GTEM Zellen Gtem-Zellen - datatec Gmbh
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<strong>GTEM</strong> <strong>GTEM</strong>-<strong>Zellen</strong> <strong>Zellen</strong><br />
Andreas Klink<br />
Produktmanager<br />
Teseq GmbH, Berlin
Thematische Einführung, Normungssituation<br />
Grundlagen<br />
FFeldkalibrierung ldk lib i<br />
Prüflingspositionierung<br />
Felderzeugung und Störfestigkeitsprüfung<br />
Messung der Störaussendung<br />
Produkte und Anwendungen<br />
Inhalt
Thematische Einführung<br />
Verwendungszweck: EMV-Prüfung Störfestigkeitsprüfung und Messung der<br />
Störaussendung<br />
Basisnorm Basisnorm IEC/EN 61000-4-20: Prüf- und Messverfahren Messverfahren – Messung der<br />
Störaussendung und Störfestigkeit in transversal-elektromagnetischen<br />
(TEM-)Wellenleitern (>80 Seiten)<br />
Produktnormen üblicherweise bezogen auf das Freifeld<br />
(Störaussendungsmessung) bzw. Absorberhalle (Störfestigkeitsprüfung)<br />
--> externes Testhaus erforderlich<br />
Besser eigene kost- und platzsparende Lösung im eigenen Labor -> <strong>GTEM</strong><br />
N Neue NNormentwicklung t i kl
CISPR 14-1<br />
Elektromagnetische Verträglichkeit – Anforderungen an Haushaltgeräte,<br />
Elektrowerkzeuge und ähnliche Elektrogeräte – Teil 1:<br />
EN 55014-1:2010-02 (EN ( 55014-1:2006+A1:2009) ) CISPR 14-1:2005 +<br />
Corrigendum 1:2009 + A1:2008<br />
Siehe Tabelle 3:
CISPR 14-1
CISPR 14-1<br />
Möglichkeit:<br />
Normkonforme Messung der Störaussendung batteriebetriebener<br />
Prüflinge in <strong>GTEM</strong>-<strong>Zellen</strong><br />
<strong>GTEM</strong> <strong>Zellen</strong>
Typische Produktnormen erfordern<br />
unterschiedlichen Prüfaufbau<br />
Messung g der Störaussendung g nach EN 55011 (CISPR (<br />
11) oder EN 55022 (CISPR 22)<br />
-> erfordern 10 m-Freifeld (OATS) (zukünftige<br />
Referenz CISPR 16-2-3)<br />
-> alternativ SAR (Absorberhalle mit leitenden<br />
Boden)<br />
Prüfung g der Störfestigkeit g nach EN 61000-4-3<br />
-> erfordert FAR (Absorberhalle, Absorber auch<br />
auf dem Boden)<br />
Normungssituation
Grundlagen<br />
Kapitel 1
Transversale ElektroMagnetischer Modus (TEM)<br />
TEM / Fernfeldbedingung<br />
alle 3 Feldvektoren sind im Winkel von 90° zueinander<br />
AAntennen t FFernfeld f ld = TEM Wellenausbreitung<br />
W ll b it<br />
E Electrical field vector<br />
S Pointing vector<br />
H Magnetic field vector
Beziehung von E und H-Feldvektoren<br />
in einem koaxialen Leiter<br />
E<br />
H<br />
Konstruktive Herausforderung: Erweiterung des koaxialen Leiters für das<br />
Einbringen des Prüflings
TEM-Wellenleiter<br />
Entwicklung der TEM-Wellenleiter<br />
Verschiedene Modelle von Streifenleitungen<br />
(offene (offene Struktur) Struktur)<br />
TEM-<strong>Zellen</strong> (geschlossene Struktur, Crawford 1974)<br />
G<br />
E<br />
H S<br />
Spezielle Form: <strong>GTEM</strong>-<strong>Zellen</strong><br />
(<strong>GTEM</strong> ( = Gigahertz g Transverse Electro Magnetic) g )
Frequenzerweiterte Variante der<br />
TEM-Zelle<br />
Koaxialer Einspeisepunkt<br />
Aufgeweitete koaxiale Leitung<br />
Luftdielektrikum<br />
Abschlussimpedanz 50 Ω,<br />
hybrider Abschluss<br />
Prinzip der <strong>GTEM</strong>-Zelle
Input section<br />
Konstruktion der <strong>GTEM</strong>-Zelle<br />
Septum plate<br />
Resistor board<br />
Absorber<br />
EUT supply and filter box<br />
Door with window<br />
Media plate
Felderzeugung in der <strong>GTEM</strong>-Zelle
Felderzeugung in der <strong>GTEM</strong>-Zelle<br />
Alle 3 Vektoren haben einen Winkel<br />
von 90° zueinander ->TEM<br />
Ausbreitung g des Feldes vom<br />
Einspeisepunkt zum hybriden<br />
Abschluss<br />
Intensität des Feldes ist<br />
direktproportional zur eingespeisten<br />
Spannung<br />
Intensität des Feldes ist in<br />
Abhängigkeit von der Septumshöhe<br />
(Abstand zwischen Innenleiter und<br />
Außenleiter)
Feldkalibrierung<br />
Kapitel 2
IEC/EN 61000-4-20<br />
Feldkalibrierung<br />
Gleiche Kalibrierung erforderlich für Störaussendung und Störfestigkeit.<br />
KKonzept t der d “ “gleichförmigen l i hfö i Eb Ebene” ”<br />
TEM-Wellenleiter-Abmessungen bestimmen die Größe der “gleichförmigen<br />
Ebene” und die Anzahl der Messpunkte<br />
Regelung auf “konstante Vorwärtsleistung” bzw. der bevorzugten<br />
“konstanten Feldstärke” Methode (geringere Messfehler)
Anordnung und<br />
Anzahl der<br />
Messpunkte<br />
MMessung<br />
Feldkalibrierungsprozedur<br />
homogenes Feld<br />
Frequenzschritte<br />
Frequenzbereich<br />
AAuswertung t TToleranzen l
Feldkalibrierung: Beispiel <strong>GTEM</strong> 750
Feldkalibrierung: Beispiel <strong>GTEM</strong> 750
Prüflingspositionierung<br />
Kapitel 3
EUT-Größe / nutzbares Prüfvolumen<br />
w<br />
septum<br />
Unterschiedliche Angaben<br />
in der Norm<br />
00,33 33 * h<br />
usable test volume<br />
Standard –EUT-Höhe<br />
0,5 * h erweiterte EUT-<br />
EUT 0.33 h h Höhe<br />
0.6 w<br />
a
EUT-Positionierung<br />
EUT-Positionierung<br />
Unterhalb des Septums<br />
-> vertikales E-Feld<br />
Änderung der Polarisation durch<br />
Drehung des Prüflings, Drehung<br />
vertikal und Drehung g an einer<br />
virtuelln horizontalen Achse<br />
-> orthogonale Drehung<br />
Prüflinge g müssen drehbar sein (keine (<br />
Flüssigkeiten)
EUT-Position ist typisch in der Mitte<br />
zwischen Septum und Boden<br />
Boden ist Teil des Wellenleiters<br />
Angeschlossene Leitungen nicht auf<br />
dem Boden<br />
Ca.1 m Kabel zwischen EUT und<br />
Absorberzange bzw. CDN vor<br />
Bodenkontakt oder verlassen der<br />
<strong>GTEM</strong><br />
Vergleichbare Ergebnisse zwischen<br />
den unterschiedlichen Messverfahren<br />
<strong>GTEM</strong>/OATS/SAR möglich g<br />
EUT-Positionierung
Kapitel 4<br />
Felderzeugung und Störfestigkeitsprüfung
Felderzeugung: Berechnungsbeispiel<br />
Leistungsbedarf für 10 V/m bei Septumshöhe 0,75 m<br />
Septumshöhe = 0,75 m<br />
Welligkeit = 3 dB = 2<br />
Leistung = (E*h)2/R * Welligkeit * Modulationsreserve<br />
E = erforderliche Feldstärke (10 V/m)<br />
h = Septumshöhe (0,75 m)<br />
R = <strong>GTEM</strong> Eingangsimpedanz(50 Ω)<br />
Leistung g = (10*0,75)2/50 ( , ) * 2*3,24 , = 7.3 Watt (38,6 ( , dBm) )
Feldstärke ist typisch unabhängig von der Frequenz<br />
Felderzeugung<br />
Frequenzbereich DC bis 18 GHz, bester Bereich 80 und 1000 MHz<br />
FAR erfordert f d t für fü 10 V/m V/ einen i LLeistungsverstärker i t tä k mit it 100 W W,<br />
bei <strong>GTEM</strong> 750 reichen 7,3 W<br />
Verringerte Septumshöhe liefert höhere Feldstärke (nur für kleine<br />
Prüflinge praktikabel)
Input p p power for 10 V/m /<br />
(P AM=<br />
required power with AM 80 % (e.g. IEC 61000-4-3)<br />
P CW=<br />
required power CW (AM with peak conservation<br />
e.g. Automotive testing))<br />
Feldstärke in Abhängigkeit der<br />
Septumshöhe<br />
h = 2 m, P = 51.8 W, P = 16 W<br />
AM CW<br />
h = 1.5 m, , P = 29.2 W, , P = 9 W<br />
AM CW<br />
h = 1 m, P = 13 W, P = 4 W<br />
AM CW<br />
h = 0.5 m, P = 3.2 W, P = 1 W<br />
AM CW
Systemkomponenten<br />
Allgemeiner Aufbau für die Feldkali-<br />
brierung und Störfestigkeitsprüfung<br />
Signalgenerator (mit Modulator)<br />
LLeistungsverstärker i t tä k<br />
Richtkoppler<br />
Leistungsmesser<br />
Feldsonde (nur bei Kalibrierung)<br />
<strong>GTEM</strong><br />
Software
<strong>GTEM</strong> cell<br />
Aufbau für die Feldkalibrierung und<br />
Störfestigkeitsprüfung bis 1 GHz<br />
RF output<br />
NSG 4070<br />
RF out<br />
Test generator ee.g. g Teseq NSG 4070<br />
with RF synthesizer and power meter<br />
Power meter<br />
Amp in ch.3 < +20 dBm<br />
ch.2 < +20 dBm<br />
< +10 dBm<br />
Amp out<br />
ch.1 < +27 dBm<br />
7 8<br />
Run<br />
Back Stop<br />
4<br />
5<br />
9<br />
6<br />
1 2 3<br />
MHz<br />
dBµV<br />
kHz<br />
dBm<br />
FRQ LVL<br />
STO<br />
RCL<br />
MOD<br />
StSize StSize StSize<br />
Amp in Amp out<br />
Power amplifier input<br />
0<br />
Hold<br />
.<br />
Hz<br />
V<br />
Enter<br />
Step<br />
1<br />
Tuning<br />
Step<br />
2<br />
Step<br />
3<br />
USB<br />
Local<br />
RF<br />
ON/OFF<br />
Help<br />
2nd<br />
Power<br />
Software<br />
Output<br />
Directional coupler<br />
Power meter 50 Ω<br />
ch. 1 n.c.<br />
ch. 2 forward power<br />
ch. 3 n.c.
ITS 6006<br />
ITS 6006 RADI ATED IMMUNITY TEST SYSTEM 80 MHz - 6 GHz<br />
Power Meter Generator<br />
RF on<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
Interlock Switch<br />
1<br />
2<br />
3<br />
4<br />
A<br />
B<br />
A<br />
B<br />
Generator out 1 to 4<br />
1<br />
2<br />
Digital 1<br />
0..24 V<br />
Digital 2<br />
0..24 V<br />
Monitoring<br />
Analog<br />
0..24 V<br />
Aufbau für die Feldkalibrierung und<br />
Störfestigkeitsprüfung 80 bis 3000 MHz<br />
Optical User Port<br />
Power<br />
EUT monitoring<br />
2x Switch 1/2<br />
PM channel 1 to 3<br />
Amp in Amp out<br />
Amp in Amp out<br />
Software<br />
Power meter<br />
PMR 6006<br />
Power<br />
Meter<br />
Power<br />
Meter<br />
B<br />
A<br />
Switch (part of ITS 6006)<br />
EUT monitoring: analog, digital, optical to ITS 6006<br />
Power amplifier 1 and 2 <strong>GTEM</strong> cell
Vorteile der Störfestigkeitsprüfung in<br />
<strong>GTEM</strong>-<strong>Zellen</strong><br />
<strong>GTEM</strong> <strong>Zellen</strong><br />
Geschirmte Prüfeinrichtung erlaubt umgebungsunabhängigen Betrieb<br />
Gleicher Aufbau für Messung der Störaussendung und<br />
Störfestigkeitsprüfung<br />
Generiertes Feld ist weitestgehend homogen und einfach zu berechnen<br />
Effizientes Leistungsverhalten – kleinere Leistungsverstärker erforderlich<br />
Exzellentes VSWR über den gesamten Frequenzbereich – Messung der<br />
Rückwärtsleistung kann entfallen<br />
Sehr gute Reproduzierbarkeit
Nachteile der Störfestigkeitsprüfung<br />
in <strong>GTEM</strong>-<strong>Zellen</strong><br />
<strong>GTEM</strong> <strong>Zellen</strong><br />
Prüflinge müssen<br />
gebrauchslageunabhängig sein<br />
Begrenzte Begrenzte Prüflingsgröße<br />
Prüflingsgröße<br />
Allgemeinanwendbarkeit durch<br />
Entfernen aus IEC/EN 61000-4-3<br />
nicht mehr gegeben<br />
Bedarf für Produktstandards mit<br />
entsprechenden Verweis auf IEC/EN<br />
61000 61000-4-20<br />
4 20
Messung der Störaussendung<br />
Kapitel 5
Messaufbau für die Störaussendung<br />
Software mit Korrelation XYZ-Positionierer (Manipulator) ( p ) für<br />
manueller oder ferngesteuerte<br />
Prüflingspositionierung<br />
Messempfänger
Erforderlich: definierter TEM-Wellenleiter<br />
Messung der Störaussendung<br />
Nutzung eines Korrelationsalgorithmus für den Vergleich zum Freifeld<br />
z z. B.: B : Grenzwertlinie in dBuV/m bei z.B. z B 10 m Abstand und<br />
Höhenvariation der Antenne von 1 to 4 m oder Freiraum<br />
U X ; U Y ; U z E horizontal; E vertikal Grenzwertlinie<br />
Nutzung von k-Faktoren im Frequenzbereich unter 30 MHz und Vergleich<br />
mit CISPR 25 / MIL / RTCA DO DO-160 160 (siehe auch Teseq Applikation Note)<br />
Vergleich mit Freifeld nur bedingt möglich<br />
Direktvergleich mit Spannungsgrenzwerten im KFZ-Bereich
Annahme: Prüfling besteht aus<br />
3 orthogonalen Dipolen (E&H)<br />
erfordert Spannungsmessungen<br />
p g g<br />
in 3 orthogonale Lagen des<br />
Prüflings in der <strong>GTEM</strong>-Zelle<br />
Jede Prüflingsachse g muss dabei<br />
einmal in jede Achse der<br />
<strong>GTEM</strong>-Zelle zeigen.<br />
Korrelationsalgorithmus
Messwerte X<br />
Berechnungen<br />
Messwerte Y<br />
Vektorsumme<br />
Messwerte Z<br />
Abmessungen<br />
<strong>GTEM</strong> <strong>GTEM</strong>-Cell Cell<br />
Prüflingsposition<br />
in <strong>GTEM</strong><br />
hEUT U ; hSept Sept<br />
äquivalenter<br />
EUT-Dipol-<br />
Gewinn<br />
OATS-Parameter<br />
aus Norm<br />
hEUT ; (0,8m)<br />
dEUT-Antenne; dEUT-Antenne; (10m)<br />
hAntenneunten;(1m)<br />
hAntenneoben;(4m)<br />
Messung der Störaussendung<br />
total abgestrahlte g<br />
Leistung (ERP)<br />
TTransmission i i of f EUT<br />
max max. Feldstärke<br />
@ Rx Antenne<br />
horizontal + vertikal<br />
Vergleich zum Grenzwert<br />
Ptotal<br />
dBpW<br />
Emax<br />
dBµV/m
Validierung mit einer Vergleichsstrahlungsquelle<br />
Validierungsmöglichkeit<br />
Batteriebetriebener (erdfrei) Referenzgenerator mit Antenne z.B.<br />
VSQ 1000 oder für kleinere <strong>GTEM</strong>-<strong>Zellen</strong> KSQ KSQ 1000<br />
Kammgenerator mit Spektrallinien von 1, 5 oder 10 MHz<br />
Langzeitstabilität
Validierungsmöglichkeit
Vorteile von Messungen der<br />
Störaussendung in <strong>GTEM</strong>-<strong>Zellen</strong><br />
<strong>GTEM</strong> <strong>Zellen</strong><br />
Gleicher Aufbau für Messung der Störaussendung und<br />
Störfestigkeitsprüfung<br />
Geschirmte Prüfeinrichtung erlaubt umgebungsunabhängigen Betrieb<br />
Konform mit CISPR 14-1 für kleine Prüflinge bis 1 GHz<br />
Alternatives Verfahren zu anderen Messverfahren<br />
Zeit, Kosten und Platz sparende Methode (Zeitvorteil gegenüber OATS:<br />
Faktor 5- 10)<br />
Keine Maximumbestimmung durch Höhenvariation oder<br />
Polarisationswechsel der Antenne, keine Drehung des Tisches<br />
Einfache Manipulatorpositionierung<br />
Sehr gute Reproduzierbarkeit
Prüflinge müssen<br />
gebrauchslageunabhängig sein<br />
Korrelationssoftware Korrelationssoftware erforderlich<br />
Begrenzte Prüflingsgröße<br />
Bedarf für Produktstandards mit<br />
entsprechenden t h d VVerweis i auf f IEC/EN<br />
61000-4-20<br />
Nachteile von Messungen der<br />
Störaussendung in <strong>GTEM</strong>-<strong>Zellen</strong><br />
<strong>GTEM</strong> <strong>Zellen</strong>
Produktbereich und Applikationen<br />
Kapitel 5
Modelle mit Septumshöhen von 0,25<br />
bis 2 m<br />
<strong>GTEM</strong>-Größe in Abhängigkeit gg von den<br />
Prüflingsabmessungen<br />
Spezielle Filterlösungen<br />
Spezielle Durchführungen<br />
Kundenspezifische Lösungen<br />
<strong>GTEM</strong>-Zelle Produktbereich
<strong>GTEM</strong>-<strong>Zellen</strong><br />
Beispiel <strong>GTEM</strong> 500
Media S<br />
3x N-Durchführung<br />
1x optische Durchführung<br />
Innerhalb der <strong>GTEM</strong>-Zelle<br />
Außerhalb der <strong>GTEM</strong>-Zelle<br />
<strong>GTEM</strong>-<strong>Zellen</strong><br />
Standardausführung
EUT-BOX1<br />
2x 16 A-Filter<br />
1x AC AC Steckdose<br />
Leitungsschutzschalter<br />
Fehlerstromschutzschalter<br />
Shltb Schaltbare Bl Beleuchtung<br />
ht<br />
<strong>GTEM</strong>-<strong>Zellen</strong><br />
Standardausführung
<strong>GTEM</strong>-<strong>Zellen</strong><br />
Beispiel <strong>GTEM</strong> 1750<br />
Fenster (Standardausführung)<br />
Fenster (Standardausführung)<br />
Räder (optional)<br />
Tür auf der rechten Seite
<strong>GTEM</strong>-Zelle Anwendungsbereich<br />
Störfestigkeitsprüfung<br />
Messung der Störaussendung<br />
Precompliance<br />
entwicklungsbegleitend<br />
auch Prüflinge mit Leitungen<br />
unterhalb 30 MHz wie Stabantenne, oberhalb 30 MHz nach CISPR 25<br />
Messung der total abgestrahlten Leistung kleiner Sender<br />
Testen von integrierten g Schaltkreisen<br />
Kalibrierung von Feldsonden<br />
Schirmdämpfungsmessung von Material<br />
Ei Einzige ig technische t h i h Mögli Möglichkeit hk it fü für ggepulste l t FFelder ld ->MIL<br />
MIL
Danke für die Aufmerksamkeit!
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