GTEM-Zellen Andreas Klink Produktmanager Teseq GmbH, Berlin
Inhalt Thematische Einführung, Normungssituation Grundlagen Feldkalibrierung lib i Prüflingspositionierung Felderzeugung und Störfestigkeitsprüfung Messung der Störaussendung Produkte und Anwendungen
Thematische Einführung Verwendungszweck: EMV-Prüfung Störfestigkeitsprüfung und Messung der Störaussendung Basisnorm IEC/EN 61000-4-20: Prüf- und Messverfahren Messung der Störaussendung und Störfestigkeit in transversal-elektromagnetischen (TEM-)Wellenleitern (>80 Seiten) Produktnormen üblicherweise bezogen auf das Freifeld (Störaussendungsmessung) bzw. Absorberhalle (Störfestigkeitsprüfung) --> externes Testhaus erforderlich Besser eigene kost- und platzsparende Lösung im eigenen Labor -> GTEM Neue Normentwicklung
CISPR 14-1 Elektromagnetische Verträglichkeit Anforderungen an Haushaltgeräte, Elektrowerkzeuge und ähnliche Elektrogeräte Teil 1: EN 55014-1:2010-02 (EN 55014-1:2006+A1:2009) CISPR 14-1:2005 + Corrigendum 1:2009 + A1:2008 Siehe Tabelle 3:
CISPR 14-1
CISPR 14-1 Möglichkeit: Normkonforme Messung der Störaussendung batteriebetriebener Prüflinge in GTEM-Zellen
Normungssituation Typische Produktnormen erfordern unterschiedlichen Prüfaufbau Messung der Störaussendung nach EN 55011 (CISPR 11) oder EN 55022 (CISPR 22) -> erfordern 10 m-freifeld (OATS) (zukünftige Referenz CISPR 16-2-3) -> alternativ SAR (Absorberhalle mit leitenden Boden) Prüfung der Störfestigkeit nach EN 61000-4-3 -> erfordert FAR (Absorberhalle, Absorber auch auf dem Boden)
Grundlagen Kapitel 1
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
Beziehung von E und H-Feldvektoren in einem koaxialen Leiter E H Konstruktive Herausforderung: Erweiterung des koaxialen Leiters für das Einbringen des Prüflings
Entwicklung der TEM-Wellenleiter TEM-Wellenleiter Verschiedene Modelle von Streifenleitungen (offene Struktur) TEM-Zellen (geschlossene Struktur, Crawford 1974) E G H S Spezielle Form: GTEM-Zellen (GTEM = Gigahertz Transverse Electro Magnetic)
Prinzip der GTEM-Zelle Frequenzerweiterte Variante der TEM-Zelle Koaxialer Einspeisepunkt Aufgeweitete koaxiale Leitung Luftdielektrikum Abschlussimpedanz 50 Ω, hybrider Abschluss
Konstruktion der GTEM-Zelle Septum plate Resistor board Absorber EUT supply and filter box Door with window Media plate Input section
Felderzeugung in der GTEM-Zelle
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)
Feldkalibrierung Kapitel 2
Feldkalibrierung IEC/EN 61000-4-20 Gleiche Kalibrierung erforderlich für Störaussendung und Störfestigkeit. Konzept der gleichförmigen i 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)
Feldkalibrierungsprozedur Anordnung und Anzahl der Messpunkte homogenes Feld Frequenzschritte Messung Frequenzbereich Auswertung Toleranzen
Feldkalibrierung: Beispiel GTEM 750
Feldkalibrierung: Beispiel GTEM 750
Prüflingspositionierung Kapitel 3
EUT-Größe / nutzbares Prüfvolumen w Unterschiedliche Angaben septum in der Norm 0,33 * h usable test volume Standard EUT-Höhe 0,5 * h erweiterte EUT- EUT 0.33 h h Höhe 0.6 w a
EUT-Positionierung EUT-Positionierung Unterhalb des Septums -> vertikales E-Feld Änderung der Polarisation durch Drehung des Prüflings, Drehung vertikal und Drehung an einer virtuelln horizontalen Achse -> orthogonale Drehung Prüflinge müssen drehbar sein (keine Flüssigkeiten)
EUT-Positionierung EUT-Position ist typisch in der Mitte zwischen Septum und Boden Boden ist Teil des Wellenleiters Angeschlossene Leitungen nicht auf dem Boden Ca.1 m Kabel zwischen EUT und Absorberzange bzw. CDN vor Bodenkontakt oder verlassen der GTEM Vergleichbare Ergebnisse zwischen den unterschiedlichen Messverfahren GTEM/OATS/SAR möglich
Kapitel 4 Felderzeugung und Störfestigkeitsprüfung
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)
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 tä mit 100 W, bei GTEM 750 reichen 7,3 W Verringerte Septumshöhe liefert höhere Feldstärke (nur für kleine Prüflinge praktikabel)
Feldstärke in Abhängigkeit der Septumshöhe Input power for 10 V/m (P AM= required power with AM 80 % (e.g. IEC 61000-4-3) P CW= required power CW (AM with peak conservation e.g. Automotive testing)) h = 2 m, P = 51.8 W, P = 16 W AM CW h = 1.5 m, P = 29.2 W, P = 9 W AM h = 1 m, P = 13 W, P = 4 W AM CW h = 0.5 m, P = 3.2 W, P = 1 W AM CW CW
Allgemeiner Aufbau für die Feldkali- brierung und Störfestigkeitsprüfung Systemkomponenten Signalgenerator (mit Modulator) Leistungsverstärker tä Richtkoppler Leistungsmesser Feldsonde (nur bei Kalibrierung) GTEM Software
MHz dbµv khz dbm Hz V 1 Step 2 Step 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 7 8 9 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 4 Hold Run Stop 5 0. 6 1 2 3 Enter STO RCL StSize StSize Step Tuning Help StSize 3 2nd USB 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
Aufbau für die Feldkalibrierung und Störfestigkeitsprüfung 80 bis 3000 MHz ITS 6006 Software ITS 6006 RADI ATED IMMUNITY TEST SYSTEM 80 MHz - 6 GHz Power Meter Generator Interlock Switch Monitoring RF on 1 2 1 2 A B 1 Digital 1 0..24 V Digital 2 0..24 V Analog 0..24 V Optical User Port 3 4 3 4 A B 2 Power Generator out 1 to 4 EUT monitoring 2x Switch 1/2 EUT monitoring: analog, digital, optical to ITS 6006 PM channel 1 to 3 Power meter PMR 6006 Power Meter Amp in Amp out Switch (part of ITS 6006) Power Meter B Amp in Amp out A Power amplifier 1 and 2 GTEM cell
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
Nachteile der Störfestigkeitsprüfung in GTEM-Zellen Prüflinge müssen gebrauchslageunabhängig sein Begrenzte Prüflingsgröße Allgemeinanwendbarkeit durch Entfernen aus IEC/EN 61000-4-3 nicht mehr gegeben Bedarf für Produktstandards mit entsprechenden Verweis auf IEC/EN 61000-4-20
Messung der Störaussendung Kapitel 5
Messaufbau für die Störaussendung Software mit Korrelation XYZ-Positionierer (Manipulator) für manueller oder ferngesteuerte Prüflingspositionierung Messempfänger
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
Korrelationsalgorithmus Annahme: Prüfling besteht aus 3 orthogonalen Dipolen (E&H) erfordert Spannungsmessungen g in 3 orthogonale Lagen des Prüflings in der GTEM-Zelle Jede Prüflingsachse muss dabei einmal in jede Achse der GTEM-Zelle zeigen.
Messung der Störaussendung Messwerte X Messwerte Y Messwerte Z Abmessungen GTEM-Cell Prüflingsposition in GTEM h EUT ; h Sept äquivalenter EUT-Dipol- Gewinn OATS-Parameter aus Norm h EUT ; (0,8m) d EUT-Antenne; (10m) h Antenne unten;(1m) h Antenne oben;(4m) Berechnungen Vektorsumme total abgestrahlte Leistung (ERP) Transmission i of EUT max. Feldstärke @ Rx Antenne horizontal + vertikal Vergleich zum Grenzwert P total dbpw Emax dbµv/m
Validierungsmöglichkeit Validierung mit einer Vergleichsstrahlungsquelle Batteriebetriebener (erdfrei) Referenzgenerator mit Antenne z.b. VSQ 1000 oder für kleinere GTEM-Zellen KSQ 1000 Kammgenerator mit Spektrallinien von 1, 5 oder 10 MHz Langzeitstabilität << 1 db Vergleichsstrahlungsquelle ist zuvor zu kalibrieren (z. B. auf einem Antennenmessplatz (REFTS) oder per Vergleichsmessung in einer bekannten Umgebung (Referenz-GTEM) mit einer bekannten Quelle
Validierungsmöglichkeit
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
Nachteile von Messungen der Störaussendung in GTEM-Zellen Prüflinge müssen gebrauchslageunabhängig sein Korrelationssoftware erforderlich Begrenzte Prüflingsgröße Bedarf für Produktstandards mit entsprechenden Verweis auf IEC/EN 61000-4-20
Produktbereich und Applikationen Kapitel 5
GTEM-Zelle Produktbereich Modelle mit Septumshöhen von 0,25 bis 2 m GTEM-Größe in Abhängigkeit gg von den Prüflingsabmessungen Spezielle Filterlösungen Spezielle Durchführungen Kundenspezifische Lösungen
GTEM-Zellen Beispiel GTEM 500
GTEM-Zellen Standardausführung Media S 3x N-Durchführung 1x optische Durchführung Innerhalb der GTEM-Zelle Außerhalb der GTEM-Zelle
GTEM-Zellen Standardausführung EUT-BOX1 2x 16 A-Filter 1x AC Steckdose Leitungsschutzschalter Fehlerstromschutzschalter Shltb Schaltbare Bl Beleuchtung
GTEM-Zellen Beispiel GTEM 1750 Fenster (Standardausführung) Fenster (Standardausführung) Räder (optional) Tür auf der rechten Seite
GTEM-Zelle Anwendungsbereich Störfestigkeitsprüfung Messung der Störaussendung Precompliance entwicklungsbegleitend auch Prüflinge mit Leitungen unterhalb 30 MHz wie Stabantenne, oberhalb 30 MHz nach CISPR 25 Messung der total abgestrahlten Leistung kleiner Sender Testen von integrierten Schaltkreisen Kalibrierung von Feldsonden Schirmdämpfungsmessung von Material Einzige ig technische h Möglichkeit it für gepulste Felder ->MIL
Danke für die Aufmerksamkeit!