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Die Erfindung betrifft zunächst eine Vorrichtung zur Ortung eines Austrittsortes einer elektromagnetischen Störstrahlung in einem Bauelement, insbesondere einer Leiterplatte, welches mit elektrischen und/oder elektronischen Bauteilen bestückt ist.
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Elektronische Bauteile und Geräte enthalten heutzutage eine Vielzahl von Komponenten, die nicht unerhebliche elektromagnetische Felder aufbauen. Einen besonderen Beitrag leisten hier unter anderem die zur Daten- und Signalübertragung genutzten und mit immer höheren Taktraten betriebenen Elektronikkomponenten. Solche elektromagnetischen Felder sind in nicht unerheblichem Maße dazu geeignet, elektrische und elektronische Bauteile, Bauelemente und Geräte in ihrer Funktion zu beeinträchtigen. Insbesondere im Bereich mobiler Kommunikationsgeräte ergeben sich solche Probleme. Die Folge solcher elektromagnetischen Störstrahlung, hervorgerufen durch Geräte oder Bauteile, schlagen sich in verringerter Empfangs- und Sendeleistung sowie Störungen bei der Übertragung von Sprach- und Nutzdaten nieder. Aus diesem Grund wurden, beispielsweise mittels internationaler Normen, Grenzwerte für Störstrahlungen festgelegt, die für die Zulassung elektronischer Geräte einzuhalten sind.
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Aus dem druckschriftlich nicht belegbaren Stand der Technik ist eine Sonde bekannt, die über elektrische Elemente, insbesondere Platinen, bewegt wird und anhand der Feldstärke der elektromagnetischen Störstrahlung den Austrittsort selbiger zumindest zweidimensional in der Ebene zu lokalisiert.
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Aus
US 6,268,738 B1 ist es bekannt, eine Vielzahl von Sonden in einer Ebene und unter einer Auflagevorrichtung fest anzuordnen. Auf die Auflagevorrichtung wird dann das zu prüfende Bauelement, wie Platine, aufgelegt und der Austrittsort der Störstrahlung in der zweidimensionalen Ebene anhand der Feldstärke bestimmt.
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Beide Vorrichtungen haben den Nachteil, dass ihre Ortungspräzision bei komplex aufgebauten Bauelementen eingeschränkt ist. Insbesondere bei Bauelementen, die aus mehreren, ineinander verschachtelten oder übereinander angeordneten Platinen bestehen, ist eine Lokalisierung des Austrittsortes der Störstrahlung mit den bekannten Verfahren und Vorrichtungen kaum möglich, da die Sonden nicht zwischen die einzelnen Platinen geführt werden können bzw. eine Lokalisierung im Raum aufgrund der in einer Ebene angeordneten Sonden ausgeschlossen ist.
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Eine Demontage des komplex aufgebauten Bauelementes ist in der Regel nicht zuverlässig geeignet, diese Nachteile zu beheben. Dies liegt insbesondere darin begründet, dass das die Störstrahlung verursachende Bauteil nicht zwingend bzw. in der Regel nicht gleich dem Austrittort der Störstrahlung ist. Vielmehr tritt die Störstrahlung an Orten schlechter Abschirmung aus. Dies können unter anderem Leiterbahnen, die Platinen verbindende Leiter oder andere Kontakte zwischen Leiterplatte und Bauteil oder zwei Bauteilen sein. Wenn also der Austrittsort der Störstrahlung und das die Störstrahlung verursachende Bauteil nicht zusammenfallen und ein komplexes Bauelement zur Prüfung demontiert wird, besteht grundsätzlich die Gefahr, dass der Austrittsort der Störstrahlung durch die Demontage eliminiert wird und somit nicht auffindbar ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine alternative Vorrichtung zur Lokalisierung des Austrittsortes einer Störstrahlung zu schaffen, die auch den Austrittsort der Störstrahlung komplexer Bauelemente zu ermitteln in der Lage ist.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung wird genutzt, indem
- – drei Antennen an unterschiedlichen Positionen mit Abstand zum Bauelement aufgestellt werden,
- – das Bauelement mit einer elektrischen Betriebsspannung beaufschlagt wird, um die elektrischen und elektronischen Bauteile in einen Betriebszustand zu versetzen,
- – ein Gerät zur Feststellung der Phasenlage der Störstrahlung mit den Antennen gekoppelt wird,
- – aus der Differenz der Phasenlage der elektromagnetischen Störstrahlung an den die Störstrahlung empfangenden Antennen die möglichen Positionen des Austrittsortes der Störstrahlung errechnet wird.
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Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht zunächst darin, dass zur Lokalisierung des Austrittsortes der Störstrahlung nicht die Feldstärke, sondern die zwischen zwei Empfangspunkten differierende Phasenlage der elektromagnetischen Welle genutzt wird. Für eine dreidimensionale Ortung reichen gegenüber der eingangs genannten
US 6,268,738 B1 somit drei Antennen. Gegenüber dem druckschriftlich nicht belegbaren Stand der Technik liegt der wesentliche Vorteil darin, dass die Antennen relativ zum zu prüfenden Bauelement nicht bewegt werden müssen, um den Punkt höchster Feldstärke festzustellen. Es ist ausreichend, die Linien konstanter Phasendifferenz zu errechnen, die bei Nutzung dreier Antennen den Austrittsort der Störstrahlung im Raum angeben.
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Aus dem heterogenen Stand der Medizintechnik, beschrieben in
CA 26558505 A1 , ist es bekannt, einen passiven RFID-Chip, der an einem medizinischen Gerät angebracht ist, einem elektromagnetischen Feld definierter Wellenlänge auszusetzen. Auf diese Weise wird der RFID-Chip induktiv mit einer Betriebsspannung versorgt und sendet nunmehr seinerseits elektromagnetische Wellen mit individueller Kennung zur Identifikation und Ortung des medizinischen Gerätes aus. Diese elektromagnetischen Wellen werden durch im Raum positionierte Antennen empfangen und anhand der Phasendifferenz wird die Position des medizinischen Gerätes bestimmt. Dieses, in der vorgenannten kanadischen Druckschrift genutzte Ortungsverfahren für passive RFID-Chips ist darüber hinaus veröffentlicht in „Proceedings of Spy” (Volume 624808) unter dem Titel „Localization in Tracking of Passive RFID-Tags”.
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Anders als in beiden vorgenannten, nicht gattungsgemäßen Offenbarungen handelt es sich bei dem zu prüfenden Bauteil um eine aktive Komponente, die mit eigener Spannungsversorgung versehen ist. Ein wesentlicher weiterer Unterschied liegt darin, dass die Wellenlänge des RFID-Signals bekannt ist und die im gattungsfremden Stand der Technik beschriebenen Ortungsvorrichtungen hierauf abgestimmt sind. Im Gegensatz dazu ist die Wellenlänge des Störsignals vor der Prüfung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung nicht definitiv bekannt. Sie muss vorher bestimmt werden.
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Es ist von Vorteil, wenn die Anordnung des Bauelementes relativ zu den Antennen erfasst wird und zur Plausibilisierung der Position des Austrittsortes der Störstrahlung herangezogen wird.
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Da die Ausbreitung der elektromagnetischen Störstrahlung einen sinuswellenartigen Verlauf hat, wiederholt sich die Phasenlage in jedem Wellendurchgang. In Abhängigkeit von der Anordnung der Antenne in Bezug zum Bauelement und der Wellenlänge λ der Störstrahlung besteht die Möglichkeit, mehrere mögliche Austrittsorte der Störstrahlung zu ermitteln, von denen lediglich einer dem tatsächlichen Austrittsort entspricht. Kennt man den Abstand des Bauelementes zu wenigstens einer Antenne, lässt sich unter Berücksichtigung dieser Erkenntnis der tatsächliche Austrittsort aus dem Bündel möglicher Austrittsorte bestimmten.
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Ferner ist vorgesehen, dass die drei Antennen in unterschiedlichen Ebenen im Raum positioniert sind.
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Alternativ und mit denselben Vorteilen ist vorgesehen, dass wenigstens drei Antennen genutzt werden, die in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind.
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Schließlich ist vorgesehen, dass wenigstens eine Antenne in einem Abstand zum Bauelement positioniert ist, der geringer als die Wellenlänge λ der Störstrahlung ist.
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Mit einer derartigen Anordnung wenigstens einer Antenne relativ zum Bauelement ist sichergestellt, dass eine Fehlbestimmung des Austrittsortes der Störstrahlung aufgrund eines mehrere Wellendurchgänge beinhaltenden Abstandes der empfangenden Antennen zum Bauelement ausgeschlossen ist.
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Es kann ein Gerät zur Feststellung der Phasenlage zur Kopplung mit zwei Antennen verwendet werden und, bei Verwendung von mehr als drei Antennen, die Messung der Phasenlage mit unterschiedlichen Antennenpaarungen wiederholt werden.
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Der wesentliche Vorteil bei dieser Ausführungsform ist darin zu sehen, dass eine vergleichsweise kostengünstige Vorrichtung zur Feststellung der Phasenlage und der sich daraus ergebenden Phasendifferenz mit lediglich zwei Eingängen genutzt werden kann. Durch die Wiederholung der Messung mit unterschiedlichen Antennenpaarungen erhält man dann die für die Lokalisierung des Austrittsortes der Störstrahlung notwendigen Messwerte.
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Die Erfindung betrifft demnach eine Vorrichtung zur Ortung eines Austrittsortes einer Störstrahlung in einem Bauelement, welches elektrische und/oder elektronische Bauteile enthält,
- – mit einem Raum, in welchem wenigstens drei Antennen an verschiedenen Positionen angeordnet sind,
- – mit einer Halterung für das Bauelement,
- – mit einer Spannungsversorgung für das Bauelement, mittels derer die elektrischen und/oder elektronischen Bauteile in einen Betriebszustand versetzt werden,
- – mit einer Einrichtung zur Erfassung der Phasenlage der an den Antennen empfangenen Störstrahlung.
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Mit einer solchen Vorrichtung ist das erfindungsgemäße und vorbeschriebene Verfahren besonders vorteilhaft ausführbar.
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Eine Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass die drei Antennen an unterschiedlichen Positionen im Raum angeordnet sind und diese zumindest mittelbar mit jeweils einem Eingang eines Hochfrequenzumschalters gekoppelt sind.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass der Hochfrequenzschalter zwei Ausgänge aufweist, die mit den lediglich zwei Eingängen der Einrichtung zur Erfassung der Phasenlage gekoppelt sind.
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Es ist weiterhin denkbar, dass der Abstand wenigstens einer der Antennen zum Bauelement kleiner als die Wellenlänge λ der Störstrahlung ist.
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Besonderes bevorzugt ist, dass wenigstens eine Antenne als zirkular polarisierte Breitbandantenne ausgebildet ist.
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Schließlich ist vorgesehen, dass die Vorrichtung einen Absorberraum umfasst, in welchem das Bauelement und die Antennen angeordnet sind.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Ortungsverfahren an Hand der Figuren kurz beschrieben. Es zeigen:
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1 Schematische Darstellung einer Messanordnung mit einer ersten Linie konstanter Phasendifferenz,
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2 die Darstellung gemäß 1 unter Einzeichnung einer zweiten Linie konstanter Phasendifferenzen,
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3 die Anordnung gemäß 1 mit Darstellung dreier Linien konstanter Phasendifferenz.
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In den Figuren sind drei Antennen, A1, A2 und A3 dargestellt.
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Geht man in 1 der Vereinfachung halber von nur einer Ebene aus, dann lässt sich in dieser Ebene eine Kurve K1 bilden, die die Punkte konstanter Entfernungen zwischen den Antennen A1 und A2 beschreibt. Sie definiert sich mathematisch deshalb nach der Formel rA1 – rA2 = konstant, wobei r für den Abstand der Antennen A1 bzw. A2 steht. Liegt auf dieser Kurve eine elektromagnetische Strahlungsquelle, erreicht die elektromagnetische Strahlung die Antennen A1 und A2 mit einem konstanten Laufzeitunterschied ihrer sinusartigen Wellenausbreitung und somit mit einer konstanten Phasendifferenz. Mathematisch lässt sich dies ausdrücken durch φA1 – φA2 = konstant, wobei φ die jeweilige Phase angibt. K1 stellt somit auch die Linie der konstanten Phasendifferenz dar.
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Misst man nunmehr eine zweite Phasendifferenz unter Nutzung der dritten Antenne A3, erhält man eine zweite Linie konstanter Phasendifferenzen. Neben der Phasendifferenz zwischen Antenne A1 und Antenne A2 (φA1 – φA2 = konstant) existiert nunmehr eine zweite Linie konsastanter Phasendifferenzen zwischen Antenne A2 und Antenne A3 (φA2 – φA3 = konstant). Diese als K2 bezeichnete Kurve (siehe 2) schneidet die Kurve K1 in Schnittpunkt PE. In dem angenommenen zweidimensionalen Beispiel gäbe der Schnittpunkt PE den Ort der Strahlungsquelle und somit den Ort der gesuchten Störstrahlung an.
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Bei der Untersuchung komplexer Bauteile ist dies jedoch nicht ausreichend. Deshalb wird mit Hilfe der Antennen A1, A2 und A3 eine weitere Phasendifferenz erfasst. Neben den Phasendifferenzen zwischen Antenne A1 und Antenne A2 sowie Antenne A2 und Antenne A3 wird nunmehr noch die Phasendifferenz zwischen Antenne A1 und Antenne A3 erfasst. Auch hier wird aus den Punkten konstanter Phasendifferenz (definiert durch φA1 – φA3 = konstant) eine Kurve, nämlich die Kurve K3 gebildet. Der Schnittpunkt P1 aus den Kurven K1, K2 und K3 definiert nun in diesem theoretischen Fall idealer Bedingungen den exakten Punkt der Störstrahlung in dreidimensionalen Raum.
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In der Realität ist es möglich, dass aufgrund von Messtoleranzen und beispielsweise der Wellenlänge der Störstrahlung in der Praxis auch bei der Verwendung von drei Antennen nicht möglich ist, den Auftrittspunkt der Störstrahlung exakt zu definieren. In einem solchen Falle hilft es, weitere zusätzliche Antennen zur Messung zusätzlicher Kurven konstanter Phasendifferenz zu nutzen. Hierdurch kann unter schwierigen Bedingungen die Messgenauigkeit erhöht werden.
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Ein weiteres, in der Praxis möglicherweise auftretendes Problem besteht darin, dass in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ der Störstrahlung und dem Abstand der Strahlungsquelle zu den Antennen A1, A2 und A3, es mehrere Linien gleicher Phasendifferenz geben mag, die die vorgenannten mathematischen Bedingungen erfüllen. Dies führt zu mehreren Schnittpunkten die den möglichen Austritt der elektromagnetischen Störstrahlung bilden können.
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Dieses Problem kann auf mehrere Arten umgangen werden. Beispielsweise kann in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Störstrahlung möglicherweise eine der Antennen derart nah an dem zu prüfenden Gerät positioniert werden, dass die Störstrahlung diese Antenne in jedem Fall nur im ersten Wellendurchlauf trifft. Auch ist es denkbar, dass zwar mehrere potentielle Strahlungslecks identifiziert werden, aber nur einer der Punkte im umbauten Raum des zu prüfenden Gerätes liegt. Schließlich besteht die Möglichkeit, die Messung nach Verschieben des Gerätes zu wiederholen. Dabei wird man feststellen, dass in der Regel lediglich einer der potentiellen Punkte gleichgerichtet zur Gerätebewegung verschoben ist, nicht jedoch die anderen potentiellen Strahlungslecks.
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Eine Vorrichtung zur Erfassung des Austrittsortes einer Störstrahlung besteht in der Regel aus einem Absorberraum, der von außen wirkende elektromagnetische Wellen tilgt. Innerhalb des Raumes befindet sich eine Halterung, beispielsweise ein Tisch, für das zu prüfende Bauelement, beispielsweise ein Mobiltelefon. Über eine Spannungsversorgung wird das Bauelement und insbesondere dessen elektronischen Bauteile in einen Betriebszustand versetzt. Nach einer Vormessung, mit welcher die Störstrahlung näher identifiziert wird, wird die Phasenlage dieser Störstrahlung an wenigstens drei im Raum verteilten Antennen erfasst. Aus der Phasenlage werden Linien konstanter Phasendifferenzen gebildet, deren Schnittpunkt den Ort der potentiellen Störstrahlung definieren.
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Die Einrichtung zur Erfassung der Phasenlage muss nicht unmittelbar mit jeder der Antennen gekoppelt sein. Es ist möglich hier ein vergleichsweise günstiges Gerät zu nutzen, welches lediglich die Phasenlage zweier Antennen erfassen kann. In einem solchen Falle wird ein Hochfrequenzumschalter vor die Einrichtung gesetzt, an welchen die Antennen angeschlossen werden. Durch das Wiederholen der Messung nach Umschalten auf andere Antennen lässt sich auch mit einem vergleichsweise kostengünstigen Gerät die Phasenlage aller Antennen erfassen.
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Bei den Antennen handelt es sich vorzugsweise zirkular polarisierte Breitbandantennen, wobei eine – wenn möglich – in einem geringeren Abstand zum Bauelement positioniert ist als die Wellenlänge λ der Störstrahlung. Auf diese Weise wird vermieden, dass mehrere mögliche Austrittspunkte von Störstrahlungen erfasst werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 6268738 B1 [0004, 0009]
- CA 26558505 A1 [0010]
