EMV-Messtechnik

Die EMV an einem IC betrachtet – zwei Messmethoden im Vergleich

| Autor / Redakteur: Gunter Langer und Lars Gläßer * / Hendrik Härter

HF-Messinstrumente im Vergleich: Eine TEM-Zelle FCC-TEM-JM3 (links) und die IC-Streifenleitung µSL 80A (rechts)
HF-Messinstrumente im Vergleich: Eine TEM-Zelle FCC-TEM-JM3 (links) und die IC-Streifenleitung µSL 80A (rechts) (Langer EMV)

Um die EMV-Eigenschaften eines ICs zu bewerten, lassen sich zwei Messmethoden verwenden: die TEM-Zelle und die IC-Streifenleitung. Wir stellen beide Verfahren gegenüber.

ICs können unterschiedliche EMV-Eigenschaften besitzen. Wenn sie auf Baugruppen eingesetzt sind, bestimmen sie die Störfestigkeit und Störaussendungseigenschaften. Kennt man ihre Eigenschaften, lässt sich der Entwicklungsaufwand reduzieren. Im Automobilbau werden die EMV-Eigenschaften ICs mit HF-Messverfahren ermittelt. In der Automatisierungstechnik beschäftigt man sich stärker mit Burst- und ESD-Störimpulsen.

Im folgenden Text wollen wir zwei HF-Messinstrumente vergleichen. Neben TEM-Zelle ist die IC-Streifenleitung im Gespräch (Bild 1). Beides sind Geräte, mit denen die Störaussendung und die HF-Störfestigkeit von ICs bewertet werden können. Beide Geräte sind koaxiale 50-Ohm-Messkammern.

Die Messkammer ist praktisch eine ausgeweitete 50-Ohm-Koaxialleitung. Am zweiten Anschluss, dem Ende der Messkammer, befindet sich ein Abschlusswiderstand. Auf dem Schirmmantel der Messkammer wird im Inneren der Test-IC angeordnet. Der Innenleiter des koaxialen Systems ist zu einer Fläche ausgeweitet (Bild 4).

Über diese Fläche, dem Septum, wird über die koaxiale Zuleitung HF zum Einkoppeln geleitet. Oder das Septum empfängt die Störfelder des IC und leitet HF-Signale über die koaxiale Leitung an einen Spektrumanalysator.

Elektrische und magnetische Felder des IC

Wenn die Kammer zur Beeinflussung genutzt wird, erzeugt die über die Zuleitung eingespeiste HF ein elektrisches und magnetisches Nahfeld (Bild 2 c/d). Das magnetische Nahfeld wird im Septum erzeugt, das elektrische Nahfeld von der Spannung des Septums zum Schirmgehäuse. Die Felder wirken auf den Test-IC ein und können ihn beeinflussen. Umgekehrt kann der IC elektrische oder magnetische Felder erzeugen und seine Umwelt beeinflussen (Bild 2 a/b). Von den Leitungssystemen im IC kann, wenn funktionsbedingt eine innere Spannung ansteht, ein elektrisches Feld ausgehen.

Dieses Feld wird zum Teil vom Septum aufgenommen und weitergeleitet. Ein Strom im IC erzeugt ein Magnetfeld. Nur die Feldlinien, die das Septum umfassen, werden darin eine Spannung induzieren. Die Spannung wird ebenfalls über die Zuleitung zum Spektrumanalysator weitergeleitet. Als erstes lässt sich überprüfen, inwieweit HF reflexionsfrei durch die Messkammer geleitet wird. Auf einer Seite der Kammer wird mit dem Trackinggenerator des Spektrumanalysators eingespeist, auf der anderen Seite wird mit dem Spektrumanalysator gemessen. Die FCC-TEM-JM3 zeig in Ihrem Arbeitsbereich 0 bis 2 GHz ab 1,875 GHz Unstetigkeiten. Die IC-Streifenleitung µSAL 80A zeigt im Bereich von 0 bis 3 GHz keine Unstetigkeiten (Bild 3).

Wie HF auf das Septum übertragen wird

Das sagt aber noch nicht aus, wie der IC in der Messkammer HF auf das Septum überträgt. Um diese Eigenschaft zu ermitteln, wird anstelle des ICs eine entsprechend kleine Streifenleitung angeordnet. Dazu kommt eine 8 mm lange und 1,0 mm hohe Streifenleitung (Bild 4) zum Einsatz. Das Magnetfeld der 8-mm-Leitung (Bild 2 b) induziert eine Spannung im Septum. Das elektrische Feld der 8-mm-Leitung koppelt über die Kapazität CK den Strom i = ω* CK uTG in das Septum (Bild 2 a). Am Abschlusswiderstand wird er in eine Messspannung gewandelt. Beide Spannungen steigen mit ω linear an. Im Diagramm mit logarithmischer Teilung folgen die Messspannungen einer logarithmischen Funktion. Die IC Streifenleitung µSL 80A folgt der logarithmischen Funktion (Bild 5). Die FCC-TEM-JM3 folgt bis 1 GHz der logarithmischen Funktion.

Ab 1,08 GHz ist die Übertragungsfunktion von Unstetigkeiten durchsetzt. Wenn die 8-mm-Streifenleitung in Richtung Septum orientiert ist (0° und 180°), wird das magnetische und elektrische Feld gemeinsam gemessen. Quer zum Septum orientiert (90°) wird nur das elektrische Feld gemessen.

Die Messkammer und das Septum speisen

Die physikalischen Größen, die die Wirkung vermitteln, sind das magnetische und elektrische Feld. Die oben durchgeführte Messung mit der 8-mm-Streifenleitung beschreibt diesen elementaren Wirkungsweg nicht. Um die Übertragungsfunktion der Felder zu ermitteln, werden die Felder am Ort des ICs gemessen. Das Septum der Messkammer wird über über die Zuleitung vom Trackinggenerator des Spektrumanalysators gespeist. Anstelle der 8-mm-Streifenleitung ist ein Feldmesser angeordnet.

Die Stärke der Felder ist unabhängig von der Frequenz. Das Magnetfeld folgt B = L’ iTG (L‘ Induktivitätsbelag) das elektrische Feld E = uTG /h (h: Abstand das Septums). Mit uTG und iTG = konstant entstehen im Diagramm waagerechte Kurvenverläufe. Für die magnetische Flussdichte liefert die µSL 80A wie erwartet einen waagerechten Kurvenverlauf (Bild 6). Bei Speisung mit 107 dBµV entsteht im IC-Bereich eine Flussdichte von konstant ca. -14 dBµT. Die FCC-TEM-JM3 liefert mit -31 dBµT 17 dB weniger Feld. Oberhalb 1 GHz entstehen Unstetigkeiten im Feldverlauf. Eine außergewöhnliche Magnetfeld-Unstetigkeit entsteht bei 1,07 GHz, 90°. Bei dieser Orientierung sollte ein elektrisches Feld im IC-Bereich entstehen, dennoch wird ein Magnetfeld gemessen.

Die EMV-Kenngrößen der Messkammern

Aus den Messkurven wurden die Kapazitäts- und Induktivitätsbeläge C‘ und L‘ ermittelt (Tabelle). Diese Beläge sind die EMV-Kenngrößen der Messkammern. Die µSL 80A besitzt für elektrische und magnetische Felder von 0 bis 3 GHz eine konstante Feld-Übertragungsfunktionen. Die FCC-TEM-JM3 hat einen Arbeitsbereich von 0 bis 2 GHz. Bis 1 GHz sind die Übertragungsfunktionen konstant, darüber hinaus besitzen sie Unstetigkeiten. Daher können IC-Messungen über 1 GHz nur mit der IC-Streifenleitung fehlerfrei ausgeführt werden.

* Gunter Langer ist Geschäftsführer und Lars Gläßer ist Entwicklungsingenieur bei Langer EMV-Technik in Bannwitz.

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