Störstrahlen messen

EMV-Tests mit TEM-Zellen

11.05.2007 | Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Hans-Peter Geromiller* / Hendrik Härter

Bild 1: Crawford-Zelle Im Längsschnitt (oben) und Querschnitt durch Schnittebene A–A' (unten)
Bild 1: Crawford-Zelle Im Längsschnitt (oben) und Querschnitt durch Schnittebene A–A' (unten)

In der EU müssen alle Geräte die Schutzanforderungen der EMV-Richtlinie (CE) einhalten. Mit Hilfe von TEM-Zellen lassen sich Tests auf IC- und Platinen-Ebene realisieren. Die Zellen sind kompakt und dadurch in der EMV-Messtechnik weit verbreitet.

Eine TEM- (Transversal Elektro Magnetische Welle-) Zelle nach Crawford (Bild 1) ist ein Zweileitersystem mit einem flächenhaften, metallischen Innenleiter und einem metallischen Außenleiter. Dieser bildet die äußere Begrenzung eines abgeschlossenen Raumes und dient gleichzeitig der Entkopplung vom Zelleninnenraum und Zellenumgebung. Die Crawford-Zellen werden bei EMV-Untersuchungen zur Prüfung/Messung auf Einstrahlfestigkeit (Suszeptibilitätsuntersuchungen) und Störstrahlung (Strahlungs-Emissionsuntersuchungen) elektrischer Geräte eingesetzt. Zur Durchführung von Einstrahlfestigkeitsuntersuchungen wird an der einen Spitze der Zelle zwischen Innen- und Außenleiter ein Signalgenerator angeschlossen. Dieser speist ein harmonisches Signal variabler Frequenz in die Zelle, so dass sich in ihr eine elektromagnetische Welle von der einen zur anderen Zellenspitze ausbreitet mit elektrischen und magnetischen Feldkomponenten zwischen Innen- und Außenleiter. Im Bild 1 ist die Ausbreitung des elektrischen Feldes in der Zelle skizziert. Das Prüfobjekt wird im Testvolumen einer Zellenhälfte positioniert und dem EM-Feld in der Zelle ausgesetzt. Gelegentlich wird in der anderen Zellenhälfte ein Sensor zur fortlaufenden Erfassung der elektrischen Feldstärke in der Zelle positioniert. Die Crawford-Zelle wird mit einem konzentrierten Widerstand mit dem Wert des Wellenwiderstandes der Zelle abgeschlossen, um die Energie der elektromagnetischen Welle zu absorbieren.

Symmetrische Zelle zur EMV-Untersuchung

Grundlage der Berechnungen war eine Crawford-Zelle (Bild 1) mit einem Maximalquerschnitt von 60 cm x 60 cm, einer Länge von 120 cm sowie Längs- und Quersymmetrie. In der Praxis wird die Maximalausdehnung des Testvolumens zu 1/3-Abstand zwischen Innen- und Außenleiter, 1/3-Abstand der Querabmessungen und 1/3-Länge der Parallelsektion festgelegt. Somit ergibt sich ein Testvolumen von 20 cm x 20 cm x 10 cm. Das Testvolumen wird im Bereich maximaler Feldhomogenität vorgesehen. Der Innenleiterquerschnitt wurde so bemessen, dass die Crawford-Zelle einen längenunabhängigen Wellenwiderstand ZL = 50 Ohm aufweist.

Im Idealfall breitet sich in der TEM-Zelle frequenzunabhängig eine Welle vom TEM-Mode aus mit E und H jeweils senkrecht aufeinander und senkrecht zur Ausbreitungsrichtung P. In Abhängigkeit der Zellengeometrie und der Frequenz des Speisesignals können sich in der TEM-Zelle auch höhere Modi ausbreiten, deren Anregungsfrequenz aus den Eigenwerten der Zelle zu bestimmen ist. Die Anregung und Ausbreitung dieser Modi ist in einer TEM-Zelle unerwünscht. Sie versetzten die TEM-Zelle bei geeigneten Frequenzen in Resonanz. Es entsteht ein undefinierter Zustand mit ortsabhängigen und dem Wert nach unbestimmten elektrischen und magnetischen Feldstärken. Das schränkt die TEM-Zelle zur EMV-Untersuchung ein. Die Aussagekraft von EMV-Messungen in Crawford-Zellen hängt somit von der Kenntnis der Frequenzlage der (geometrieabhängigen) Eigenwerte ab.

Numerische Berechnung der Eigenwerte

Dieser Artikel stellt die Ergebnisse der numerischen Berechnung der Eigenwerte einer symmetrischen Crawford-Zelle mit Abmessungen nach Bild 1 unter Anwendung der Finite-Elemente-Methode mit dem Programmpaket ANSYS vor.

Die Eigenwerte der Crawford-Zelle wurden für die in Bild 2 (1-5) dargestellten Belastungen mit Prüfkörper und Sensor errechnet. Beide wurden als Quader modelliert und ihre Körperbegrenzungen ideal leitend vorausgesetzt. Innen- und Außenleiter der Crawford-Zelle wurden gleichfalls perfekt leitend angenommen und an den beiden Spitzen der Zelle jeweils kurzgeschlossen.

Die Diskretisierungstiefe wurde auf mindestens 20 Knoten/Wellenlänge bemessen und daraus die maximale Elementeabmessung der Tetrahederelemente berechnet. Die maximal verfügbare Knotenzahl ermöglichte die Berechnung der Eigenwerte bis zu einer oberen Grenzfrequenz von 600 MHz.

Geringe Abweichung der Eigenwerte

Die errechneten Eigenwerte sind, nach Belastungsfällen verschieden, in den Bild 3 (1-5) über der Frequenzachse markiert und in der Tabelle mit Zahlenwerten notiert. In Bild 3 (6) sind die Eigenwerte der Tabelle über der Frequenz markiert. Eine Vergleichsrechnung mit analytisch bestimmbaren Eigenwerten eines quaderförmigen Hohlraum-Resonators mit einem Modellierungsansatz war Voraussetzung. Dieser Ansatz wird zum Berechnen der Eigenwerte der TEM-Zelle verwendet. Die Abweichungen zwischen analytisch und numerisch berechneten Eigenwerten des Hohlraum-Resonators waren kleiner 2%.

Bei ungefähr f = 119 MHz ist mit der Anregung des niederfrequentesten Nicht-TEM-Mode zu rechnen. Es folgen anregbare Modi bei zirka f = 190 MHz und f = 228 MHz. Wie aus Bild 3 (1-5) ersichtlich, sind die ersten drei Eigenfrequenzen nahezu belastungsunabhängig. Deutlich sichtbar wird die Frequenzabhängigkeit von der Zellenbelastung erst ab der vierten Eigenfrequenz bei ca. f = 282 MHz mit belastungsabhängiger Auffächerung des Eigenwertsprektrums einerseits und Zunahme der Spektraldichte andererseits.

Durch Dämpfung werden die in den Crawford-Zellen angeregten Resonanzen sehr schmalbandig und steilflankig. Für EMV-Anwendungen wird die obere Grenzfrequenz von Crawford-Zellen üblicherweise auf die Anregbarkeit des niederfrequentesten höheren Modi (hier f = 119 MHz) festgelegt. Die nur unmerklich ausgeprägte Belastungsunabhängigkeit der Eigenfrequenzen bis ca. f = 270 MHz erscheint jedoch eine Anwendung der TEM-Zelle über die Anregbarkeit der ersten drei Nicht-TEM-Modi hinweg möglich und sinnvoll. Aber auch nur dann, sofern ein geeignet schmaler Frequenzbereich um die ersten drei Eigenfrequenzen aus dem Messfrequenzspektrum ausgeschlossen wird.

Eigenfrequenzspektrum hängt von den Zellenabmessungen ab

Das Eigenfrequenzspektrum einer unbelasteten Crawford-Zelle hängt bei gleicher Formgebung nur von den Zellenabmessungen ab. Nach Vergrößerung der Zellenabmessungen werden deshalb die Eigenfrequenzen zu niedrigeren, bei Verkleinerung der Zellenabmessungen zu höheren Werten verlagert. Zwei optimal dimensionierte Crawford-Zellen mit ineinander verzahnten Eigenwertspektren erlauben EMV-Untersuchungen mit lückenlosem Frequenzbereich bis zur vierten Eigenfrequenz.

Für EMV-Untersuchungen im Frequenzbereich oberhalb der vierten Eigenfrequenz sind Crawford-Zellen für EMV-Untersuchungen nicht mehr sinnvoll, weil die belastungsabhängige Auffächerung und erhöhte Spektraldichte der Eigenwerte nur frequenzselektive Messungen in schmalen Frequenzbereichen gestattet.

* Dr.-Ing. Hans-Peter Geromiller ist EMV-Laborleiter.

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