequenz resonieren; ein passender Stromkreis ist normalerweise Bestandteil der entsprechenden Schaltung. Allerdings wird die Kommunikation bei Vorhandensein einer leitfähigen Oberfläche (z. B. Akku, Erdungsplatte, Metallgehäuse) im Bereich einer der Spulen aufgrund von Wirbelströmen unterbunden. Der durch das Lesegerät generierte Fluss durchquert die leitfähige Fläche, die die Wirbelströme erzeugt. Durch diese Wirbelströme wird ein Gegenfluss erzeugt, der die Kommunikationseffizienz beeinträchtigt. Gleichzeitig wird die Induktivität der Spule L aufgrund des Vorhandenseins leitfähigen Materials in ihrer Nähe reduziert. Dadurch erhöht sich die Resonanzfrequenz und ist folglich nicht mehr auf die Resonanzfrequenz der anderen Spule abgestimmt. Aufgrund der ohmschen Verluste R, die im leitfähigen Material durch Wirbelströme auftreten, erhöht sich die Dämpfung im Resonanzkreis und die Bandbreite der Resonanz Q nimmt ab.
Gleichzeitig verringert sich das globale Impedanzmaximum durch die Verstimmung. Ein Ausgleich dieser Frequenz- und Bandbreitenänderung durch die jeweils andere Schaltung ist sehr schwierig. Mithilfe der Ferritfolie WE-FSFS 364 mit hohem µ' bei 13,56 MHz lässt sich der Fluss umleiten. Hierdurch lassen sich leitfähige Flächen und Wirbelströme umgehen und die Induktivität wird erhöht. Niedrige µ"-Werte im Bereich derselben Frequenz stellen sicher, dass sich die Verluste R nicht nennenswert erhöhen und garantieren eine Resonanz mit kleiner Bandbreite.
