DE29520374U1

DE29520374U1 - Nahfeldsonde

Info

Publication number: DE29520374U1
Application number: DE29520374U
Authority: DE
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-12-22
Filing date: 1995-12-22
Publication date: 1996-02-08
Anticipated expiration: 2005-12-23

Description

Nahfeldsonde

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf den Aufbau von H-Nahfeldsonden, die zur Erfassung von durch digitale Schaltungen verursachte Magnetfelder (&EEgr;-Felder) eingesetzt werden sollen.

Elektronische Baugruppen erzeugen hauptsächlich durch ihre periodisch arbeitenden digitalen Schaltungen hochfrequente elektromagnetische Abstrahlungen. Anhaltspunkte über die Auslösung der Abstrahlung geben Nahfelder an Leiterzügen und Bauelementen.

Digitale elektronische Geräte arbeiten mit Taktfrequenzen im MHz-Bereich. Busleitungen, Takt- und Steuerleitungen werden nach geräteeigenen Algorithmen mehr oder weniger periodisch in ihrem logischen Pegel umgeschaltet. Die Schaltzeiten liegen im Nanosekundenbereich und der Pegelhub beträgt ca. 5 Volt. Durch den Spannungshub entstehen elektrische und durch die dabei fließenden Umschaltströme magnetische Felder, die Frequenzanteile bis in den GHz-Bereich hinein besitzen. Um damit verbundene Probleme der Störausendung (Funkschutz) zu beherrschen, ist es erforderlich, diese hochfrequenten Nahfelder mit Nahfeldsonden zu erfassen und mit Oszilloskopen oder Spektrumanalysatoren auszuwerten. Dabei erweist es sich z.T. als unverzichtbar, die Felder bis in den IC-Pinbereich, d.h. in den Millimeterbereich zu verfolgen.

Aus dem Stand der Technik sind Nahfeldsonden zur Magnet-

felderfassung (H-Nahfeldsonden) bekannt, die aus einer einfachen Induktionsspule und einer geschirmten Leitung bestehen. Die Induktionsspulen der Nahfeldsonden sind im Durchmesser alle größer als ein Zentimeter. Eine Felderfassung auf IC-Pinebene ist mit diesen Sondengrößen nicht möglich.

Diese Sonden besitzen neben dem Nachteil der zu großen Induktionsspule von größer/gleich einem Zentimeter noch weitere prinzipielle Nachteile:

Durch die elektrischen Schaltvorgänge in den zu untersuchenden Digitalschaltungen (Prüfling) entstehen hochfrequente elektrische Nahfelder. Diese Nahfelder koppeln bei Näherung der Sonde an den Prüfling kapazitiv hochfrequenten Störstrom in die metallischen Teile der H-Nahfeldsonde ein. Es fließt auf kapazitivem Wege Störstrom in die Induktionsspule und in das geschirmte Kabel. Dabei entstehen folgende nachteilige Nebeneffekte:

Einmal erzeugt der kapazitive Störstrom im Prüfling und in Sondennähe ein erhebliches zusätzliches Magnetfeld, welches von der Sonde mit erfaßt wird und zu erheblichen Meßfehlern führt.

Zum anderen erzeugt der kapazitive Störstrom an dem Drahtwiderstand und der Drahtinduktivität der Induktionsspule der Sonde einen Spannungsabfall, der sich dem Meßergebnis als Fehlerspannung überlagert.

In Firmenschriften der Fa. Emco (NEAR-FIELD PROBE SET MODEL 7405) ist eine H-Nahfeldsonde beschrieben, die eine geschirmte Induktionsspule besitzt. Damit wird zumindest für relativ niedrige Frequenzbereiche (100 MHz) der zuletzt genannte Nachteil reduziert. Durch eine größere metallische Oberfläche verstärkt sich aber der zuerst genannte Nachteil.

Ausgehend von der beschriebenen Situation ist es Aufgabe der Erfindung, Miniatur-H-Nahfeldsonden so aufzubauen, daß die genannten Nachteils der Beeinträchtigung bzw. Verfälschung der Meßergebnisse durch kapazitive Störströme vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst, die Unteransprüche zeigen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Nach der erfindungsgemäßen Konzeption besteht der Sondenkopf aus einer Miniaturinduktionsspule, die vorzugsweise 1 bis 5 Windungen bei einen Spulendurchmesser von ca. 0,5 bis 10 Millimeter besitzt. Die Spule ist direkt an einer dünnen (ca. 1 bis 2 Millimeter) koaxialen Leitung angebracht. Dabei ist ein Spulenende mit dem koaxialen Schirm und das andere Ende mit dem Innenleiter verbunden. Der Außenleiter der koaxialen Leitung dient gleichzeitig als Schirm. Der Schirm (d.h. die koaxiale Leitung) beginnt unmittelbar an der Induktionsspule und setzt sich am Ende der Sonde über einen koaxialen Steckverbinder und ein koaxiales Meßkabel bis zum Eingang eines Auswertegerätes fort. Als Auswertegerät kann ein Oszilloskop oder ein Spektrumanalysator verwendet werden.

Ca. 10 Millimeter hinter dem Sondenkopf beginnend wird die koaxiale Leitung innerhalb der Nahfeldsonde durch ein Ferritrohr geführt. Die Nahfeldsonde wird vom Sondenkopf bis zum Steckverbinder von einem Kunststoffgehäuse ummantelt, so daß die äußere Gestalt der Nahfeldsande Stiftform besitzt, deren Abmessungen ca. 150 &khgr; 10 Millimeter betragen.

Für die erfindungsgemäße Funktion der Sonde ist das Zusammenwirken mehrerer Merkmale erforderlich, das ist einmal der Durchmesser der Induktionsspule, der weniger als 10 mm und in einer bevorzugten Ausführung ca. 1 mm beträgt.

Weiterhin sollte die Induktionsspule unmittelbar am Schirm anschließen, wobei der Schirm der koaxialen Leitung entspricht. Der Schirmdurchmesser, d.h. der Durchmesser der koaxialen Leitung, sollte dabei nicht größer als 2 mm sein. Darüberhinaus ist es erforderlich, daß der Schirm (koaxiale Leitung) einige mm hinter der Spule beginnend durch ein Ferritrohr geführt wird.

Die Funktion und Anwendung der H-Nachfeldsonde kann wie folgt beschrieben werden:

Der Sondenkopf, d.h. die Induktionsspule, wird in unmittelbare Nähe von IC-Pins oder Leiterzügen einer digitalen elektronischen Schaltung (Prüfling) gebracht. Durch betriebsmäßige logische Schaltvorgänge im IC des Prüflings entstehen elektrische Ströme, die Magnetfelder mit Frequenzen bis in den GHz-Bereich erzeugen. Meßaufgabe der Nahfeldsonde ist es, diese Felder mit der Induktionsspule zu erfassen und die induzierten Meßspannungen über ein geschirmtes Kabel einem Auswertegerät zuzuführen.

Die durch betriebsmäßige logische Schaltvorgänge (TTL Spannungshub) der Prüflings-IC entstehenden elektrischen Felder besitzen ebenfalls bis in den GHz-Bereich reichende Frequenzanteile. Diese würden beim Nähern der Sonde an den Prüfling kapazitiv in die Induktionsspule und die koaxiale Leitung einkoppeln und über den Schirm der koaxialen Leitung abfließen. Dabei würde die Stromverteilung im Prüfling verfälscht und ein zusätzliches HF-Magnetfeld erzeugt. Dieses Magnetfeld induziert in der Induktionsspule eine

"-¹S-

Fehlerspannung, die einen erheblichen Meßfehler erzeugen würde. Außerdem erzeugt der kapazitiv in die Induktionsspule eingekoppelte Störstrom einen Spannungsabfall an der Drahtinduktivität der Induktionsspule, der sich als weiterer Fehler addieren würde.

Das auf die koaxiale Leitung aufgeschobene Ferritrohr verhindert aber das Fließen eines kapazitiven Stromes zur Induktionsspule und unterbindet damit solche Meßfehler.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Patentansprüche verwiesen.

Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 prinzipieller Aufbau der Nahfeldsonde, .

Fig. 2 Ausführung der Induktionsspule mit U-förmigem Ferritelement und

Fig. 3 Ausführung der Induktionsspule als achtförmige Doppelspule.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau der erfindungsgemäßen H-Nahfeldsonde mit Miniaturinduktionsspule 1 am Sondenkopf, koaxialer Leitung 2, Ferritrohr 3, koaxialer Steckverbinder 4 am Sondenende zum Anschluß des koaxialen Meßkabels 6 sowie das die Sonde umhüllende und in Stiftform ausgebildete Kunststoffgehäuse 5.

Die Miniaturinduktionsspule 1 ist mit ihren einen Ende am koaxialen Schirm 2.1 und mit dem anderen Ende am Innenleiter 2.2 der koaxialen Leitung 2 angeschlossen. Die Miniaturinduktionsspule im Sondenkopf hat einen inne-

•••«•4 ··· · ···

ren Durchmesser von ca. 1 Millimeter.

Die Magnetfeldverteilung läßt sich entsprechend der Sondengröße bis in den Millimeterbereich auflösen. Es kann die Feldverteilung durch entsprechende Führung der Sonde auf größeren Flächen oder partiell zwischen Leiterzügen oder in Pinbereichen von IC, an Blockkondensatoren, EMV-Bauelementen usw. nahezu punktförmig erfaßt werden.

Die Sonde wird von Hand über die zu untersuchenden Gebiete geführt, der Sondenkopf wird der Baugruppe genähert oder direkt auf die Baugruppenoberfläche oder auf Bauelemente aufgesetzt. Eine freie Handhabung ermöglicht ein hochflexibles leichtes Kabel 6. Das Kabel ist an der Sonde mittels Steckverbinder 4 steckbar. Die Sonde kann in Verbindung mit einem Spektrumanalysator oder Oszilloskop betrieben werden.

Fig. 2 und 3 zeigen zwei weitere Ausführungen von Induktionsspulen. Die Ausführung in Fig. 2 zeigt ein durch die Induktionsspule 1 geführtes U-förmiges Ferritelement 7.

Eine Nahfeldsonde mit einer solchen Spulenausführung dient der selektiven Erfassung von kreisförmigen HF-Magnetfeldern an Leiterzügen und Bauelementeanschlüssen (Kondensatoren, IC-Pin). Der Sondenkopf besitzt einen magnetisch aktiven Spalt s von ca. 0,2 bis 1mm Breite. Die Sonde wird mit dem Spalt auf Leiterzüge, IC-Anschlüsse oder Anschlüsse von Kondensatoren aufgesetzt. Dabei wird selektiv das Magnetfeld des Anschlusses erfaßt. Rückschlüsse auf den im Anschluß fließenden Störstrom können gezogen werden.

Fig. 3 zeigt eine achtförmige Doppelspule, die nur inhomogenes, vorzugsweise kreisförmiges Magnetfeld erfaßt.

Diese Ausführung der erfindungsgemäßen Nahfeldsonde wird ähnlich wie die Sonde nach Fig. 2 angewendet. Sie besitzt jedoch einen etwas größeren Sondenkopf. Sie dient der selektiven Erfassung von HF-Magnetfeldern an Leiterzügen und Bauelementeanschlüssen (Kondensatoren, IC-Pin). Der Sondenkopf besitzt eine doppelte Induktionsspule, die ringförmige Magnetfelder erfaßt. Homogene Magnetfelder werden kompensiert. Die Sonde wird auf Leiterzüge, IC-Anschlüsse oder Anschlüsse von Kondensatoren aufgesetzt. Dabei wird selektiv das Magnetfeld des Anschlusses erfaßt. Rückschlüsse auf den im Anschluß fließenden Störstrom können gezogen werden.

Claims

—R-

Schutzansprüche

1, Nahfeldsonde zur Erfassung von durch digitale Schaltungen verursachte Magnetfelder,
dadurch gekennzeichnet, daß

a) der Sondenkopf aus einer Miniaturinduktionsspule (1) mit einem Durchmesser kleiner als 10 mm besteht,

b) die Spule (1) direkt an einer dünnen koaxialen Leitung (2) angeordnet ist und ein Spulenende mit dem koaxialen Schirm (2.1) und das andere Ende der Miniaturinduktionsspule (1) mit dem Innenleiter (2.2) der koaxialen Leitung (2) verbunden ist,

c) ab ca. 10 mm hinter dem Sondenkopf die koaxiale Leitung (2) innerhalb der Nahfeldsonde durch ein Ferritrohr (3) geführt ist und

d) die gemäß a) bis c) aufgebaute Nahfeldsonde vom Sondenkopf bis zum Sondenende, das einen koaxialen Steckverbinder (4) besitzen kann, von einem Kunststoffgehäuse (5) so ummantelt ist, daß die äußere Gestalt der Nahfeldsonde eine Stiftform annimmt.
2. Nahfeldsonde nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Miniaturinduktionsspule (1) vorzugsweise 1 bis 5 Windungen aufweist und der Spulendurchmesser ca. 0,5 bis 10 mm beträgt.
3. Nahfeldsonde nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet, daß die koaxiale Leitung (2) einen Durchmesser von 1 bis 2 rnm besitzt.
4. Nahfeldsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der koaxiale Schirm (2.1) unmittelbar an der Induktionsspule (1) beginnt und sich am Sondenende über einen koaxialen Steckverbinder (4) und ein koaxiales Meßkabel (6) bis zum Eingang eines Auswertegerätes fortsetzt.
5. Nahfeldsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessungen der mittels des Kunststoffgehäuses (5) in Stiftform ausgebildeten Nahfeldsonde ca. 150 &khgr; 10 mm betragen.
6. Nahfeldsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Miniaturinduktionsspule (1) ein U-förmiges Ferritelement (7) geführt und so positioniert ist, daß die Schenkel des Ferritelements (7) mit einem magnetisch aktiven Spalt s im Bereich von 0 < s < 2 mm Breite dem Meßobjekt zugewandt sind.
7. Nahfeldsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Miniaturinduktionsspule (1) als achtförmige Doppelspule ausgeführt ist.