Entwicklungsbegleitende EMV-Prüfungen HF leitungsgeführt und gestrahlt. Andreas Klink Teseq GmbH Berlin

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1 Entwicklungsbegleitende EMV-Prüfungen HF leitungsgeführt und gestrahlt Andreas Klink Teseq GmbH Berlin

2 Übersicht Eingeströmte HF im Bereich 10 khz bis 1000 MHz mit Koppelnetzwerk Gestrahlte HF im Bereich 30 MHz bis 1000 MHz (6 GHz) mit GTEM-Zelle Messung der Störaussendung im Bereich 30 MHz bis 1000 MHz (6 GHz) mit GTEM-Zelle Gestrahlte HF im Bereich 1 GHz bis 18 GHz mit Modenverwirbelungskammer Messung der Störaussendung im Bereich 150 khz bis 300 MHz mit Koppelnetzwerk und Netznachbildung 2

3 Eingeströmte HF im Bereich 10 khz bis 1000 MHz mit Koppelnetzwerk Anforderungen (Auszug) nach IEC/EN : Frequenzbereich 150 khz bis 80 MHz (230 MHz) Gleichtaktimpedanz 150 Ohm Prüfpegel 1 V, 3 V, 10 V, x V Prüfpegeleinstellung in 150-Ohm-Kalibrierumgebung Prüfung mit AM, 1 khz, 80% 3

4 4 IEC/EN Normative Anforderungen

5 Beispiel Kalibrierung (Pegeleinstellung) Störpegel U EMK U EMK/6 Leistung in 50 Ohm Dämpfungsglied Vorwärtsleistung U 0 U mr P mr V V dbm db db db dbm db db 10 1,667 17,45 13,5 6,0 0,5 37,4 48,75-11,3 1 EM-Zange, 2 Einfügedämpfung Kabeldämpfung Verstärkerleistung 3 (frequenzabhängig) und 150/50 Ohm Übergang (frequenzab hängig) (frequenzabhängig) Signalgeneratorpegel 3 2 1

6 Beispiel Prüfaufbau 1. Einstellen der Vorwärtsleistung entsprechend Kalibrierdatei 2. Zuschaltung der Modulation

7 AM entsprechend IEC/EN x Kalibrierung mit CW Test mit AM 80 % (Spitzenwerte erhöht -> mehr Leistung erforderlich)

8 AM entsprechend IEC/EN x Kalibrierung mit CW Test mit AM 80 % (Spitzenwerte erhöht -> mehr Leistung erforderlich) U EMF Forward power Forward power Stress level calibration with modulation 80% AM V dbm Watts dbm Watts 1 14,4 0,03 19,5 0,1 3 24,0 0,3 29,1 0, ,4 2,8 39,5 9, ,0 25,1 49,1 81,1 typische Leistungswerte mit 6 db Dämpfungsglied, 0,5 db Kabeldämpfung, 10,5 db Einfügedämpfung des CDNs und AM mit 80 % des Modulationsgrads)

9 Vorteile Aufwand, Reproduzierbarkeit und Prüfaussage stehen im guten Verhältnis zum Aufwand Günstigstes Verfahren der HF-Störfestigkeit Bekannte Störphänomene mit eigenen Mitteln reproduzieren und Entstörung voranzutreiben Normative Frequenzbereich kann unter bzw. überschritten werden

10 Gestrahlte HF im Bereich 30 MHz bis 1000 MHz (6 GHz) mit GTEM-Zelle Gestrahlte HF ist wesentlicher Bestandteil Basisnorm ist IEC/EN (Frequenzbereich 80 bis 6000 MHz) Testumgebung ist ein homogenes Feld, die Front des Prüflings wird in zu vor kalibrierte Fläche positioniert, geforderte Störgröße aufgeschaltet und amplitudenmoduliert Frequenzdurchlauf schrittweise unter Beachtung einer Verweilzeit Prüfling in seiner Reaktion beobachtet (EUT-Monitoring) Nachteilig: hoher Aufwand durch geforderte Homogenität 10

11 TEM / Fernfeldbedingung Transversale ElektroMagnetischer Modus (TEM) alle 3 Feldvektoren sind im Winkel von 90 zueinander Antennen Fernfeld = TEM Wellenausbreitung E Electrical field vector S Pointing vector H Magnetic field vector

12 Prinzip der GTEM-Zelle Frequenzerweiterte Variante der TEM-Zelle Koaxialer Einspeisepunkt Aufgeweitete koaxiale Leitung Luftdielektrikum Abschlussimpedanz 50 Ω, hybrider Abschluss

13 Konstruktion der GTEM-Zelle Septum plate Resistor board Absorber Media plate Door with window EUT supply and filter box Input section

14 Felderzeugung in der GTEM-Zelle Alle 3 Vektoren haben einen Winkel von 90 zueinander ->TEM Ausbreitung des Feldes vom Einspeisepunkt zum hybriden Abschluss Intensität des Feldes ist direktproportional zur eingespeisten Spannung Intensität des Feldes ist in Abhängigkeit von der Septumshöhe (Abstand zwischen Innenleiter und Außenleiter)

15 Feldkalibrierung IEC/EN Gleiche Kalibrierung erforderlich für Störaussendung und Störfestigkeit. Konzept der gleichförmigen Ebene TEM-Wellenleiter-Abmessungen bestimmen die Größe der gleichförmigen Ebene und die Anzahl der Messpunkte Regelung auf konstante Vorwärtsleistung bzw. der bevorzugten konstanten Feldstärke Methode (geringere Messfehler)

16 Feldkalibrierung: Beispiel GTEM 750

17 Felderzeugung: Berechnungsbeispiel Leistungsbedarf für 10 V/m bei Septumshöhe 0,75 m Septumshöhe = 0,75 m Welligkeit = 3 db = 2 Leistung = (E*h) 2 /R * Welligkeit * Modulationsreserve E = erforderliche Feldstärke (10 V/m) h = Septumshöhe (0,75 m) R = GTEM Eingangsimpedanz(50 Ω) Leistung = (10*0,75) 2 /50 * 2*3,24 = 7.3 Watt (38,6 dbm)

18 Felderzeugung Feldstärke ist typisch unabhängig von der Frequenz Frequenzbereich DC bis 18 GHz, bester Bereich 80 und 1000 MHz FAR erfordert für 10 V/m einen Leistungsverstärker mit 100 W, bei GTEM 750 reichen 7,3 W Verringerte Septumshöhe liefert höhere Feldstärke (nur für kleine Prüflinge praktikabel)

19 MHz dbµv khz dbm Hz V 1 Step 2 Step 3 Aufbau für die Feldkalibrierung und Störfestigkeitsprüfung bis 1 GHz Test generator e.g. Teseq NSG 4070 with RF synthesizer and power meter Software RF output NSG 4070 RF out FRQ LVL MOD Local RF ON/OFF Power meter Amp in ch.3 < +20 dbm ch.2 < +20 dbm < +10 dbm Amp out ch.1 < +27 dbm Back Hold Run Stop Enter STO RCL StSize Step StSize StSize Tuning USB Help 2nd Power Power meter 50 Ω ch. 1 n.c. ch. 2 forward power ch. 3 n.c. Amp in Amp out Power amplifier input Output GTEM cell Directional coupler

20 Vorteile der Störfestigkeitsprüfung in GTEM-Zellen Geschirmte Prüfeinrichtung erlaubt umgebungsunabhängigen Betrieb Gleicher Aufbau für Messung der Störaussendung und Störfestigkeitsprüfung Generiertes Feld ist weitestgehend homogen und einfach zu berechnen Effizientes Leistungsverhalten kleinere Leistungsverstärker erforderlich Exzellentes VSWR über den gesamten Frequenzbereich Messung der Rückwärtsleistung kann entfallen Sehr gute Reproduzierbarkeit

21 Messung der Störaussendung im Bereich 30 MHz bis 1000 MHz (6 GHz) mit GTEM-Zelle Messaufbau Software mit Korrelation XYZ-Positionierer (Manipulator) für manueller oder ferngesteuerte Prüflingspositionierung Messempfänger

22 Messung der Störaussendung Erforderlich: definierter TEM-Wellenleiter Nutzung eines Korrelationsalgorithmus für den Vergleich zum Freifeld z. B.: Grenzwertlinie in dbuv/m bei z.b. 10 m Abstand und Höhenvariation der Antenne von 1 to 4 m oder Freiraum U X ; U Y ; U z E horizontal ; E vertikal Grenzwertlinie Nutzung von k-faktoren im Frequenzbereich unter 30 MHz und Vergleich mit CISPR 25 / MIL / RTCA DO-160 (siehe auch Teseq Applikation Note) Vergleich mit Freifeld nur bedingt möglich Direktvergleich mit Spannungsgrenzwerten im KFZ-Bereich

23 Vorteile von Messungen der Störaussendung in GTEM-Zellen Gleicher Aufbau für Messung der Störaussendung und Störfestigkeitsprüfung Geschirmte Prüfeinrichtung erlaubt umgebungsunabhängigen Betrieb Konform mit CISPR 14-1 für kleine Prüflinge bis 1 GHz Alternatives Verfahren zu anderen Messverfahren Zeit, Kosten und Platz sparende Methode (Zeitvorteil gegenüber OATS: Faktor 5-10) Keine Maximumbestimmung durch Höhenvariation oder Polarisationswechsel der Antenne, keine Drehung des Tisches Einfache Manipulatorpositionierung Sehr gute Reproduzierbarkeit

24 Gestrahlte HF im Bereich 1 GHz bis 18 GHz mit Modenverwirbelungskammer RVC = Schirmraum + Tuner/Stirrer/Rührer + Zubehör + Software

25 Modenverwirbelungskammer Allgemein Prinzip Modenverwirbelungskammer besteht aus einem geschirmten Raum und mechanischen Rührer Hohlraumresonator mit hoher Güte Anregung höherer Moden, die durch den Rührer verstimmt werden Ziel ist das Erreichen der max. Feldstärke an jedem Ort im Testvolumen für den gesamten Frequenzbereich.

26 Modenverwirbelungskammer physikalischer Hintergrund Schirmraum oder besser durch (schrittweises) Drehen eines Rührers

27 Modenverwirbelungskammer Basis LUF LUF (lowest usable frequency) Dreifache der ersten Resonanzfrequenz Beispiel Modell S (2,5 x 4 x 2,55) m Erste Resonanz 65 MHz LUF 200 MHz Arbeitsvolumen Abstand von λ/4 zu den Wänden, zur Sendeantenne und zum Rührer λ/4 0,4 m EUT-Volumen 1 m λ/4 von LUF

28 Modenverwirbelungskammer Basis Testkonfiguration Steuerung/Auswertung Sendeantenne Empfangsantenne im Arbeitsvolumen

29 Modenverwirbelungskammer platzsparende Lösungen Größe XS Frequenzbereich 500 MHz -18 GHz Abmessungen (2,7x1,5x1,3) m³ EUT-Volumen (1,2x1,0x0,8) m³ Größe 2XS Frequenzbereich 800 MHz -18 GHz Abmessungen (1,5x0,8x1,0) m³ EUT-Volumen (0,55x0,30x0,50) m³

30 Modenverwirbelungskammer Vorteile Keine Absorber (Kosten-, Platz-, Brandschutz-Vorteile) Großes Prüfvolumen Feldausbreitung in alle Richtungen (kein Polarisationswechsel, Drehen des Tisches, Antennenhöhenvariation) Gleicher Prüfaufbau für Störaussendung und Störfestigkeit Effizienter Leistungsbedarf (z.b. 200 mw für 10 V/m) Konform mit Automotive- (GMW, Ford,...) und MIL- (461F) Standards Sehr gute Reproduzierbarkeit

31 Messung der Störaussendung mit Koppelnetzwerk und Netznachbildung Frequenzbereich 150 khz bis 30 MHz Netznachbildungen koppeln das Gleichtaktstörsignal zum Empfänger und bieten für die Störungen eine definierte Impedanz, Netzanschlussseite bzw. Zubehör wird entkoppelt. Netznachbildungen für den Stromversorgungsanschluss und Telekommunikationsanschluss CDNs nach IEC/EN können für Störaussendungsmessungen genutzt werden, auch >30 MHz. Frequenzbereich 30 MHz bis 300 MHz CDN (CDNE)-Methode 31

32 Messaufbau Störspannungsmessung auf Netzanschlussleitungen Netzanschluss PE LISN Prüfling Referenzmasseplatte Messempfänger

33 Messaufbau Störspannungsmessung auf TK-Leitungen ISN AE (Simulator) Prüfling Referenzmasseplatte PE Messempfänger

34 Messaufbau Störspannungsmessung auf Netzanschlussleitungen MHz CDNE Netzanschluss Prüfling Referenzmasseplatte PE Messempfänger

35 Vorteile Gute Reproduzierbarkeit Verhältnismäßig geringer Aufwand Entstörung sehr komfortable Frequenzbereich bis 300 MHz kann ohne Antenne oder Messbahn gemessen werden