Einführung

Mit unseren Nahfeldsonden können Sie Störaussendungsquellen auf der Baugruppe sondieren und ihren HF-Koppelweg zur Antenne nachvollziehen. Durch die unterschiedlich großen und speziell geformten Sondenköpfen wird eine systematische Suche ermöglicht.

Übersicht über die Nahfeldsondenfamilien der Langer EMV-Technik GmbH

Wir bieten eine Vielzahl von Nahfeldsonden, die das differenzierte Messen der HF-Felder ermöglichen.

Zu den Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik GmbH werden jeweils Korrekturkurven mitgeliefert. Mit den Korrekturkurven kann direkt während der Messung mit der Software ChipScan-ESA auf das E- und H-Feld bzw. den verursachenden Strom oder die verursachende Spannung umgerechnet werden.

Auf einer Baugruppe oder in einer Schaltung verursachen hochfrequente Ströme und Spannungen einzelner Bauteile lokale Magnet- oder E-Felder. Diese Felder sind Nahfelder. Der mit dem Metallsystem verkoppelte Anteil eines Nahfeldes induziert HF-Spannung in leitfähigen Strukturen der Baugruppe und regt zur Störaussendung an. Wie gut das gesamte Metallsystem einen bestimmten Frequenzanteil abstrahlt, hängt von seinen Resonanzeigenschaften ab. Das Ausmessen der lokalen HF-Magnetfelder oder E-Felder mit Hilfe von Nahfeldsonden bringt wichtige Erkenntnisse über die herrschenden elektromagnetischen Verhältnisse. Für die praktische Arbeit existiert eine Vielzahl von Sonden, die das differenzierte Messen der Feldanteile ermöglichen. Durch gezielte Manipulation der Nahfelder auf der Baugruppe ist die treffsichere Bekämpfung der Störaussendung für den Entwickler möglich.

Für die entwicklungsbegleitende Suche von HF-Quellen auf einer Baugruppe sind folgende Kriterien für die Auswahl einer optimalen Nahfeldsonde wichtig:

genaue Unterscheidung zwischen H/B- und E/D-Nahfeldern
Auswahl der passenden Sondenköpfe an die zu messenden Feldstärken und Feldstrukturen
Möglichkeit der Richtungsbestimmung bei H/B-Nahfeldmessung
breiter nutzbarer Frequenzbereich
bequeme Handhabung beim Messen

Eine einzige Nahfeldsonde genügt für die Quellensuche einer Emission nicht. Es steht vielmehr die Aufgabe an den Hardware-Entwickler, die relevanten Sonden auszuwählen und einzusetzen.

Für die EMV-Optimierung einer Baugruppe ist es wichtig, eine Messstrategie der Nahfeldmessung zu entwickeln, um mit den ausgesuchten Nahfeldsonden die Quellen der Emission auf dem Board zu finden.
Für die Nahfeldaufklärung auf der Baugruppe werden von der Langer EMV-Technik GmbH verschiedene H/B-Nahfeldsonden und E/D-Nahfeldsonden angeboten. Jede Sondenfamilie wurde unter einer bestimmten Aufgabenstellung entwickelt.

Die Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik GmbH zeichnen sich besonders durch ihre praktische Stiftform aus. Sie sind klein und handlich. Das ermöglicht dem Entwickler ein wendiges und zielführendes Messen auf seiner Elektronik.
Die Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik GmbH eignen sich generell für alle Pre-Compliance-Messungen, die für das Messen von HF-Störungen im Frequenzbereich von 100 kHz bis 20 GHz benötigt werden.
Alle Nahfeldsonden sind in der Firma Langer EMV-Technik GmbH in Deutschland entwickelt, hergestellt und kalibriert. Mit Korrekturkennlinien läßt sich die Spannung der Sonde am Ausgang auf Magnetfeld am Ort des Sondenkopfes umrechnen. Die Korrekturkennlinien stehen für EXCEL als xlsx-Datei zum Download auf unserer Webseite bereit. Sie erhalten die Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik GmbH in spezifisch zusammengestellten Sets oder als Einzelsonden.

Qualitätsmerkmale

Die Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik GmbH zeichnen sich durch eine hohe und gleichbleibende Qualität aus. Um Nahfeldsonden richtig bewerten zu können, sollten zwei Merkmale überprüft werden:

1. Konstante Empfindlichkeit über einen weiten Frequenzbereich

Eine konstante (definierte) Empfindlichkeit gewährleistet die richtige Darstellung des Frequenzspektrums vom HF-Feld des Prüflings. Resonanzstellen und andere Unregelmäßigkeiten im Frequenzverlauf der Nahfeldsonde verfälschen die Messwerte und leiten den Entwickler in die Irre. Ein stetiger annähernd konstanter Frequenzverlauf der Nahfeldsonde ist die Voraussetzung für die Entstörung der Baugruppe. Davon hängt die Ermittlung von zielführenden EMV-Maßnahmen im Prüfling ab.

2. Hohe Unterdrückung von elektrischen Feldern (Magnetfeldsonden)

Die von der Baugruppe erzeugten elektrischen Felder (verursacht z.B. an Schalttransistoren im Netzteil) und magnetischen Felder (verursacht z.B. durch Ströme in Abblockkondensatoren) müssen sauber getrennt voneinander gemessen werden können. Magnetfeldsonden dürfen bei der praktischen Messung elektrische Felder nicht aufnehmen. Durch die Bauweise der Magnetfeldsonden werden die Einflüsse der elektrischen Felder unterdrückt (E-Feldunterdrückung). Die Qualität der E-Feldunterdrückung ist für eine Magnetfeldsonde von entscheidender Bedeutung.

Testaufbau

Beispielhaft werden die Frequenzgänge zweier typgleicher Nahfeldsonden an einer Microstripline gemessen. Die Microstripline erzeugt elektrische und magnetische Felder gleichermaßen. Damit kann man nicht nur den Frequenzgang der Sonde sondern auch die E-Feldunterdrückung testen. Zum Test werden die Magnetfeldsonden im Maximum des magnetischen Feldes und im Nullpunkt des magnetischen Feldes platziert.

Auswertung

Beim Vergleich der Maximumkurven (Bild 1) erkennt man den stetigen annähernd konstanten Kurvenverlauf der Nahfeldsonde RF-B 3-2 der Langer EMV-Technik GmbH. Wogegen der Kurvenverlauf der typgleichen Vergleichssonde Unregelmäßigkeiten aufweist. Gut zu erkennen sind die Resonanzstellen im Bereich von 0,5 GHz und 1,2 GHz.

Bild 1: Maximumkurve von der Nahfeldsonde RF-B 3-2 (blau) und von der Vergleichssonde

Die verbleibenden Abweichungen der Langer EMV-Nahfeldsonden können durch die Anwendung von Korrekturkurven korrigiert werden.

Zu den Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik GmbH werden Korrekturkennlinien mitgeliefert. Mit den Korrekturkennlinien wird die Ausgangsspannung der Sonde auf das entsprechende Magnetfeld oder den im Leiter fließenden Strom umgerechnet.

Die Maximumkurve entsteht durch Drehung der Sondenöffnung, derart dass sie von der maximalen Anzahl der Magnetfeldlinien durchsetzt wird (Maximum des magnetischen Feldes der Stripline).

Die Minimumkurve entsteht, wenn die Magnetfeldlinen die Sondenöffnung nicht durchsetzen und praktisch kein Magnetfeld mehr gemessen werden kann. Der entstehende Messwert wird durch das elektrische Feld verursacht (magnetisches Feld der Stripline ohne Wirkung in der Magnetfeldsonde).

Die Qualität der E-Feldunterdrückung wird durch den Abstand zwischen der Maximum- und der Minimum-Kurve charakterisiert (Bild 2 bis Bild 5).

Kurven RF-B 3-2 und Vergleichssonde

Bild 2: Maximum- und Minimumkurve von der Nahfeldsonde RF-B 3-2

Bild 3: Maximum- und Minimumkurve von der Vergleichssonde zur RF-B 3-2

Kurven RF-U 5-2 und Vergleichssonde

Bild 4: Maximum- und Minimumkurve von der Nahfeldsonde RF-U 5-2

Bild 5: Maximum- und Minimumkurve von der Vergleichssonde zur RF-U 5-2

Die Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik GmbH gewährleisten eine E-Feldunterdrückung von mindestens 20 dB über den gesamten Frequenzbereich. Der Entwickler wird mit den Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik GmbH nicht vom elektrischen Feld getäuscht.

Bei der Vergleichssonde ist nur im Frequenzbereich unter 0,4 GHz ein geringfügiger Unterschied zwischen Minimum- und Maximumkurve erkennbar. Ab 0,4 GHz verlaufen beide Kurven annähernd gleich. Der Entwickler kann an seinem Prüfling magnetisches Feld von elektrischem Feld nicht mehr unterscheiden. Damit wird die Entstörung des Prüflings erheblich erschwert.

Tests mit verschiedenen weiteren Sondentypen erbringen ähnliche Ergebnisse. Sie verdeutlichen welche Schwierigkeiten bei der Herstellung von qualitativ hochwertigen Nahfeldsonden bewältigt werden müssen.

Korrekturkennlinien für Magnetfeldsonden

Typ RF der Firma Langer-EMV Technik GmbH

Ermittlung von magnetischer Feldstärke und Stromstärke

Im folgenden wird die Berechnung der magnetischen Feldstärken und der zugrundeliegenden Ströme aus den Ergebnissen von Nahfeldmessungen vorgestellt.

Eine Magnetfeldsonde gibt an ihrem Ausgang ein Spannungssignal U_Sonde ab, welches von einem Spektrumanalysator in ein Spektrum zerlegt wird. Es wird ein Korrekturfaktor K_H definiert, der den Zusammenhang von Spannungssignal und dem zugehörigen Magnetfeld H_RF beschreibt. Das Magnetfeld H_RF ist mit einem verursachenden Strom I_RF verknüpft. Deshalb kann ein weiterer Korrekturfaktor definiert werden, der auf den Strom I_RF zurück rechnet.

Magnetfeldkorrektur:

Durch die Korrekturkennlinie kann aus dem Spannungsausgangssignal der Magnetfeldsonde U_Sonde die magnetische Feldstärke H_RF in der Magnetfeldsondenspule errechnet werden. Dabei ist der Korrekturfaktor der Magnetfeldsonde in jedem Anwendungsfall unabhängig von der Messgeometrie, d.h. die Sonde kann beliebig im Abstand und Winkel zum Stromleiter geführt werden, ohne das ein Fehler in der Korrektur auftritt (Abb. 2). Als Ergebnis erhält man das mittlere magnetische Feld, das von der Sondenspule umschlossen wird (Abb. 1).

Abbildung 2: Allgemeine Anwendungsanordnung

Verwendung des Korrekturfaktors K_H in der zugeschnittenen Größengleichung:

Beispiel für die Verwendung der Größengleichung:

Abbildung 3: Beispiel des Umganges mit der Magnetfeldkorrekturkennlinie

In Abbildung 3 wurde die Magnetfeldsonde in einem über der Frequenz konstanten Magnetfeld angeordnet. Aufgrund des Koppelfaktors ist die in der Sonde induzierte Spannung frequenzabhängig. Der Koppelfaktor vermittelt zwischen gemessener Spannung U_Sonde und der mittleren magnetischen Feldstärke. Wenn zur gemessen Spannung U_Sonde der Korrekturfaktor addiert wird (logarithmierte Größengleichung),erhält man die vorhandene magnetische Feldstärke.Mit der Größengleichung kann aus der Messkurve U_Sonde und dem Korrekturfaktor K_H die mittlere Magnetfeldstärke H_RF bestimmt werden. Das Ergebnis ist in Abbildung 3 dargestellt.

Stromkorrektur

Zwischen Magnetfeld H_RF und Strom I_RF besteht ein fester physikalischer Zusammenhang, der von der Geometrie der Stromleiteranordnung abhängig ist. Der angegebene Korrekturfaktor K_I bezieht sich deshalb auf eine definierte Referenzanordnung.Nur wenn im Anwendungsfall der Sonden die geometrischen Parameter mit der Referenzanordnung übereinstimmen, sind die ermittelten Stromwerte I_Korr korrekt. Bei Abweichungen von dieser Anordnung entstehen Abweichungen in den Stromwerten I_Korr. Der errechnete Stromwert I_Korr kann nur als Orientierungswert dienen.

Breite des Leiterzuges 2 mm
Höhe des Leiterzuges über dem Massesystem 1 mm
Sonde auf Leiterzug aufgesetzt

Abbildung 4: Messanordnung für Feldsonden R400-1, R50-1. R3-2, R0,3-3

Abbildung 5: Messanordnung für Feldsonden B3-2, B0,3-3, K7-4, U2,5-2, U5-2

Verwendung des Korrekturfaktors K_I in der zugeschnittenen Größengleichung:

Abbildung 6: Stromkorrektur Beispielkurve (Strom in dBµA [gelb])

Im Beispiel wurde ein im Frequenzbereich konstanter Strom zugrunde gelegt (Abb. 6). Dieser Strom induziert in der Magnetfeldsonde eine Spannung, die als U_Sonde vom Spektrumanalysator gemessen wird. Um den Strom im Leiter zu erhalten, wird zum Spannungsverlauf der frequenzabhängige Korrekturfaktor addiert (logarithmisch). I_Korr ist der im Leiter der Referenzanordnung fließende Strom in dBµA.

Korrekturkurven zum Download

Hier können Sie Korrekturkurven als xlsx-Datei herunterladen.

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Qualitätsmerkmale der Langer Nahfeldsonden
Overview all near-field probes Langer EMV-Technik GmbH

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