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Die Erfindung betrifft eine Modenverwirbelungskammer, die zur Prüfung elektronischer Schaltungen ausgebildet ist, und ein Verfahren hierzu.
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Aus der
US 2011/0200084 A1 ist eine Modenverwirbelungskammer zur EMV-Störfestigkeitsprüfung elektronischer Geräte bekannt. Die Modenverwirbelungskammer wird nur zur Erzeugung einer HF-Störstrahlung genutzt. Die Reaktion des Prüflings wird am Prüfling selbst erfasst. In der Modenverwirbelungskammer sind eine Halterung für ein zu prüfendes, elektronisches Gerät und mehrere Sendeantennen, mit denen eine HF-Störstrahlungs-Leistung in die Modenverwirbelungskammer einkoppelbar ist, angeordnet. Mit Hilfe von Instrumenten stellt man fest, inwieweit das zu prüfende elektronische Gerät unter dem Einfluss der HF-Störstrahlungs noch funktioniert. EMV-Störfestigkeitsprüfungen der vorgenannten Art weisen die folgenden Nachteile auf:
- • An den elektronischen Geräten können zusätzliche Sensoren und Kabel, die der Funktionsüberprüfung des Gerätes dienen, angebracht sein. Diese zusätzlichen Sensoren und Kabel nehmen einen Teil der HF-Störstrahlungs-Leistung auf. Dies verfälscht Messergebnisse.
- • Die elektronischen Geräte werden zum Teil hohen Feldstärken ausgesetzt. Dies kann die Geräte zerstören.
- • Durch eine EMV-Störfestigkeitsprüfung wird nur qualitativ festgestellt, ob ein Test bestanden oder nicht bestanden wurde.
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Aus der
EP 0 019 528 ist ein Hallraum zur Messung der Schallabsorption von zu prüfenden Materialien bekannt. In dem Hallraum sind angeordnet:
- • Eine Halterung für einen Prüfling, wie zum Beispiel eine Schallabsorptions-Matte.
- • Eine Schallquelle, mit der eine Schall-Leistung in den Schallraum einkoppelbar ist.
- • Ein erstes Mikrofon, das sehr nahe der Schallquelle angeordnet ist, um den Schalldruckpegel in der Kammer zu messen.
- • Ein zweites Mikrofon, das von der Schallquelle entfernt angeordnet ist, misst den Schalldruckpegel in der Kammer.
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Der Schallabsorptionskoeffizient wird dadurch ermittelt, dass mit Hilfe eines Rechners die Signale des ersten und zweiten Mikrofons ausgewertet werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Modenverwirbelungskammer, wie beispielsweise in der
US 2011/0200084 A1 zur Störfestigkeitsprüfung beschrieben, so weiterzubilden, dass andere Kennwerte zur Bewertung einer elektronischen Schaltung erhalten werden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst, der auf eine Modenverwirbelungskammer gerichtet ist. Ferner wird diese Aufgabe erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruches 5 gelöst, der auf ein Verfahren ist.
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Die Vorteile der Erfindung beruhen darauf, dass quantitative Kennwerte mit der Modenverwirbelungskammer ermittelt werden, die widerspiegeln, wie viel oder wie wenig HF-Strahlung einer bestimmten Frequenz von einer zu prüfenden elektronischen Schaltung absorbiert wird. Anders ausgedrückt, erhält man die HF-Absorptionscharakteristika einer elektronischen Schaltung. Die erhaltenen Absorptions-Kennwerte erlauben beispielsweise eine Aussage über eine EMP-Empfindlichkeit. Ferner kann man, wenn Abweichungen eines Einzelstücks zu Durchschnittswerten einer Serie vorliegen, auf mögliche Fertigungsfehler schließen und damit eine Qualitätskontrolle (gut/schlecht) durchführen. Es handelt sich um eine berührungsfreie und zerstörungsfreie Messung ohne direkten Eingriff in den Prüfling.
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Mit einer Sendeantenne wird eine HF-Strahlungs-Leistung vorbestimmter Frequenz in die Modenverwirbelungskammer eingekoppelt. Dies ist die eingekoppelte Leistung. Für die Messung genügen sehr geringe Leistungen. Die Belastung des Prüflings kann damit so gering gehalten werden, dass sie die üblichen Nutzungssituationen widerspiegeln. Damit vermeidet man eine Zerstörung des Prüflings oder eine Veränderung seiner elektrischen Eigenschaften.
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Mit einer Empfangsantenne wird die in die Modenverwirbelungskammer ausgekoppelte Leistung gemessen.
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Ein Rechner ist derart mit dem Modenrührer, der Sendeantenne und der Empfangsantenne verbunden,
- • dass die Position des Modenrührers vorgebbar ist. Das Volumen einer Modenverwirbelungskammer bildet einen Hohlraumresonator, in dem sich resonante Moden mit definierten Wellenbäuchen und -knoten ausbilden. Entsprechend bilden sich Feldmaxima und -nullstellen aus. Der Modenrührer dient dazu, ein elektrisches Feld zu erzeugen, welches nach Mittelung über alle einstellbaren Winkelpositionen einen konstanten Betrag und gleichverteilte Richtung und Polarisation besitzt.
- • dass die Frequenz der über die Sendeantenne einzukoppelnden HF-Strahlung vorgebbar ist.
- • dass sowohl Werte der eingekoppelten Leistung als auch Werte der ausgekoppelten Leistung gleichzeitig erfassbar und abspeicherbar sind, und zwar in Abhängigkeit von folgenden Parametern:
a) der Frequenz,
b) der Winkelposition, und
c) einem Messfall, wobei ein erster Messfall eine Messung mit dem Prüfling in der Kammer und ein zweiter Messfall eine Messung ohne Prüfling in der Kammer ist. Die gleichzeitige Messung von ein- und auskoppelnder Leistung ist wichtig, um einander entsprechende Werte zu erhalten und um bei der anschließenden Auswertung eine höhere Genauigkeit zu erzielen.
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Im Rechner ist ein Computerprogramm gespeichert, mit dem die vom Prüfling absorbierte Leistung derart ermittelbar ist, dass gemittelte Werte verschiedener Winkelpositionen gleicher Frequenz zueinander in Bezug setzbar sind.
Dies erfolgt derart,
- • dass eine Differenz zwischen ein- und ausgekoppelter Leistung des zweiten Messfalles ohne Prüfling (Messaufbau-Absorption)
- • von der Differenz zwischen ein- und ausgekoppelter Leistung des ersten Messfalles mit Prüfling (Messaufbau-Absorption plus Prüfling-Absorption) abgezogen wird.
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Eine Fehlanpassung von Sende- oder Empfangsantenne, nichtlineare Verstärkerkennlinien, Änderungen der Antennenimpedanz oder frequenzabhängige Kabelverluste verfälschen nicht das Ergebnis, da auch Messungen ohne den Prüfling durchgeführt werden. Daraus erhält man die Messaufbau-Absorption. Diese wird von der Messaufbau-Absorption plus der Prüfling-Absorption abgezogen.
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Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die zugeführte Leistung im Betrieb durch eine Messung eines Eingangsstromes am Fußpunkt der Sendeantenne ermittelt. Dies stellt eine einfache Möglichkeit dar, um ein Maß für die zugeführte Leistung abzugreifen.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die ausgekoppelte Leistung in einer einfachen Weise mit einem Leistungsmessgerät erfassbar, das an der Empfangsantenne angeschlossen ist.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist die Modenverwirbelungskammer geringe Wandverluste und eine asymmetrische Formgebung auf. Eine Auskleidung der Innenoberfläche der Modenverwirbelungskammer mit Absorbern hätte Wandverluste zur Folge, die so hoch wären, dass die in die Modenverwirbelungskammer ausgekoppelte Leistung kaum messbar wäre. Daher dürfen in der Modenverwirbelungskammer keine Absorber vorhanden sein. Die Innenwände der Modenverwirbelungskammer müssen aus leitfähigem Material bestehen. Die asymmetrische Formgebung der Modenverwirbelungskammer verbessert die Homogenität des elektromagnetischen Feldes und reduziert so die Messunsicherheiten.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 eine Modenverwirbelungskammer zum Testen einer elektrischen Schaltung, als Skizze;
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2 eine vereinfachte Illustration des Messprinzips.
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Im nachfolgenden Ausführungsbeispiel wird beschrieben, wie ein HF-Absorptionskennwert einer elektrischen Schaltung ermittelt wird. Im Ausführungsbeispiel ist der Prüfling 30 eine elektronische Schaltung eines Lenkflugkörpers. Die Prüfung findet in einer Modenverwirbelungskammer 1 statt, die in 1 dargestellt ist.
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In der der Modenverwirbelungskammer 1 ist ein
- • mechanischer Modenrührer 10,
- • eine Halterung 32 für den Prüfling 30,
- • eine Sendeantenne 40 und eine
- • Empfangsantenne 50 angeordnet.
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Eine Winkelposition α des Modenrührers 10 ist einstellbar, um einen Durchschnittswert von Werten verschiedener Winkelpositionen bilden zu können. Die Halterung 32 für den Prüfling 30 erlaubt ein schnelles Umspannen des Prüflings 30. Denn in der Modenverwirbelungskammer 1 werden Messungen mit und ohne Prüfling 30 durchgeführt. Mit der Sendeantenne 40 ist mit Hilfe eines Signalgenerators eine HF-Strahlungs-Leistung vorbestimmter Frequenz f in die Modenverwirbelungskammer 1 einkoppelbar (eingekoppelte Leistung).
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Mit der Empfangsantenne 50 ist die in die Modenverwirbelungskammer 1 ausgekoppelte Leistung mit Hilfe eines Leistungsmessgerätes 52 messbar.
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Die 2 illustriert in vereinfachter Weise das Messprinzip. Die absorbierte Leistung ist allgemein die Differenz zwischen einer eingekoppelten Leistung und einer ausgekoppelten Leistung.
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Weiter illustriert die 2, dass im Messfall mit einem Prüfling diejenige Absorption gemessen wird, die eine Absorption durch den Messaufbau und den Prüfling umfasst. Weiter Illustriert die 2, dass im Messfall ohne Prüfling, also im Falle einer Leermessung, nur eine Absorption des Messaufbaus ermittelt wird.
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Ein Rechner 60 ist derart mit dem Modenrührer 10, der Sendeantenne 40 und der Empfangsantenne 50 verbunden,
- • dass die Winkelposition α des Modenrührers 10 vorgebbar ist. Hierzu dient ein Schrittmotor 11. Der Schrittmotor 11 ist über eine Signalleitung 12 am Rechner 60 angeschlossen.
- • dass die Frequenz f der über die Sendeantenne 40 einzukoppelnden HF-Strahlung vorgebbar ist. Hierzu dient ein Frequenzgenerator 41. Der Frequenzgenerator 41 ist über eine Datenleitung 42 am Rechner 60 angeschlossen.
- • dass sowohl die Werte der eingekoppelten Leistung als auch die Werte der ausgekoppelten Leistung erfassbar und abspeicherbar sind, und zwar in Abhängigkeit von folgenden Parametern:
a) der Frequenz f,
b) der Winkelposition α, und
c) einem Messfall, wobei ein erster Messfall eine Messung mit dem Prüfling 30 in der Modenverwirbelungskammer 1 und ein zweiter Messfall eine Messung ohne Prüfling in der Modenverwirbelungskammer ist. Die zugeführte Leistung wird im Betrieb durch eine Messung eines Eingangsstromes am Fußpunkt 44 der Sendeantenne 40 ermittelt wird. Hierzu dient ein Amperemeter 45. Das Amperemeter 45 ist über eine Signalleitung 46 am Rechner 60 angeschlossen. In Abweichung zum Ausführungsbeispiel kann die zugeführte Leistung auch mit Hilfe eines Netzwerkanalysators erfasst werden. Die ausgekoppelte Leistung ist mit einem Leistungsmessgerät 52 erfassbar, das über eine Signalleitung 51 an der Empfangsantenne 50 angeschlossen ist. Eine Datenleitung 53 stellt eine Verbindung zwischen Rechner 60 und Leistungsmessgerät 52 sicher. In Abweichung zum Ausführungsbeispiel kann die ausgekoppelte Leistung ebenfalls auch mit Hilfe eines Netzwerkanalysators erfasst werden.
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Im ersten Messfall ohne Prüfling erfasst man folgende Werte:
- • Pein,leer(f,α): eingekoppelte Leistung bezogen auf eine bestimme Frequenz und Rührerposition, leere Kammer
- • Paus,leer(f,α): ausgekoppelte Leistung bezogen auf eine bestimme Frequenz und Rührerposition, leere Kammer
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Im zweiten Messfall mit einem Prüfling (= DUT, engl. Device Under Test) erfasst man folgende Werte:
- • Pein,DUT(f,α): eingekoppelte Leistung bezogen auf eine bestimmte Frequenz und Rührerposition, Prüfling in der Kammer
- • Paus,DUT(f,α): ausgekoppelte Leistung bezogen auf eine bestimme Frequenz und Rührerposition, Prüfling in der Kammer
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Im Rechner 60 ist ein Computerprogramm gespeichert, mit dem die vom Prüfling 30 absorbierte Leistung derart ermittelbar ist, dass gemittelte Werte verschiedener Winkelpositionen gleicher Frequenz zueinander in Bezug setzbar sind, derart,
- • dass eine Differenz zwischen ein- und ausgekoppelter Leistung des zweiten Messfalles ohne Prüfling 30 (Messaufbau-Absorption)
- • von der Differenz zwischen ein- und ausgekoppelter Leistung des ersten Messfalles mit Prüfling 30 (Messaufbau-Absorption plus Prüfling-Absorption) abgezogen wird.
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Durch eine Mittelung der Werte verschiedener Winkelpositionen zwischen 0° und 360° und gleicher Frequenz erhält man im ersten Messfall:
- • Pav,ein,DUT(f) eingekoppelte Leistung bezogen auf eine bestimmte Frequenz, gemittelt über alle Rührerpositionen, Prüfling in der Kammer
- • Pav,aus,DUT(f) ausgekoppelte Leistung bezogen auf eine bestimmte Frequenz, gemittelt über alle Rührerpositionen, Prüfling in der Kammer
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Durch eine Mittelung der Werte verschiedener Winkelpositionen zwischen 0° und 360° und gleicher Frequenz erhält man im zweiten Messfall:
- • Pav,ein,leer(f) eingekoppelte Leistung bezogen auf eine bestimmte Frequenz, gemittelt über alle Rührerpositionen, leere Kammer
- • Pav,aus,leer(f) ausgekoppelte Leistung bezogen auf eine bestimmte Frequenz, gemittelt über alle Rührerpositionen, leere Kammer
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Zu berechnen ist:
- • Pav,DUT(f): im Prüfling absorbierte Leistung bezogen auf eine bestimmte Frequenz, gemittelt über alle Modenrührerpositionen
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Die Berechnungsformel lautet: • Pav,DUT(f) = [Pav,ein,DUT(f) – Pav,aus,DUT(f)] – [Pav,ein,leer(f) – Pav,aus,leer(f)] = (Messaufbau-Absorption plus Prüfling-Absorption) – (Messaufbau-Absorption)
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Konkretes, vereinfachtes Ausführungsbeispiel:
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Eine obere und untere Frequenz f wird festgelegt auf eine Startfrequenz von 1 GHz und eine Endfrequenz von 2 GHz. Begonnen wird mit einer leeren Modenverwirbelungskammer 1. Für eine bestimmte Frequenz und eine bestimmte Modenrührerposition wird die eingekoppelte und ausgekoppelte Leistung gemessen und abgespeichert. Mit einer Schrittweite von 20 MHz wird der vorgenannte Frequenzbereich durchlaufen und abgespeichert. Dies ergibt Werte für 50 einzelne Frequenzen. Dann wird die Position des Modenrührers 10 verändert und der Durchlauf des Frequenzbereiches mit der Speicherung der Messdaten beginnt erneut. Dies wiederholt sich entsprechend der Anzahl der Modenrührerpositionen. Die Differenz der Position liegt bei 15°, daraus ergeben sich 24 Positionen für den Rührer. Dann werden die Messwerte der ein- und ausgekoppelten Leistung über alle Positionen des Modenrührers gemittelt. Die Differenz von ein- und austretender mittlerer Leistung bei leerer Modenverwirbelungskammer entspricht den Verlusten, die im Messaufbau entstehen. Anschließend wird ein Prüfling 30 in das Prüfvolumen 31 der Modenverwirbelungskammer 1 eingebracht und wiederum eine ein- und ausgekoppelte Leistung für eine bestimmte Frequenz und eine Modenrührerposition gemessen und abgespeichert. Es folgt wieder die Mittelwertbildung über alle Modenrührerpositionen. Die Differenz von ein- und austretender mittlerer Leistung bei beladener Modenverwirbelungskammer 1 entspricht der Absorption im Messaufbau plus der im Prüfling 30 absorbierten Leistung. Die Differenzbildung der Mittelung der beladenen und der leeren Kammer ergibt die im Prüfling 30 absorbierte Leistung. Da sich durch das Einbringen des Prüflings 30 die Modenverteilungen in Abhängigkeit von der Rührerposition verändern, ist es erforderlich, die Differenzenbildung mit den Mittelwerten zu vollziehen.
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Typische Messwerte sind: Pav,DUT(f) = [Pav,ein,DUT(f) – Pav,aus,DUT(f)] – [Pav,ein,leer(f) – Pav,aus,leer(f)]
= (40·10–2W-0,0328·10–2W) – (40·10–2W-0,485·10–2W)
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In Abweichung zu dem vorgenannten Ausführungsbeispiel könnte man auch die Mittelwerte für jede Frequenz über hinreichend lange Zeiten aufintegrieren, indem man den Modenrührer lange genug rotieren lässt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Modenverwirbelungskammer
- 10
- mechanischer Modenrührer
- 11
- Schrittmotor
- 12
- Signalleitung zwischen Rechner und Schrittmotor
- 30
- Prüfling
- 31
- Prüfvolumen
- 32
- Halterung
- 40
- Sendeantenne
- 41
- Frequenzgenerator
- 42
- Datenleitung zwischen Rechner und Frequenzgenerator
- 44
- Fußpunkt der Sendeantenne
- 45
- Amperemeter
- 46
- Signalleitung vom Amperemeter zum Rechner
- 50
- Empfangsantenne
- 51
- Signalleitung zwischen Empfangsantenne und Leistungsmessgerät
- 52
- Leistungsmessgerät
- 53
- Datenleitung zwischen Rechner und Leistungsmessgerät
- 60
- Rechner
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 2011/0200084 A1 [0002, 0005]
- EP 0019528 [0003]
