Grundlagen der Störemissons- Messtechnik

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1 Grundlagen der Störemissons- Messtechnik Karl-Heinz Weidner Rohde & Schwarz GmbH & Co.KG Inhalt EMV-Modell Messungen nach CISPR-Standards Bewertungsdetektoren nach CISPR Messempfänger vs Spektrumanalysator Anwendung von Zeitbereichsverfahren in der Störemissionsmesstechnik Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 2 1

2 EMV-Modell Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 3 Übertragungswege von EMV-Signalen Galvanische Kopplung "geleitet" Quelle U, I Senke Kapazitive Kopplung "gestrahlt" (Nahfeld) E E Senke Quelle Quelle Elektromagnetische Feldkopplung "gestrahlt" (Fernfeld) Senke Induktive Kopplung "gestrahlt" (Nahfeld) H H Senke Quelle Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 4 2

3 Anordnungen zum Messen der EMV Störquelle Kopplung EMS Störsenke "Opfer" Funktionskontrolle Geräte zur Messung der Störfestigkeit Geräte zur Messung der Störaussendung Generator für die Störgröße Ankopplung (NNB, Stromzange, Meßantenne) EMI Netznachbildung Stromzange, Meßantenne Messempfänger, Spektrumanalysator Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 5 Frequenzabhängigkeit der Störemissionen Werte für Messungen nach zivilen Standards Störspannung Störfeldstärke (magn. Feldkomp.) Störfeldstärke (elektr. Feldkomp.) geleitete EMI (differential mode) geleitete EMI (common mode) Nahfeldkopplung Fernfeldkopplung f / MHz Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 6 3

4 Klassifizierung von EMI-Messungen Compliance Messgeräte EMI-Messungen mit genauem Grenzwertvergleich EMI-Messungen mit Bezug auf Grenzwerte EMI-Messempfänger konform nach CISPR Bereich 3 Normenkonforme Messungen Bereich 2 EMI-Messempfänger nicht voll konform nach CISPR mit Vorselektionsfilter Highend-Spektrumanalysatoren Precompliance-Messungen - ohne Vorselektionsfilter Precompliance Messempfänger & Mittelklasse-Spektrumanalysatoren Einfache Diagnose ohne Bezug auf Grenzwerte Bereich 1 Entwicklungsbegleitende Diagnosemessungen Standard-Spektrumanalysatoren, Voltmeter, Oszilloskope Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 7 Übersicht EMI-Messungen Messverfahren militärisch & zivil Störquelle Nahfeld elektr. Stabantenne Fernfeld militärisch lineare Breitbandantenne zivil Transducer militärisch & zivil magn. Rahmenantenne militärisch (zivil) Störstrom Stromzange Störleistung Absorberzange zivil (militärisch) Netznachbildung Störspannung Conducted EMI NNB EMI Messempfänger EMI-Messungen (zivile Standards) CISPR Band A: 9 khz khz Störspannung Störfeldstärke (magn. Komponente) CISPR Band B: 150 khz - 30 MHz Störspannung Störfeldstärke (magn. Komponente) CISPR Band C: 30 MHz MHz Störleistung Störfeldstärke (elektr. Komponente) CISPR Band D: 300 MHz MHz Störfeldstärke (elektr. Komponente) CISPR Band E: 1 GHz - 6 GHz Störfeldstärke (elektr. Komponente) EMI-Messungen (milit. Standards) 30 Hz 40 MHz Störspannung 30 Hz 18 (40) GHz Störstrahlung Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 8 4

5 Modell für EMI-Messungen nach milit. Standards 1 m Störstrahlung (30 Hz max. 40 GHz) Quelle Störspannung (ca. 30 Hz - 40 MHz) Senke Hülle des Fahrzeugs/Schiffes/Flugzeugs Rahmen/Spant (5 cm) Messung in geschirmten Räumen Störstrahlung: Messabstand 1 m Keine echte Unterscheidung zwischen Nah- und Fernfeld Erweiterter Frequenzbereich gegenüber zivilen Standards Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 9 Messungen nach CISPR-Standards Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 10 5

6 Umorganisation von CISPR 16 im Jahr 2003 OLD CISPR 16 publications NEW CISPR 16 publications CISPR Measuring apparatus CISPR 16-1 Radio disturbance and immunity measuring apparatus CISPR CISPR CISPR Ancillary equipment conducted disturbances Ancillary equipment disturbance power Ancillary equipment radiated disturbances CISPR Antenna calibration test sites for 30 to 1000 MHz CISPR 16-2 Methods of measurement of disturbances and immunity CISPR CISPR CISPR CISPR Conducted disturbance measurements Measurement of disturbance power Radiated disturbance measurements Immunity measurements CISPR 16-3 CISPR technical reports CISPR 16-3 Reports and recommendations of CISPR CISPR CISPR CISPR Uncertainties in standardised EMC tests Measurement instrumentation uncertainty Statistical considerations in the determination of EMC compliance of massproduced products CISPR 16-4 Uncertainty in EMC measurements CISPR Statistics of complaints and a model for the calculation of limits Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 11 CISPR 16-1 Übersicht Spezifikation von "Radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods" Teil 1 "Radio disturbance and immunity measuring apparatus" 1-1 Messempfänger 1-2 Störspannungsmessung 1-3 Störleistungsmessung (MDS) 1-4 Störstrahlungsmessung 1-5 Kalibrierung von Messantennen Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 12 6

7 CISPR-Untergruppen (sub committees) CISPR besteht aus sechs Untergruppen die folgende Schwerpunkte haben: CISPR/A - Messgeräte und Messmethoden, statistische Modelle CISPR/B - Störungen in industriellen, wissenschaftlichen oder medizinischen Geräten, Energieversorgungsnetzen, Hochspannungsgeräten und Beförderungsmittel CISPR/D - Störungen in motorbetriebenen Fahrzeugen CISPR/F - Störungen in Haushaltsgeräten, Werkzeuge und Beleuchtungsanlagen CISPR/H - Grenzwerte zum Schutz von Radiosendern CISPR/I - Elektromagnetische Kompatibilität von IT-Ausrüstung,Multimedia- Geräten und Rundfunk-Empfängern Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 13 Störaussendungsmessungen nach CISPR-Standards Industrial, scientific and medical (ISM) radiofrequency equipment Sound and television broadcast receivers and associated equipment Household appliance, electric tools and similar apparatus Electrical lighting and similar equipment Information technology equipment (ITE) For protection of receivers used on board of vehicles, boats, and on devices Produktstandard Störspannung Х Х Х Х Х Х Störstrahlung (magn. Komponente) Х Х Х Störstrahlung (elektr./elektromagn. Komponente) Х Х (Х) Х Х Х Störleistung (Х) Х (Х) Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 14 7

8 Störspannungsmessung mit V-Netznachbildung Messanordnung > 200 cm Bezugsmasse groundplane > 200 > cm Messobjekt DUT niederohmige Verbindung LISN EMI-Messempfänger test receiver 40 V-NNB 30 to - 40 cm 80 cm 80 > > 80 80cm Holztisch wooden table Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 15 Störspannungsmessung mit V-Netznachbildung Merkmale Messobjekte: Alle nichtmilitärischen Geräte Messung der geleiteten EMI als Spannung bezogen auf Schutzerde (PE) unter Verwendung einer standardisierten Lastimpedanz Frequenzbereich: (9 khz)150 khz bis 30 MHz (CISPR-Band A + B) Messgeräte: Messempfänger, V-NNB, Bezugsmasse, (Handnachbildung) Wichtig für Messempfänger: Impulsgeschützter Eingang Wichtig für Bediener: Elektrische Sicherheit Messung auf allen Phasen zur Worst-Case-Störgrößenbestimmung (& Handnachbildung für CISPR 14) Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 16 8

9 Störspannungsmessung mit V-Netznachbildung Funktionsprinzip V-NNB Netzanschluß RF Filter Impedanzsimulation/ stabilisierung AC/DC RF Hochpass 230 V/50 Hz 110 V/60 Hz Messempfänger Messobjekt Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 17 Störspannungsmessung mit V-Netznachbildung Impedanz V-NNB 50 Ω / 50 µh + 5 Ω V-Netznachbildung 9 khz 30 MHz 50 Ω / 50 µh V-Netznachbildung 150 khz 30 MHz OHMs ,01 0,02 0,05 0,1 0,2 0, MHz 50 uh uh Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 18 9

10 Störspannungsmessung Gleichtakt- / Gegentaktstörsignale (1) (L) (N) (L) (N) V DM differential mode Gegentakt V CM common mode Gleichtakt I DM I CM I CM (PE) Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 19 Störspannungsmessung Gleichtakt- / Gegentaktstörsignale (2) (L1) V-NNB V- type LISN (L2) (L1) T-NNB T-type LISN AN (L2) (PE) V int (GND) Vint V-Netznachbildungen unterscheiden nicht zwischen Gleichtakt- und Gegentaktstörsignalen Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 20 10

11 Störspannungsmessung mit V-Netznachbildung Handnachbildung (z.b. CISPR 14) Bezugsmasse (reference ground plane) Folie um Motorposition V-NNB Verbindung mit metal. Gehäuseteilen Folie um Griff Worst-case-Messung mit und ohne Handnachbildung Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 21 Störleistungsmessung mit Absorberzange Messanordnung 30 MHz 30 MHz 80 MHz 1 halfwave/30 MHz Eine Halbwelle = 5 m Eine Halbwelle = 1,9 m 1 halfwave/80 MHz = 1.9 m 300 MHz Messobjekt DUT Eine Halbwelle = 0,5 m 1 halfwave/300 MHz = 50 cm MDS 5 m 5m *60 x 0,6 cmm MDS Absorberzange Messempfänger Messempfänger test receiver Holztisch wooden table Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 22 11

12 Störleistungsmessung mit Absorberzange Merkmale Messobjekte: Haushaltsgeräte, Werkzeuge teilweise Radio/TV-Geräte Messung der gestrahlten EMI als geleitete Störgröße (Reduzierung des Aufwands) unter Verwendung einer MDS-Absorberzange einer standardisierten Lastimpedanz Frequenzbereich: 30 MHz bis 300 MHz (CISPR-Band C) Messgeräte: Messempfänger, Absorberzange (MDS) mit Kabel, Gleitbahn Wichtig für Messempfänger:Besonderheit bei Transducerfaktor Messung auf verschiedenen Messzangen-Positionen zur Worst-Case-Störgrößenbestimmung Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 23 Störleistungsmessung mit Absorberzange Funktionsprinzip Z Z L Messobjekt EUT Ausgangsleistung = max. I V Z in Z Gen EMI source Störquelle P S Z load =? Z L Z L Z Last Anpassung! Z Last = Z Gen Z L Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 24 12

13 Störleistungsmessung mit Absorberzange Aufbau der Absorberzange MDS Messobjekt + Netzkabel Netzkabel vom Messobjekt Stromzange RF-Last (Z = 240 Ω) Absorberzange P = i 2 Z Ferritringe Netzanschluß Messempfänger Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 25 Störstrahlungsmessung Freifeldmessplatz (OATS) im Nahfeld > 3 3 m loop Rahmenantenne antenna refl. ground Bodenplatte plane Messobjekt DUT Drehtisch turntable CISPR-Ellipse ellipse > 3 m d = 3 m > 3 m > 3 10 m lin. Breitbandantenne log.-per. antenna 1 to 4 m refl. ground Bodenplatte plane Messobjekt DUT Drehtisch turntable CISPR-Ellipse ellipse 1 m im Fernfeld > 5 m d = 10 m > 5 m Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 26 13

14 Störstrahlungsmessung mit Messantennen Merkmale Messobjekte: ISM, ITE, Automotive teilweise Radio/TV-Geräte, nicht Haushaltsgeräte/Werkzeuge (Störleistung) Messung der gestrahlten EMI als elektrische/magnetische Feldstärke mit linearen Messantennen auf Freifeldmessplätzen/in Absorberkammern Frequenzbereich: Messgeräte: 9 khz bis 6 GHz (CISPR-Band A-E) Messempfänger, Messantennen, Drehtisch, Antennenmast Wichtig für Messempfänger:Antennenfaktor Wichtig für Messplatz: Messplatzvalidierung (NSA) Messung mit verschiedenen Drehtisch-/Antennenhöhe-Positionen/Antennenpolarisationen zur Worst-Case-Störgrößenbestimmung Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 27 Störstrahlungsmessung mit Messantennen Fernfeldausbreitung Freiraumimpedanz der elektromagnetischen Welle: Z 0 = E 0 / H 0 L µ line impedance ZL = = 0 H L µ Z0 = 120πΩ 377Ω F C ε m 0 C ε 0 m Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 28 14

15 Störstrahlungsmessung mit Messantennen Nahfeld-/Fernfeldimpedanz Z Z Hochohmiges Nahfeld (elektrische Feldkomponenete/kapazitive Kopplung) Z r g Fernfeld Z Dipolstruktur Rahmenstruktur Grenzradius Elementarstrahler Niederohmiges Nahfeld (magnetische Feldkomponenete, induktive Kopplung r g Z λ 2 π Reale Antenne r g 2 2 D λ D= max. Durchmesser der Antennenkonstruktion Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 29 Störstrahlungsmessung mit Messantennen Antennenfaktor (Transducer) E ( V / m ) Ω Messantenne Antenna 50 Ω V 1 ( V ) V 1 (V) K(1/m) = E(V/m) a_transd Feldstärke = Messempfängerpegel + Antennenfaktor E[dBuV/m] = V 1 [dbuv] + k [db (1/m)] Beispiel: HK116 Bikonische Antenne Resonanzverlauf "ein" "aus" (Antennenkorrekturfaktor) "aus" "ein" (Antennengewinn) Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 30 15

16 Störstrahlungsmessung mit Messantennen Freifeldmessplatz (OATS) 1..4 m l 1 direkte Welle l2 reflektierte Welle > 3 10 m DUT 1 m >5 m 10 m >5 m u-feld-3 ϕ (l 2 l 1 ) = n 180 mit n = 1,3,5 ϕ (l 2 l 1 ) = n 180 mit n = 2,4,6 gegenphasige Überlagerung = Feldstärkenauslöschung Überlagerung in Phase = Feldstärkenüberhöhung ( 6 db) Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 31 Störstrahlungsmessung mit Messantennen Störgrössenmaximierung ("worst case") Mast 1 4 m Polarisation 90 Messobjekt Drehtisch Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 32 16

17 Störstrahlungsmessung mit Messantennen Magnetische Feldkomponente (CISPR 15) Messung der magnetischen Feldkomponente mit der Dreifach-Rahmenantenne (Störgrößenmaximierung) DUT Messempfänger EMI test receiver Ferrit- ferrite absorbers Koaxschalter coax switch Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 33 Bewertungsdetektoren nach CISPR Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 34 17

18 Weiterverarbeitung des ZF-Ausgangssignals ZF-Filter Hüllkurvendemodulator/ -gleichrichter Detektor (Bewertung) Videosignal t t t t mess t mess t mess Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 35 Eigenschaften der "klassischen" EMI-Detektoren U Peak U PK U P Quasipeak U QP U QP U AV lin. Mittelwert U AV t Kalibrierung erfolgt auf den Effektivwert eines unmodulierten Sinussignals = gleiche Anzeige für Schmalbandstörer (CW) Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 36 18

19 Bewertung von pulsförmigen Störsignalen Beispiel für CISPR-Band B PK Pulswiederholrate (PRF) Pulse repetition frequency (PRF) Hz 0 QP RMS AV für CISPR CISPR-Band band B (150 B (150 khz khz to MHz) db Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 37 CISPR-AV Detektor (1) Average Detektor Zeitkonstante gem. CISPR st Edition (EN :2004 ) auch für f > 1 GHz (Band E) Envelope detector Meter simulating network A D Micro processor Maximum-Anzeige Für pulsmodulierte Signale mit einer Wiederholrate kleiner als die Instrumentenzeitkonstante T meter (z.b. f p < 6 Hz für Band A/B) ist das Messergebnis nicht der lineare Mittelwert sondern der Maximalwert am Ausgang des "Meter simulating network" Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 38 19

20 CISPR-AV Detektor (2) Der CISPR-Average-Detektor liefert einen bewerteten Mittelwert Anzeige des Maximalwertes des linearen Mittelwertes während der Messzeit Dient zur Bewertung gepulster sinusförmiger Signale mit niedriger Wiederholrate Kalibrierung mit dem RMS-Wert eines unmodulierten sinusförmigen Signals Mittelwertbildung mittels Tiefpass 2. Ordnung (Simulation eines mechanischen Anzeigeinstruments) Zeitkonstante des Tiefpasses und ZF-Bandbreite sind frequenzabhängig (siehe obige Tabelle) Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 39 CISPR-AV Detektor (3) Messzeiten: f p > 10 Hz: T meas > 10/f p, pulse width = 10 ms = const. Band A/B: T meter = 160 ms Band C/D/E: T meter = 100 ms Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 40 20

21 CISPR-AV Detektor (4) f p = 1 Hz = const. Band A/B: T meter = 160 ms Band C/D/E: T meter = 100 ms Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 41 Anwendung des CISPR-AV Detektors (1) Amendment A1:2002 zu CISPR 16-1:1999 (2nd Edition) AV - Grenzwerte sind üblicherweise für Funkstörspannungs- und -leistungsmessungen definiert. Die Anforderungen an den Mittelwert-Detektor wurden geändert. Die neuen Anforderungen müssen bereits seit 2003 erfüllt werden, sofern der entsprechende Produktstandard auf eine undatierte Basisnorm referenziert (z.b. CISPR 13:2001) Nach der CISPR-Umorganisation in Europa veröffentlicht als EN :2004 (CISPR :2003 1st Edition) d.o.w. * = *: d.o.w. = date of withdrawal, Zeitpunkt für den nationale Standards (Produkt- und Basisnorm), die mit den aktuellen europäischen Normen nicht (mehr) übereinstimmen, ungültig werden Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 42 21

22 Anwendung des CISPR-AV Detektors (2) Produktstandards die den CISPR-AV Detektor erfordern: CISPR 11:200x Anwendbar mit Veröffentlichung der 5. Ausgabe (in 2008 erwartet) CISPR 12:200x Linearer AV und CISPR-AV seit 2007 anwendbar CISPR 13:2001 Obligatorisch seit 2003 CISPR 14-1:2005 Obligatorisch seit * CISPR 15:2005 Obligatorisch seit * CISPR 22:2005 Obligatorisch seit * CISPR 25:200x Anwendbar mit Veröffentlichung der 3. Ausgabe (in 2008 erwartet) *: Basiert auf "date of withdrawal" für CISPR 16:1999 und seinen Anhängen; ab diesem Datum muß CISPR :2003 (in Europa als EN :2004 veröffentlicht) angewendet werden Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 43 RMS/AV-Detektor (1) Für die Schutzanforderung der digitalen Funkkommunikationssysteme (GSM, DECT, TETRA, W-CDMA, DVB-T, etc.) hat sich der Quasipeak-Detek-tor als inadäquat erwiesen (Pk, QP: Überbewertung / Avg: Unterbewertung). Eine geeignetere Bewertungscharakteristik ist erforderlich! Eine Kombination aus RMS-Detektor und nachfolgendem linearem Mittelwertdetektor mit Instrumentenzeitkonstante und Spitzenwertanzeige wurde als bester Kompromiß für diese Aufgabe gefunden. RMS detector linear average detector Peak reading Abfall 10 db/dekade Abfall 20 db/dekade + Intrumentenzeitkonstante Für niedrige Pulswiederholraten f p < 10 Hz Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 44 22

23 RMS/AV-Detektor (2) Weighting Factor/dB RMS+Average weighting functions for Bands A, B, C/D and E RMS-AV Bands C/D RMS-AV Band E RMS-AV Band A RMS-AV Band B f p/hz Peak RMS/AV-Bewertung für die CISPR-Bänder A, B, C/D und E für kürzeste Pulsbreite gem. ZF-Bandbreite Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 45 RMS/AV-Detektor (3) Weighting Factor/dB 70 RMS/AV 60 RMS-AV RMS+Average weighting detector compared to existing detectors (example as proposed for Bands C and D) Average RMS-AV Quasi-Peak Peak 50 Quasipeak db/decade Linearer Average 30 corner frequency 10 db/decade Peak RMS-AV Detektor für CISPR-Bänder C/D mit einer Eckfrequenz von 100 Hz Asymptote bei 58,7 db und PRF 1 Hz aufgrund der Instrumentenzeitkonstanten f p/hz Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 46 23

24 Anwendung des RMS/AV-Detektors Amendment 2:2006 für CISPR Ausgabe Technischer Report wurde veröffentlicht Hintergrundmaterial zum RMS/AV-Bewertungsdetektor für Messempfänger Amendment 2:2007 für CISPR Ausgabe Amendment 2 wurde im Juli 2007 veröffentlicht Der bestehende RMS-Detektor ist durch den neuen RMS/AV-Detektor ersetzt Frequenzbereich 9 khz bis 18 GHz Spezifische Definitionen für Overload-Faktor und Impulsverhalten CISPR/I/232/CD Neues Amd. 3 für CISPR Ausgabe CD ist bestätigt; nächster Schritt ist CDV (Committee Draft for Vote) Einführung des RMS/AV-Detektors als eine Alternative zum Quasipeak- und Mittelwert-Detektor zur Messung geleiteter und gestrahlter Störemissionen Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 47 Messempfänger vs Spektrumanalysator Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 48 24

25 1 Messempfänger vs Spektrumanalysator Blockschaltbild Messempfänger Vorselektion Vorverstärker 6dB Filter Scanner Detektoren peak average quasipeak log log G Spektrumanalysator (Vorverstärker) 3dB Filter Sweeper log Detektoren peak + "video filter" Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 49 Frequenzabstimmung bei Messempfänger und Spektrumanalysator f Scan t settle klassischer Messempfänger f t mess Synchronisierter Sweep t moderner EMI-Messempfänger Spektrumanalysator Phase locked loop (PLL) f REF Phase comp. VCO f aus t 1 n Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 50 25

26 1 Spektrumanalysator (breitbandig) P Außerbandsignale ohne Vorselektion m-spek-1 f Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 51 Messempfänger (frequenzselektiv) P Außerbandsignale mit Vorselektion m-spek-1 f Mischerpegel Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 52 26

27 Wirkung der Vorselektion Breitbandsignal mit Tiefpaß mit Vorselektion ohne Vorselektion Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 53 Pegelverringerung durch Bandbreitenreduktion V ZF BW ZF 79,6 dbuv Selektivität m-nbbb-1 f V RF BW RF U f 1 11 f n n = 1 f 3 = 3 f 1 f 7 = 7 f1 n = 1 f n f f 9 = 9 f 1 f 11 = 11 f 1 t f 5 = 5 f 1 V RF /V ZF = BW RF /BW ZF p RF /p ZF = 20 log (BW RF /BW ZF ) Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 54 27

28 p IN 1 db-kompression 120 dbuv 20 log (BW RF /BW ZF ) 60 dbuv QP-Reserve 43.5 db Dynamikverringerung durch Quasipeak-Charakteristik P ind max Hz verbleibender CISPR- Dynamikbereich für Breitbandstörer db N 0 dbuv p ind Dynamikbereich für Schmalbandstörer 6dBuV F p n Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 55 Ausreichende CISPR-Anzeigedynamik für Normenkonformität P in 20 lg ( B / B ) HF ZF Hz P disp 43.5 db quasipeak S/N 6 db P ind (QP) Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 56 28

29 Fehlende CISPR-Anzeigedynamik zur Normenkonformität (Precompliance) P in 20 lg ( B / B ) RF IF Hz P disp 43.5 db quasipeak S/N 6 db P ind (QP) Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 57 ZF-Selektion bei Messempfänger und Analysator p f U ZF Bessel-Filter Gauss-Filter U ZF Chebychev-Filter t t Spektrumanalysator Messempfänger Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 58 29

30 ZF-Filtereigenschaften Bandbreitenverhältnis 3 db (6 db) : 60 db Formfaktor ("shape factor") Spektrumanalysator 1 : 6 12 Einschwing-optimiert (kurze Sweepzeit) Moderne Analysatoren und Empfänger haben digitale Auflösebandbreiten Messempfänger 1 : 2 5 Normativ (EMI: CISPR16-1-1) oder an Signaltyp (Nutzsignal) angepaßt (Kanalfilter; Impulsbandbreite) Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 59 Vergleich digitales vs analoges Filter Vorteile digitaler Filter Keine Alterung der Bauteile; optimale Langzeitstabilität Schnellere Sweeps möglich mittels Ergebniskorrektur Exakte Filterkurven; alle Formfaktoren Sehr gute Reproduzierbarkeit der Messergebnisse Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 60 30

31 Anwendung von Zeitbereichsverfahren in der Störemissionsmesstechnik Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 61 Problemstellung bei der Störemissionsmessung nach kommerziellen Produktstandards Die Art des Störsignals ist meist unbekannt Die Einschwingzeit der Messbandbreite und das Zeitverhalten des Störsignals müssen berücksichtigt werden Der vorgeschriebene Frequenzbereich muß lückenlos erfasst werden Das Messergebnis muß den spezifischen Einfluß der Störquelle auf die menschliche Störsenke beschreiben (Quasipeak-Bewertung) Mit konventionellen Verfahren ist die Messzeit oft sehr lang, insbesondere bei der Störstrahlungsmessung ab 30 MHz Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 62 31

32 Minimale Messzeiten mit Peak- und Quasipeak- Detektor Annex B in CISPR bis enthält eine Tabelle mit genauen Angaben zu den Mindest-Sweepzeiten. Aus dieser Tabelle können 'Minimum Scan-Zeiten' für die CISPR-Bänder abgeleitet werden: Frequency Band Peak detection Quasipeak detection A 9 to 150 khz 100 ms/khz: s B 0.15 to 30 MHz 100 ms/khz: s C/D 30 to MHz 1 ms/mhz: 0.97 s 20 s/khz: s = 47 min 200 s/mhz: s = 1 h 39 min 20 s/mhz: s = 5h 23 min Alle kommerziellen Produktstandards enthalten nach wie vor eine Quasipeak- Bewertung! Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 63 Verfahren zur Messzeitreduzierung Signalerfassung im Frequenzbereich mit Pk/Avg-Bewertung (Vormessung) Datenreduktion (Frequenzliste) Maximierungmessung und Nachmessung gem. Frequenzliste Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 64 32

33 Prinzip der Frequenzabstimmung in Schritten Anforderung für hinreichenden Messgenauigkeit: Schrittweite f 0.5 x ZF-Bandbreite Messempfänger Schmale ZF-Bandbreiten erzeugen eine große Anzahl von Messschritten: MHz; RBW 9 khz; f =4 khz Messpunkte Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 65 Korrekte Einstellung der Messzeit für die Vormessung (Prescan) Scan (Messempfänger) Die Messzeit pro Frequenzschritt muß mindestens so lang sein wie die Pulswiederholrate (PRF) des Störsignals Beispiel CISPR 25: Messpunkte x 10 ms = s = ca. 40 Min. Sweep (Spectrum Analyzer) So langsam das bei jeder Frequenz das Pulsereignis korrekt erfaßt wird, oder wiederholte Sweeps mit 'Max Hold' solange, bis sich das Störspektrum nicht mehr ändert Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 66 33

34 Time-Domain EMI-Messsystem Neues Verfahren für die Störemissionsmessung Erfüllt alle Messzeitenanforderungen, auch für 1 Hz-Pulsstörer Erheblicher Geschwindigkeitsgewinn gegenüber konventionellen Messverfahren Prinzip: Erfassung von Frequenzbereichen >> ZF-Bandbreite während der Messzeit Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 67 Prinzip des Time Domain Scan 1 2 Frequenzbereich: Aufteilung des zu messenden Frequenzbereichs in aufeinanderfolgende Teilbereiche und Filterung F(s) f(t) 3 Zeitbereich: Zeitliche Abtastung des gefilterten Signals mit hoher Geschwindigkeit und Auflösung 4 Fast Fourier Transformation: Transformation der abgetasteten Signale vom Zeit- in den Frequenzbereich (Teilspektrum) Frequenzbereich: Erzeugung des Gesamtspektrums aus den transformierten Teilspektren Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 68 34

35 Blockschaltbild eines TD-Messsystems (R&S ESU) Receiver preselection and mixer wideband IF filter ADC Resample UMOD RAM 20.4 MHz 1) ZF-Filter mit schaltbarer Bandbreite (max. 10 MHz) 6 main processor 2) A/D-Wandler 81.6 MHz/14 bit für Teilspektren bis max. 7 MHz und hohe Dynamik 3) Resampler zur Datenreduktion soweit möglich (RBW, Span) 4) Universal Digital Module (UMOD) zur ZF-Analyse und Bargraph-Anzeige 5) 16 Msamples RAM für lückenlose Messungen bis zu 1 s Messzeit 6) CPU Intel 1 GHz Celeron M zur Fensterung und FFT-Berechnung Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 69 Normenkonformität des Messverfahrens mit TD-Scan 1) Die Messzeit T m muß für jeden Teilfrequenzbereich länger sein als das Pulswiederholinterval T p um das Breitbandspektrum "BB" korrekt zu erfassen 2) Das Vormessergebnis kann mit den bekannten Verfahren analysiert und die kritischen Frequenzen ermittelt werden 3) Die Nachmessung erfolgt wie bisher auf konventionelle Weise mit Quasipeak- (und Average-) Bewertung 4) Die Messung ist konform mit CISPR Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 70 35

36 Vergleich der Messzeiten für die Vormessung (1) Scan mit schrittweiser Frequenzabstimmung vs Time-Domain-Scan Bereich RBW Messzeit Schrittweite 30 MHz 1 GHz 120 khz 10 ms 30 khz Scan-Modus Stepped Scan TD AUTO PULSE TD AUTO CW Gesamtmesszeit 5 min 56 s 16 s 7,5 s Faktor Bereich RBW Messzeit Schrittweite 30 MHz 1 GHz 9 khz 10 ms 2,25 khz Scan-Modus Stepped Scan TD AUTO PULSE TD AUTO CW Gesamtmesszeit 116 min 24 s 21 s 7 s Faktor Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 71 Vergleich der Messzeiten für die Vormessung (2) Scan mit schrittweiser Frequenzabstimmung vs Time-Domain-Scan Bereich RBW Messzeit Schrittweite 9 khz 150 khz 200 Hz 20 ms 50 Hz Scan-Modus Stepped Scan TD AUTO PULSE TD AUTO CW Gesamtmesszeit 139 s 130 ms 129 ms Faktor Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 72 36

37 Grundlagen der Störemissions-Messtechnik 73 37