EMV von Steckverbindern und Verbindungskabeln

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1 Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, 1 Triaxiale Zellen (CoMeT 750/CoMeT 1000) Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, bmund@.com, 2

2 Autor: Bernhard Mund, Rundfunk&Fernsehtechniker, Radio Brand Marburg, Dipl.-Ing. Nachrichten- & Mikroprozessortechnik, FH Giessen, 1984 Berkenhoff&Drebes GmbH, Asslar, Mitarbeiter seit 1985 Hersteller von Kommunikationskabeln, (CATV-Kabel) Zuständigkeiten: Leiter Entwicklung sowie HF- & EMV-Messungen Normung: Obmann des VDE/DKE UK 412.3, Koaxialkabel, Sekretär des CENELEC SC 46XA, Coaxial cables Sekretär des IEC SC 46A, Coaxial cables Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, 3 Übersicht Physikalische Grundlagen der Schirmung Definitionen, elektrische Länge, Kopplungsübertragungsfunktion Messverfahren Zangenverfahren, Speisedrahtverfahren Triaxialverfahren Kopplungswiderstand mit Anpassung Kopplungswiderstand mit Kurzschluss Umrechnung Kopplungswiderstand in Schirmdämpfung Besondere Probleme bei der Messung von Steckern Diskussion Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, bmund@.com, 4

3 Definitionen, elektrische Länge tiefe Frequenzen: Kopplungswiderstand hohe Frequenzen: Schirmdämpfung I 2 U 1 l < λ/10 I 2 U Z T = I 2 1 a S = 10 log( P1 / P2 ) = 20 log( U1 / U 2) l << λ/4 [mω/m] Verhältnis von zwei Leistungen --> längenunabhängig U 1 C T I 2 Y T = I 2 U1 l Wellenlänge λ = ( c 0 vk )/ f Verhältnis von U/I = R --> längenabhängig Z = Z + Z TE F T [pf/m] elektrisch lang: f c elektrisch kurz: c o > o f < 2 l εr1 εr2 10 l εr1 (EN ) Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, bmund@.com, 5 gerechnete Kopplungsübertragungsfunktion T nf Frequenzverlauf von a s und Z T T s, n f = ( Z ± Z ) F T Z Z l S 2 n f db T f Tn n = nahes Ende f = fernes Ende L = 1 m ε r1 =2,3 ε r2 = 1,0 Z F =0 10 khz 100 khz 1 MHz 10 MHz fcn fcf 1 GHz 10 GH Kopplungswiderstand Schirmdämpfung Frequenz Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, bmund@.com, 6

4 Verfahren mit Absorberzangen Schirmdämpfung von 30 MHz bis 1000 MHz MDS MHz bis 2500 MHz MDS 22 Absorber Meßlänge Absorber Generator Empfänger Stromwandler zu prüfender Kabelschirm Abschlußwiderstand IEC bzw. EN Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, 7 Speisedraht-Verfahren Kopplungswiderstand bis 1 GHz, Anpassung des Speisedrahtes 20 db min! OUT R A B 1 1 Netzwerkanalysator 2 Dämpfungsglied 20 db 3 Leistungsteiler 4 Anpassglieder 5 Prüfling 6 zu prüfender Stecker 7 Abschlusswiderstand 8 Speisedraht IEC bzw. EN Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, bmund@.com, 8

5 Messen mit dem Triaxial-Verfahren, Prinzip Kopplungswiderstand und Schirmdämpfung DC bis über 12 GHz mit einem Messaufbau Sender zu prüfender Schirm Meßrohr Abschlußwiderstand Empfänger Abschirmhülse IEC Kopplungswiderstand, IEC Schirmdämpfung, EN , Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, 9 gemessene Übertragungsfunktion RG 058 Kopplungswiderstand Schirmdämpfung as/[db] , Frequenz f/[mhz] Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, bmund@.com, 10

6 Gegenüberstellung der Messverfahren Zangenverfahren Schirmdämpfung 30 MHz bis 1 GHz Speisedraht-Verfahren Kopplungswiderstand bis 1 GHz Triaxialverfahren Kopplungswiderstand und Schirmdämpfung DC bis 12 GHz mit einem Messaufbau! Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, bmund@.com, 11 Gegenüberstellung der Messverfahren Zangenverfahren Speisedraht-Verfahren Foto: Günther Quednau Schirmdämpfung 30 MHz bis 1 (2,5) GHz Kopplungswiderstand bis 1 GHz Kopplungswiderstand und Schirmdämpfung DC bis 12 GHz mit einem Messaufbau! Triaxialverfahren Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, bmund@.com, 12

7 Triaxialer Aufbau für Stecker mit Rohr im Rohr zu prüfender Stecker Steckverbinder Generator Empfänger HF-dichte Verlängerung Anschluss-Kabel Messrohr Schirmhülse Rohr im Rohr -Verfahren IEC , Kopplungswiderstand, Schirmdämpfung und Kopplungsdämpfung von Steckern und Assemblies Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, 13 Messen von konfektionierten Kabeln Rohr Stecker-Anschluss zu prüfendes assenbly Generator Empfänger Anschlusskabel Schirmhülse HF-dichtes Verlängerungsrohr IEC , Rohr im Rohr -Verfahren (Stecker & konfektionierte Kabel) Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, 14

8 größere Stecker und Anschlusstechnik Generator Messrohr zu prüfender Stecker Empfänger Rohr in Rohr Anschlußkabel Messkopf mit Schirmhülse Gehäuse IEC Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, 15 Triaxialverfahren mit Gehäuse und Rohr im Rohr Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, 16

9 Triaxialverfahren, Rohr im Rohr mit Kurzschluss IEC Schirmhülse Kontaktscheibe Kurzschluss Schirm Verlängerungsrohr paariger, zu prüfender Stecker Kopplungswiderstand bis 100 MHz Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, 17 Triaxialverfahren, Rohr im Rohr mit Anpassung IEC Schirmhülse Kontaktscheibe Lastwiderstand Schirm Verlängerungsrohr paariger, zu prüfender Stecker Kopplungswiderstand bis 100 MHz Schirmdämpfung bis 12 GHz mit einem Messaufbau Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, 18

10 Messen der Kopplungsdämpfung Die Kopplungsdämpfung ist die Summe aus Unsymmetriedämpfung des Paares und der Schirmdämpfung des Schirmes Generator Prüfling Messrohr symmetrisch/ asymmetrischer Abschluss Symmetrieübertrager Schirmhülse Empfänger Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, 19 Triaxialverfahren, Rohr im Rohr mit symm/asymm IEC Schirmhülse Kontaktscheibe symmetrisch/ asymmetrischer Lastwiderstand Schirm Verlängerungsrohr paariger, zu prüfender Stecker Kopplungswiderstand bis 100 MHz Kopplungsdämpfung bis 3 GHz Schirmdämpfung bis 12 GHz Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, bmund@.com, 20

11 Umrechnung von Kopplungswiderstand in Schirmdämpfung Allgemein: 20 db/dekade a s = 20 log 10 Z Z Z 1 T l 2 T f Tn 20 db/dekade: a a S S = 20 log = 20 log ZT l l Z1Z2ω ± v2 v1 ZTc0 Z Z ω ε ± 1 Der Aussenraum (Z 2 ) beeinflusst die Schirmdämpfung 2 r2 ε r1 10 khz 100 khz 1 MHz 10 MHz fcn fcf 1 GHz 10 GH Kopplungswiderstand Schirmdämpfung l Länge des zu prüfenden Kabels; Z 1 Wellenwiderstand des Kabels; Z 2 Impedanz des äußeren Kreises; ε r1 Dielektrizitätskonstante des Kabels; ε r2 Dielektrizitätskonstante des äußeren Kreises; v 1 Ausbreitungsgeschwindigkeit im inneren Kreis; v 2 Ausbreitungsgeschwindigkeit im äußeren Kreis; c 0 Lichtgeschwindigkeit im Vakuum; ϖ Kreisfrequenz = 2πf Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, bmund@.com, 21 Allgemeine Messprobleme bei Steckern Messvorrichtung zu prüfender Stecker Kuppler Anschlusskabel Kopplungswiderstände addieren sich! Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, bmund@.com, 22

12 Zusammenfassung 1 Die Schirmwirkung von Kabeln und Steckern wird im unteren Frequenzbereich als Kopplungswiderstand Z T und im oberen Frequenzbereich als Schirmdämpfung a S angegeben. Bei geschirmten symmetrischen Kabeln und Steckern ist das Mass der Schirmwirkung die Kopplungsdämpfung als Summe aus Unsymmetriedämpfung des Paares und der Schirmdämpfung des Schirms. Messverfahren für Kabel und Stecker Stecker sind Zangenverfahren, Speisedrahtverfahren und das Triaxialverfahren Mit dem Triaxialverfahren (CoMeT) kann sowohl der Kopplungswiderstand als auch die Schirmdämpfung von Kabeln und Steckern im Frequenzbereich von 100 khz bis 12 GHz mit einem Meßaufbau sowie die Kopplungsdämpfung symmetrischer Kabel und Stecker gemessen werden. Zusätzlich kann die Kopplungsdämpfung symmetrischer Kabel und Stecker gemessen werden. Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, bmund@.com, 23 Zusammenfassung 2 Mit dem Triaxialverfahren kann kann der Kopplungswiderstand (je nach Frequenzbereich) mit oder ohne Anpassung gemessen werden. Das Triaxialverfahren ist für Kabel in IEC und in EN , und für Stecker in IEC genormt Während die EMV-Messtechnik für Kabel seit längerer Zeit eingeführt und bewährt ist, bestehen bei der Messung von Steckern noch zahlreiche Fragen, besonders bezüglich der Anschlusskabel/Anschlusstechnik des Prüflings, der Anpassung und des Einflusses gesteckter Stecker. Weitere Informationen: Messtechnik Ansprechpartner für weitere Fragen: Thomas.schmid@rosenberger.de, rdamm@.com, bmund@.com Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, bmund@.com, 24

13 Internationale Normen für Triaxialverfahren IEC TR Introduction to EMC measurements IEC Surface transfer impedance - Triaxial method IEC IEC Shielded screening attenuation, test method for measuring of the screening attenuation "a s " up to and above 3 GHz Shielded screening attenuation, test method for measuring the Transfer impedance Z T and the screening attenuation a S of RF-Connectors up to and above 3 GHz; Tube in Tube method IEC IEC/PAS Ed1 IEC EN Coupling attenuation, triaxial method Shielded screening attenuation test method for measuring the Screening Effectiveness of Feedtroughs and Electromagnetic Gaskets Communication cables - Specifications for test methods Part 1-6: Electrical test methods -Electromagnetic performance (includes IEC and IEC ) Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, bmund@.com, 25 Literatur [1] Bernhard Mund, Thomas Schmid: Messen der Schirmdämpfung von Steckverbindern, Kabeldurchführungen und EMV-Dichtungen, 3. Anwenderkongress Steckverbinder 2009, Vogel Verlag, Würzburg [2] Bernhard Mund: EMC of Cables & Connectors & Test methods, EMC Zurich 2007 [3] Bernhard Mund: Measuring the EMC on RF-connectors and connecting hardware, Tube in tube test procedure, IWCS (International wire & cable symposium) 2004, Philadelphia [4] Thomas Hähner und Bernhard Mund: Measurement of the screening effectiveness of connectors & cable assemblies: International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility, EMC 2002 [5] 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 2000 [6] Otto Breitenbach, Thomas Hähner und Bernhard Mund: Kabelschirmung im Frequenzbereich von MHz bis GHz, erweiterte Anwendung eines einfachen Meßverfahrens, Frequenz 1-2/1999 S [7] Lauri Halme, Rauno Kytönen, "Background and introduction to EM screening (shielding) behaviours and measurements of coaxial and symmetrical cables, cable assemblies and connectors", IEE Colloquium on screening effectiveness measurements, Savoy Place London, 6 May 1998 Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, bmund@.com, 26

14 Danke fürs Zuhören Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, 27 Berkenhoff & Drebes GmbH, D Asslar, Germany ca. 325 MA ca. 35 Mio EUR seit 1995 selbständig durch Management-Buy-out 1. Ziel ist die Erhaltung der Arbeitsplätze! - Hersteller von Kommunikationskabeln - Monofile (Techn. Fäden) - Feinseile - Zieh-und Presswerkzeuge - Messtechnik - Lichttechnik Bernhard Mund, Berkenhoff & Drebes GmbH, Herbornerstrasse 100, D Asslar, bmund@.com, 28

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