DE4341614A1

DE4341614A1 - Verfahren zur Bestimmung der Eigenschaften von EMV - Meßräumen

Info

Publication number: DE4341614A1
Application number: DE19934341614
Authority: DE
Inventors: Guenter Prof Dr Nimtz; Achim Dr Enders
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-12-07
Filing date: 1993-12-07
Publication date: 1995-06-08
Anticipated expiration: 2013-12-08
Also published as: DE4341614C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Testen der elektromagnetischen Reflektionsei genschaften von mit elektromagnetische Strahlung absorbierenden Elementen ausgeklei deten Meßräumen. In den Meßräumen werden in erster Linie nicht leitungsgebundene elektromagnetische Messungen unter Annäherung an Freifeldbedingungen durchgeführt. Diese Art von Messungen wird in immer größerem Umfang für Prüfungen auf dem Gebiet der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) benötigt. Solche Messungen geben Auskunft über die elektromagnetische Störausstrahlung eines elektrischen Geräts oder die Störempfindlichkeit des Geräts auf äußere elektromagnetische Felder. Das öffentliche und technische Interesse hieran ist in der jüngsten Zeit sprunghaft angestiegen. Ferner werden die Anforderungen in technischen Normen und gesetzlichen Vorschriften für die Störaussendung und die Störstrahlempfindlichkeit elektrischer Geräte immer höher. Um die Reproduzierbarkeit und die Aussagefähigkeit der EMV-Messungen zu verbessern, sind auch die Anforderungen an die Qualität der Meßräume erheblich gestiegen. Die Qualität der Meßräume ist dabei von den Reflektionseigenschaften und der Anordnung der in ihnen installierten Elemente für die Absorption von elektromagnetischen Wellen abhängig.

Stand der Technik

Für Meßräume zur Durchführung nicht leitungsgebundener elektromagnetischer Messun gen gibt es bestimmte Anforderungen an die Feldhomogenität, meistens in dem Sinne, daß die durch Strahlungsquellen und -senken (Antennen, elektrische Geräte etc.) er zeugten Feldverteilungen und Intensitäten möglichst ähnlich wie die unter Freifeldbe dingungen beschaffen sein sollen. Unter Freifeldbedingungen wird generell verstanden, daß keine die Messung störende Feldbeeinflussung durch unerwünschte Reflektionen oder Feldverzerrungen stattfindet. Nur unter Freifeldbedingungen sind reproduzierbare und eindeutige Aussagen über die Feldverteilungen und -intensitäten und damit entspre chende Rückschlüsse auf die Quellen bzw. Senken der elektromagnetischen Felder, also die elektromagnetischen Eigenschaften der zu testenden Geräte, möglich.

Die Annäherung an die Freifeldbedingungen in geschlossenen Meßräumen bringt in der Praxis aber große Probleme mit sich. Einerseits soll der Meßraum eine völlige elektro magnetische Entkopplung zwischen Innen- und Außenraum gewährleisten, um störende Fremdstrahlung von außen fernzuhalten und keine im Inneren bei Messungen erzeugte Strahlung an die Außenwelt als Störung abzugeben. In der Regel sind die Wände der Meßräume dazu von einem metallischen Drahtgeflecht umgeben oder als Metallplatten realisiert, die im ganzen einen geschlossenen Faradayschen Käfig bilden. Andererseits jedoch werden durch das metallische Reflektionsverhalten der Wände die Freifeldbedin gungen im Inneren des Meßraums sehr stark verfälscht. Im ungünstigsten Fall kommt es bei vergleichbaren Dimensionen der Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung und den Innenabmessungen des Meßraums zur Anregung von Meßraum-Eigenresonanzen ho her Güte, so daß die Abweichung der Feldintensitäten von den Freifeldbedingungen viele Größenordnungen betragen kann. Diese Probleme treten in der Praxis insbesondere im Frequenzbereich oberhalb von 10 MHz auf. Definierte und reproduzierbare Feldinten sitätsmessungen, z. B. die Vermessung der Störstrahlungs-Aussendung eines Computers, sind so nicht durchführbar.

Deshalb werden in den Meßräumen Elemente angebracht, die die elektromagnetische Strahlung absorbieren, also in Wärme umwandeln. Die bekanntesten Ausführungsfor men der absorbierenden Elemente sind die sogenannten Pyramiden-Absorber, die in der Regel aus graphitiertem Polyurethan-Schaumstoff gefertigt sind (siehe das Buch von K.H. Gonschorek und H. Singer: "Elektromagnetische Verträglichkeit", B.G. Teubner Verlag, Jahr 1992, S. 442, 448 und 449), und die sogenannten Ferrit-Absorber (Zeit schrift für angewandte Physik, Band 19, S. 509-514, Jahr 1965). Hauptsächlich werden die Innenwände des Meßraums teilweise oder vollständig mit den Absorbern verkleidet, es sind aber auch andere Element-Anordnungen bekannt, z. B. als fahrbare Absorberwände, deren Lage je nach Meßzweck im Raum verändert werden kann.

Aufgabe der absorbierenden Elemente ist es, Reflektionen und Feldverzerrungen der elek tromagnetischen Felder an den Innenwänden des Meßraums zu verringern und damit die von einem Test- oder Prüfaufbau erzeugte und gemessene Feldverteilung und Feldin tensitäten an diejenigen des Freiraums anzunähern. Quantitativ wird diese Annähe rung an die Freifeldbedingungen in neueren Normvorschriften durch die Abweichung von dem sogenannten NSA-Wert beschrieben (Normalized Site Attenuation, d. h. normierte Felddämpfung). Die NSA ist das analytisch exakt berechenbare Übertragungsmaß zwi schen zwei Antennen unter idealen Freifeldbedingungen. Trotz Absorber-Auskleidung treten in den Meßräumen elektromagnetische Rest-Reflektionen als Fehlerquelle auf, die in ihrer Summe eine Abweichung von den NSA-Werten bewirken. Diese Abweichung ist ein Maß für die Feldgüte bzw. -qualität und Basis für die Zulassung von Meßräumen für gesetzlich vorgeschriebene EMV-Tests an elektrotechnischen Geräten.

Bisher gab es aber zwei wesentliche Probleme in Bezug auf die elektromagnetischen Re flektionseigenschaften von Meßräumen:

a) Es existierte weder ein theoretisches noch ein praktisches Verfahren, diese Eigenschaf ten beim Entwurf und der Konstruktion des Meßraums im voraus festzulegen, insbeson dere in dem kritischen Frequenzbereich, wo die niedrigen Raum-Eigenresonanzen hoher Güte liegen. Hersteller von Meßräumen konnten hier ausschließlich auf ihr Erfahrungs wissen zurückgreifen und mußten nach Fertigstellung eines Meßraums häufig sehr teure Nachbesserungen durchführen, wenn die angestrebten elektromagnetischen Reflektions eigenschaften des Meßraums nicht erreicht wurden.
b) Die breitbandige Vermessung der elektromagnetischen Reflektionseigenschaften der Meßräume, z. B. in Form der oben beschriebenen Abweichung von den NSA-Werten, ist als absolute Messung nicht möglich. Solche Messungen werden ebenfalls durch die Fehler der verwendeten Antennen (d. h. die Meßunsicherheit bei der Bestimmung ihrer Strahleigenschaften auf einem Referenz-Freifeldgelände) und die Fehler der verwendeten Meßelektronik beeinflußt. Bei gesetzlich vorgeschriebenen zulässigen Gesamtmeßfehlern verringern diese beiden Meßunsicherheiten die für den Meßraum noch zulässige Toleranz- Abweichung. In der Praxis ist diese Verringerung von entscheidender Bedeutung: z. B. sind von ± 4 dB erlaubter NSA-Abweichung bei EMV-Testhallen im Frequenzbereich von 30 bis 1000 MHz 2.5 dB für die Antennen und die Meßelektronik abzuziehen, so daß nur noch 1.5 dB erlaubte Toleranz für die dem Meßraum zugeordneten Fehler ver bleiben. Der Meßraum muß also in seinen elektromagnetischen Reflektionseigenschaften einen entsprechend kleinen Fehler aufweisen, was in der Praxis zu extrem hohen Anfor derungen an die Qualität der Absorber führt. Der hierbei entstehende Kostenaufwand ist erheblich. Nachteilhaft ist außerdem, daß der Innenraum durch die zu verwenden den Absorber hoher Güte und somit großer Ausmessungen stark verkleinert wird bzw. entsprechend größer ausgelegt werden muß.

Beschreibung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Testen der elek tromagnetischen Reflektionseigenschaften von mit elektromagnetische Strahlung absor bierenden Elementen ausgekleideten Meßräumen zu entwickeln, das schon in der Pla nungsphase für Meßräume eingesetzt werden kann. Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß dadurch, daß

a) ein in allen drei Raumdimensionen um einen Faktor verkleinerter Modell-Meßraum entsprechender Abmessungsproportionen konstruiert wird;
b) der Modell-Meßraum mit den elektromagnetische Strahlung absorbierenden Elemen ten ausgekleidet wird, wobei bei planaren Elementanordnungen der gegenseitige Ab stand in Richtung der Flächennormalen und gegebenenfalls die Dicke der Elemente um den Faktor verkleinert werden und bei senkrecht zur Flächennormalen nicht-flächigen Elementanordnungen die einzelnen Elemente in allen drei Raumdimensionen um den Faktor verkleinert werden, wobei die elektromagnetischen Reflektionseigenschaften der Elemente bei dieser Verkleinerung und gleichzeitiger Erhöhung der elektromagnetischen Strahlungsfrequenz um den Faktor ähnlich, vorzugsweise konstant bleiben;
c) in dem Modell-Meßraum die elektromagnetischen Reflektionseigenschaften bei einer um den Faktor erhöhten elektromagnetischen Strahlungsfrequenz gemessen werden, und
d) diese mit den elektromagnetischen Reflektionseigenschaften des Original-Meßraums bei originaler elektromagnetischer Strahlungsfrequenz gleichgesetzt werden.

Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens liegt darin, daß es technisch einfach und ohne rech nerischen Aufwand durchgeführt werden kann. Somit bleibt der Kostenaufwand gering. Besonders vorteilhaft ist außerdem, daß das Verfahren sehr zuverlässig, reproduzierbar und präzise ist.

Speziell schlägt die Erfindung vor, daß der Faktor mindestens 5, vorzugsweise größer als 10 ist. Diese Verkleinerungen sind in der Praxis besonders vorteilhaft, da die Material kosten und der Raum bedarf optimiert werden.

Bekannte Absorber aus planaren Elementanordnungen sind z. B. mehrere parallel zueinan der angeordnete leitfähige Folien. Bei diesen wird der gegenseitige Abstand in Richtung der Flächen normalen um den Faktor verkleinert, zur Erhöhung der Meßgenauigkeit kann zusätzlich auch die Dicke der Elemente angepaßt werden. Die in der Praxis am meisten verwendeten Absorberstrukturen in Pyramidenform werden in allen drei Raumdimensio nen um den Faktor verkleinert.

Von entscheidender Bedeutung ist die dabei geforderte, im folgenden Skalierbarkeit ge nannte Eigenschaft der elektromagnetische Strahlung absorbierenden Elemente (im fol genden auch kurz als skalierbare Absorber bezeichnet): die elektromagnetischen Reflekti onseigenschaften der Elemente bleiben ähnlich, vorzugsweise konstant, bei Verkleinerung um den Faktor und gleichzeitiger Erhöhung der elektromagnetischen Strahlungsfrequenz um den Faktor. Anschaulich bedeutet das, daß bei einer Vermessung der Reflektions eigenschaften eines einzelnen skalierbaren Absorbers mittels einer Anordnung aus einer Sende- und einer Empfangsantenne ähnliche, vorzugsweise konstante Ergebnisse erzielt werden, wenn der Absorber wie beschrieben um den Faktor verkleinert wird, die Größe der Antennen ebenso und ihre Abstände vom Absorber und Abstände gegeneinander um den Faktor verkleinert werden und die elektromagnetische Strahlungsfrequenz um den Faktor erhöht wird.

In der DPA P 43 21165.8 vom 25.06.1993 ist z. B. ein Verfahren angegeben, das u. a. die Verwendung von metallisch beschichteten Folien mit Flächenwiderstandswerten vorzugs weise im Bereich von 10 bis 1000 Ω zur Herstellung sogenannter "Folien-Absorber" be schreibt. Diese Folien-Absorber besitzen die Eigenschaft der Skalierbarkeit; der Flächen widerstandswert der metallisch bedampften Folien schwankt nach Labor-Meßdaten im Frequenzbereich von 0 Hz (Gleichstrom-Messung) bis 10 GHz, also über 10 Größenord nungen, im Idealfall weniger als 10% und ist damit als konstant anzusehen; damit sind aus diesen Folien hergestellte Absorber im angegebenen Frequenzbereich skalierbar und ihre elektromagnetischen Reflektionseigenschaften bei Skalierung konstant.

In dem Modell-Meßraum werden die elektromagnetischen Reflektionseigenschaften bei einer um den Faktor erhöhten elektromagnetischen Strahlungsfrequenz gemessen und mit den elektromagnetischen Reflektionseigenschaften des Original-Meßraums bei ori ginaler elektromagnetischer Strahlungsfrequenz gleichgesetzt. Dies ist möglich wegen der Skalierbarkeit der Absorber und da alle anderen elektromagnetischen Eigenschaften des Meßraums ohnehin skalierbar sind. Z.B. erhöht sich das Eigenresonanzspektrum bei aus metallischen Wänden gefertigten Räumen immer um genau den Faktor, mit dem die Räume in jeder Raumdimension verkleinert werden.

Eine Messung der elektromagnetischen Reflektionseigenschaften im Modell-Meßraum beinhaltet eine Anordnung aus Strahlungsquellen und -senken sowie entsprechender Meß elektronik, wobei es in der Praxis hierfür sehr unterschiedliche Verfahren gibt hinsichtlich der Verschaltung und Anordnung. Als Komponenten werden meistens ein oder mehrere Meßsender und Meßempfänger sowie eine oder mehrere Antennen verwendet. Wesentlich ist aber immer der Vergleich solcher Meßdaten mit identischen Messungen im Freiraum, d. h. den interessierenden Referenz- bzw. Normwerten, die man mit gleichen Geräten, Antennen und der gleichen Verschaltung und Anordnung unter Freiraumbedingungen erhält. In der Praxis wird der Vergleich der Meßdaten von diesen beiden Meßsituationen aber immer dadurch erschwert, daß der Transport der Meßantennen und der Elektro nik und eine zwangsläufig geänderte Kabelführung zwischen dem Meßraum und dem Freifeldgelände und umgekehrt immer zusätzliche Meßfehler zur Folge hat, so daß der Vergleich der Meßdaten immer mit großen Meßunsicherheiten behaftet ist und der Ein fluß des Meßraums nie eindeutig bestimmt bzw. nicht von diesen anderen Fehlern isoliert werden kann.

In wesentlicher Weiterbildung schlägt die Erfindung deshalb vor, daß zur Kalibrierung der Messung der elektromagnetischen Reflektionseigenschaften wenigstens eine Mes sung durchgeführt wird, für die der Modell-Absorberraum zur Annäherung an die Frei feldbedingungen entfernt wird. Dies ist ohne großen Aufwand durchführbar, da der Modell-Meßraum wesentlich kleiner gestaltet werden kann als der Original-Meßraum. Beispielsweise kann, nachdem mit einem bestimmten Meßaufbau die elektromagneti schen Reflektionseigenschaften des Modell-Meßraums bestimmt worden sind, durch De montage der Wände oder das komplette Hochheben des Modell-Meßraums von einer Bodenplatte der Modell-Meßraum einfach um den Meßaufbau herum entfernt werden. Die Meßanordnung im Inneren des Modell-Meßraums bleibt unverändert. Nach Ent fernen aller zu unerwünschten elektromagnetischen Reflektionen beitragenden Elemente des Modell-Meßraums (z. B. die Wände, fahrbare Absorberwände, sonstige dielektrische oder metallene Vorrichtungen) erfolgt mindestens eine weitere Messung der elektroma gnetischen Reflektionseigenschaften des Meßaufbaus, die diesmal den Freifeldbedingun gen entspricht, wobei die Reihenfolge dieser Schritte selbstverständlich auch umgekehrt erfolgen kann.

Durch dieses Verfahren wird ein direkter Vergleich der Meßdaten zwischen der Freifeld messung und der Messung in dem Modell-Meßraum ermöglicht, so daß die Differenz der Meßdaten allein auf dem Einfluß der elektromagnetischen Reflektionseigenschaften des Modell-Meßraums beruht. Die Meßraum-Eigenschaften können somit erstmalig isoliert von allen anderen Fehlerquellen bestimmt werden. Die Meßgenauigkeit wird somit erheb lich verbessert. Verbleibende Restfehler basieren nur noch auf der Kurzzeit-Stabilität der verwendeten Meßelektronik und der mechanischen Stabilität des Meßaufbaus während des Umbaus zwischen Freifeld-Messung und Messung im Modell-Meßraum. Sie sind in der Praxis nicht mehr relevant.

Ferner wird in Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgeschlagen, daß zur Messung der elektromagnetischen Reflexionseigenschaften

i) eine Antenne in dem Modell-Meßraum angeordnet wird, wobei die Antennengröße und deren Positionierung im Modell-Meßraum an die verkleinerten Abmessungen des Modell-Meßraums angepaßt sind, und
ii) die in die Antenne vom Modell-Meßraum reflektierte elektromagnetische Strahlung gemessen wird.

Hierbei ist es besonders vorteilhaft, daß nur eine einzige Antenne benötigt wird. Diese wird entsprechend verkleinert zum Senden und Empfangen der elektromagnetischen Strahlung verwendet. In anderer Ausführungsform wird vorgeschlagen, daß zur Mes sung der elektromagnetischen Reflektionseigenschaften

i) wenigstens zwei Antennen in dem Modell-Meßraum angeordnet werden, wobei die An tennengröße, die gegenseitigen Antennenabstände und deren Positionierung im Modell- Meßraum an die verkleinerten Abmessungen des Modell-Meßraums angepaßt sind, und
ii) die elektromagnetische Übertragungsfunktion zwischen den Antennen gemessen wird. Dabei wird der zeitliche Aufwand für eine Messung reduziert. Durch die Verwendung mehrerer Antennen kann die von der Antennen-Anordnung im Meßraum abhängige Übertragungsfunktion zwischen Antennen bestimmt werden.

Es ist vorteilhaft, daß zur Erhöhung der Meßgenauigkeit die Messungen mit einem Netzwerk-Analysatorsystem durchgeführt werden, vorzugsweise mit einer mit dem Netz werk-Analysatorsystem durchgeführten Reduktion systematischer Fehler durch eine Ka librierung.

Ein Netzwerk-Analysatorsystem (NA) besteht aus einem Meßsender und mindestens zwei vektoriellen Empfangskanälen (Detektoren), die sowohl Amplitude als auch Pha senlage der detektierten Signale bestimmen. Die Vorteile handelsüblicher NA liegen in dem hohen Dynamikbereich und der Linearität der Detektoren, d. h. eine Differenz messung zwischen zwei sehr kleinen Signalpegeln erfolgt mit sehr großer Genauigkeit. Darüberhinaus sind Netzwerk-Analysatorsysteme entweder durch einen integrierten oder einen externen Computer in der Lage, systematische Fehler des Meßaufbaus durch eine Kalibrierung vollständig zu bestimmen und dann rechnerisch zu berücksichtigen. Die Meßgenauigkeit für das vorliegende Verfahren kann somit weiter erhöht werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels konkret erläutert:

Bei typischen Raumabmessungen von 20×15×10 m³ (Länge×Breite×Höhe) ei nes EMV-Meßraums für Messungen im Frequenzbereich von 30 bis 1000 MHz wird ein um einen Faktor 20 verkleinerter Modell-Meßraum aus Metallblechen realisiert, der die Raumabmessungen von 1.0×0.75×0.5 m³ besitzt. Sowohl der Original-Meßraum als auch der Modell-Meßraum sind auf einer leitenden Bodenfläche (1) aus Metall, einer sogenannten Ground-Plane angeordnet, wobei der Modell-Meßraum an zwei Griffen (3) einfach von der Ground-Plane abgehoben werden kann (siehe Fig. 1). Der Original-Meßraum soll mit Folienabsorbern in Pyramidenform bestückt werden, die eine Bauhöhe von 2 m und eine untere Kantenlänge von 0.5 m aufweisen. Alle 4 Seitenwände und die Decke sollen mit den Absorbern vollständig abgedeckt werden. Die um den Faktor 20 verkleinerten Absorber (5) für den Modell-Meßraum haben eine Bauhöhe von 0.1 m und eine untere Kantenlänge von 0.025 m und werden wie im Original-Meßraum im Modell-Meßraum angebracht. Im Modell-Meßraum wird eine Anordnung aus zwei entsprechend verkleiner ten Breitband-Antennen (7) auf einem dielektrischen Träger (9) installiert. Der Über tragungsfaktor zwischen den Antennen wird mit Hilfe eines Netzwerk-Analysatorsystems im Bereich oberhalb von 600 MHz bestimmt. Das Netzwerk-Analysatorsystem (11) wird vorher an den Koax-Anschlußsteckverbindungen (13) zu den Antennen kalibriert, wobei diese Kalibrierung und die Anschlußsteckverbindungen vorzugsweise möglichst nahe an den Antennenfußpunkten realisiert werden. Die Messungen werden wenigstens einmal im Modell-Meßraum und einmal nach Entfernen des Modell-Meßraums von der Ground- Plane unter Freifeld-Meßbedingungen durchgeführt. Es wird dann die direkte Differenz im Antennen-Übertragungsfaktor zwischen den Freifeldbedingungen und den Bedingun gen im Modell-Meßraum bestimmt. Diese wird dann mit der entsprechenden Differenz der Original-Meßraumbedingungen zu Freifeld-Meßbedingungen bei einer um den Fak tor 20 reduzierten Frequenz gleichgesetzt. Diese Differenz ist das gesuchte Maß für die Qualität des Original-Meßraums.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Modell-Meßraums im Querschnitt.

Claims

1. Verfahren zum Testen der elektromagnetischen Reflektionseigenschaften von mit elektromagnetische Strahlung absorbierenden Elementen ausgekleideten Meßräumen, da durch gekennzeichnet, daß

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Faktor mindestens 5, vorzugsweise größer als 10 ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Kalibrierung der Messung der elektromagnetischen Reflektionseigenschaften wenigstens eine Messung durchgeführt wird, für die der Modell-Absorberraum zur Annäherung an die Freifeldbe dingungen entfernt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Messung der elektromagnetischen Reflexionseigenschaften

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Mes sung der elektromagnetischen Reflektionseigenschaften

i) wenigstens zwei Antennen in dem Modell-Meßraum angeordnet werden, wobei die An tennengröße, die gegenseitigen Antennenabstände und deren Positionierung im Modell- Meßraum an die verkleinerten Abmessungen des Modell-Meßraums angepaßt sind, und
ii) die elektromagnetische Übertragungsfunktion zwischen den Antennen gemessen wird.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung der Meßgenauigkeit die Messungen mit einem Netzwerk-Analysatorsystem durchgeführt werden, vorzugsweise mit einer mit dem Netzwerk-Analysatorsystem durchgeführten Re duktion systematischer Fehler durch eine Kalibrierung.