Nahfeldsonden

Nahfeldsonden dienen zur Messung von elektrischen und magnetischen HF-Feldern auf Baugruppen und Geräten. Die Technischen Parameter zu den einzelnen Sonden finden Sie auf den jeweiligen Produktseiten und im Überblicks-PDF als Download.

Einführung

Mit Nahfeldsonden können Sie Störaussendungsquellen auf der Baugruppe und ihren HF-Koppelweg zur Antenne ausfindig machen. Mit verschieden großen und unterschiedlich geformten Sondenköpfen wird die Suche erleichtert.

Übersicht über die Nahfeldsondenfamilien der Langer EMV-Technik GmbH

Wir bieten eine Vielzahl von Nahfeldsonden, die das differenzierte Messen der HF-Felder ermöglichen.

Zu den Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik GmbH werden jeweils Korrekturkurven mitgeliefert. Mit den Korrekturkurven kann direkt während der Messung mit der Software ChipScan-ESA auf das E- und H-Feld bzw. den verursachenden Strom oder die verursachende Spannung umgerechnet werden.

Messungen mit Spektrumanalysator

Auf einer Baugruppe oder in einer Schaltung verursachen hochfrequente Ströme und Spannungen einzelner Bauteile lokale Magnet- oder E-Felder. Diese Felder sind Nahfelder. Der mit dem Metallsystem verkoppelte Anteil eines Nahfeldes induziert HF-Spannung in leitfähigen Strukturen der Baugruppe und regt zur Störaussendung an. Wie gut das gesamte Metallsystem einen bestimmten Frequenzanteil abstrahlt, hängt von seinen Resonanzeigenschaften ab. Das Ausmessen der lokalen HF-Magnetfelder oder E-Felder mit Hilfe von Nahfeld-Sonden bringt wichtige Erkenntnisse über die herrschenden elektromagnetischen Verhältnisse. Für die praktische Arbeit existiert eine Vielzahl von Sonden, die das differenzierte Messen der Feldanteile ermöglichen. Durch gezielte Manipulation der Nahfelder auf der Baugruppe ist die treffsichere Bekämpfung der Störaussendung für den Entwickler möglich.

Für die entwicklungsbegleitende Suche von HF Quellen auf einer Baugruppe sind folgende Kriterien für die Auswahl einer optimalen Nahfeldsonde wichtig:

  • genaue Unterscheidung zwischen H/B- und E/D-Nahfeldern
  • Auswahl der passenden Sondenköpfe an die zu messenden Feldstärken und Feldstrukturen
  • Möglichkeit der Richtungsbestimmung bei H/B-Nahfeldmessung
  • breiter nutzbarer Frequenzbereich
  • bequeme Handhabung beim Messen

Eine einzige Nahfeldsonde genügt für die Quellensuche einer Emission nicht. Es steht vielmehr die Aufgabe an den Hardware-Entwickler, die relevanten Sonden auszuwählen und einzusetzen.

Für die EMV Optimierung einer Baugruppe ist es wichtig, eine Messstrategie der Nahfeldmessung zu entwickeln, um mit den ausgesuchten Nahfeldsonden die Quellen der Emission auf dem Board zu finden. Für die Nahfeldaufklärung auf der Baugruppe werden von Langer EMV-Technik verschiedene H/B Nahfeldsonden und E/D Nahfeldsonden angeboten. Jede Sondenfamilie wurde unter einer bestimmten Aufgabenstellung entwickelt.

Die Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik zeichnen sich besonders durch ihre praktische Stiftform aus. Sie sind klein und handlich. Das ermöglicht dem Entwickler ein wendiges und zielführendes Messen auf seiner Elektronik. Die Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik eignen sich generell für alle Pre-Compliance-Messungen, die für das Messen von HF-Störungen im Frequenzbereich von 100kHz bis 10 GHz benötigt werden. Alle Nahfeldsonden sind in der Firma Langer EMV-Technik in Deutschland entwickelt, hergestellt und kalibriert. Mit Korrekturkennlinien läßt sich die Spannung der Sonde am Ausgang auf Magnetfeld am Ort des Sondenkopfes umrechnen. Die Korrekturkennlinien stehen für EXCEL als Excel-file und für die EMV-Messsoftware ChipScan-ESA als fdi-file zum beliebigen Download auf unserer Website bereit. Sie erhalten die Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik in spezifisch zusammengestellten Sets oder als Einzelsonden.

Qualitätsmerkmale

Die Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik GmbH zeichnen sich durch eine hohe und gleichbleibende Qualität aus. Um Nahfeldsonden richtig bewerten zu können, sollten zwei Merkmale überprüft werden:

1. Konstante Empfindlichkeit über einen weiten Frequenzbereich

Eine konstante (definierte) Empfindlichkeit gewährleistet die richtige Darstellung des Frequenzspektrums vom HF-Feld des Prüflings. Resonanzstellen und andere Unregelmäßigkeiten im Frequenzverlauf der Nahfeldsonde verfälschen die Messwerte und leiten den Entwickler in die Irre. Ein stetiger annähernd konstanter Frequenzverlauf der Nahfeldsonde ist die Voraussetzung für die Entstörung der Baugruppe. Davon hängt die Ermittlung von zielführenden EMV-Maßnahmen im Prüfling ab.

2. Hohe Unterdrückung von elektrischen Feldern (Magnetfeldsonden)

Die von der Baugruppe erzeugten elektrischen Felder (verursacht z.B. an Schalttransistoren im Netzteil) und magnetischen Felder (verursacht z.B. durch Ströme in Abblockkondensatoren) müssen sauber getrennt voneinander gemessen werden können. Magnetfeldsonden dürfen bei der praktischen Messung elektrische Felder nicht aufnehmen. Durch die Bauweise der Magnetfeldsonden werden die Einflüsse der elektrischen Felder unterdrückt (E-Feldunterdrückung). Die Qualität der E-Feldunterdrückung ist für eine Magnetfeldsonde von entscheidender Bedeutung.

Testaufbau

Beispielhaft werden die Frequenzgänge zweier typgleicher Nahfeldsonden an einer Microstripline gemessen. Die Microstripline erzeugt elektrische und magnetische Felder gleichermaßen. Damit kann man nicht nur den Frequenzgang der Sonde sondern auch die E-Feldunterdrückung testen. Zum Test werden die Magnetfeldsonden im Maximum des magnetischen Feldes und im Nullpunkt des magnetischen Feldes platziert.

Auswertung

Beim Vergleich der Maximumkurven (Bild 1) erkennt man den stetigen annähernd konstanten Kurvenverlauf der Nahfeldsonde RF-B 3-2 der Langer EMV-Technik GmbH. Wogegen der Kurvenverlauf der typgleichen Vergleichssonde Unregelmäßigkeiten aufweist. Gut zu erkennen sind die Resonanzstellen im Bereich von 0,5 GHz und 1,2 GHz.

Nahfeldsonden RF-U 5-2 und RF-B 3-2 und der Vergleichssonde gemessen Microstripline: 2 mm breit, Abschluss 50 Ohm, Abstand der Nahfeldsonde zur Microstripline 50 µm, Einspeisung 100 dBµV

Die verbleibenden Abweichungen der Langer EMV-Nahfeldsonden können durch die Anwendung von Korrekturkurven korrigiert werden.

Zu den Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik GmbH werden Korrekturkennlinien mitgeliefert. Mit den Korrekturkennlinien wird die Ausgangsspannung der Sonde auf das entsprechende Magnetfeld oder den im Leiter fließenden Strom umgerechnet.

Die Maximumkurve entsteht durch Drehung der Sondenöffnung, derart dass sie von der maximalen Anzahl der Magnetfeldlinien durchsetzt wird (Maximum des magnetischen Feldes der Stripline).

Die Minimumkurve entsteht, wenn die Magnetfeldlinen die Sondenöffnung nicht durchsetzen und praktisch kein Magnetfeld mehr gemessen werden kann. Der entstehende Messwert wird durch das elektrische Feld verursacht (magnetisches Feld der Stripline ohne Wirkung in der Magnetfeldsonde).

Die Qualität der E-Feldunterdrückung wird durch den Abstand zwischen der Maximum- und der Minimum-Kurve charakterisiert (Bild 2a und 2b).

Die Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik GmbH gewährleisten eine E-Feldunterdrückung von mindestens 20 dB über den gesamten Frequenzbereich. Der Entwickler wird mit den Nahfeldsonden der Langer EMV-Technik GmbH nicht vom elektrischen Feld getäuscht.

Bei der Vergleichssonde ist nur im Frequenzbereich unter 0,4 GHz ein geringfügiger Unterschied zwischen Minimum- und Maximumkurve erkennbar. Ab 0,4 GHz verlaufen beide Kurven annähernd gleich. Der Entwickler kann an seinem Prüfling magnetisches Feld von elektrischem Feld nicht mehr unterscheiden. Damit wird die Entstörung des Prüflings erheblich erschwert.

Tests mit verschiedenen weiteren Sondentypen erbringen ähnliche Ergebnisse. Sie verdeutlichen welche Schwierigkeiten bei der Herstellung von qualitativ hochwertigen Nahfeldsonden bewältigt werden müssen.

Korrekturkennlinien für Magnetfeldsonden

Typ RF der Firma Langer-EMV Technik GmbH

Als Nutzer unserer Software "ChipScan" verwenden Sie bitte die Korrekturdaten im fdi-Format. Sie können diese Daten nachstehend herunterladen und direkt in die Software ChipScan-ESA und ChipScan-Scanner einbinden.

Ermittlung von magnetischer Feldstärke und Stromstärke

Im folgenden wird die Berechnung der magnetischen Feldstärken und der zugrundeliegenden Ströme aus den Ergebnissen von Nahfeldmessungen vorgestellt.

Eine Magnetfeldsonde gibt an ihrem Ausgang ein Spannungssignal USonde ab, welches von einem Spektrumanalysator in ein Spektrum zerlegt wird. Es wird ein Korrekturfaktor KH definiert, der den Zusammenhang von Spannungssignal und dem zugehörigen Magnetfeld HRF beschreibt. Das Magnetfeld HRF ist mit einem verursachenden Strom IRF verknüpft. Deshalb kann ein weiterer Korrekturfaktor definiert werden, der auf den Strom IRF zurück rechnet.

Magnetfeldkorrektur:

Durch die Korrekturkennlinie kann aus dem Spannungsausgangssignal der Magnetfeldsonde USonde die magnetische Feldstärke HRF in der Magnetfeldsondenspule errechnet werden. Dabei ist der Korrekturfaktor der Magnetfeldsonde in jedem Anwendungsfall unabhängig von der Messgeometrie, d.h. die Sonde kann beliebig im Abstand und Winkel zum Stromleiter geführt werden, ohne das ein Fehler in der Korrektur auftritt (Abb. 2). Als Ergebnis erhält man das mittlere magnetische Feld, das von der Sondenspule umschlossen wird (Abb. 1).

Abbildung 1: Feldverlauf in Sondenspule
Abbildung 2: Allgemeine Anwendungsanordnung
Verwendung des Korrekturfaktors KH in der zugeschnittenen Größengleichung:

Beispiel für die Verwendung der Größengleichung:

Abbildung 3: Beispiel des Umganges mit der Magnetfeldkorrekturkennlinie

In Abbildung 3 wurde die Magnetfeldsonde in einem über der Frequenz konstanten Magnetfeld angeordnet. Aufgrund des Koppelfaktors ist die in der Sonde induzierte Spannung frequenzabhängig. Der Koppelfaktor vermittelt zwischen gemessener Spannung USonde und der mittleren magnetischen Feldstärke. Wenn zur gemessen Spannung USonde der Korrekturfaktor addiert wird (logarithmierte Größengleichung),erhält man die vorhandene magnetische Feldstärke.Mit der Größengleichung kann aus der Messkurve USonde und dem Korrekturfaktor KH die mittlere Magnetfeldstärke HRF bestimmt werden. Das Ergebnis ist in Abbildung 3 dargestellt.

Stromkorrektur

Zwischen Magnetfeld HRF und Strom IRF besteht ein fester physikalischer Zusammenhang, der von der Geometrie der Stromleiteranordnung abhängig ist. Der angegebene Korrekturfaktor KI bezieht sich deshalb auf eine definierte Referenzanordnung.Nur wenn im Anwendungsfall der Sonden die geometrischen Parameter mit der Referenzanordnung übereinstimmen, sind die ermittelten Stromwerte IKorr korrekt. Bei Abweichungen von dieser Anordnung entstehen Abweichungen in den Stromwerten IKorr. Der errechnete Stromwert IKorr kann nur als Orientierungswert dienen.

  • Breite des Leiterzuges 2 mm
  • Höhe des Leiterzuges über dem Massesystem 1 mm
  • Sonde auf Leiterzug aufgesetzt
Abbildung 4: Messanordnung für Feldsonden R400-1, R50-1. R3-2, R0,3-3
Abbildung 5: Messanordnung für Feldsonden B3-2, B0,3-3, K7-4, U2,5-2, U5-2
Verwendung des Korrekturfaktors KH in der zugeschnittenen Größengleichung:
Abbildung 6: Stromkorrektur Beispielkurve (Strom in dBµA [gelb])

Im Beispiel wurde ein im Frequenzbereich konstanter Strom zugrunde gelegt (Abb. 6). Dieser Strom induziert in der Magnetfeldsonde eine Spannung, die als USonde vom Spektrumanalysator gemessen wird. Um den Strom im Leiter zu erhalten, wird zum Spannungsverlauf der frequenzabhängige Korrekturfaktor addiert (logarithmisch). IKorr ist der im Leiter der Referenzanordnung fließende Strom in dBµA.

Korrekturkurven zum Download

Hier können Sie die Korrekturkurven als xlsx-Datei oder fdi-Datei herunterladen.

Als Nutzer unserer Software "ChipScan" verwenden Sie bitte die Korrekturkurven im fdi-Format.Sie können diese Kurven direkt in "ChipScan" einbinden. ( ältere Versionen als CS-ESA 3.0 oder CS-Scanner). In den neueren Versionen unserer Software sind die Korrekturkurven bereits alle eingebunden.

Downloads
Qualitätsmerkmale der Langer Nahfeldsonden
Overview all near field probes Langer EMV-Technik GmbH