an Kabeln, Steckern und Komponenten mit dem Triaxialverfahren.

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1 EMV von Kabeln, Stekern und Komponenten mit dem riaxialverfahren EMV-Messe Düsseldorf. bis 3. März 04 Bernhard Mund, bedea Berkenhoff & Drebes GmbH, EMV-Messtehnik, Normung. usammenfassung und Einleitung Die Reihe IEC beshreibt vershiedene Verfahren zur Messung von Kopplungswiderstand und Shirm- oder Kopplungsdämpfung mit dem riaxialverfahren. Neue Kabelkonstruktionen, z.b. HV-Kabel für Elektrofahrzeuge mit Wellenwiderständen im Bereih von Ohm erforderten die Anpassung der Normen der Reihe IEC Die neuen Normen IEC , -4-4 und -4-7 ermöglihen jetzt die Messung der Shirmeigenshaften von Kabeln, Stekern und Komponenten ohne Impedanzwandler. Die Messung der Kopplungsdämpfung von symmetrishen Datenkabeln erfordert die Impedanzanpassung des 50 Ohm des Netzwerkanalysators an 0 Ohm Wellenwiderstand der zu prüfenden Kabel. Dies geshieht übliherweise mit Symmetrieübertragern (Baluns). Handelsüblihe Symmetrieübertrager sind nur bis zu Frequenzen von a..00 MHz erhältlih. Der Einsatz von Mehrtor-Netzwerkanalysatoren ermögliht die Messung der Kopplungsdämpfung von geshirmten symmetrishen Paaren bis zu und über 3 GHz. Der folgende Beriht gibt eine Übersiht über neue und überarbeitete Normen der Reihe IEC zur Messung von Kopplungswiderstand und Shirm- oder Kopplungsdämpfung an Kabeln, Stekern und Komponenten mit dem riaxialverfahren. Physikalishe Grundlagen. Kopplungswiderstand und kapazitive Kopplung Der Kopplungswiderstand bzw. die ransferimpedanz ist das Maß für die Shirmwirkung geshirmter elektrisher Leitungen und Komponenten bei Frequenzen bis a. 30 MHz. Durh äußere magnetishe Felder wird im Kabelshirm ein Störstrom induziert, welher an der inneren Oberflähe des Shirms einen Spannungsabfall verursaht. Dieser Spannungsabfall wirkt nun im, vom Kabelshirm geshützten Leitungssystem und beeinflusst die in diesem Leitungssystem übertragenen Signale. U l = (a) I db( Ω) = + 0 log (b) Ω Je kleiner der Spannungsabfall am Shirm ist, umso besser ist die Shirmwirkung gegen von außen wirkende Störfelder. Der Kopplungswiderstand ist definiert als das Verhältnis des Spannungsabfalls U längs des Shirmes auf der gestörten Seite zu dem Störstrom I auf der anderen Seite des Shirmes. Die Dimension des Kopplungswiderstandes ist Ohm pro Meter bzw. Milliohm pro Meter.

2 In der aktuellen Normung wird der Kopplungswiderstand zum eil auh als logarithmishes Verhältnis in Dezibel, bezogen auf Ω, angegeben, (b). I l << λ/4 I U l < λ/ I U C Definition des Kopplungswiderstandes Definition des Durhgriffsleitwertes Bild - Definition des Kopplungswiderstandes und des Durhgriffsleitwertes. Shirmdämpfung, IEC , Ausgabe, (46/439/CDV) Die Shirmdämpfung a S ist definiert als das logarithmishe Verhältnis von der in das Kabel eingespeisten Leistung P zu der vom Kabel abgestrahlten Leistung P. a S = log U P / P = 0 log U / ().3 Kopplungsdämpfung Bei geshirmten symmetrishen Kabeln verursaht die Unsymmetrie a U einen Strom im Shirm der durh den Kopplungswiderstand und die kapazitive Kopplungsimpedanz in den äußeren Kreis überkoppelt. Diese Abstrahlung wird durh den Kabelshirm gedämpft und auf die Shirmdämpfung a S bezogen. Die gesamte Effektivität des geshirmten symmetrishen Kabels gegen elektromagnetishe Beeinflussung ergibt sih damit als Summe aus der Unsymmetriedämpfung a U des Paares und der Shirmdämpfung a S des Kabelshirmes. Da beide Werte übliherweise im logarithmishen Maß angegeben werden, können diese einfah zur Kopplungsdämpfung a C addiert werden: a = a + a (3) C U S Die Kopplungsdämpfung a C ergibt sih aus dem logarithmishen Verhältnis der eingespeisten Leistung P und den periodishen Maximalwerten der Leistung P r,max (die aufgrund der Spannungsspitzen U in den äußeren Kreis abgestrahlt werden kann): a = log P Env P r,max (4) ur Speisung des Prüflings ist ein Gegentaktsignal erforderlih. Dies kann über einen weitor-netzwerkanalysator (Sender und Empfänger) und einen Symmetrieübertrager, oder balunless über einen Mehrtor-Netzwerkanalysator (zwei Generatoren mit 80 Phasenvershiebung und ein Empfänger) erfolgen.

3 3 riaxialverfahren 3. Allgemeines Das riaxialverfahren zur Messung des Kopplungswiderstandes bis a. 0 MHz ist eines der klassishen und lange bekannten und genormten Verfahren zur Ermittlung der Shirmwirkung von Kabeln, (ehem. DIN 4750 eil 4 bzw. IEC 96-). Um die Shirmwirkung auh bei höheren Frequenzen bis zu und über 3 GHz messen zu können, wurde Ende der 980er von Otto Breidenbah, Kabelmetal Nürnberg, die Idee aufgegriffen, das bekannte Kopplungsmessrohr des riaxialverfahrens zu verlängern und neben dem Kopplungswiderstand auh die Shirmdämpfung mit einem Messaufbau zu messen. Der prinzipielle Messaufbau des riaxialverfahrens ist in Bild 3b dargestellt. Das zu prüfende Kabel wird an einem Ende mit einem Steker und am anderen Ende mit einem Abshlusswiderstand versehen. Der Prüfling wird in das Rohr eingebaut und am senderseitigen Ende mit dem Rohr kurzgeshlossen. Über den Sender wird Energie in das Kabel bzw. in das innere System eingespeist. Die aus dem Kabel bzw. dem inneren System durh den Shirm austretende Energie breitet sih im äußeren System aus. Für die, zum sendernahen Ende laufende Welle entsteht am Kurzshluss eine otalreflexion, so dass am Empfänger die Überlagerung aus hin- und rüklaufender Welle bzw. aus Nah- und Fernnebensprehen gemessen wird. Das logarithmishe Verhältnis von eingespeister Leistung P zu gemessener Leistung P ergibt die Shirmdämpfung bzw. nah entsprehender Umrehnung den Kopplungswiderstand. Inzwishen gibt es zahlreihe genormte Varianten des riaxialverfahrens für untershiedlihe Anwendungen. Das riaxialverfahren ist im Bereih Kabel und Steker das am weitesten verbreitete und eingesetzte Messverfahren. Vorteile sind u.a. die geshlossene Prüfeinrihtung sowie die Möglihkeit Kopplungswiderstand und Shirmdämpfung mit einem Messaufbau von DC bis zu und über GHz zu messen. Die Messung des Kopplungswiderstandes ist in IEC und in EN beshrieben, für die Messung der Shirmdämpfung gilt das riaxialverfahren nah IEC bzw. EN ur Messung von Kopplungswiderstand und Shirmdämpfung von Stekern und Komponenten gibt es IEC , Rohr im Rohr - Verfahren sowie IEC , riaxiale elle. Sowohl IEC als auh IEC befinden sih zurzeit in Überarbeitung (46/47/FDIS und 46/439/CDV). Die Änderungen der beiden Normen sind nahfolgend beshrieben. 3. IEC , Ausgabe, Es gibt in der neuen Ausgabe der IEC Ed jetzt drei untershiedlihe Prüfverfahren: Prüfverfahren A: Angepasster innerer Kreis mit Dämpfungswiderstand R im Aussenkreis, Prüfverfahren B: Innerer Kreis mit Abshlusswiderstand und äußerer Kreis ohne Dämpfungswiderstand, Prüfverfahren C: (Fehlangepasst)-Kurzshluss- Kurzshluss ohne Dämpfungswiderstand

4 Generator zu prüfender Shirm Messrohr Abshlusswiderstand R Shirmhülse Impedanzwandler Vorwiderstand R Empfänger Bild a - Prüfverfahren A: Angepasster innerer Kreis mit Dämpfungswiderstand R im Aussenkreis Sender zu prüfender Shirm Messrohr Abshlußwiderstand R Empfänger möglihe Fehlanpassung Abshirmhülse Bild b - Prüfverfahren B: Innerer Kreis mit Abshlusswiderstand und äußerer Kreis ohne Dämpfungswiderstand. Empfänger zu prüfender Shirm Messrohr Kurzshluss Sender Abshirmhülse möglihe Fehlanpassung Bild - Prüfverfahren C: (Fehlangepasst)-Kurzshluss- Kurzshluss ohne Dämpfungswiderstand. Bild Vershiedene Prüfaufbauten der Ausgabe der IEC und Prüfverfahren A: Angepasster innerer Kreis mit Vorwiderstand Bei diesem Verfahren wird der innere Kreis (Prüfling) mit einem angepassten Lastwiderstand abgeshlossen (R = ); der innere Kreis wird als der störende Kreis angesehen; d.h. er wird vom Generator gespeist. Falls der Wellenwiderstand des inneren Kreises unbekannt ist, kann er z.b. mit dem open-short -Verfahren nah Anhang A der IEC Ed. gemessen werden. Der Shirm des zu prüfenden Kabels oder der zu prüfenden Komponente wird am sendernahen Ende mit dem Messrohr kurzgeshlossen. Am fernen Ende wird der Messkopf über den Dämpfungswiderstand R an den Empfänger angeshlossen. Falls der Wellenwiderstand des Prüflings vom Wellenwiderstand des Generators abweiht, wird ein Impedanzwandler eingesetzt. Falls kein handelsübliher Impedanzwandler verfügbar ist, kann er z.b. nah Anhang B der IEC Ed selbst hergestellt werden. Der Vorteil des Verfahrens A liegt in der hohen Grenzfrequenz. Allerdings wird der Dynamikbereih durh den Dämpfungswiderstand und durh den Impedanzwandler eingeshränkt.

5 3.4 Prüfverfahren B: Innerer Kreis mit Abshlusswiderstand und äußerer Kreis ohne Dämpfungs- bzw. Vorwiderstand Dieses Verfahren ist das gleihe wie Verfahren A: Angepasster innerer Kreis mit Abshlusswiderstand R, allerdings ohne Impedanzwandler und ohne den Dämpfungswiderstand R. Dieses Verfahren hat eine höhere Dynamik. Der Abshlusswiderstand R sollte vorzugsweise dem Wellenwiderstand des Prüflings entsprehen, (R = ). 3.5 Prüfverfahren C: (Fehlangepasst)-Kurzshluss- Kurzshluss ohne Dämpfungs- bzw. Vorwiderstand Bei diesem Verfahren sind sowohl der innere als auh der äußere Kreis an einem Ende kurzgeshlossen; d.h. der Dämpfungswiderstand R und der Abshlusswiderstand R werden durh Kurzshlüsse ersetzt. Ein Impedanzwandler wird niht eingesetzt, (siehe Bild ). Im Gegensatz zu Verfahren A und B speist der Generator bei Verfahren C den äußeren Kreis (das Messrohr) und der innere Kreis (das zu prüfende Kabel) wird an den Empfänger angeshlossen. Bei dieser Prüfeinrihtung wird der Einfluss der kapazitiven Kopplung durh die Kurzshlüsse im inneren und im äußeren Kreis unterdrükt. Dass Verfahren ist sehr empfindlih und daher geeignet, sehr niedrige Kopplungswiderstände zu messen, (bis zu μω/m und niedriger). 3.6 Messung und Auswertung Der Streuparameter a meas bzw. die Dämpfung S ist bei allen Verfahren (vorzugsweise mit logarithmisher Frequenzahse) über den gesamten, für den Kopplungswiderstand festgelegten Frequenzbereih und an den gleihen Punkten wie während des Kalibrierens zu messen. a meas = log P / P = 0 log S (5) dabei ist: P P die Leistung, die in den inneren Kreis eingespeist wird; die Leistung im äußeren Kreis. Die Herleitung der nahfolgenden Gleihungen für die jeweiligen Messverfahren kann z.b. über ein -Glied erfolgen; sie ist u.a. im Anhang D der IEC Ed beshrieben. Die Umwandlung der gemessenen Dämpfung a meas bzw. S der jeweiligen Messverfahren in den Kopplungswiderstand geshieht nah folgenden Gleihungen: Allgemeine Gleihung s R ( + ) + 0 R 0 ameas aal a pad p 0 = (6) L s 0 p

6 Verfahren A: ( + R ) ameas aal pad + 0 ( a log ( / )) 0 R 0 = (7) L Verfahren B: 0 ameas aal 0 R + 0 = (8) L Verfahren C: ameas aal 0 0 = (9) L dabei ist: 0 p s a meas a al a pad L R R der Systemwellenwiderstand (übliherweise 50 Ω), der Wellenwiderstand des inneren Kreises bzw. des Prüflings, der Kopplungswiderstand, Wellenwiderstand auf der Primärseite des Impedanzwandlers Wellenwiderstand auf der Sekundärseite des Impedanzwandlers die gemessene Dämpfung, die Dämpfung der Verbindungskabel, falls niht während des Kalibrierens der Prüfeinrihtung eliminiert, die Dämpfung des Impedanzwandlers, die Kopplungslänge, der Abshlusswiderstand im inneren Kreis, Dämpfungswiderstand (Serienwiderstand) im äußeren Kreis. 4 Shirmdämpfung, IEC , Ausgabe Die Shirmdämpfung a S ist definiert als das logarithmishe Verhältnis von der, in das Kabel eingespeisten Leistung P zu der, vom Kabel abgestrahlten Leistung P. a S = log P = U () / P 0logU / Änderungen zu Ausgabe : Die Norm IEC wurde erweitert und auf die Erfordernisse bei der Messung von geshirmten Kabeln mit niht standardisierten Wellenwiderständen angepasst, z.b. HV-Kabel mit a. Ohm Wellenwiderstand. Nah Ausgabe der IEC wurde die Shirmdämpfung bei angepassten Verhältnissen, (siehe Bild 5a) gemessen, (Abshluss des Prüflings mit seinem Wellenwiderstand, (R = ), und Anpassung des Prüflings an den Wellenwiderstand des Generators mit einem Impedanzwandler). Ausgabe der IEC erlaubt jetzt sowohl die Messung mit Anpassung als auh mit Fehlanpassung zwishen Sender und Prüfling. Ein Impedanzwandler ist niht mehr erforderlih.

7 Lediglih der Prüfling wird am senderfernen Ende mit seinem Wellenwiderstand abgeshlossen. Bei der Messung mit Fehlanpassung ist zunähst der Wellenwiderstand des Kabels bzw. des Prüflings zu ermitteln, z.b. mit dem open-short Verfahren nah Anhang A der IEC Der Messaufbau nah Ausgabe der IEC entspriht Bild b. Die Shirmdämpfung a S, welhe mit den Ergebnissen des angenverfahrens vergleihbar ist, ergibt sih bei Fehlanpassung und mit dem normalisierten Wert S = 50 Ω zu: a s log P log P S = = () Pr,max P,max 300Ω = Env 0 log S + log r + log () dabei ist: a s Env die Shirmdämpfung bezogen auf den normalisierten Wellenwiderstand der Umgebung von50 Ω in db, die minimale Hüllkurve der gemessenen Werte, in db, r der Reflexionsfaktor 0 = (3) der System-Wellenwiderstand bzw. der Generatorwiderstand, in Ω, (übliherweise 50 Ω), der Wellenwiderstand des Prüflings, in Ω. Der erm - r stellt hier die Reflexionsdämpfung durh die Fehlanpassung zwishen Generator und Prüfling dar. Bei einer Fehlanpassung von 50 Ohm Generatorwiderstand auf Ohm des Prüflings ergibt sih damit ein Korrekturwert von a.,5 db. 5 Kopplungsdämpfung Die Messung der Kopplungsdämpfung von symmetrishen Leitungen erfolgt entweder mit Absorberzangen nah IEC oder einem triaxialen Messaufbau nah IEC Die Messung mit Absorberzangen hat einige Nahteile gegenüber der Messung mit dem triaxialen Aufbau; die Messung sollte in geshirmten Räumen erfolgen um Umgebungseinflüsse auszushließen. Dagegen sind beim triaxialen Aufbau Umgebungseinflüsse durh den Aufbau selbst ausgeshlossen. Es existieren angen für den Frequenzbereih von 30 MHz bis 00 MHz und 500 MHz bis,4 GHz. D.h. für die Messung bis GHz sind zwei Messaufbauten erforderlih und oberhalb von.4 GHz sind Messungen mit angen niht möglih. Daher wird vorzugsweise der triaxiale Aufbau nah IEC verwendet. ur Messung der Kopplungsdämpfung wird ein differentielles Signal benötigt. Dies kann z.b. über einen Symmetrieübertrager (Balun) erzeugt werden, der den koaxialen Ausgang eines 50-Ohm Netzwerkanalysators in ein differentielles Signal von 0 Ohm des Prüflings wandelt. Handelsüblihe Symmetrieübertrager sind allerdings nur bis a., GHz verfügbar.

8 Alternativ zu einem Symmetrieübertrager kann ein symmetrishes Signal auh mit einem Netzwerkanalysator mit zwei Generatoren, die um 80 phasenvershoben sind, erzeugt werden. Damit kann die Kopplungsdämpfung bis zu und über 3 GHz gemessen werden. Allerdings sind solhe Geräte kaum verfügbar. Eine weitere häufig angewendete Alternative ist die Messung mit einem Mehrtor-VNA und der Anwendung der entsprehenden Mishmoden S-Parameter. Sender Rohr (CoMe 40) symmetrish/ asymmetrisher Abshluss Sender, 80 Phasenvershoben Prüfling Shirmhülse Empfänger Bild 3 - Messung der Kopplungsdämpfung mit Mehrtor-NWA, Prinzip Bild 4 - Messung der Kopplungsdämpfung mit Balun und mit Multiport-NWA Der Vergleih der Messung mit Balun und mit Mehrtor-NWA (balunless) zeigt sehr gute Übereinstimmung der Kurven. Die Norm IEC befindet sih bei IEC C46/WG5 in Überarbeitung zur Erweiterung auf Anwendungen mit Mehrtor-NWAs. Wie oben beshrieben, bietet das riaxialverfahren zahlreihe Anwendungsmöglihkeiten zur Messung der EMV von Kabeln, Stekern und Komponenten von DC bis zu und über GHz mit einem Messaufbau bei laufender Aktualisierung der jeweiligen Normen.