Messungen mit Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik GmbH bis 6 GHz

Für Messungen bis 6 GHz stehen Nahfeldsonden, der Vorverstärker PA 306 (100 kHz – 6 GHz, 30 dB, Rauschzahl 3 dB) und die Software ChipScan-ESA der Langer EMV-Technik zur Verfügung.

Die Software ChipScan-ESA ermöglicht die Fernbedienung des Spektrumanalysators. Mit ihr stehen dem Entwickler zum Beispiel folgende Arbeitserleichterungen zur Verfügung:

• Vergleich der Messkurven
• Verrechnung von Korrekturfunktionen und Korrekturfaktoren

Messung am LVDS-System bis 6 GHz

LVDS-Übertragunssysteme sind in der Praxis häufig die Ursache für Störaussendungsprobleme. Die Probleme entstehen häufig in Verbindung mit Steckverbindern und Kabeln. In der Praxis wird angenommen, dass das symmetrische LVDS-Signal (Gegentaktsignal) keine Störaussendung bewirkt. Enthaltene Gleichtaktsignale können allerdings sehr leicht Auskopplungen erzeugen. Im Messbeispiel werden mit einem LVDS100 Treiber (2Gbps) und einem Pfostensteckverbinder die Zusammenhänge aufgeklärt.

Im Bild 1 ist das Prinzipbild des Störvorgangs dargestellt. Die Störaussendung wird durch die Gleich- und Gegentaktströme i_Stör des LVDS-Treibers verursacht (Bild 1). Die Gleich- und Gegentaktströme i_Stör des Treibers fließen über die LVDS-Leitungen a, b und dem Steckverbinder zum Empfänger und über die Massestifte m des Steckverbinders zurück zum Treiber. In den Massestiften m des Steckverbinders erzeugen sie eine Selbstinduktionsspannung u_i. Diese Spannung treibt einen Störstrom i_Err über die Massestifte m des Steckverbinders. Dieser Störstrom kann in angeschlossene Kabel (Bild 1, Anschluss a) getrieben werden. Das Kabel wirkt wie eine Sendeantenne. Zur Messung wird anstelle des Anschlusses a der Anschluss b verwendet. An ihm kann man mit der Magnetfeldsonde XF-R 400-1 den Erregerstrom i_Err messen (Stromkorrekturfaktor in der Software ChipScan-ESA verwenden). Ursache für den Erregerstrom i_Err und damit der Störaussendung sind die Gleich- und Gegentaktströme des Treibers. Diese generieren in den Massestiften m des Steckverbinders den Erregerstrom i_Err und treiben damit die Störaussendung an.

Bild 2 Messung der Gleich- und Gegentaktfelder am LVDS-Pärchen mit der Nahfeldsonde XF-R 3-1

Mit der Magnetfeldsonde XF-R 3-1 werden an den LVDS-Leitungen des Steckverbinders die Gleich- und Gegentaktfelder gemessen.

Im Bild 2 sind die LVDS-Steckerstifte und die Anordnung der Magnetfeldsonde XF-R 3-1 dargestellt. In Bild 2a wird gezeigt wie der Gleichtaktstrom über das Magnetfeld gemessen wird. Dazu muss die Nahfeldsonde orthogonal zum LVDS-Pärchen gehalten werden. Wenn sie parallel zum LVDS-Pärchen gehalten wird, wird kein Gleichtaktstrom über das Magnetfeld gemessen Bild 2b.

Bei der Messung des Gegentaktstromes wird im Gegensatz zum Gleichtaktstrom die Nahfeldsonde parallel zum LVDS-Pärchen gehaltenen (Bild 2c).

Die Bilder zeigen, dass Gleich- und Gegentakstrom je nach Position des Sondenkopfes selektiv gemessen werden kann. In Bild 3 sind die Messergebnisse dargestellt.

Im Frequenzbereich bis 2 GHz überwiegt der Gegentaktanteil (grün). Im Frequenzbereich von 2 - 4,4 GHz überwiegt der Gleichtaktanteil (rot). Die Messergebnisse der Magnetfeldsonde XF-R 3-1 werden mit dem Stromkorrekturfaktor in den Strom i_Err umgewandelt. Diese Umwandlung wird mit der Messsoftware ChipScan-ESA durchgeführt.

Im Bild 4 ist der Messaufbau nach Bild 1 Anschluss b zu sehen. Durch steckbare Massestifte (blau) kann die Massebelegung des Steckverbinders geändert werden.

Das LVDS-Pärchen befindet sich von Massestiften umgeben in der Mitte des Steckverbinders. Als LVDS-Teiber wurde der IC LVDS100 (2 Gbps) verwendet.

Im Bild 5 sind die Stromwege schematisch eingetragen.

Die Reduzierung der Störaussendung über die Massebelegung des Steckverbinders wird im Weiteren mit den Messschritten 1 - 6 gezeigt.

Im Bild 6 werden die Messergebnisse des Erregerstroms i_Err in Abhängigkeit von der asymmetrischen (1) und der symmetrischen (2) Eingrenzung des LVDS-Pärchens mit Massestiften gezeigt. Es ist zu erkennen, dass die symmetrische Eingrenzung (2) eine Verringerung im Hauptbereich der Gegentaktstörungen (bis 2 GHz) bewirkt (Vergleich Bild 3). Das bedeutet, dass ein symmetrischer Aufbau der Masseeingrenzung des LVDS-Pärchens, entscheidend für die Reduktion der Störaussendung ist. Es genügt nicht allein, die Treiberströme symmetrisch zu halten. Das Beispiel zeigt, dass auch die Symmetrie der Umgebung des LVDS-Pärchens großen Einfluss besitzt.

Die symmetrische Massebelegung (2) wird durch 4 Massestifte Bild 7 (3) in eine asymmetrische Belegung umgewandelt. Die Folge ist, dass keine eindeutige Reduktion des Erregerstroms i_Err entsteht. Im gesamten Bereich entstehen willkürlich verteilt Verbesserungen und Verschlechterungen um max. 10 dB. Bei Massebelegung (3) nehmen die Gegentaktkopplung zu (Verschlechterung) und die Gleichtaktkopplung ab (Verbesserung). Dadurch verändern sich Überlagerungseffekte beider Anteile. Die Anteile können sich addieren bzw. subtrahieren so dass gleichermaßen positive und negative Ergebnisse entstehen.

Mit der Massebelegung (4) wird die asymmetrische Massebelegung (3) symmetriert (Bild 8). Das Ergebnis ist die Reduktion der Gegentaktanteile im Frequenzbereich bis 1,5 GHz. Das zeigt das eine entfernt vom LVDS-Pärchen befindliche Massebelegung des Steckverbinders ebenfalls symmetrisch sein sollte.

Im Bild 9 wird die Eingrenzung des LVDS-Pärchens mit Masse verbessert (5). Das bewirkt eine Verringerung der Gleichtaktkopplung. Da sich die Symmetrie nicht weiter erhöht, hat die Massebelegung (5) keine Auswirkungen auf die Gegentaktkopplung. Die Verminderung der Gleichtaktkopplung wirkt vor allem im mittleren und im oberen Frequenzbereich.

Im Bild 10 wird die Symmetrie der Massebelegung durch das Entfernen von 4 Massestiften wieder aufgehoben (6). Die Aufhebung der Symmetrie bewirkt, dass im Frequenzbereich bis 1,5 GHz bis max. 15 dB mehr Auskopplung entsteht.

Fazit:

Es kommt nicht nur auf die Symmetrie der Masseschirmung in der direkten Umgebung des LVDS-Pärchens an z.B. Massebelegung (2), sondern auch wesentlich auf die Symmetrie der weiter entfernten Massepins (5) an (Verbesserung bis 15 dB).