EMV von Kabeln, Steckern und Komponenten

Transkript

1 EMV von Kabeln, Steckern und Komponenten Foto: Thomas Schmid Übersicht Physikalische Grundlagen der ung Definitionen, elektrische Länge, Kopplungsübertragungsfunktion Messverfahren für wirkung Zangenverfahren, Speisedrahtverfahren, Triaxialverfahren Geänderte und neue Normen für Triaxialverfahren IEC Ed, Kopplungswiderstand IEC Ed, dämpfung IEC Ed, Rohr im Rohr IEC , Kopplungsdämpfung mit Mehrtor-NWA IEC , Triaxiale Zelle Diskussion

2 Definitionen, elektrische Länge hohe Frequenzen: dämpfung a S 0 log (P /P ) 0log 0 (U /U ) [db] Verhältnis von zwei Leistungen --> längenunabhängig tiefe Frequenzen: Kopplungswiderstand Wellenlänge λ (c 0 v k ) / f elektrisch lang: co f > l ε r ε r I U l < λ/0 I U Z T I [mω/m] elektrisch kurz: c f < 0 l o ε r Verhältnis von U/I R --> längenabhängig (EN bzw. IEC 653er Reihe) 3 Kopplung zwischen zwei Leitungen nahes Ende P n gestörte Leitung (Umgebung) P f fernes Ende Z n U n Z, ε r, v, γ U f Z f umkehrbar Z n U n U f Z f Z, ε r, v, γ Generator P n störende Leitung Wellenwiderstand Z, Dielektrizitätskonstante ε r, Ausbreitungsgeschwindigkeit v, Ausbreitungskonstante γ a +jß 4

3 Summenfunktion S nf (l f) cn (l f) cf fern S n f sin ( β sin x/x ( β ± β ).L ± β ).L c c 0, nah ß beinhaltet die the Phasenkonstante des inneren und des äußeren Kreises Tiefe Frequenzen: 0,0,E+07,E+08,E+09,E+0 S n f Hohe Frequenzen: eingeführt von Halme/Szentkuti 988, [8] Sn f ( β ± β ) l 5 gerechnete Kopplungsübertragungsfunktion, T nf Frequenzverlauf von a s und Z T T s, n f ( Z ± Z ) F T Z Z l S n f db T f Tn n nahes Ende f fernes Ende L m ε r,3 ε r,0 Z F 0 Die Kopplungsübertragungsfunktion T nf ergibt sich aus der Multiplikation der equivalenten Transferimpedanz Z TE und der Summenfunktion S nf 0 khz 00 khz MHz 0 MHz fcn fcf GHz 0 GH Kopplungswiderstand dämpfung Frequenz 6

4 Verfahren mit Absorberzangen dämpfung von 30 MHz bis 000 MHz MDS 500 MHz bis 500 MHz MDS Absorber Meßlänge Absorber Generator Stromwandler zu prüfender Kabelschirm (oder Stecker) Abschlußwiderstand IEC bzw. EN Speisedraht-Verfahren Kopplungswiderstand bis GHz, Anpassung des Speisedrahtes 0 db min! OUT R A B Netzwerkanalysator Dämpfungsglied 0 db 3 Leistungsteiler 4 Anpassglieder 5 Prüfling 6 zu prüfendes Kabel (oder Stecker) 7 Abschlusswiderstand 8 Speisedraht IEC bzw. EN

5 Triaxial-Verfahren, Prinzip Kopplungswiderstand und dämpfung DC bis über GHz mit einem Messaufbau Sender zu prüfender Meßrohr Abschlußwiderstand Abschirmhülse IEC Ed Kopplungswiderstand, IEC Ed dämpfung, EN , Kopplungswiderstand und dämpfung, 9 dämpfung Kopplungswiderstand ZT/[mOhm/m as/[db] 0

6 Gegenüberstellung der Messverfahren Zangenverfahren dämpfung 30 MHz bis GHz Speisedraht-Verfahren Kopplungswiderstand bis GHz (,5 GHz) Triaxialverfahren Kopplungswiderstand und dämpfung DC bis zu GHz mit einem Messaufbau! Gegenüberstellung der Messverfahren Zangenverfahren Absorberzangen MDS und MDS Speisedraht-Verfahren Foto: Günther Quednau dämpfung 30 MHz bis (,5) GHz Kopplungswiderstand bis GHz Kopplungswiderstand und dämpfung DC bis zu GHz mit einem Messaufbau! Triaxialverfahren

7 Änderungen der IEC , Kopplungswiderstand Generator zu prüfender Impedanzwandler Messrohr Vorwiderstand R Abschlusswiderstand R hülse Verfahren A: Angepasster innerer Kreis mit Dämpfungswiderstand R matched matched short Z T R Z 0 ameas acal apad + 0 log0 Z CUT ( ) 0 Z + 0 R Z L 0 c 0 Sender zu prüfender Messrohr mögliche Fehlanpassung Abschlußwiderstand R Abschirmhülse mismatched matched short Z T R + Z L c 0 0 a meas a 0 cal Verfahren B: Innerer Kreis mit Abschlusswiderstand und äußerer Kreis ohne R zu prüfender Messrohr mögliche Fehlanpassung Kurzschluss Verfahren C: (Fehlangepasst)-Kurzschluss- Kurzschluss ohne Dämpfungswiderstand Sender Abschirmhülse mismatched short short Z T Z0 L c 0 a meas a 0 cal 3 Verfahren A: Angepasster innerer Kreis mit Dämpfungswiderstand R Generator zu prüfender Messrohr Abschlusswiderstand R hülse Impedanzwandler Vorwiderstand R Z T R Z 0 ameas acal apad + 0 log0 Z CUT ( ) 0 Z + 0 R Z L 0 c 0 4

8 Verfahren B: Innerer Kreis mit Abschlusswiderstand ohne R Sender zu prüfender Messrohr Abschlußwiderstand R Abschirmhülse mögliche Fehlanpassung Z T R + Z L c 0 0 a meas a 0 cal geeignet für Kopplungswiderstand und für dämpfung 5 Verfahren C: (Fehlangepasst)-Kurzschluss- Kurzschluss ohne R zu prüfender Messrohr Kurzschluss Sender Abschirmhülse mögliche Fehlanpassung Z T Z0 L c 0 a meas a 0 cal Sender und sind gegenüber Verfahren A und B vertauscht, Höchste Empfindlichkeit bis in den µohm Bereich 6

9 r Änderungen der IEC , dämpfung Sender zu prüfender Messrohr Abschlußwiderstand R 50 0 mögliche Fehlanpassung Abschirmhülse Innerer Kreis mit Abschlusswiderstand R Z und äußerer Kreis ohne Dämpfungswiderstand a s 0 log 0 P P r,max 0 log 0 P P,max Z Z S Env 0 log 0 S + 0 log 0 r + 0 log 0 300Ω Z Der Term - r stellt hier die Reflexionsdämpfung durch die Fehlanpassung zwischen Generator und Prüfling dar. Bei einer Fehlanpassung von 50 Ohm Generatorwiderstand auf z.b. 0 Ohm Wellenwiderstand des Prüflings ergibt sich damit ein Korrekturwert von ca.,5 db! Reflexions koeffizient Z r Z 0 0 Z + Z 7 Triaxialer Aufbau für Stecker mit Rohr im Rohr zu prüfender Stecker Steckverbinder Generator HF-dichte Verlängerung Anschluss-Kabel Messrohr hülse Rohr im Rohr -Verfahren, IEC Ed, Kopplungswiderstand, dämpfung und Kopplungsdämpfung von Steckern und Assemblies 8

10 Messen von konfektionierten Kabeln Rohr Stecker-Anschluss zu prüfendes assembly Generator Anschlusskabel hülse HF-dichtes Verlängerungsrohr IEC Ed, Rohr im Rohr -Verfahren (Stecker & konfektionierte Kabel) 9 Messen der Kopplungsdämpfung geschirmte symmetrische Kabel, (Kategoriekabel), mehradrige Kabel (und Stecker) Generator Prüfling Messrohr symmetrisch/ asymmetrischer Abschluss Symmetrieübertrager hülse Die Kopplungsdämpfung ist die Summe aus Unsymmetriedämpfung des Paares und der dämpfung des es 0

11 Triaxialverfahren, Rohr im Rohr mit symm/asymm. Last IEC hülse Kontaktscheibe Balun oder Mehrtor-NWA symmetrisch/ asymmetrischer Lastwiderstand Verlängerungsrohr paariger, zu prüfender Stecker Kopplungswiderstand bis 00 MHz Kopplungsdämpfung bis 3 GHz dämpfung bis GHz Messen der Kopplungsdämpfung Die Kopplungsdämpfung ist die Summe aus Unsymmetriedämpfung des Paares und der dämpfung des es zu prüfender Rohr mit offenem Messkopf Ferritabsorber Generator restliche Kabellänge, ca. 00 m Generator Lastwiderstand geschirmtesgehäuse geschirmte symmetrische Kabel, (Kategoriekabel), mehradrige Kabel IEC , Kopplungsdämpfung, Triaxialverfahren, Verfahren mit Generatoren in Beratung

12 Balunless vs balun, S-FTP cable 3 verschiedene Triaxiale Zellen des CoMeT Systems 4

13 Prinzip der Triaxialen Zelle mit Rohr im Rohr Prüfling Rohr Generator Messkopf mit hülse Gehäuse Rohr in Rohr Anschluss- Kabel IEC Ed, Rohr im Rohr, 46/459/CD IEC Triaxiale Zelle, 46/454/CD in Bearbeitung bei IEC TC 46/WG 5, 5 Resonanzen bzw. höhere Moden der Kavität Resonanzfrequenzen: f mnp c0 M a + N b P + c a 3.6 cm, b 3.6 cm, c 9.9 cm m, n, p: Modenzahlen (ganzzahlig, von 3 >0) a, b, c: Abmessungen der Hohlraums Results from Prof. Münzner et al, University of Ulm 6

14 Messergebnisse Rohr und Triaxiale Zelle Results from Prof. Münzner et al, University of Ulm 7 Triaxiale Zelle mit Rohr im Rohr, Prinzip Prüfling Generator Anschluss- Kabel Rohr in Rohr Gehäuse bzw. Triaxiale Zelle Messkopf mit hülse IEC , Kopplungswiderstand und dämpfung mit Triaxialer Zelle 8

15 Resonanzen bzw. höhere Moden der Kavität Resonanzfrequenzen: f mnp c0 M a + N b P + c 750-er Zelle 000/300-er Zelle 000/50-er Zelle a b c a b c a b c m n p f/ghz m n p f/ghz m n p f/ghz 0,87 0,7,4 0, 0,0 0,00 0,34 0, 0,4,36,3,4 0,6 0,04 0,00 0,34 0, 0,4,36,3,4,40,6,4 0,70 0,4 0,83,7,4,83 3 0,84 3 0, ,00 m, n, p: Modenzahlen (ganzzahlig, von 3 >0), a, b, c: Abmessungen der Hohlraums 9 RG mit Triaxialer Zelle und Messrohr CoMeT Triaxiale Zelle

16 CATV - Leistungsteiler mit Triaxialer Zelle 3 Triaxiale Zelle mit Rohr im Rohr und Schiebewand Foto: Thomas Schmid 3

17 Triaxiale Zelle mit Rohr im Rohr und Schiebewand Generator Prüfling Rohr im Rohr Gehäuse Schiebewand Messkopf mit hülse Kopplungswiderstand von HV-Steckern mit Triaxialer Zelle mit Schiebewand Forumsvortrag von Thomas Schmid, Fa. Rosenberger am Do., 3. März.0 Uhr 33 Triaxiale Zelle mit Rohr im Rohr und Schiebewand T f Tn 0 khz 00 khz MHz 0 MHz fcn fcf GHz 0 GH Verbindungskabel Kopplungswiderstand dämpfung Durch Verschieben der Kurzschlussebene der Zelle verschiebt sich auch die Frequenz des Übergangs von Kopplungswiderstand zur dämpfung. Die Hüllkurve ergibt Transferimpedanz bzw. den Kopplungswiderstand des Prüflings 34

18 Kabel mit Loch im, Rohr im Rohr, 0,5 m Telass 0 mit F-Stecker Gleiches Kabel mit Loch, 3 mm F-Srecker Loch im Umrechnung von Kopplungswiderstand in dämpfung Allgemein: 0 db/dekade a s 0 log 0 Z Z Z T l T f Tn 0 db/dekade: a a S S 0 log 0 log 0 0 ZT l l ZZω ± v v ZTc0 Z Z ω ε ± Der Aussenraum (Z ) beeinflusst die dämpfung! r ε r 0 khz 00 khz MHz 0 MHz fcn fcf GHz 0 GH Kopplungswiderstand dämpfung l Z Z ε r ε r v v c 0 ϖ Länge des zu prüfenden Kabels; Wellenwiderstand des Kabels; Impedanz des äußeren Kreises; Dielektrizitätskonstante des Kabels; Dielektrizitätskonstante des äußeren Kreises; Ausbreitungsgeschwindigkeit im inneren Kreis; Ausbreitungsgeschwindigkeit im äußeren Kreis; Lichtgeschwindigkeit im Vakuum; Kreisfrequenz πf 36

19 Zusammenfassung Die wirkung von Kabeln (und Steckern) wird im unteren Frequenzbereich als Kopplungswiderstand Z T und im oberen Frequenzbereich als dämpfung a S angegeben. Bei geschirmten mehradrigen (symmetrischen) Kabeln (und Steckern) ist das Mass der wirkung die Kopplungsdämpfung als Summe aus Unsymmetriedämpfung des Paares und der dämpfung des s. Messverfahren für Kabel und Stecker sind Zangenverfahren, Speisedrahtverfahren und das Triaxialverfahren. Mit dem Triaxialverfahren (CoMeT) kann sowohl der Kopplungswiderstand als auch die dämpfung von Kabeln und Steckern im Frequenzbereich von DC bis zu GHz mit einem Meßaufbau gemessen werden. Zusätzlich kann die Kopplungsdämpfung von mehradrigen bzw. symmetrischer Kabeln und Steckern gemessen werden. 37 Zusammenfassung Mit den erweiterten Normen des Triaxialverfahrens IEC x kann der Kopplungswiderstand mit Fehlanpassung (senderseitig) sowie mit Kurzschluss oder Anpassung (am Prüfling) gemessen werden. die dämpfung jetzt auch mit Fehlanpassung gemessen werden. Impedanzwandler sind in beiden Fällen nicht mehr erforderlich. Mit Multiport -NWAs kann die Kopplungsdämpfung symmetrischer Kabel und Komponenten balunless bis zu und über 3 GHz gemessen werden Die Triaxiale Zelle bietet die Möglichkeit zur Messung größerer Komponenten, z.b. HV-Stecker und Assemblies für Elektrofahrzeuge. Mit der Zelle mit Schiebewand lässt sich die Hüllkurve des Kopplungswiderstandes ermitteln. Weitere Informationen: Messtechnik Ansprechpartner für weitere Fragen: bmund@.com 38

20 Internationale Normen für Triaxialverfahren, TR Ed Introduction to electromagnetic (EMC) screening measurements /438/CD Ed Surface transfer impedance - Triaxial method /47/FDIS Ed Shielded screening attenuation, test method for measuring of the screening attenuation a S up to and above 3 GHz Ed Shielded screening attenuation test method for measuring the Transfer impedance Z T and the screening attenuation a S or the coupling attenuation a C of RF-Connectors and assemblies up to and above 3 GHz, Tube in tube method Ed Electromagnetic Compatibility (EMC) Coupling attenuation, triaxial method Ed Shielded screening attenuation test method for measuring the Screening Effectiveness of Feedtroughs and Electromagnetic Gaskets Test method for measuring transfer impedance and screening attenuation - or coupling attenuation with Triaxial Cell Relationship between surface transfer impedance and screening attenuation, Conversion a S and Z T 46/439/CDV 46/459/CD in Beratung /494/CD 46/454/CD in Vorbereitung 39 Literatur [] Bernhard Mund, Thomas Schmid: EMC of HV cables and components with Triaxial Cell, Wire & Cable Technology International/January & March 0 [] Bernhard Mund, Thomas Schmid: Messen der dämpfung von Steckverbindern, Kabeldurchführungen und EMV-Dichtungen, 3. Anwenderkongress Steckverbinder 009, Vogel Verlag, Würzburg [3] Bernhard Mund: EMC of Cables & Connectors & Test methods, EMC Zurich 007 [4] Bernhard Mund: Measuring the EMC on RF-connectors and connecting hardware, Tube in tube test procedure, IWCS (International wire & cable symposium) 004, Philadelphia [5] Thomas Hähner und Bernhard Mund: Measurement of the screening effectiveness of connectors & cable assemblies: International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility, EMC 00 [6] Thomas Hähner und Bernhard Mund: Background, content and future of the EMC measurement standard pren , Open / shielded test methods, International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility, EMC 000 [7] Otto Breitenbach, Thomas Hähner und Bernhard Mund: Kabelschirmung im Frequenzbereich von MHz bis GHz, erweiterte Anwendung eines einfachen Meßverfahrens, Frequenz -/999 S [8] Lauri Halme, Balint Szentkuti, The background for electromagnetic screening measurements of cylindrical screens. Tech. Rep. PTT(988) No

21 Steuer- & Auswerte-Software WinCoMeT - Steuerung des Netzwerkanalysators - Auswertung der Messergebnisse - Dokumentation - Export der Daten nach MS-Excel - Ausgabe auf Drucker - Vollversion zur Messung der Übertragungsparametern von Kommunikationskabeln - einschliesslich FFT und Gating-Funktion 4 Danke fürs Zuhören??? bmund@.com 4