TECHNISCHE UNIVERSITÄT HAMBURG - HARBURG
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- Erna Thomas
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1 TECHNISCHE UNIVERSITÄT HAMBURG - HARBURG Abeitsbeeich Theoetische Elektotechnik Pof. D. sc. techn. C. Schuste Paktikumsvesuch: Schimdämpfung
2 PRAKTIKUMSVERSUCH: SCHIRMDÄMPFUNG Ot de Duchfühung: TUHH Habuge Schlossstasse 0, 3. OG INHALT: Teil A VERSUCHSVORBEREITUNG. Theoetische Behandlung de Schimdämpfung. Feldmethode fü niedefequente Felde. Wellenimpedanz im Nah- und Fenfeld eines Stahles.3 Wandewellenmethode nach Schelkunoff. Realistische Genzwete de Schimdämpfung. Leckagen. Stehende Wellen.3 Übeeinstimmung Rechnung Messung 3. Wabenfenste und EMC-Dichtungen 4. Vewendete Antennen (Stahlungsquellen) 5. Gundbegiffe de Spektumanalyse 6. db-teme und Definitionen Teil B VERSUCHSDURCHFÜHRUNG 7. Vewendete Geäte 8. Sniffe-Test 9. Schimdämpfungsmessung bei magnetischen Felden (0kHz 0 MHz) 0. Schimdämpfungsmessung bei elektischen Felden (00 MHz). Schimdämpfungsmessung im Fenfeld ( GHz). Auswetung de Messegebnisse
3 Teil A: VERSUCHSVORBEREITUNG. Theoetische Behandlung de Schimdämpfung Ein Schim aus eine metallischen Hülle wid benutzt, um die Stahlungswikung eine Quelle bzw. die Fotpflanzung elektomagnetische Felde von einem Raumbeeich in den andeen kontollieen zu können. Abbildung zeigt die mögliche Anodnung ideale Abschimungen. a) Schim b) Schim Kein Extenes Feld Feldquelle Feldquelle Kein innees Feld Abbildung : a) Schim, um außenliegende Systemkomponenten gegen eine Stö- Beeinflussung zu schützen. b) Schim zu Vemeidung de Stöbeeinflussung elektonische Komponenten innehalb eine metallischen Hülle, z. B. Messkabine. Die Schimdämpfung ist folgendemaßen definiet: as Leistungsdichte in einem Meßpunkt 0 log0 bevo ein Schim angebacht wude Leistungsdichte im selben Meßpunkt 0log0 bei Vohandensein de Schimung Sa Si (in db) s 0 log0 Ea Ei Ha Hi a (in db) fü elektische Felde E a (in db) fü magnetische Felde H s 0 log0 EMI: Elektomagnetic Intefeence elektomagnetische Stöbeeinflussung 3
4 Gößenodnung fü Schimdämpfungen: 0 0 db Seh geinge Schimung. Keine EMI-Abschimung, abe Effekt duchaus messba db Minimale Beeich fü ewähnenswete Schimung. In leichten Fällen kann EMI eliminiet weden. Schimkonstuktion seh einfach db Duchschnittliche Schimung, fü alle kleinen und einige mittlee Pobleme. Auf gute Schimkonstuktion achten. Messung de Schimung leicht, soga mit gewöhnlichen Einichtungen möglich db Übeduchschnittliche Schimung; mittlee bis goße EMI-Pobleme. Die Messung de Schimwikung efodet spezielle Einichtungen db I. a. das Maximum, das mit den besten Schimungsausfühungen möglich ist. Die Messungen efoden eine Einichtung, die speziell fü diese Messungen entwofen ist. ca. 0 db Genze de heutigen Technik (mit einigen spezifischen Ausnahmen) abhängig von de Fequenz, Feldstäke usw. Um den Mechanismus de Abschimung elektomagnetische Felde besse vestehen zu können, ist es nützlich, sich veschiedene Methoden zu Beechnung de Schimdämpfung von Mateialien zu vegegenwätigen. Die ableitbaen analytischen Lösungen basieen alledings auf veeinfachenden Annahmen, deen Nachbildung in de Paxis nu schwe zu ealisieen ist. Daaus folgt auch, dass im allgemeinen ehebliche Abweichungen zwischen an ealen Obekten gemessenen und theoetisch gefundenen Resultaten zu ewaten sind. So vaiiet die Effektivität eine Abschimung mit de Fequenz, de Geometie de Abschimung, de Wahl des Aufpunktotes innehalb des geschimten Raums, dem Typ des gedämpften Feldes (Nahfeld, Fenfeld), de Richtung des Einfalls und de Polaisation. Zu Beuteilung de Dämpfungseigenschaften eine Messkabine die anhand dieses Vesuchs vogenommen weden soll ist in edem Falle auf eine expeimentelle Untesuchung zuückzugeifen. Zunächst soll die sogenannte Feldmethode [ ] bespochen weden, mit deen Hilfe die Schimdämpfung niedefequente Felde bei einfachen Geometien, wie Paallelplattenschimen, Hohlzylinden ode Hohlkugeln, emittelt weden kann. Wi wollen uns hie auf den Fall eines Paallelplattenschims beschänken. 4
5 . Feldmethode fü niedefequente Felde Gegeben sei ein abgeschimte Raum (Abbildung ) zwischen unendlich goßen leitenden Platten. Plattenabstand : s Plattenstäke : t Leitfähigkeit de Platten : κ Pemeabilität de Platten : μ Umgebendes Medium : Luft Außenfeld : homogenes Magnetfeld H a Y H i H a X E i X t s Z Abbildung : Plattenschim Duchflutungsgesetz Induktionsgesetz otz H y κ Ez dh y κ Ez dx d H y H y dx 3 ωμκ k 0 δby ot yez δt dez ωμ H y dx d H y k H y dx ωμ H y 5
6 Lösung diese Gleichung fü Außen- und Innenaum: k 0, weil κ 0. Allgemeine Lösung: H y H y x + Hy Außenaum: H 0, da fü goße x H nicht steben daf. Innenaum: y H y H a. H y 0, da H y aus Symmetiegünden eine geade Funktion ist. H H H (Homogenfeld, Göße voläufig unbekannt). y y Lösung fü Feldstäke E im Außen- und Innenaum Aus dem Induktionsgesetz: i dez ωμ 0 H y Ez ωμ0 H y dx ωμ0 H y x dx Innenaum: Ez ωμ 0 Hi x Integationskonstante 0, weil E ungeade Funktion sein muß. Lösung fü leitende Platten Allgemeine Lösung: H y kx Ae kx + B e dh y k kx kx Feldstäke aus dem Duchflutungsgesetz: Ez ( Ae B e ). κ dx κ Bestimmung de Konstanten H i, A und B: a) Stetigkeit von H an de inneen Obefläche x s: ks ks Hi Ae + B e b) Stetigkeit von H an de äußeen Obefläche x s + t: k ( s+ t) k( s+ t H ) a Ae + B e c) Stetigkeit von E an de inneen Obefläche x s: k ks ks s ωμ0 Hi ( A e B e ) κ ωμ0 κ ks ks s Hi A e B e 443 k K 6
7 ωμ Mit 0 κ ωμκ μ s 0 μ K s k 0 s. k k μ μ Aus den Bedingungen a) bis c) folgen die 3 Konstanten und damit das H Egebnis: a cosh kt + K sinh kt. H Schimdämpfung i as 0 log0 t t sinh sin d d H a Hi + μ 0log 0 0 μ t t cosh + cos d d s d t cosh d t cos d + μ0 μ s d mit d, als de Eindingtiefe. ωκμ Aus diese Fomel lassen sich Sondefälle ableiten: a) Niedige Fequenzen (t<d): μ + 0 s t a s 0 log0 (in db); μ d notwendige Wandstäke fü gefodete Schimdämpfung a s : μ d 0, a t 0 s. μ0 s b) Hohe Fequenzen (t>d): s μ a s 0log , 686 d μ t d (in db); d a 8,686 t s s μ 0 log 0 0. d μ Gemäß de indiekten Voaussetzung fü die Heleitung de obigen Schimdämpfungsfomeln muß fü die eweils betachtete Fequenz gelten: Wellenlänge >> t,s. Die hegeleiteten Fomeln können beispielsweise vewendet weden zu Beuteilung de elativen Schimwikung unteschiedliche Mateialien ohne Beücksichtigung de 7
8 speziellen Abschimgeometie. Physikalisch ist die Schimwikung leitende Mateialien gegen H-Felde auf folgende Weise zu ekläen: Das aufteffende bzw. eingepägte äußee Feld induziet Wibelstöme in de Abschimung, die iheseits ein magnetisches Feld ezeugen, welches das äußee Feld im geschimten Raum weitgehend kompensiet! Die Ausbildung diese Wibelstomveteilung auf de Plattenobefläche ist fü die Schim wikung leitende Mateialien wesentlich. Abbildung a zeigt einen Ausschnitt de Wibelstomveteilung auf eine langen leitenden Platte, die senkecht mit einem ebenen Wellenfeld bestahlt wid. Bei de voliegenden Stomichtung wid das eingepägte Magnetfeld duch das von den Wibelstömen ezeugte Magnetfeld im Innenaum maximal ausgelöscht. Wid die Ausbildung de Wibelstöme in diese Richtung duch einen langen Schlitz in de Schimwand behindet (Abbildung b), kann sich de Stom im Beeich des Schlitzes nicht optimal einstellen und das einfallende H-Feld geift voll duch. Die Schimwikung wid in diesem Beeich daduch stak vemindet. Abbildung : a) Obeflächenstomveteilung auf eine langen Metallplatte bei senkechte Bestahlung mit einem ebenen Wellenfeld. b) Stöung de Obeflächenstomveteilung duch einen langen Schlitz.. Die Wellenimpedanz im Nah- und Fenfeld eines Stahles Die Eigenschaften eines elektomagnetischen Feldes weden bestimmt duch die Quellen, duch die Eigenschaften des übetagenden Mediums und duch den Abstand von Quelle und Aufpunkt, in dem das Feld betachtet weden soll. Befindet sich de Aufpunkt in unmittelbae Nähe de Quelle, wid die Ausbildung de Felde vonehmlich duch die spezielle Fom de Quelle bestimmt. In weitee Entfenung hängen die Eigenschaften de abgestahlten Felde wesentlich vom Übetagungsmedium (Luft) ab. Aus diesem Gund 8
9 kann de Raum um eine Stahlungsquelle (Antenne) in zwei Beeiche unteteilt weden, und zwa in den Nahfeldbeeich und in den Fenfeldbeeich. Das Vehältnis von elektischem Feld E zu magnetischem Feld H wid als Wellenwidestand (Wellenimpedanz) bezeichnet. H E Z Fü den Feiaum gilt: Ω ε μ H E Z Im Nahfeld wid das Vehältnis E/H duch die Eigenschaften de voliegenden Antenne bzw. duch die Entfenung zu Antenne bestimmt. Wenn die Quelle einen hohen Stom füht und mit kleine Spannung betieben wid, ist im Nahbeeich vonehmlich ein magnetisches Feld festzustellen (E/H<377 Ω). Füht die Quelle umgekeht einen elativ geingen Stom und wid mit hohe Spannung betieben, so gilt E/H>377 Ω und das elektische Feld dominiet. Im Paktikum weden divese Antennen als Stahlungsquelle bzw. als Detekto eingesetzt. Ihe gundsätzlichen Stahlungs- und Empfangseigenschaften lassen sich aus den entspechenden Eigenschaften de beiden Elementastahle (ideale Dipol, Stomschleife) ableiten, die im Folgenden angegeben weden. Unte einem idealen Dipol vesteht man eine stabfömige seh kuze Antenne, die übe ihe gesamte Länge Δz einen konstanten Stom I füht. Als Stomschleife bezeichnet man eine kleine Schleife mit de Fläche F, die übe den ganzen Umfang einen konstanten Stom I füht. Als Lösung de eweiligen Feldgleichung de Beiden Elementastahle egeben sich die folgenden Feldkomponenten (Kugelkoodinatensystem). Ideale Dipol Stomschleife ( ) ϑ ω μ π cos + Δ e z I E ( ) ϑ π cos + e F I H ( ) ϑ ω μ π ϑ sin Δ e z I E ( ) ϑ π ϑ sin e F I H ϑ π ϕ sin 4 + Δ e z I H ϑ π ϕ sin e Z F I E Mit λ π und Abstand de Quelle zum Aufpunkt. 9
10 Die Gegenübestellung de Feldgleichungen zeigt die weitgehende Dualität von idealem Dipol und Stomschleife. Im Nahbeeich ( < λ / π ) sind in den Feldgleichungen nu die Teme zu beücksichtigen, die die gößten negativen Potenzen von enthalten, wähend im Fenbeeich ( > λ / π ) die Teme mit de kleinsten negativen Potenz dominieen. Die eweiligen Radialkomponenten weden im Fenfeld vollständig gedämpft. Abbildung 4 zeigt die pinzipiellen Feldbilde des idealen Dipols und de Stomschleife im Fenfeld. Abbildung 4: a) Pinzipielles Feldbild des idealen Dipols b) Pinzipielles Feldbild eine Stomschleife Als Wellenwidestand wid die Göße definiet, die sich aus E und H in Hauptstahlichtung( θ π / ) egibt. Damit beechnen sich die Wellenimpedanzen de beiden Stahle zu: ideale Dipol Stomschleife + + E + ϑ ( ) E Z Z ϕ 0 Z Z Hϕ 0 H + ϑ + + Nahfeld << λ / π λ π Z Z0 Z0 Z0 k E Z Z0 Z0 Z0 π λ Fenfeld >> λ / π Z Z 0 Z Z 0 ( ) Bei beiden Stahlen sind E und H im Fenfeld in Phase und untescheiden sich nu duch einen konstanten Fakto Z 0 (ebene Welle). Die Eigenschaften des abgestahlten Feldes hängen hie also nu vom Übetagungsmedium Luft ab. Im Nahbeeich ist de Wellenwidestand des idealen Dipols wesentlich göße, bei de Leiteschleife wesentlich kleine als Z 0. Man spicht hie deshalb von einem Hochimpedanz- bzw. Niedeimpedanzfeld. Den Faktoen k E bzw. k M gibt das Vehältnis des Wellenwidestandes im Nahfeld und des Wellenwidestandes im Fenfeld in Abhängigkeit des Abstandes de Quelle zum Aufpunkt an. 0 k M
11 Abbildung 5 zeigt den Velauf de Feldwellenwidestände als Funktion von /( λ / π ). Abbildung 5: Veläufe de Wellenwidestände.3 Wandewellenmethode nach Schelkunoff [ ] Die Rechnung nach de Wandewellenmethode basiet auf den Reflexionsescheinungen, die beim Aufteffen eine elektomagnetischen Welle auf eine leitende Wand unendliche Ausdehnung aufteten (Abbildung6). Damit lassen sich behandeln ebene Wellen, Hochimpedanzfelde und Niedeimpedanzfelde. Abbildung 6: Velauf de Feldstäkeanteile bei Reflexion an eine Schimwand. Beim Aufteffen auf eine Tennfläche wid die Welle z.t. eflektiet, z. T. titt sie duch und läuft weite. Das Vehältnis von eflektiete elektische Feldstäke zu einfallende elektische Feldstäke an de Tennfläche wid als Reflexionsfakto bezeichnet und hat fü den senkechten Einfall die folgende Fom:
12 Reflexion an Fläche : Reflexion an Fläche : am ma Za Za Zm Zm + + Zm Zm Za Za (Z a,m Wellenimpedanzen) Das Vehältnis von duchgehende elektische Feldstäke zu einfallende elektische Feldstäke an de Tennfläche wid als Tansmissionsfakto bezeichnet. Fü senkechten Einfall egibt sich: Tansmission Fläche : Tansmission Fläche : tam + am tma + ma Za Za + Zm Zm Za + Zm De Velauf de Feldstäken an den Tennflächen de einzelnen Medien ist also duch die Wellenimpedanzen chaakteisiet. Aus den in Absatz. gemachten Betachtungen egibt sich damit fü Z a, wenn als Stahlungsquelle z. B. ein Dipol ode ein Loop eingesetzt wid: Fenfeld (Ebene Welle) : Z a Z0 Hochimpedanzfeld (Nahfeld Dipol) : Za ke Z0 λ /( π ) Z0 Niedeimpedanzfeld (Nahfeld Schleife) : Za km Z0 ( π ) / λ Z0 Die chaakteistische Impedanz eines homogenen, isotopen Mediums ist ω μ Z m. κ + ω ε 0 Fü Metalle gilt κ >> ω ε und die Wellenimpedanz Z m beechnet sich damit zu Z m ω μ κ ( + ) (d Eindingtiefe aus Abschnitt.) π f μ +. κ d κ Außedem efäht eine Welle beim Duchlaufen eines Mediums eine Phasenveschiebung und bei velustbehafteten Medien zusätzlich eine Dämpfung. Fü den hie betachteten Fall des Duchlaufens eine Metallschicht de Dicke t egibt sich de folgende Zusammenhang: E d E d e γ t + mit γ α + ω μ ( κ + ω ε ) ω μ κ. d Mit den oben dagestellten Zusammenhängen kann man einen Reflexionsfahplan fü die Ändeung de Feldintensität bei Reflexion an eine Schimwand aufstellen (Abbildung 7).
13 t am + am am ma t am e γt ma t t am am e e γt γt t am t ma e γt ma t am t ma e γt t ma tam eγ t ma tam e3γ t am t ma tma e3γ usw. Abbildung 7: Ändeung de Feldintensität bei Reflexion an eine Schimwandung. Die weitelaufende Welle W setzt sich also aus meheen Anteilen zusammen, ih esultieende Tansmissionsfakto lautet: t w t am t ma e γ t γ t 4 4γ t ma e ma e diekt Umlauf. tans Re flexion Re flexionen aus meheen Umläufen Mit de Summenfomel fü die unendliche Reihe (Klammeausduck) wid daaus γ t tw tam tma e γ t ma e Aus diesem Ausduck lässt sich die Schimdämpfung beechnen. a s 0log 0 t w 0log 0 t am t ma e γ t γ t ( e ), ma die sich in folgende Anteile aufteilen lässt:.) Reflexionsvelust: ar 0log0 tam tma 0log0 ( + k Z / Z ) E, M 0 m 4 ke, M Z0 / Zm Füht man die elative spezifische Leitfähigkeit ( κ / κ Kupfe ) und die Pemeabilitätszahl des Metalls ein, gelangt man unte de Bedingung Z a >> Z m zu den folgenden Näheungen: 3
14 Fenfeld : Hochimpedanzfeld : Niedeimpedanzfeld : ( Abstand de Schimwand zum Quellpunkt) Im Nahfeld ( < λ / π ) μ f a MHz R 08 0 log0 κ (in db) 3 μ f MHz ar 4 0 log 0 κ (in db) μ a log R 0 κ f MHz (in db) egibt sich mit wachsendem Abstand von de Quelle und wachsende Fequenz fü das Niedeimpedanzfeld eine Zunahme de Reflexionsveluste, im Hochimpedanzfeld eine Abnahme de Reflexionsveluste. Im Fenfeld hängen die Veluste nu noch von de Fequenz ab..) Absoptionsvelust: a A γ t 0 log0 e α t Fü Wandstäken t<<d können die Absoptionsveluste venachlässigt weden. t d (in db) 3.) Mehfacheflexionen: a M 0 log 0 ma e γ t + ke M Zo Zm t, / 0 log e d 0 (in db) ke M Zo Z, / m + Die Koektu duch Mehfacheflexionen ist nu fü seh dünnwandige Schime im Niedeimpedanzfeld elevant, sofen a A < 0 db ist. Die Gesamtveluste egeben sich damit zu Summe: a s ar + aa + am Abbildung 8 zeigt als Beispiel den Velauf de Schimdämpfung eines 0.5 mm staken Kupfeschims im Fenfeld als Funktion de Fequenz. Abbildung 8: Schimdämpfung eines Kupfeschims. 4
15 . Realistische Genzwete de Schimdämpfung Es ist zweckmäßig, sich die Voaussetzungen fü die Heleitung de Egebnisse des voigen Abschnitts noch einmal zu vegegenwätigen: unendlich ausgedehnte ebene Schim, Aufteffen eine ebenen Wellenfont, Homogenes Schimmateial, Keine Vaiation de Wellenimpedanz im gesamten Beeich de Feldbeaufschlagung. Diese Bedingungen sind bei paktischen Anodnungen nicht ealisieba. Messkabinen beispielsweise sind aus veschiedenen Blechsektionen zusammengesetzt, wobei sowohl veschaubte als auch veschweißte Nähte aufteten. Eine einheitliche Wellenimpedanz übe die Gesamtausdehnung de geschimten Kabine ist sichelich nicht gegeben. In ealen Schimen ist weitehin mit Leckagen und sogenannten Eckeneffekten zu echnen.. Leckagen Öffnungen fü Signalleitungen Enegiezufühung Glasfaseleitungen Beobachtungsfenste Schalte und Tasten Sicheungen Ventilation und Heizung Tüen Fugen an Steckvebindungen Schauben Umbödelungen Lötstellen Schweißnähten Abdeckplatten Nach [ ] lassen sich diese Leckveluste L (in db) beücksichtigen in folgende Fom: n a a S wiklich s / 0 L + i / 0 0 log0 0 0 (in db) i mit a S als dem bisheigen theoetisch eechneten Wet und n einzelnen Leckvelusten L i. Dabei wid eine kohäente Übelageung voausgesetzt. Beispiel: Abschimmateial mit a S 00 db fü einen bestimmten idealen Schim, abe mit folgenden Leckagen (sepaate Schimdämpfungen) Ventilation Filte Tüfugen L 85 db L 9 db L3 75 db 00 / 0 85 / 0 9 / 0 75 / 0 a S wiklich 0 log [ ] 7,4 db 0 0 Entscheidend sind hie die Leckveluste. Das Egebnis a S (wiklich) wid kaum davon beeinflusst, wie goß die Schimdämpfung a S des Abschimmateials selbst ist, solange sie etwa 0 db übe dem kleinsten Wet de Leckveluste liegt. 5
16 . Stehende Wellen Bei de Wandewellenmethode nach Abschnitt.3 ist nicht beücksichtigt, dass sich ein ealistische Schim wie eine kompliziete Empfangsantenne vehalten kann, dass insbesondee eine zweite Schimwand vohanden ist, die zu stehenden Wellen zwischen den Wänden fühen kann und zu Resonanzen bei hohen Fequenzen. Fü einen echtwinkligen Quade mit den Seiten a, b, l (in Meten) lauten diese Resonanzfequenzen m n k f (in MHz), a b l m, n, k 0,,, unabhängig voneinande. Wenn im einfachsten Fall a b l ist, dann lautet die kleinste Resonanzfequenz f 50 / l (in MHz) min entspechend den TE 0, TE 0, TE 0 Moden. Beispiele: Messkabine: a b l,5 m f min 84,8 MHz; 9-Zoll-Rack: a,5 m, b 0,76 m, l 0,56 m f min MHz. Diese Resonanzen fühen nu bei vehältnismäßig leeen Schimgehäusen zu deutlichen Einbüchen in de Schimdämpfung..3 Übeeinstimmung Rechnung Messung Die Übeeinstimmung de theoetisch emittelten Wete mit Messesultaten ist gut bei Schimdämpfungen bis ca. 40 db [ ]. Bei Schimdämpfungen zwischen 40 und 00 db kann die Übeeinstimmung von gut bis schlecht eichen; sie hängt ab von de Fequenz, vom Gad de Inhomogenität des Schimgehäuses und insbesondee von den Leckstellen; wenn die Übeeinstimmung schlecht ist, liegen die Messwete meistens niedige als die Rechnungsegebnisse. Theoetisch emittelte Schimdämpfungen übe 00 0 db müssen mit Vosicht betachtet weden, da sich wegen de in de Paxis nicht zu vemeidenden Leckstellen Schimdämpfungen übe 00 0 db kaum vewiklichen lassen. 3. Wabenfenste und EMC-Dichtungen Wabenfenste Felde mit eine Fequenz f << fg (Genzfequenz) efahen an eine Wabe eine Dämpfung, die nach de Hohlleitetheoie fü veschiedene Wabenfomen mit den folgenden Fomeln emittelt weden kann [. 3] 6
17 Fü ein Wabenfenste, bestehend aus n paallelen Waben, gilt a s 30l / b 0log0 n, kohäente Übelageung voausgesetzt. EMC-Dichtungen Wie beeits ausgefüht, fühen Tennfugen, Nähte, Veschlüsse zu Leckagen. Wenn zwei Flächen ohne Dichtung aufeinande gelegt weden, können selbst hohe Schließkäfte die beiden Obeflächen nicht zu vollständigem Schluß bingen. Dann teten Schlitzstahlungseffekte auf, die goße HF-Stöpegel egeben. Dabei bestimmt die maximale Ausdehnung in eine Richtung (nicht die Fläche) den Betag de Leckage. Eine goße Anzahl kleine Öffnungen füht zu wenige Leckvelusten als eine goße Öffnung mit deselben Gesamtfläche. Eine Dichtung, die elastisch genug ist, um beide Obeflächen unte venünftige Kaft auszufüllen, vehindet die Leckagen. Im wesentlichen existieen folgende Typen von Dichtungen: Dichtungen aus gewiktem Dahtnetz Dichtungen mit eingegossenen Dähten Leitende Kunststoffe Kontaktleisten-Dichtungen 4. Vewendete Antennen Im Vesuch soll die Schimdämpfung im Beeich 0 khz bis GHz eine ealen Kabine emittelt weden. Zu Bestahlung de Kabine und als Detektoen weden dazu dei unteschiedliche Antennenaten eingesetzt. Messung bzw. Anegung efolgt übe ein 50 Ω System (BNC-Kabel). Die Anpassung de Klemmeneingangsimpedanz de Antennen an das 50 Ω System hat einen diekten Einfluß auf die maximal abstahlbae bzw. messbae Leistung und ist eine bestimmenden Paamete bei de Auswahl de unteschiedlichen Antennentypen fü die veschiedenen Messfequenzen. 7
18 .) Schleifenantenne (Loop) 0 khz 0 MHz Im Fequenzbeeich von 0 khz bis 0 MHz weden Schleifenantennen mit einem Duchmesse von 30.4 cm vewendet. Da in diesem Fequenzbeeich die Wellenlänge maximal 30 Mete bei 0 MHz betägt und somit λ >> 30.4 cm ist, entspicht ih pinzipielles Stahlungsvehalten dem des Elementastahles (Stomschleife). De Abstand de Schimwand von de sendenden Stomschleife liegt bei de Vesuchsduchfühung im Zentimetebeeich, so dass die Nahfeldbedingung ( << λ/π) imme efüllt ist und ein Niedeimpedanzfeld (E/H << 377 Ω voliegt. Die Eingangsimpedanz am Klemmpunkt eine Leiteschleife setzt sich zusammen aus dem Stahlungswidestand R S und de Eigeninduktivität L de Schleife. R S ist definiet als de äquivalente ohmsche Widestand, an den bei einem Klemmeneingangsstom I die abgestahlte Wikleistung P S abgegeben wüde ( PS / I R S ). Duch die Vegößeung de Windungszahl n kann man die abgestahlte Leistung eine Schleifenantenne ehöhen ( PS / n I R S ). Begenzt wid diese Möglichkeit edoch duch die gleichzeitige Ehöhung de Eigeninduktivität L, die zu eine Begenzung des Stomes und somit de abgestahlten Leistung bei höheen Fequenzen füht. Bei de Messung weden aus diesem Gund im Fequenzbeeich von 0 khz bis MHz Schleifenantennen mit 9 Windungen L μH 30μH und bei 0 MHz Schleifen- L 3.33μH eingesetzt. antennen mit nu eine Windung ( ).) Bikonische Antenne (00 MHz) Fü die Messung bei 00 MHz weden beitbandige bikonische Antennen (Abbildung 9) vewendet. Sie zeichnen sich duch eine übe einen weiten Fequenzbeeich weitgehend konstante Klemmeneingangsimpedanz und eine fequenzunabhängige Stahlungschaakteistik aus. Die Stahlungschaakteistik entspicht weitgehend de des Elementadipols. De Abstand de Antenne von de Schimwand betägt bei de Messung,83 Mete. Bei eine Wellenlänge von 3 Meten ist somit die Nahfeldbedingung efüllt. Es liegt ein Hochimpedanzfeld vo (E/H > 377 Ω). Abbildung 9: Bikonische Antenne 3.) Logaithmisch peiodische Dipolantenne ( GHz) 8
19 Als logaithmisch peiodisch bezeichnet man diese Antennenstuktu (Abbildung 0), weil ede folgende Elementabeeich zwischen zwei Dipolen das im Stufungsfakto τ: vekleinete bzw. vegößete Modell des voliegenden Beeiches ist ( τ Rn+ / R n n+ / n ). Die beiden Zentalstäbe diese Antenne stellen eine homogene Leitung da, übe die die einzelnen Dipole angeegt weden. Die aktive Zone, das bedeutet de Dipol dessen Länge bei de Messfequenz am nähesten an de λ/-resonanz liegt und de somit den gößten Stom füht, wandet mit steigende Fequenz zu Spitze vo. An de Abstahlung sind hauptsächlich die Elemente in de Nähe de aktiven Zone beteiligt. Duch geeignete Wahl des Paametes τ und α kann man eine weitgehend fequenzunabhängige Eingangsimpedanz (z.b. 50 Ω) und Richtchaakteistik eeichen. Die Richtchaakteistik kann mit Hilfe de Elementastahle abgeleitet weden. Beim Vesuch betägt de Abstand von Antenne zu Schimwand ca. Mete, so dass bei de Messfequenz von GHz im Fenfeld gemessen wid. Abbildung 0: Logaithmisch-peiodische Dipolantenne 5. Gundbegiffe de Spektumanalyse Ein Spektumanalysato ist ein Messgeät, mit dem die Chaakteistik elektische Signale in Abhängigkeit von de Fequenz gemessen weden kann. E stellt die spektale Amplitudenveteilung eines Signals übe de Fequenz da. Im Gegensatz dazu bildet ein Oszilloskop den zeitlichen Velauf eines Signals ab. Da ein Spektumanalysato einen goßen Amplitudenbeeich anzeigen kann (00 db und meh), ist e besondes geeignet, niedige Pegel von Messspannungen sichtba zu machen. Zudem können z. B. veschiedene, in de Fequenz dicht beieinande liegende Signale aufgelöst weden. Das Signal de Meßfequenz lässt sich so eindeutig zuodnen. Ein Spektumanalysato ist damit ein Suchempfänge, de einen Fequenzbeeich einstellbae Beite (SCAN WIDTH; SPAN) peiodisch mit eine bestimmten Ablaufzeit (SCANTIME: SWEEPTIME) duchstimmt. Die am Eingang anliegenden Spektalkomponenten weden zeitlich nacheinande in die Zwischenfequenz (ZF) umgesetzt, wobei sich auf dem Bildschim eweils die ZF-Duchlaßkuve abbildet. De logaithmische Refeenzpegel (LOG REF LEVEL) befindet sich auf de obesten Rastelinie des Bildschims. Abbildung zeigt die Gundschaltung eines Spektumanalysatos. 9
20 Signal Sichtbaes Dämpfungsglied Tiefpaß Mische ZF-Filte Sägezahngeneato Bildschimanzeige Duchstimmbae Oszilato Videovestäke L.0. Videofilte (Tiefpaß) ZF-vestäke Amplitudendetekto Abbildung : Pinzip des Spektumanalysatos 6. db-teme und Definitionen In de Nachichtentechnik bzw. in diesem Labovesuch weden fü Spannungen und Leistungen häufig logaithmische Pegelmaße vewendet. Ein Voteil ist, dass sich selbst fü exteme Amplitudenvehältnisse übeschaubae und handliche Pegelwete egeben. Weitehin weden Multiplikation und Division duch die einfacheen Opeationen Addition und Subtaktion esetzt. Schon zu Beginn (Kapitel ) wude die Schimdämpfung als logaithmisches Pegelmaß definiet. Bei de Benutzung eines Spektumanalysatos titt häufig die Einheit dbm auf, was bedeutet, dass mw als Bezugsleistung vewendet wid: P a p 0 log0 db ( mw) ode dbm. mw Daaus folgt, dass beispielsweise 0 dbm, 00 mw entspechen. Fü eine Leistung von 0,0 mw folgt entspechend 0,0mW a p 0 log0 0 dbm. mw Fü Empfangsantennen wid häufig μv als Bezugsspannung vewendet. Das Anhängsel zu Pegelangabe lautete dann db(μv) ode kuz dbμv. Beispiele: 0 dbm an 50 Ω P mw U /50 Ω U 0. 4 V 0.4V au 0log0 dbμv 07 dbμv μv a 07 dbm an 50 Ω P 9,950 mw p U μv bzw a u 0 dbμv 0
21 Teil B: Vesuchsduchfühung Ziel de Vesuche ist es, die Schimdämpfung eine Messkabine, die zu Bewältigung messtechnische Aufgaben im AB Theoetische Elektotechnik eingesetzt wid, zu bestimmen. Aus de theoetischen Betachtung ging hevo, dass die Schimdämpfung ein fequenzabhängiges Phänomen dastellt. Um einen Übeblick übe die Dämpfungseigenschaften des geschimten Raumes bei Beeinflussung duch äußee elektomagnetische Felde zu ehalten, ist es somit efodelich, Expeimente bei unteschiedlichen Fequenzen duchzufühen. Jede Vesuch ist daduch chaakteisiet, dass eine feldezeugende Quelle (Schleifenantenne, Bikonische Antenne, logaithmisch-peiodische Antenne) im Außenbeeich de Kabine angeodnet wid und ein Detekto (Empfänge) im Inneen de Kabine. Gleichzeitig besteht fü edes Messvefahen die Möglichkeit, die Vehältnisse ohne Vohandensein de Messkabine zu simulieen (Feiaummessung), was nach den zuest aufgefühten Definitionsgleichungen de Schimdämpfung aus Abschnitt. a auch notwendig ist. Die Angabe eines Schimdämpfungswetes ohne Nennung des Vefahens, mit dem de Wet ezielt wude, ist wetlos. Fü die Messung de Schimdämpfung eine Messkabine existieen dahe die folgenden Nomen und Voschiften: MIL STD 85 NSA 65 6 IEEE No. 99 VG Teil 5 Die nachfolgende Schimdämpfungsmessung oientiet sich an den Empfehlungen de Voschiften NSA 65-6 und MIL-STD-85. In de Voschift NSA 65-6 wid nicht nu das Vefahen zu Bestimmung de Schimdämpfung eine Messkabine spezifiziet, sonden auch die allgemeinen Anfodeungen fü deen Auslegung, Konstuktion und Bau. Außedem wid eine Kuve (Abbildung ) angegeben, welche Schimdämpfung ein geschimte Raum aufweisen sollte. Abbildung : Anfodeungen an einen geschimten Raum gemäß NSA 65-6.
22 7. Vewendete Geäte Hewlett Packad Signal Geneato 8656B (SG) Fequenzbeeich : 0. MHz 990 MHz Maximale Ausgangs- : 4 dbm (ca. Volt) leistung an 50 Ω TOE 7607 Wide Band Amplifie TOELLNER (V) Fequenzbeeich : 0-5 MHz Vestäkung : 0,0,6 db Maximale Eingangs- : 50 Vpp spannung EIN RF Powe Amplifie Model 603L (V) Fequenzbeeich : MHz Vestäkung : 40 db Maximale Eingangs- : Vpp spannung Test Receive ESH, Stömessempfänge (StMe) Fequenzbeeich : 9 khz 30 MHz Empfindlichkeit : -30 dbμv bei 00 khz Bandbeite Anitsu Spectum Analyze MS70C (SA) Fequenzbeeich : 00 khz 3,6 GHz Empfindlichkeit : -95 dbm (00 khz MHz) -5 dbm ( MHz GHz) Achtung! Bei de Vesuchsduchfühung befindet sich die Sendeantenne außehalb de Messkabine. Daduch kann z. B. de Radioempfang in de Umgebung des Institutes gestöt weden. Deshalb ist nach efolgte Messung de RF-Ausgang des Signalgeneatos sofot abzuschalten!! 8. Sniffe-Test Vewendete Geäte: - Loop (9 Windungen) - Signalgeneato - Tansistoadio Im esten Schitt de Schimdämpfungsmessung soll die Messkabine zunächst mit Hilfe des Sniffe-Tests auf Schwachstellen (Leckagen, Abschnitt.) untesucht weden. Die Kabine wid dazu von außen mit einem amplitudenmodulieten 530-kHz-Signal bestahlt. Als Detekto innehalb de Kabine vewendet man einfach ein Tansistoadio, dessen Empfangsbeeich zunächst in unmittelbae Nähe de Sendeantenne auf die entspechende
23 Fequenz eingestellt wid (MW). Damit untesucht man besondes die Schwachstellen de Messkabine, wie Öffnungen fü Signalleitungen, Vesogungsduchfühungen, Tükanten und Fugen. Gefundene Leckagen weden mit Hilfe eines Klebebandes am Fußboden de Messkabine makiet (maximal vie) und mit eine fotlaufenden Numme in die Skizze (Abbildung 3) eingetagen. Bei allen weiteen Messungen wid de Schimdämpfungswet de Messkabine nu an diesen Schwachstellen bestimmt. Als eale Schimdämpfung wid dann de kleinste ehaltene Wet fü die entspechende Messfequenz ausgewiesen (wost case). Den Meßaufbau fü den Sniffe-Test zeigt Abbildung 3. Abbildung 3: Messaufbau fü den Sniffe-Test Wichtig: Besondes bei de Messung im Feiaum ist daauf zu achten, dass de Stömessempfänge bzw. de Spectum Analyse nicht übesteuet wid. Beide Geäte besitzen ein Eingangsdämpfungsglied, das vo Beginn ede Messung zunächst auf 0 db bzw. 70 db einzustellen ist. Est wähend de Messung wid die Dämpfung soweit heuntegeschaltet, bis eine auseichende Anzeige efolgt 9. Schimdämpfung bei magnetischen Felden (Niedeimpedanzfeld, 0 khz) Messfequenz : 0, khz Vewendete Geäte : Signalgeneato TOE 7607 Wide Band Amplifie Stömessempfänge Sendeantenne : Loop (9 Windungen) Empfangsantenne : Loop (9 Windungen) 3
24 Feiaummessung Zu Simulation des Feldes in Abwesenheit de Kabine weden Sende- und Empfangsschleife in einem Abstand von 60 cm (Distanz: Zentum Zentum) ohne zwischenliegendes Hindenis aufgestellt. Die Messung efolgt gemäß Abbildung 4. De Pegel de gemessenen Empfangsspannung am Stömessempfänge ist in Tabelle einzutagen. Die in de Voschift NSA 65 6 angegebenen Mindestanfodeung fü die Schimdämpfung bei einem Magnetfeld fü 0 khz betägt ca. 60 db. Damit diese Wet mit Hilfe de Messung nachgewiesen weden kann, muß die Dynamik (gemessene Pegel im Feiaum minus de Messgeäteempfindlichkeit) mindestens göße gleich 60 db sein. Waum? Wie goß muß die gemessene Spannung (dbμv) deshalb am Stömessempfänge mindestens sein? De Ausgangspegel des Signalgeneatos ist solange zu ehöhen, bis de gefodete Empfangspegel eeicht wid. Abbildung 4: Messaufbau fü die Feiaummessung bei magnetischen Felden Hauptmessung Gemäß Abbildung 5 ist unte Vewendung de 30.4 cm Schleifensonden an den vie unteschiedlichen Positionen de Pegel de Empfangsspannung in Tabelle einzutagen. Sende- und Empfangsschleife sollen sich eweils im Abstand von 60 cm (Distanz: äußee Rand- äußee Rand) gegenübestehen, wobei die Schleifenflächen imme in eine Ebene liegen. Aus den ehaltenen Weten ist die Schimdämpfung fü ede Schwachstelle zu beechnen und in die Tabelle einzutagen. Die eale Schimdämpfung egibt sich aus dem kleinsten gemessenen Wet. 4
25 Abbildung 5: Meßaufbau zu Messung de Schimdämpfung bei magnetischen Felden Feiaumpegel (dbμv) Empfängspegel Schwachstelle N: (dbμv) 3 4 Reale Schimdämpfungswet Tabelle Schimdämpfungswet Auswikung von Schlitzen in de Schimwand Anhand dieses Zwischenvesuches, soll die Auswikung eines Schlitzes in de Schimwand auf die Schimwikung bei niedefequenten Magnetfelden demonstiet weden. Dazu wid die Sendeschleife in ca. Tügiffhöhe und in 30 cm Abstand von de äußeen Tükante de Kabine aufgestellt. Die Empfangsschleife wid auf de gegenübeliegenden Seite im Innenaum de Messkabine in 30 cm Abstand positioniet. Im Folgenden weden zwei Messungen de Schimdämpfung bei geschlossene Kabinentü duchgefüht. Bei de zweiten Messung ist edoch die EMC-Dichtung de Tü im Beeich des Tügiffs duch ein eingeklemmtes Blatt Papie unwiksam zu machen. 5
26 Pegelwet bei geschlossene Tü : dbμv Pegelwet bei geschlossene Tü mit eingeklemmtem Blatt : dbμv Wie goß ist die Veschlechteung de Schimdämpfung? : db Waum veschlechtet sich die Schimdämpfung? Spielt die Ausichtung de Antenne dabei eine Rolle? (Hinweis > Stahlungsdiagamm) 9. Schimdämpfung bei magnetischen Felden (Niedeimpedanzfeld, 00 khz) Messfequenz : 0,0 khz Vewendete Geäte : wie unte Punkt 9. Sendeantenne : Loop (9 Windungen) Empfangsantenne : Loop (9 Windungen) Feiaummessung Die Feiaummessung ist nach dem gleichen Pinzip wie unte Punkt 8. duchzufühen. Die gefodete Mindestschimdämpfung nach NSA NO betägt fü diesen Fequenzbeeich 90 db. Auf die entspechende Dynamik ist bei de Einstellung de Ausgangsleistung des Signalgeneatos zu achten. Hauptmessung Gemäß Punkt 9.. Schwachstelle N: Feiaumpegel (dbμv) Empfangspegel (dbμv) 3 4 Reale Schimdämpfungswet Tabelle Schimdämpfungswet 6
27 9.3 Schimdämpfung bei magnetischen Felden (Niedeimpedanzfeld, MHz) Messfequenz :,0 MHz Vewendete Geäte : wie unte Punkt 9. Sendeantenne : Loop (9 Windungen) Empfangsantenne : Loop (9 Windungen) Feiaummessung Vesuchsduchfühung entspechend Punkt 8.. Die gefodete Schimdämpfung betägt bei diese Messfequenz mindestens 00 db. Hauptmessung Gemäß Punkt 9.. Schwachstelle N: Feiaumpegel (dbμv) Empfangspegel (dbμv) 3 4 Reale Schimdämpfungswet Tabelle 3 Schimdämpfungswet 9.4 Schimdämpfung bei magnetischen Felden (Niedeimpedanzfeld, 0 MHz) Messfequenz : 0, MHz Vewendete Geäte : wie unte Punkt 9. Sendeantenne : Loop ( Windung) Empfangsantenne : Loop ( Windung) Feiaummessung Vesuchsduchfühung entspechend Punkt 9.. Als Sende- und Empfangsantennen weden hie Loops mit eine Windung vewendet. Die gefodete Schimdämpfung betägt bei diese Messfequenz mindestens 00 db. 7
28 Hauptmessung Gemäß Punkt 9. Schwachstelle N: Feiaumpegel (dbμv) Empfangspegel (dbμv) 3 4 Reale Schimdämpfungswet Tabelle 4 Schimdämpfungswet 0. Schimdämpfung bei elektischen Felden (Hochimpedanzfeld, 00 MHz) Messfequenz : 0,0 MHz Vewendete Geäte : Signalgeneato EIN RF Powe Amplifie Spektum Analyse Sendeantenne : Bikonische Antenne (Balun 50 Watt) Empfangsantenne : Bikonische Antenne Feiaummessung Zu Simulation de Feiaumvehältnisse wid entspechend Abbildung 6 vefahen. Die Antennen weden in einem Abstand von,83 Meten gegenübegestellt. Dabei ist daauf zu achten, dass als Sendeantenne die Bikonische Antenne mit dem 50 Watt Balun vewendet wid (gößee Metallbox). Die Wellenlänge bei 00 MHz betägt 3 Mete. Die Messung efolgt dahe nicht im Fenfeld sonden im Hochimpedanzfeld. Die Schimdämpfung nach NSA NO soll göße als 00 db sein. Wie goß muß die gemessene Eingangsleistung in dbm zum Nachweis de Mindestschimdämpfung am Spektum Analyze bei de Feiaummessung dahe mindestens sein? 8
29 Schwachstelle N: Feiaumpegel Empfangspegel 3 4 eale Schimdämpfungswet Tabelle 5 Schimdämpfungswet Abbildung 6: Messaufbau fü die Feiaummessung bei elektischen Felden und im Fenfeld. Hauptmessung De Messaufbau ist in Abbildung 7 dagestellt. An den vie Schwachstellen ist de Empfangspegel zu notieen. Leckagen an denen sich de vogegebene Abstand de Sendeantenne von de Schimwand nicht einhalten lässt sind zu übegehen. Die Empfangsantenne wid im Innenaum an beliebige Stelle aufgestellt und auf maximale Anzeige am Empfänge ausgeichtet (Stehende Welle, Abschnitt., fmin 75MHz ). De Abstand zu Schimwand sollte edoch 5 cm nicht untescheiten. 9
30 Abbildung 7: Meßaufbau zu Messung de Schimdämpfung bei elektischen Felden und im Fenfeld.. Schimdämpfung im Fenfeld ( GHz) Messfequenz : 999 MHz Vewendete Geäte : Signalgeneato EIN-RF-Powe-Amplifie Spektum Analyse Sendeantenne : logaithmisch-peiodische Dipolguppe Empfangsantenne : logaithmisch-peiodische Dipolguppe Feiaummessung Die Feiaummessung ist nach dem gleichen Pinzip wie in Punkt 0 duchzufühen. De Abstand de Antennen betägt bei diese Messfequenz Mete. Die Mindestschimdämpfung soll nach NSA NO göße als 00 db sein. Hauptmessung Gemäß Punkt 0 30
31 Schwachstelle N: Tabelle 6 Feiaumpegel Empfangspegel 3 4 eale Schimdämpfungswet Schimdämpfungswet Einkopplung übe Leitungen Die in die Messkabine eingebaute Metallplatte fü Kabelduchfühungen ist bei diesem Vesuch von außen diekt zu bestahlen. Die Sendeantenne befindet sich wiede in einem Abstand von Mete von de Schimwand auf Höhe de Metallplatte. Duch die Messkabelduchfühung ist ein Kabelabschnitt zu legen. Wie veändet sich das Dämpfungsvehalten de Kabine? Das Kabel ist an de Rohduchfühung zu eden und die Auswikung anschließend zu beobachten. Das Kabelstück ist wiede zu entfenen.. Auswetung de Messegebnisse Die ehaltenen ealen Schimdämpfungswete fü die einzelnen Messfequenzen, sind in Abbildung einzutagen. Efüllt die untesuchte Messkabine den gefodeten Standad nach NSA NO. 65-6? Liteatu zum Labovesuch [] H. Kaden: Wibelstöme und Schimung in de Nachichtentechnik Spinge Velag, Belin, Göttingen, Heidelbeg 959 [] D.R.J. White: A Handbook on Electomagnetic Mateials and Pefomance. Don White Consultants, Gemantown/Mayland 975 [] 3 D.R.J. White: Electomagnetic Intefeence and Compatibility Vol. 3 EMI Contol Methods and Techniques. [] 4 Specification NSA NO. 65-6: National Secuity Agency Specification Fo R.F. Shielded Enclosues Fo Communication Equipment, 964 [] 5 MIL-STD-85: Militay Standad Attenuation Measuements Fo Enclosues, Electomagnetic Shielding, Fo Electonic Test Puposes, Method Of, 956 3
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