1/201036

Messtechnik

emv- esd

Feldsondenkalibrierung nach

IEC 61000-4-3 und IEC 61000-4-20

Dr. Ralf Heinrich, Teseq GmbH, Entwicklung, BerlinDipl.-Ing. Uwe Karsten, Teseq GmbH, Servicelabor, Berlin

1. EINLEITUNG

Die Feldsonde ist ein zentrales Element beider Kalibrierung des Feldes im gleichförmi-gen Feldbereich der Absorberhalle und hat da-mit einen direkten Einfluss auf die Messunsi-cherheit. Daher kommt der Kalibrierung einebesondere Bedeutung zu.

In dem für die IEC 61000-4-3 zuständigenNormungsgremium wurde festgestellt, dassdie international angewandten Verfahren zurKalibrierung von Feldsonden recht unter-schiedlich sind und auch zu unterschiedlichenErgebnissen führen. Im Interesse eines ein-heitlichen Verfahrens und einer besseren Ver-gleichbarkeit werden daher in den informati-ven Anhängen der IEC 61000-4-3 und IEC61000-4-20 der Kalibrieraufbau, das Verfah-ren und weitere Parameter, wie z.B. Frequenz-bereich, Schrittweite, Feldstärke usw. spezifi-ziert. Neben dem Kalibrierverfahren bezie-hen sich die normativen Vorgaben auch aufdie Validierung der Messumgebung [1, 2].

Über die praktischen Erfahrungen bei derUmsetzung der normativen Vorgaben soll imRahmen dieses Beitrages berichtet werden.

2. VALIDIERUNG DES MESSPLATZES IM

FREQUENZBEREICH UNTERHALB VON

1 GHZ

Feldsondenkalibrierungen im Bereich einigerGHz werden üblicherweise in einer Absorber-halle durchgeführt. Dabei werden zur Erzeu-gung eines homogenen Feldes vorzugsweiseHornantennen verwendet, deren Gewinn ma-thematisch gut berechenbar ist. Dieses Verfahren hat jedoch seine Grenzen imBereich unterhalb einiger 100 MHz, da in die-sem Bereich die Hornantennen unhandlichgroß werden und sich der Abstand zwischen

Hornantenne und Sonde zum Erreichen vonFernfeldbedingungen nicht beliebig vergrö-ßern lässt. In diesem unteren Frequenzbereichlassen sich z.B. GTEM-Zellen vorteilhaft zurFeldgenerierung einsetzen, da sie besondersbreitbandig sind und die Feldstärke weitestge-hend unabhängig von der Frequenz ist. Aufdiese Weise können Feldsonden von wenigenkHz bis 1 GHz in einem Aufbau mit gleich-bleibend geringer Leistung und einer sehr gu-ten Reproduzierbarkeit kalibriert werden.Unsicherheitsbeiträge durch Antennenposi-tionierungen, Kabellagen oder veränderteFehlanpassungen an Steckverbindern entfal-len weitestgehend.

Die entsprechenden Bedingungen für dieValidierung der Messumgebung sind in demNormentwurf Anhang E zur IEC 61000-4-20[2] zu finden, der sich zum Zeitpunkt der Ein-reichung des Manuskriptes im Stadium derVorbereitung des FDIS befand und die norma-tiven Vorgaben für die IEC 61000-4-3 für denunteren Frequenzbereich ergänzen soll.

Das für die Feldsonde zur Verfügung ste-hende Prüfvolumen bestimmt sich durch ei-nen Würfel mit einer maximalen Kantenlängevon 20 % der Innenleiterhöhe. Für die ver-wendete 1750er GTEM-Zelle wären dies ma-ximal 35 cm. Aus Gründen der besseren Feld-homogenität und der höheren erreichbarenFeldstärke wurde das Prüfvolumen jedoch inRichtung Speisekeil zu 1 m Septumhöhe ver-schoben, so dass sich ein Würfel von 20 cmKantenlänge ergibt. Diese Position erschienals ein günstiger Kompromiss zwischen aus-reichendem Kalibriervolumen, erreichbarerFeldstärke und Feldhomogenität.Die Feldhomogenität kann mit Hilfe eineraufwendigen Messung der Feldstärkevertei-lung an den in Abbildung 1 dargestelltenMesspunkten überprüft werden. Aus den ins-

gesamt 27 Messpunkten wurde die Standard-abweichung der Speiseleistung in Abhängig-keit von der Frequenz berechnet, die nach demNormentwurf [2] einen Maximalwert von 1,5dB nicht überschreiten darf. In Abbildung 2 istdas Ergebnis der Messung zu sehen. Der Ma-ximalwert der Standardabweichung liegt un-ter 1,2 dB, so dass die verwendete GTEM-Zelle die Anforderungen im betrachteten Fre-quenzbereich von 80 MHz bis 1 GHz gut er-füllt.

Der Schnitt bei 1 GHz ist besonders vor-teilhaft, da Sonden für die Anwendung in Zu-sammenhang mit der IEC 61000-4-3 übli-cherweise mindestens bis 1 GHz kalibriertwerden müssen.

3. VALIDIERUNG DES MESSPLATZES IM

FREQUENZBEREICH OBERHALB VON 1 GHZ

Mit der erfolgreichen Validierung der GTEM-Zelle als Kalibriereinrichtung bis 1 GHz kannfür die Frequenzen darüber die Absorberhallezur Kalibrierung genutzt werden. Für die Va-lidierung der Absorberhalle wurde eineVSWR-Messung nach dem in [1] beschriebe-nen Verfahren durchgeführt. Dazu wurde eineSonde in 1 m Abstand zur Antenne positio-niert und in kleinen Schritten von 2 cm relativzur Antenne verschoben. Die Messstrecke istdurch die größte, bei 1 GHz entstehende Wel-lenlänge von 30 cm definiert. Daraus ergabensich insgesamt 16 Messpunkte. Der Messauf-bau ist in Abbildung 3 dargestellt.

In der IEC 61000-4-3 und IEC 61000-4-20 werden in informativen Anhän-gen Vorgaben zur Feldsondenkalibrierung gemacht. Ziel der Anhänge istes, durch einheitliche Verfahren die Vergleichbarkeit der Feldsondenka-librierung zwischen einzelnen Kalibrierlaboren zu verbessern und damitdie Messunsicherheit der Störfestigkeitsprüfungen nach IEC 61000-4-3und IEC 61000-4-20 zu verringern.

Bild 1: Punktraster zur Homogenitäts-messung

1/2010 37

Messtechnik

emv- esd

Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse der Feldho-mogenitätsmessung. Die durch den unter-schiedlichen Abstand entstandene Pegeldiffe-renz wurde in der Darstellung herausgerech-net, so dass nur noch die tatsächliche Feldho-mogenität übrig bleibt. Im Bereich bis 4 GHzzeigt sich eine gute Feldhomogenität von we-niger als 0,5 dB, die auch den Validierungsan-sprüchen nach [1] entspricht. Im Bereichoberhalb von 4 GHz stand für die Messungennur eine Breitbandhornantenne zur Verfü-gung, die sich für die Sondenkalibrierung alsnicht geeignet erwies. Durch die breite Strah-lungskeule der Antenne machen sich parasitä-re Effekte z.B. durch Reflexionen in einemviel größeren Bereich bemerkbar als bei denim unteren Frequenzbereich verwendetenHornantennen mit stärker gebündelter Richt-charakteristik. Daher sind in Abbildung 4 imFrequenzbereich oberhalb von 4 GHz auchentsprechend größere Abweichungen erkenn-bar, die nicht mehr den Validierungskriteriennach [1] genügen und die Verwendung eineranderen Antenne erforderlich machen.

4. KALIBRIERUNG

Nach erfolgreicher Validierung der Messplät-ze kann die eigentliche Kalibrierung durchge-führt werden. Bei der Kalibrierung gibt eszahlreiche Einflussfaktoren, von denen einigenachfolgend näher betrachtet werden sollen.

4.1 Einfluss der Positioniergenauig-keit der Sonde im Bereich unterhalbvon 1 GHz

Die Positioniergenauigkeit der Sonde hat ei-nen direkten Einfluss auf die angezeigte Feld-stärke. Am Beispiel einer Verschiebung in x-Richtung (quer zur Speisepunkt-Absorber-achse in horizontaler Richtung) ist die Abwei-chung der Vorwärtsleistung für eine konstan-

te angezeigte Feldstärke in Bezug auf die Re-ferenzposition in Abbildung 5 dargestellt. Ei-

ne Verschiebung der Sonde bis 1 cm hat nahe-zu keinen Einfluss. Bei größeren Abweichun-gen von 3 cm ist ein Einfluss bereits deutlicherkennbar. Allerdings sind Positioniergenau-igkeiten von besser als 1 cm in der Praxisdurchaus beherrschbar.

Bei Verschiebungen in y-Richtung (zwi-schen Septum und Boden) und z-Richtungsind die Abweichungen ähnlich. In y-Rich-tung ergibt sich zusätzlich ein kleiner Offsetdurch geringeren bzw. größeren Abstand zumSeptum und in z-Richtung durch die Positio-nierung bei einer anderen Septumhöhe.

4.2 Einfluss der Positioniergenauig-keit der Sonde im Bereich oberhalbvon 1 GHz

Im Bereich oberhalb von 1 GHz zeigt sich hin-sichtlich der Positioniergenauigkeit ein ähnli-ches Verhalten wie unterhalb von 1 GHz. InAbbildung 6 ist die Abweichung der Vor-

wärtsleistung für eine konstante angezeigteFeldstärke am Beispiel einer Verschiebung in

Bild 2: Standardabweichung der Homogenitätsmessung

Bild 3: Messaufbau für die VSWR- Messung

Bild 4: Vorwärtsleistungen aller Punkte nach Abstandskorrektur

1/201038

Messtechnik

emv- esd

z-Richtung dargestellt. Durch den unter-schiedlichen Abstand zur Sendeantenne er-gibt sich eine deutlich erkennbare Pegelver-schiebung, die den Haupteinflussfaktor imBereich bis 4 GHz darstellt. Oberhalb von 4GHz gibt es zusätzliche größere Abweichun-gen, die, wie bereits erwähnt, auf die verwen-dete Antenne zurückzuführen sind.

4.3 Einfluss der Sondenhalterungund Sondenorientierung

Auch die Sondenhalterung kann durch even-tuell auftretende unerwünschte Reflexionendie Kalibrierung negativ beeinflussen. Abbil-dung 7 zeigt den Einfluss verschiedener Auf-bauten zur Sondenhalterung auf die Sende-leistung für eine konstante angezeigte Feld-stärke. Als Referenz wurde eine Sonde mitdünnen Fäden an der gewünschten Stelle po-sitioniert. Die Messergebnisse wurden mit

den Ergebnissen der Positionierung auf einemStyroportisch verglichen. Beide Messungenführten zu sehr ähnlichen Ergebnissen, sodass die Verwendung eines Styroportischesim betrachteten Frequenzbereich als akzepta-bel erscheint.

Im Rahmen dieser Messungen wurde wei-terhin untersucht, inwieweit das Grundgeräteiner Sonde mit abgesetztem Messkopf dieMessungen beeinflussen kann. Dazu wurdedas Grundgerät der Sonde komplett mit Ab-sorbermaterial verkleidet. Die Ergebnissesind in Abbildung 7 als gestrichelte Liniendargestellt. Das Sondengehäuse kann durch-aus einen signifikanten Einfluss haben, der jenach Orientierung der Sonde auch über diehier gezeigten Ergebnisse mit einer stehendenbzw. hängenden Sonde hinausgehen kann,insbesondere wenn das Gehäuse in Richtungdes Poyntingvektors liegt.

Abbildung 8 und 9 zeigen diesbezüglicheBeispiele im Bereich unterhalb und oberhalbvon 1 GHz. Die Orientierungen PE, PH und PSstehen dabei für die Ausrichtung der Sonde pa-rallel zum elektrischen bzw. magnetischenFeld bzw. parallel zum Poyntingvektor. In derGTEM-Zelle ist die Orientierung PE am sen-sibelsten, da in Richtung des elektrischen Fel-des der Einfluss des Sondengehäuses am größ-ten ist. Dies ist eine Eigenschaft der Sonde undunabhängig von der Felderzeugung.

In der Absorberhalle hingegen treten diegrößten Abweichungen bei einer Sondenaus-richtung in Richtung des Poyntingvektors (PS-Orientierung) auf, da in diesem Fall das Son-dengehäuse direkt in Hauptstrahlrichtung derAntenne orientiert ist und damit durch Refle-xionen am Sondengehäuse eine maximaleRückwirkung auf den Messkopf erfolgenkann. Die in Abbildung 9 gezeigten Abwei-chungen nehmen mit steigender Frequenznoch deutlich zu.

Bild 5: Positioniergenauigkeit in der GTEM-Zelle, Verschiebung in x-Richtung

Bild 6: Positioniergenauigkeit in der Absorberhalle, Verschiebung in z-Richtung

Bild 7: Vergleich verschiedener Messaufbauten

1/2010 39

Messtechnik

emv- esd

4.4 IsotropieNeben den Einflüssen der Messumgebung istauch die Isotropie der Sonde von großer Be-deutung. In Abbildung 10 sind am Beispiel ei-ner exemplarisch ausgewählten Sonde die un-terschiedlichen Korrekturfaktoren der x-, y-und z-Richtung dargestellt. Bei einer idealenSonde sollten die Korrekturfaktoren 1 (bzw. 0dB) sein bzw. alle denselben Frequenzgangaufweisen. In diesem Beispiel zeigen alle 3Richtungen einen unterschiedlichen Fre-quenzgang, der auch noch von der Orientie-rung der Sonde abhängig ist. Die Gesamtheitder komplexen Abhängigkeiten kann jedochmit einer Kalibrierung bei vertretbarem Zeit-aufwand nicht vollständig berücksichtigtwerden.

5. DANKSAGUNG

Die Autoren danken Herrn Heiko Wilke fürseine tatkräftige Unterstützung bei der Durch-führung der zahlreichen Messreihen.

6. ZUSAMMENFASSUNG UND AUSBLICK

Mit den Vorgaben zur Feldsondenkalibrie-rung in den informativen Anhängen der IEC61000-4-3 und IEC 61000-4-20 wurden we-sentliche Parameter zur Feldsondenkalibrie-rung festgelegt. Die Festlegung von Parame-tern kann jedoch nicht allumfassend sein, sodass sich in der Praxis zahlreiche Details er-geben, von denen einige in dem Beitrag kurzaufgezeigt wurden und deren Beherrschungein hohes Maß an praktischer Erfahrung er-fordert. Ziel der informativen Anhänge ist es, durchein einheitliches Verfahren die Vergleichbar-keit der Feldsondenkalibrierung zwischeneinzelnen Kalibrierlaboren zu verbessernund damit die Messunsicherheit der Störfes-tigkeitsprüfungen zu verringern. Ob sich die-ses Ziel tatsächlich erreichen lässt, hängt vonder Anwendung der in den Anhängen be-schriebenen Verfahren und von der sicherenBeherrschung der zahlreichen sekundärenEinflüsse ab.

7. LITERATUR

[1] IEC 61000-4-3: Electromagnetic compa-tibility (EMC) - Part 4-3: Testing and measu-rement techniques - Radiated, radio-frequen-cy, electromagnetic field immunity test, Ed.3.0, 2007-11

[2] 77B/583/CDV (2008-11-28)

■ www.teseq.com

Der Beitrag ist die aktualisierte Fassung eines auf der

EMV 2010 in Düsseldorf gehaltenen Vortrags

Bild 8: Vorwärtsleistung in Abhängigkeit der Lage der Sonde in der GTEM-Zelle

Bild 9: Vorwärtsleistung in Abhängigkeit der Lage der Sonde in der Absorberhalle

Bild 10: Korrekturfaktoren in x, y und z-Richtung