Warum bestimmt die Signalintegrität die Leistungsfähigkeit moderner Verteidigungssysteme?

Schon eine vergleichsweise geringe elektromagnetische Störung kann die Reichweite eines Radarsystems verringern, Kommunikationsverbindungen unterbrechen, einen Computer zurücksetzen oder übertragene Informationen verfälschen. Auf der Evertiq Expo Kraków 2026 befasste sich Dominik Kowalczyk von DACPOL in seinem Vortrag „The Impact of EMC Disturbances and the Importance of Signal Integrity for Defence Systems“ mit diesen Herausforderungen und erläuterte, warum elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) und Signalintegrität zu den Grundpfeilern moderner Militärtechnik zählen.

Von der analogen zur digitalen Welt

Dominik Kowalczyk begann seinen Vortrag mit der Unterscheidung zwischen der analogen und der digitalen Welt. Temperatur, Druck, Schall, Licht, Spannung und Strom sind analoge Größen. Sie verändern sich kontinuierlich über die Zeit. Digitale Elektronik hingegen verarbeitet Informationen mithilfe einer begrenzten Anzahl diskreter Werte. Damit analoge Signale in digitalen Systemen genutzt werden können, müssen sie abgetastet, quantisiert und in eine diskrete Form überführt werden.

Der Referent verglich diesen Prozess mit der Aufteilung eines kontinuierlichen Bildes in einzelne Einzelbilder. Je genauer ein Signal dargestellt wird, desto originalgetreuer lässt es sich digital wiedergeben. Gleichzeitig steigen jedoch die Anforderungen an das Datenverarbeitungssystem.

„Unser Ziel ist es, dass ein von analog in digital umgewandeltes Signal eine möglichst genaue Abbildung des Originals bleibt – stabil und frei von Störungen, Verzerrungen und anderen unerwünschten Effekten“, erklärte Kowalczyk.

Diese Herausforderung wird mit der steigenden Leistungsfähigkeit elektronischer Systeme immer größer. Moderne Elektronik wird kleiner, dichter integriert und führt immer mehr Rechenoperationen in kürzester Zeit aus. Spannungssprünge erfolgen mit sehr hohen Geschwindigkeiten, sodass Effekte, die bei niedrigeren Frequenzen früher vernachlässigt werden konnten, heute die Funktion eines gesamten Systems beeinflussen können.

Kowalczyk wies darauf hin, dass einzelne Signalanteile unterschiedlich stark verstärkt werden und zudem zeitliche Verschiebungen erfahren können. Insbesondere bei hohen Frequenzen reichen bereits geringe Abweichungen der Signalparameter aus, damit ein Signal so stark verfälscht wird, dass der Empfänger andere Informationen interpretiert als ursprünglich übertragen wurden.

Das Signal muss unverändert ankommen

Signalintegrität beschreibt die Qualität eines Signals auf seinem Weg vom Sender zum Empfänger.

„Das Ziel ist, dass das Signal den Senderpuffer verlässt und den Empfängerpuffer in einer Form erreicht, die dem Original möglichst genau entspricht“, erklärte Kowalczyk.

Zwischen Sender und Empfänger befindet sich der Übertragungskanal. Wie der DACPOL-Experte erläuterte, kann dieser aus einer Leiterbahn auf einer Leiterplatte, einem Steckverbinder, einer Leitung oder einem Kabel bestehen. Jedes dieser Elemente kann die Qualität der übertragenen Informationen beeinträchtigen. In Hochgeschwindigkeitssystemen werden sowohl die Signalfrequenz als auch die Flankensteilheit zu entscheidenden Faktoren. Schnelle Übergänge zwischen logischen Zuständen führen dazu, dass Leiterbahnen auf Leiterplatten wie Übertragungsleitungen wirken. Geometrie, Materialien, Leiterbahnführung und Terminierung bestimmen dabei, ob ein Signal sein Ziel korrekt erreicht oder reflektiert, gedämpft beziehungsweise verzerrt wird.

Eine der größten Herausforderungen ist nach Angaben von Kowalczyk die Impedanzfehlanpassung. Trifft ein Signal auf eine plötzliche Änderung der elektrischen Eigenschaften des Übertragungswegs, kann ein Teil seiner Energie reflektiert werden. Faktoren wie Leiterbahnbreite und -dicke, Übergänge zwischen Leiterplattenlagen, Eigenschaften des Laminats oder selbst geringfügige Materialabweichungen beeinflussen das Signalverhalten. Darüber hinaus machte der Referent auf das sogenannte Übersprechen (Crosstalk) aufmerksam – die unerwünschte Beeinflussung benachbarter Signalleitungen.

„Wir haben zwei Leiterbahnen, die nebeneinander verlaufen. Liegen sie zu dicht beieinander oder sind sie nicht richtig ausgelegt, kann die eine die andere beeinflussen“, veranschaulichte Kowalczyk.

Ein Signal, das entlang einer Leiterbahn übertragen wird, erzeugt ein sich veränderndes elektromagnetisches Feld, das in einer benachbarten Leiterbahn Spannungen induzieren kann. Dadurch empfängt der Empfänger nicht nur die beabsichtigten Informationen, sondern auch ein unerwünschtes Signal, das von der benachbarten Leiterbahn erzeugt wird.

Kowalczyk erklärte außerdem, dass Signalverschlechterungen auch durch Rauschen, frequenzabhängige Verluste und den Skin-Effekt verursacht werden können. Beim Skin-Effekt konzentriert sich hochfrequenter Strom auf die Oberfläche eines Leiters, anstatt sich gleichmäßig über dessen gesamten Querschnitt zu verteilen. Die Lösung eines Problems kann dabei ein anderes hervorrufen. Eine Verbreiterung einer Leiterbahn kann beispielsweise bestimmte Verluste verringern, verändert jedoch gleichzeitig deren Impedanz. Nach Ansicht des Referenten erfordert die Entwicklung von Hochgeschwindigkeitselektronik daher kontinuierliche Kompromisse zwischen konkurrierenden Leistungsparametern.

Elektromagnetische Verträglichkeit in der Praxis

Während sich die Signalintegrität in erster Linie mit der Erhaltung der Informationsqualität innerhalb des Übertragungspfads befasst, betrachtet die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) die umfassendere Beziehung zwischen einem Gerät und seiner Umgebung.

Wie Dominik Kowalczyk erläuterte, sollte ein gut entwickeltes Gerät mindestens zwei grundlegende Anforderungen erfüllen. Es muss gegenüber externen Störungen unempfindlich sein und gleichzeitig vermeiden, selbst elektromagnetische Störungen auszusenden, die den Betrieb anderer Geräte beeinträchtigen könnten. In einigen Fällen kommt noch ein dritter Aspekt hinzu: Ein System sollte seine eigene Funktion nicht beeinträchtigen.

„Die EMV beschäftigt sich mit der Wechselwirkung zwischen Geräten und ihrem Einfluss aufeinander. Die Signalintegrität hingegen konzentriert sich auf das Signal selbst“, fasste der DACPOL-Experte zusammen.

Störungen können sich entweder durch elektromagnetische Strahlung oder leitungsgebunden, beispielsweise über Strom- und Signalleitungen, ausbreiten. Zu den häufigsten Störquellen zählen laut Kowalczyk Schaltnetzteile, Wandler, Motoren, Steuerungssysteme, Schaltvorgänge, Kontaktprellen sowie elektrostatische Entladungen (ESD).

Besonders bedeutende Störquellen sind schnelle Spannungsänderungen. Kowalczyk erklärte, dass schnelle Schaltvorgänge elektromagnetische Energie über ein breites Frequenzspektrum erzeugen. In der Praxis bedeutet dies, dass bereits eine einzelne Komponente zahlreiche benachbarte Subsysteme beeinflussen kann.

Eine elektronische Prozesskette

Die Bedeutung der EMV im Verteidigungsbereich ergibt sich aus der Funktionsweise moderner Streitkräfte. Wie Kowalczyk erläuterte, überwachen Sensoren die Umgebung, Aufklärungssysteme klassifizieren Objekte, Kommunikationsnetze übertragen Daten, Führungszentren treffen Entscheidungen und Feuerleitsysteme führen den Einsatz aus.

Gemeinsam bilden diese Elemente eine umfangreiche Kette von Abhängigkeiten, die häufig als „Kill Chain“ bezeichnet wird. Sie umfasst die einzelnen Schritte von der Zielerkennung und Identifizierung über die Entscheidungsfindung und Zielbekämpfung bis hin zur Bewertung des Einsatzergebnisses.

„Eine Unterbrechung dieser Kette an irgendeiner Stelle kann dazu führen, dass das gesamte System ausfällt, nicht wie vorgesehen funktioniert oder die Leistungsfähigkeit einer Plattform oder eines Geräts lokal eingeschränkt wird“, erklärte Kowalczyk.

Anhand verschiedener Beispiele zeigte er, dass der Verlust der Signalintegrität in einem Funkkommunikationssystem zu einem vollständigen Kommunikationsausfall führen kann. Bei Radarsystemen können Störungen Reichweite, Genauigkeit und Zielerkennungsfähigkeit verringern. In Feuerleitsystemen können Fehler die Zielgenauigkeit beeinträchtigen, während sie in Bordcomputern zu Neustarts, Systemabstürzen oder anderem unvorhersehbaren Verhalten führen können. Solche Probleme können zwar auch bei zivilen Geräten auftreten, auf dem Schlachtfeld wirken sie sich jedoch unmittelbar auf den Einsatzerfolg und die Sicherheit des Personals aus.

Drohnen – ein Netzwerk gegenseitiger Abhängigkeiten

Eines der vom Referenten vorgestellten Beispiele betraf unbemannte Luftfahrzeuge (UAVs). Im einfachsten Fall sendet der Bediener Befehle an die Drohne, während diese Daten zurücküberträgt. Wie Dominik Kowalczyk jedoch betonte, ist die Realität wesentlich komplexer. Funksignale bewegen sich nicht ausschließlich über eine dedizierte Verbindung zwischen Bediener und UAV, sondern breiten sich im Raum aus und können daher erkannt, gestört oder zur Lokalisierung des Senders genutzt werden.

Noch komplexer wird die Situation, wenn mehrere oder sogar Dutzende Drohnen gleichzeitig im Einsatz sind. Jede Plattform muss mit dem Bediener oder anderen Systemen kommunizieren, ohne benachbarte Systeme übermäßig zu stören. Kowalczyk erklärte, dass ein Drohnenschwarm aus unterschiedlichen Plattformtypen bestehen kann, darunter Aufklärungsdrohnen, Loitering-Munition, Kampfdrohnen und größere strategische Systeme. Diese operieren in verschiedenen Höhen, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und unter wechselnden Umweltbedingungen. Die Koordination ihrer Aktivitäten stellt daher eine erhebliche Herausforderung für die elektromagnetische Verträglichkeit dar.

Eine ähnliche Situation entsteht, wenn ein Flugzeug oder ein Bodenfahrzeug gemeinsam mit einer Gruppe unbemannter Systeme eingesetzt wird. Nach Ansicht des Referenten wird die weitere Entwicklung solcher Systeme die Bedeutung zuverlässiger Kommunikation und einer wirksamen Kontrolle elektromagnetischer Emissionen weiter erhöhen.

Störungen als strategisches Instrument

Dominik Kowalczyk erinnerte das Publikum daran, dass elektromagnetische Störungen nicht immer lediglich unerwünschte Nebeneffekte sind. Im Verteidigungsbereich können sie gezielt eingesetzt werden, um Radarsysteme zu täuschen, Kommunikationsverbindungen zu stören und die Einsatzfähigkeit eines Gegners einzuschränken. Das Konzept ist keineswegs neu. Der Referent verwies auf die metallisierten Streifen, die Flugzeuge bereits im Zweiten Weltkrieg abwarfen, um Radarreflexionen zu erzeugen, die echten Zielen ähnelten. Moderne Gegenmaßnahmen sind heute wesentlich ausgefeilter, beruhen jedoch auf denselben physikalischen Grundlagen.

Gezielt erzeugte Störungen kommen auch bei Tests und der Validierung elektronischer Systeme zum Einsatz. Wie der DACPOL-Experte erläuterte, setzen Ingenieure Impulse, Spannungen und elektromagnetische Felder mit genau definierten Eigenschaften ein, um das Verhalten eines Geräts unter extremen Bedingungen zu untersuchen. Dadurch lässt sich die Robustheit eines Designs bewerten, bevor es ein Zertifizierungslabor oder den Endanwender erreicht.

Besonders wertvoll sind sogenannte Pre-Compliance-Tests während der Prototypenphase. Mithilfe von Nahfeldsonden lassen sich Bereiche einer Leiterplatte identifizieren, die übermäßige elektromagnetische Emissionen erzeugen.

„Mit einer solchen Sonde können wir die Leiterplatte systematisch abtasten und vereinfacht gesagt die Bereiche identifizieren, die am stärksten ‚strahlen‘“, erklärte Kowalczyk.

Der Referent betonte, dass diese Messungen keine vollständigen Labortests ersetzen. Sie ermöglichen es jedoch, Konstruktionsprobleme bereits in einer frühen Entwicklungsphase zu erkennen, wenn Korrekturen deutlich einfacher und kostengünstiger umzusetzen sind als nach Produktionsbeginn.

Vom Entwurf zur widerstandsfähigen Plattform

Dominik Kowalczyk betonte, dass elektromagnetische Widerstandsfähigkeit lange vor der Inbetriebnahme eines Geräts entsteht. Sie beginnt bereits in der Entwicklungsphase, in der wesentliche Konstruktionsentscheidungen maßgeblich bestimmen, wie gut ein System während seiner gesamten Lebensdauer elektromagnetischen Störungen standhalten kann.

Nach Abschluss der Entwicklung können zusätzliche Schutzmaßnahmen eingesetzt werden. Zu den vom DACPOL-Experten genannten Lösungen zählen Ferrite, leitfähige Dichtungen, abgeschirmte Gehäuse, Filter sowie wabenförmige Belüftungsstrukturen, die Lüftungsöffnungen schützen und gleichzeitig die elektromagnetische Abschirmung aufrechterhalten.

Zur Veranschaulichung der Herausforderung verwies Kowalczyk auf ein gepanzertes Fahrzeug, in dem zahlreiche elektronische Systeme auf engem Raum gleichzeitig betrieben werden. Jedes dieser Systeme sendet elektromagnetische Energie aus, jedes kann anfällig für externe Störungen sein, und dennoch müssen alle parallel funktionieren, ohne sich gegenseitig zu beeinträchtigen.

Elektromagnetische Verträglichkeit sollte daher nicht als nachträgliche Ergänzung am Ende eines Entwicklungsprojekts betrachtet werden. Vielmehr muss sie von Beginn an integraler Bestandteil des Systemdesigns sein.

Mit der Weiterentwicklung vernetzter Kriegführungssysteme, von Drohnenschwärmen, kooperierenden Plattformen und Hochenergiewaffen wird die Bedeutung der elektromagnetischen Verträglichkeit weiter zunehmen. Leistungsfähigere Elektronik bietet zwar größere Rechen- und Kommunikationskapazitäten, wird jedoch zugleich anfälliger für Effekte, die früher vernachlässigt werden konnten. In modernen Verteidigungssystemen hängt die Einsatzfähigkeit daher nicht nur von der Zerstörungskraft einer Waffe ab, sondern ebenso davon, ob die von Sensoren, Radaren, Computern oder Gefechtsständen übertragenen Informationen rechtzeitig, unverfälscht und am richtigen Ort ankommen.

Die nächste Evertiq Expo Kraków findet am 9. Juni 2027 statt. Zuvor trifft sich die Elektronikbranche am 22. Oktober 2026 in Warschau, wo Dominik Kowalczyk erneut einen Vortrag halten wird. Die Anmeldung zur Veranstaltung ist bereits geöffnet.