Labormessverfahren zur Untersuchung der Störfestigkeit elektronischer Komponenten des Kfz. gegenüber Mobilfunksignalen

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1 Labormessverfahren zur Untersuchung der Störfestigkeit elektronischer Komponenten des Kfz. gegenüber Mobilfunksignalen Dipl.-Ing. B. Körber, Prof. Dr.-Ing. habil. D. Sperling Westsächsische Hochschule Zwickau (FH) Einleitung Für die messtechnische Überprüfung der Störfestigkeit elektronischer Baugruppen des Kfz. gegenüber amplituden- bzw. frequenzmodulierten Feldern stehen der Industrie heute erprobte und hinreichend genaue Meßverfahren zur Verfügung. Im Falle pulsförmiger Wechselfelder gibt es noch keine weitergehenden und allgemein akzeptierten Meßvorschriften. Der Vortrag beinhaltet erste Ergebnisse der Anwendung herkömmlicher Komponentenmesstechnik bzw. neuer, angepasster Messverfahren zur Beurteilung der Störfestigkeit elektronischer Komponenten im Kfz. gegenüber Mobilfunk. Auszugehen ist von einer systematischen Analyse heutiger und zukünftiger mobiler Funkdienste hinsichtlich ihrer EMV- relevanten Eigenschaften wie z.b. Frequenzbereich, Sendeleistung und Modulationsart. Über Feldstärkebestimmung im Innenraum des Fahrzeuges und Korrelationsbetrachtungen zwischen Komponenten- und Fahrzeugmessungen wird eingangs ein Vorschlag für praxisnahe Prüfschärfegrade für Komponentenmessungen erarbeitet. Im folgenden Teil steht die Beurteilung verschiedener Komponenten- Testmethoden in bezug auf ihre Anwendbarkeit für Störfestigkeitsmessungen mit gepulsten Wechselfeldern in den relevanten Frequenzbereichen im Vordergrund. Hierzu werden Ergebnisse mit den Meßmethoden direkte Antennenbestrahlung, Feldeinwirkung durch Stripline, induktive HF- Stromeinkopplung (BCI- Methode) sowie elektromagnetische Wellenkopplung vorgestellt und diskutiert.. Störbedrohung durch heutige und zukünftige digitale Funkdienste im Fahrzeug Wie bei den bisher bekannten analogen Funkdiensten muß auch bei den neuen digitalen Funkdiensten die Störfestigkeit elektronischer Systeme im Fahrzeug gegenüber diesen Störfeldern nachgewiesen werden. Tabelle 1 zeigt die EMV- relevanten Eigenschaften für eine Auswahl der europaweit eingesetzten bzw. vor der Einführung stehenden digitalen Funkdienste. Zur Beurteilung des Störpotentials der verwendeten Sendesignale sind vor allem der Frequenzbereich, die Wiederholfrequenz, die Zeitschlitzlänge beim eingesetzten Zugriffsverfahren TDMA und die Sendeleistung der Mobilgeräte zu bewerten. Der übliche Betrieb der Funkanlage mit einer Außenantenne am Fahrzeug stellt nach bisherigen Erfahrungen kein erhöhtes Störpotential dar. Bei Verwendung des Mobilgerätes im Innenraum des Fahrzeuges

2 ohne Außenantenne, was nicht gestattet jedoch oft praktiziert wird, ist aufgrund der Rückwirkung der Fahrzeugkarosserie mit einem erhöhten Störpotential zu rechnen. Digitaler Funkdienst Frequenzbereich Kanalraster [khz] Zugriffsverfahren TDMA mit Wiederholf. [Hz] / Zeitschlitzlänge [µs] Modulationsverfahren Sendeleistung Mobilteile [W] TETRA / 1467 π/4 DQPSK 1,3-1 GSM / 577 GMSK IRIDIUM ,67, / 565 DQPSK,45 GSM / 577 GMSK 1 GSM / 577 GMSK 1 UMTS / 65 QPSK 1 Tabelle 1: Auswahl gegenwärtiger und zukünftiger Kraftfahrzeug- relevanter europäischer digitaler Funkdienste /1/ Als Sendeantenne des Mobilteiles fungiert meist ein λ/4- Monopol. Bei bekannter Sendeleistung kann die Elektrische Feldstärke unter Freiraumbedingungen bestimmt werden: E PSG S aus: = (1) mit π Z 4πr Z =1 folgt: 3PS GS E = () r und weiter vereinfacht für den Halbwellendipol: 7 PS E = (3) bzw. für den λ/4- Monopol: r 1 PS E = (4) r 1 1 Ps = 1 W Ps = W Ps = 1 W mit : P S Sendeleistung G S Gewinn Sendeantenne r Abstand von der Sendeantenne [V/m] 1 1 1,1,1 1 1 [m] Bild 1: Elektrische Feldstärke im Fernfeld nach Gl. (4), hervorgerufen durch eine λ/4- Stabantenne Bild 1 zeigt die erzeugten Feldstärken bei den interessierenden Sendeleistungen für eine λ/4- Stabantenne. Messungen im Innenraum von Fahrzeugen zeigen, dass die tatsächlichen Feldstärken auf Grund von Reflexionen an der Karosserie sowie durch Resonanzerscheinungen teilweise deutlich höhere Werte annehmen können.

3 3. Ableitung von Prüfschärfegraden für Komponentenmessungen 3.1 Einkopplung der Wechselfelder in den Fahrzeugkabelbaum Um die Einkopplung der elektromagnetischen Wechselfelder in elektronische Komponenten bzw. den Fahrzeugkabelbaum genauer beschreiben zu können, muß zwischen Nahfeld- und Fernfeldkopplung unterschieden werden. Tabelle gibt die Abstandswerte von der Strahlungsquelle für den theoretischen Übergang vom Nah- zum Fernfeld an. Hier zeigt sich, dass schon in einem Abstand von wenigen Zentimetern der Nahfeldbereich der Sendeantenne verlassen wird und demzufolge bei der Einkopplung in den Kabelbaum in erster Linie von Fernfeldbedingungen auszugehen ist. Digitaler Funkdienst Frequenzbereich Grenze Nahfeld / Fernfeld [cm] TETRA ,8-1,6 GSM ,9-5,4 IRIDIUM ,9 GSM ,5-,8 GSM ,4-,6 UMTS 19-17,-,4 Tabelle : Grenze Nahfeld / Fernfeld für ausgewählte Frequenzbereiche 1 Feldwellenwiderstand [Ohm] 1 1 Elektrisches Feld dominant E ~ 1 1 3, H ~ r r Asymptoten tatsächlicher Verlauf Übergangsbereich Ebene Welle H ~ 1, E ~ 1 r r = 377 Ω Magnetisches Feld dominant H ~ 1 3, E ~ 1 r r Nahfeld Fernfeld 1,1 1 1 normierter Abstand von der Strahlungsquelle λ/ π Z Bild : Feldwellenwiderstand in Abhängigkeit vom Abstand zur Strahlungsquelle (auf λ/π normiert) // Der Quellwiderstand der Störung hat großen Einfluß auf die übergekoppelte Leistung in den Kabelbaum. Bild zeigt den Verlauf des Feldwellenwiderstandes in den beiden Feldregionen. Das Nahfeld einer λ/4- Stabantenne stellt ein Hochimpedanzfeld mit einer über den Faktor 1/r 3 abfallenden elektrischen Feldstärke dar. Für den Fall der Fernfeldkopplung kann die in einen Kabelbaum eingekoppelte Leistung P E mit Hilfe der "De- Friischen Formel" berechnet werden: GE Eλ 4 PE = (5) Z π

4 Die aus einem Fernfeld mit den zu erwartenden Feldstärken auskoppelbare Leistung ist im Bild 3 dargestellt. Hier wird von einem Antennengewinn des Kabelbaumes von G E = 1 ausgegangen, welches zu Maximalwerten führt. Weiterhin bleiben Einflüsse wie Dämpfungs- und Reflexionserscheinungen unberücksichtigt. 1 E = 5 V/m 1 E = 1 V/m [W] 1,1,1, Bild 3: Theoretische Empfangsleistung P E nach Gl. (5) mit G E = 1 3. Fahrzeugmessungen mit gestrahlten Wechselfeldern Der Nachweis der Störfestigkeit des Gesamtfahrzeuges gegenüber analogen gestrahlten elektromagnetischen Feldern wird durch Messungen gemäß ISO Teil 1 bis 4 erbracht. Die hier beschriebenen Verfahren bilden die Störbedrohung durch ortsfeste (Teil ) sowie durch mobile, mit einer Außenantenne im Fahrzeug betriebene Sender (Teil 3) nach. Mobilfunkanlagen sind nur für den Betrieb mit Außenantenne im Fahrzeug freigegeben. Die Störfestigkeitsprüfung mit entsprechenden Sendeleistungen für die Funkdienste kann also auf Basis des "On Board Transmitter"- Tests (ISO Teil 3) erfolgen. Für den eigentlich unerlaubten Fall der Benutzung des Mobilteiles ohne Außenantenne im Fahrzeug steht durch die Verwendung von realen Mobilgeräten bzw. einer Handy- Nachbildung zur Felderzeugung eine weitere Testmethode zur Verfügung. Hierbei werden durch die Positionierung des Senders an ausgewählten Stellen des Innenraumes die ungünstigsten Fälle berücksichtigt. Als Störsignale kommen entweder die Original- Sendesignale des jeweiligen Funkdienstes oder pulsmodulierte Signale mit der jeweiligen Trägerfrequenz und der jeweiligen Zeitschlitzlänge entsprechenden Pulszeit zum Einsatz. Die Prüfleistungen orientieren sich an den Original- Sendeleistungen, welche um einen Sicherheitsfaktor erhöht werden. 3.3 Prüfschärfegrade für Komponentenmessungen In der Prüftechnik für analoge elektromagnetische Felder sind die Prüfschärfegrade durch Korrelationsbetrachtungen zwischen Fahrzeugmessung und der jeweiligen Komponentenmessung entstanden. Dabei ist generell festzustellen, daß die geforderte Feldstärke im Komponententest etwa den Faktor zwei zur

5 Fahrzeugmessung ausweist. Dementsprechend werden im Komponententest mit Stripline oder TEM- Zelle für sicherheitsrelevante Baugruppen 5 bis 3 V/m gefordert. Zum Nachweis der Störfestigkeit gegenüber Mobilfunk- Feldern einzelner Komponenten im Labor muß sowohl von der tatsächlichen Bedrohung durch die Verwendung von Handys im Innenraum als auch den verwendeten Leistungswerten beim Fahrzeugtest ausgegangen werden. Geht man von der Fernfeldkopplung aus, so kann bei bekannter Sendeleistung und der Annahme, dass diese Leistung über eine, dem Frequenzbereich des Funkdienstes angepaßte λ/4- Stabantenne abgestrahlt wird, über die elektrische Feldstärke für Aufpunkte im Fahrzeuginnenraum die einkoppelbare Leistung P E in einem Kabelbaum bzw. in Komponenten mit antennenähnlichen Strukturen bestimmt werden. Funkdienst Sendeleistung [W] E bei,1 m [V/m] E bei,3 m [V/m] P E bei,1 m [mw] P E bei,3 m [mw] TETRA 1 W GSM 9 W ,8 GSM 18 1W 1 3 4,7 < 1 Tabelle 3: Mit einem Kabelbaum auskoppelbare Leistung in Abhängigkeit vom Abstand zur Sendeantenne (G E = 1) Für "worst case"- Betrachtungen müssen die schon erwähnten Feldstärkeüberhöhungen aufgrund von Reflexionen an der Karosserie und Resonanzerscheinungen (3 bis 6 db) sowie der übliche Sicherheitsfaktor für Komponentenmessungen von 3 db berücksichtigt werden. Die Komponentenverfahren müssen in der Lage sein, diese Leistungseinkopplung in den Kabelbaum nachzubilden. Dabei sind der dazu notwendige primäre Leistungsbedarf sowie die Anpassung der Prüfvorrichtung an den Leistungsverstärker entscheidende Auswahlkriterien. 4. Vergleich verschiedener Messmethoden zum Nachweis der Störfestigkeit gegenüber gestrahlten elektromagnetischen Wechselfeldern 4.1 HF- Einkopplung durch einen speziellen Wellenkoppler Die Nachbildung der Störbedrohung durch die mobilen Funkdienste auf Komponentenebene im Labor erfordert Prüfmittel, die bis über den Bereich von f = GHz einsetzbar sind. Hier werden bei Fahrzeugmessungen derzeit spezielle Hornantennen mit hohem Gewinn sowie Handy- Nachbildungen eingesetzt. Die Verwendung dieser Meßmethoden für Komponententest ist daher sicherlich sinnvoll. Eine weitere Möglichkeit, eine Störleistung im interessierenden Frequenzbereich mit geringen Kopplungsverlusten in einen Kabelbaum einzukoppeln, stellt ein Wellenkoppler dar. Auf diesem Prinzip basierend, wurde ein spezieller Rohrkoppler entwickelt, der auf Grund seines triaxialen Aufbaus sowie spezieller Maßnahmen zur Impedanzanpassung an

6 den Leistungsverstärker sehr gute Hochfrequenzeigenschaften aufweist. Die im Bild 4 dargestellten Eigenschaften (Stehwellenverhältnis [SWR] und Hochfrequenzwellenwiderstand) des mit RK 1 bezeichneten Rohrkopplers belegen seine Anwendbarkeit für Störfestigkeitsmessungen im geforderten Frequenzbereich. Wie in Bild 5 ersichtlich, liegen die für HF- Koppler verwendeten "insertion loss"- Werte (Einkoppelverluste bei 1 Ω- Sekundärkreis) der beiden untersuchten Rohrkopplerausführungen RK 1 und RK 5 im Bereich der GSM- Frequenzen bei 7 bis 8 db SWR [Ohm] 15 Anschluß 1 Anschluß, offen Zuleitung Rohrkoppler RK [cm] Bild 4: Eigenschaften des Rohrkopplers RK 1, links: SWR bei 5 Ω- Abschluß, rechts: HF- Wellenwiderstand -5 RK 1 RK [db] Bild 5: "insertion loss"- Werte für die Rohrkoppler RK 1 und RK 5 4. Einkopplungsmessungen Eine Beurteilung der Eignung eines EMV- Verfahrens für Störfestigkeitsmessungen im Frequenzbereich der Mobilfunkdienste kann durch Analyse der Einkoppelfunktion erfolgen. Bild 6 zeigt die Koppeldämpfung für die Prüfverfahren BCI, Stripline und Rohrkoppler RK 1 bei Einkopplung in eine beidseitig mit R = 5 Ω abgeschlossene Testleitung von l = 1 m Länge, welche sich 5 cm über der Bezugsmasse befindet. Die BCI- Zange und der Rohrkoppler wurden im Abstand von,1 m vom Leitungsende positioniert. Der Vergleich belegt die deutlich geringeren Einkoppelverluste des Rohrkopplers RK 1 gegenüber den Meßverfahren Stripline und BCI im Frequenzbereich oberhalb von f = 1 GHz.

7 -1 RK 1 BCI Stripline - [db] Bild 6: Koppeldämpfung für verschiedene Prüfverfahren Auch die Messung der eingekoppelten Spannungen (Bild 7) in eine auf beiden Seiten mit ihrem HF- Wellenwiderstand von 5 Ω abgeschlossene Testleitung belegt die Vorteile des Rohrkopplers. Hier sind vergleichend die Ergebnisse der Einkopplung mit Handy- Nachbildungen für die Bänder GSM 9 und GSM 18 dargestellt. Dabei wurde die Sendeantenne der Nachbildung direkt auf die Isolation der Testleitung gelegt. 1 [V] 1,1,1 RK 1 RK 5 BCI Handy-NB 9/18, aufgelegt Bild 7: In eine Testleitung eingekoppelte Spannungen für verschiedene Prüfverfahren (bei konstanter Leistungseinspeisung mit P vor = 1 W) 4.3 Störfestigkeitsmessungen mit realem Prüfling Die Anwendung der bisher diskutierten Meßmethoden zur Untersuchung der Störfestigkeit eines elektronischen Sensors gegenüber GSM 18- Signalen (577 µs auf 4,6 ms gepulste GSMK- Modulation) zeigt Bild 8. Hier wird deutlich, dass der Rohrkoppler RK 1 im Gegensatz zu BCI und Stripline eine Alternative zur Handy- Nachbildung darstellt und die Empfindlichkeit des Prüflings sogar mit einer geringeren Prüfleistung nachweisen kann. Ergänzend belegen die Messungen mit der aufgelegten Handy- Nachbildung nach Bild 9, dass der GSM- Standard durch Ersatzmodulationen wie Amplitudenmodulation in seiner EMV- relevanten Wirkung nachgebildet werden kann.

8 14 1 RK 1 Handy-NB 18, aufgelegt Handy-NB 18, 5 mm Abstand BCI Stripline P vor [W] Bild 8: Störfestigkeitsgrenzkurve eines Sensors bei maximaler Leistungseinspeisung mit P vor = 1 W (Peak) für verschiedene Prüfmittel 14 1 AM 8 %, 6 Hz GSM- Standard 1 P vor [W] Bild 9: Störfestigkeitsgrenzkurve eines Sensors bei unterschiedlichen Modulationsarten 5. Zusammenfassung Die größte Störbedrohung durch Mobilfunkdienste geht vom Betrieb von Mobilgeräten im Fahrzeuginnenraum ohne Außenantenne aus. Die dabei in elektronische Komponenten bzw. den Kabelbaum eingekoppelte Leistung kann mit Hilfe der Fernfeldkopplung angegeben werden. Mit den Komponentenmessverfahren BCI und Stripline kann diese Störbedrohung mit einer vertretbaren Prüfleistung im Frequenzbereich oberhalb f = 1 GHz nicht nachgebildet werden. Der vorgestellte Wellenkoppler erlaubt aufgrund seiner sehr guten Hochfrequenz- sowie guten Koppeleigenschaften reproduzierbare und ökonomische Störfestigkeitsmessungen gegenüber Mobilfunksignalen auf Komponentenebene. Er stellt damit eine bessere Alternative zur Direktbestrahlung mit einer Handy- Nachbildung bzw. Hornantenne dar. 6. Literatur /1/ Form, T.: Beitrag GMM- Fachbericht ; Störfestigkeits- und Abstrahlanforderungen durch neue Dienste // Montrose, M.I.: EMC and the printed circuit board; IEEE Press Marketing 1998