Workshop EMV Messtechnik Messgenauigkeit & Reproduzierbarkeit bei Messungen mit dem Triaxialverfahren

Inhalt EMV Einführung Triaxialverfahren Begriffe und Definitionen, Systemtests, Übersicht Triaxialverfahren Kopplungswiderstand, Schirmdämpfung und Kopplungsdämpfung mit dem Triaxialverfahren Neuerungen der IEC 62153-4- Serie Messdynamik Grundrauschen, ZF-Bandbreite Mustervorbereitung text

Was bedeutet der Begriff “EMV“ (Elektromagnetische Verträglichkeit) ? EMV, Definition Was bedeutet der Begriff “EMV“ (Elektromagnetische Verträglichkeit) ? Definition nach VDE 0870: „Fähigkeit einer elektrischen Einrichtung, in ihrer elektromagnetischen Umgebung zufriedenstellend zu funktionieren, ohne diese Umgebung, zu der auch andere Einrichtungen gehören, unzulässig zu beeinflussen.“

Beispiel: Übertragungssystem Elektronische Baugruppe Steck-verbinder Sender Empfänger Schirm-gehäuse Geschirmtes Kabel Durch-führungen

Störaussendung / Störeinstrahlung Fremdsystem Störeinstrahlung Störaussendung Beeinflussung des eigenen Systems Beeinflussung fremder Systeme Sender Eigenes System Empfänger

Sicherstellung der EMV EMV-gerechtes Design EMV-Tests Reduzierung der Störungsanregung Filterung Schirmung Emissionen / Immunität auf Systemebene auf Komponentenebene

Beispiele für EMV-Tests auf Systemebene Emissionsprüfungen (Störaussendung) Immunitätsprüfungen (Störfestigkeit) z.B. CISPR 25 Antenne Stripline ... z.B. ISO 11452 Antenne Bulk Current Injection Stripline ...

Emmisionsmessung mit Antenne Messempfänger Prüfling Log per. Ant 200-1000MHz Bikonische Antenne 30-200MHz Absorber-raum Stab Antenne < 30MHz Kabelbaum

Emissionsmessung mit Antenne Messung nach CISPR 25 Spitzenwert-Messung (PEAK): rote Kurve (blaues Limit) Mittelwert-Messung (AVERAGE): blaue Kurve (rotes Limit) Breitbandmessung erfordert Antennenwechsel

Abschluss-widerstand Stripline-Test Grund-platte Stripline Dielektrische Stütze Mess- empfänger Abschluss-widerstand Empfänger Kabelbaum Sender

Emissionsmessung mit Stripline Messung nach CISPR 25 Spitzenwert-Messung (PEAK): schwarze Kurve (rotes Limit) Mittelwert-Messung (AVERAGE): grüne Kurve (blaues Limit) Stripline im Absorberraum Schirmkabine reicht aus

Immunitätsprüfungen Der Prüfling wird einem EM-Feld mit bekannter Feldstärke ausgesetzt: z.B. ISO 11452-2: Antenne z.B. ISO 11452-5: Stripline Einprägen eines Störstromes bekannter Stärke: - z.B. ISO 11452-4: Bulk Current Injection

Bulk Current Injection Test Prüfling HF- Generator Messzange Kabelbaum Injektions-zange Geschirmter Messraum

Zusammenfassung EMV-Systemtest Geschirmte Kammer bzw. Absorberraum Ergebnisse abhängig vom Messaufbau Funktionierende Systeme erforderlich Hoher Aufwand

Was tun wenn die Limits überschritten werden? Messung der Einzelkomponenten des Systems ! ! !

Funktionsschema der Komponententests Stör Quelle Kopplungs-pfad Stör Senke Beeinflussungs-modell Standardisierte Umgebung Transmissions-faktor Standardisierte Umgebung Überführung Kopplungs-widerstand, Schirm-dämpfung Generator z.B. NWA Port1 Empfänger z.B. NWA Port2 Testaufbau

Komponententest mit Kopplungsmessrohr Kabel Steckverbinder Durchführungen CoMeT Coupling Measuring Tube

Mess-System CoMeT Test set-up CoMeT Foil 2 shows the basic Composition of the Triaxial test set-up CoMeT to measure Transfer impedance and Screening- or Coupling attenuation on Communication Cables, Assemblies and Connectors according to IEC 62153-4-3 & 62153-4-4, respectively EN 50289-1-6 and IEC 62153-4-7 (EN 62153-4-7) from the kHz range up to and above 3 (8) GHz with one test set-up. Test set-up CoMeT

verschiedene Triaxiale Zellen des CoMeT Systems

Messen mit dem Triaxial-Verfahren, Prinzip Kopplungswiderstand & Schirmdämpfung DC bis über 12 GHz mit einem Messaufbau Seit Anfang der 90er Jahre wurde von bedea in Zusammenarbeit mit kabelmetal/Nürnberg ein neues Meßverfahren zur Messung der Schirmdämpfung von Kabelschirmen entwickelt. Auf der Basis des bekannten Kopplungsmeßrohres wurde der erfaßbare Frequenzbereich auf mehr als 3 GHz erweitert. Im Meßrohr kann jetzt mit einem Meßaufbau der gesamte Frequenzbereich von Kabelfernsehanlagen und Satellitenempfangsanlagen von 5 MHz bis über 3 GHz erfaßt werden. Das Meßverfahren wurde unter aktiver Mitarbeit von bedea entwickelt und in IEC 61196-1, Amendment 1:1999 international genormt. In Europa ist die EMV-Norm prEN 50289-1-6, EMV von Kommunikationskabeln in Arbeit. Das zu prüfende Kabel wird an einem Ende mit einem Steckverbinder und am anderen Ende mit einem Abschlußwiderstand versehen. Der Prüfling wird in das Rohr eingebaut am senderseitigen Ende mit dem Rohr kurzgeschlossen. Über den Sender wird Energie in das Kabel eingespeist. Die Leistung, welche in das äußere System aus Kabelschirm und Rohr überkoppelt, wird gemessen. Das logarithmische Verhältnis von eingespeister zu gemessener Leistung ist die Schirmdämpfung. Ein entsprechendes Meßsystem einschließlich Software wird von bedea unter dem Namen CoMeT international vertrieben. IEC 62153-4-3/-4-4/-4-7 Kopplungswiderstand & Schirmdämpfung, Triaxialverfahren DIN EN 50289-1-6, Kommunikationskabel, Elektromagnetisches Verhalten

Schirmdämpfung Kopplungswiderstand ZT/[mOhm/m ZT/[mOhm/m as/[dB] Die Kurve zeigt die gemessene Übertragungsfunktion eines RG 058. Das RG 058 ist ein weit verbreitetes 50 Ohm Kabel mit einem einfachen Geflecht als Aussenleiter bzw. als Schirm. Die gemessene Kurve folgt dem vorher gezeigten Verlauf der Übertragungsfunktion. Bei tiefen Frequenzen haben wir den Bereich des Kopplungswiderstandes bei höheren Frequenzen oberhalb von 100 MHz haben wir demn Bereich der Schirmdämpfung bzw. den Bereich der Wellenausbreitung. Als Schirmdämpfung gilt nur die Einhüllende der Maximalwerte. (die rote Linie). ZT/[mOhm/m

Änderungen der IEC 62153-4-3, Kopplungswiderstand matched – matched – short Verfahren A: Angepasster innerer Kreis mit Dämpfungswiderstand R2 mismatched – matched – short Verfahren B: Innerer Kreis mit Abschlusswiderstand und äußerer Kreis ohne R2 mismatched – short – short Verfahren C: (Fehlangepasst)-Kurzschluss- Kurzschluss ohne Dämpfungswiderstand

Änderungen der IEC 62153-4-4, Schirmdämpfung 50 10 Innerer Kreis mit Abschlusswiderstand R1 = Z1 und äußerer Kreis ohne Dämpfungswiderstand Der Term |1 - r2| stellt hier die Reflexionsdämpfung durch die Fehlanpassung zwischen Generator und Prüfling dar. Bei einer Fehlanpassung von 50 Ohm Generatorwiderstand auf z.B. 10 Ohm Wellenwiderstand des Prüflings ergibt sich damit ein Korrekturwert von ca. 2,5 dB ! Reflexions koeffizient

max. Empfindlichkeit des CoMeT Systems LR Grundrauschen (noise level) der Empfängerseite des Mess- Systems in dBm NF Rauschzahl des Vorverstärkers des NWA in dB BZF Bandbreite des Empfängers in Hz SF Formfaktor ≥ 1, Verhältnis von Rauschbandbreite zu 3 dB Bandbreite des ZF-Filters, [5] dB m dB(mW) Eine Weiterentwicklung des Systems ist die Messung der Schirmdämpfung von Steckern Bei elektrisch kurzen Elementen wie Steckern lässt sich bis zu hohen Frequenzen nur der Kopplungswiderstand messen. Der Kopplungswiderstand ist allerdings keine anschauliche Grösse zur Beurteilung des EMV-Verhaltens. Eine Weiterentwicklung des Triaxialverfahrens ist die Messung der Schirmdämfung von Steckern mit dem sogenannten Tube in Tube Verfahren. Das Elektrisch kurze Bauteil Stecker wird durch ein HF-dichtes Rohr im Rohr bzw. Tube in Tube verlängert, so dass sich auch bei tieferen Frequenzen die Schirmdämpfung messen lässt.

ZF-Bandbreite & Generatorleistung Eine Weiterentwicklung des Systems ist die Messung der Schirmdämpfung von Steckern Bei elektrisch kurzen Elementen wie Steckern lässt sich bis zu hohen Frequenzen nur der Kopplungswiderstand messen. Der Kopplungswiderstand ist allerdings keine anschauliche Grösse zur Beurteilung des EMV-Verhaltens. Eine Weiterentwicklung des Triaxialverfahrens ist die Messung der Schirmdämfung von Steckern mit dem sogenannten Tube in Tube Verfahren. Das Elektrisch kurze Bauteil Stecker wird durch ein HF-dichtes Rohr im Rohr bzw. Tube in Tube verlängert, so dass sich auch bei tieferen Frequenzen die Schirmdämpfung messen lässt.

Triaxialer Aufbau für Stecker mit “Rohr im Rohr“ Eine Weiterentwicklung des Systems ist die Messung der Schirmdämpfung von Steckern Bei elektrisch kurzen Elementen wie Steckern lässt sich bis zu hohen Frequenzen nur der Kopplungswiderstand messen. Der Kopplungswiderstand ist allerdings keine anschauliche Grösse zur Beurteilung des EMV-Verhaltens. Eine Weiterentwicklung des Triaxialverfahrens ist die Messung der Schirmdämfung von Steckern mit dem sogenannten Tube in Tube Verfahren. Das Elektrisch kurze Bauteil Stecker wird durch ein HF-dichtes Rohr im Rohr bzw. Tube in Tube verlängert, so dass sich auch bei tieferen Frequenzen die Schirmdämpfung messen lässt. „Rohr im Rohr“-Verfahren IEC 62153-4-7, Kopplungswiderstand, Schirmdämpfung und Kopplungsdämpfung von Steckern und Assemblies

Messen von konfektionierten Kabeln The same method as for connectors may also applied to cable assemblies. The assembly under test is connected to the test head at one end and connected to the tube in tube at the other end. Due to the movable (variable) extension tube one can use the set up for different length of assemblies. In case of longer assenblies, one can measure one end respectively one connector and feed the assembly under test from the other end. IEC 62153-4-7,“Rohr im Rohr“ -Verfahren (Stecker & konfektionierte Kabel)

Allgemeine Messprobleme bei Steckern Kopplungswiderstände addieren sich !

Empfänger Anschlusskabel mit IEC 61169-2 –Stecker/Kuppler Schlecht geschirmte Empfängeranschlusskabel nach IEC/EN 60966-2-4 mit IEC 61169-2 – Steckern verursachen ca. 70 % der Störungen in CATV Anlagen. Zur Messung von ZT und as sind entsprechende Adapter erforderlich.

Mess-Adapter, IEC 61169-2 - Stecker Mess-Adapter aus IEC 61169-2 - Stecker und IEC 61169-2 - Kuppler jeweils mit F- Kuppler (Gewinde) mit “Rohr in Rohr“-Verfahren Der Mess-Adapter bestimmt die Grenze der Messempfindlichkeit Schirmungsklasse A Die eingesetzten Mess-Adapter müssen im Messprotokoll angegeben werden. Der Abstand von der Kurve der Adapter sollte min. 10 dB betragen (es gelten nur die max-Werte !!)

Messen von Anschlusskabeln ohne Adapter Das konfektionierte Kabel wird durchgeschnitten, die paarigen Stecker zusammengesteckt und dann wie ein Koaxialkabel gemessen. Schirmungsklasse A

verschiedene Triaxiale Zellen des CoMeT Systems

Triaxiale Zelle mit Rohr im Rohr, Prinzip IEC 62153-4-15, Kopplungswiderstand und Schirmdämpfung mit Triaxialer Zelle

Prinzip der Triaxialen Zelle mit “Rohr in Rohr“ IEC 62153-4-7, “Tube in tube“ - procedure (Connectors and assemblies) with „Triaxial Cell“ is under consideration at IEC TC 46/WG 5 Figure 17 shows the Test set up to measure the screening effectiveness of connecting hardware with housing the test procedure is under consideration at IEC TC46/WG 5 open question are among others the reflections on the edges from the tube to the housing. the test procedure is also under study during a diploma work at Technische Hochschule Ulm, Germany

Resonanzen bzw. höhere Moden der Kavität Resonanzfrequenzen: a = 13.6 cm, b = 13.6 cm, c = 9.9 cm Results from Prof. Münzner et al, University of Ulm

Messergebnisse Rohr und Triaxiale Zelle Results from Prof. Münzner et al, University of Ulm

Resonanzen bzw. höhere Moden der Kavität Resonanzfrequenzen: 750-er Zelle 1000/300-er Zelle 1000/150-er Zelle   a b c 750 250 1000 300 150 m n p f/GHz 1 0,87 0,72 1,41 2 1,22 1,01 2,00 1,34 1,12 2,24 1,36 1,13 1,26 1,04 1,40 1,16 1,70 2,83 1,71 1,42 3 1,84 1,53 3,00 m, n, p: Modenzahlen (ganzzahlig, 2 von 3 >0), a, b, c: Abmessungen der Hohlraums

------- Triaxiale Zelle 1000 ------- CoMeT 40 ------- Triaxiale Zelle 1000

CATV –Abzweiger

Triaxiale Zelle mit Rohr im Rohr und Schiebewand ZT/[mOhm/m Die Kurve zeigt die gemessene Übertragungsfunktion eines RG 058. Das RG 058 ist ein weit verbreitetes 50 Ohm Kabel mit einem einfachen Geflecht als Aussenleiter bzw. als Schirm. Die gemessene Kurve folgt dem vorher gezeigten Verlauf der Übertragungsfunktion. Bei tiefen Frequenzen haben wir den Bereich des Kopplungswiderstandes bei höheren Frequenzen oberhalb von 100 MHz haben wir demn Bereich der Schirmdämpfung bzw. den Bereich der Wellenausbreitung. Als Schirmdämpfung gilt nur die Einhüllende der Maximalwerte. (die rote Linie). Kopplungswiderstand von HV-Steckern mit Triaxialer Zelle mit Schiebewand Forumsvortrag von Thomas Schmid, Fa. Rosenberger am Do., 13. März 11.20 Uhr

Triaxiale Zelle mit Rohr im Rohr und Schiebewand ZT/[mOhm/m Die Kurve zeigt die gemessene Übertragungsfunktion eines RG 058. Das RG 058 ist ein weit verbreitetes 50 Ohm Kabel mit einem einfachen Geflecht als Aussenleiter bzw. als Schirm. Die gemessene Kurve folgt dem vorher gezeigten Verlauf der Übertragungsfunktion. Bei tiefen Frequenzen haben wir den Bereich des Kopplungswiderstandes bei höheren Frequenzen oberhalb von 100 MHz haben wir demn Bereich der Schirmdämpfung bzw. den Bereich der Wellenausbreitung. Als Schirmdämpfung gilt nur die Einhüllende der Maximalwerte. (die rote Linie).

Langzeitverhalten von foliengeschirmten Kabeln ------- sample without bending test ------- after 4 days storage in the tube without any change

Long term behaviour of foil braid screen ------- sample without bending test ------- after 4 days storage in the tube without any change

Cable bending test according to EN 50117-2-x / EN 50289 EN 50117-2-1 to -2-5 and -4-1 Transfer impedance Screening Class A:    5 m/m from 5 MHz to 30 MHz; Screening Class B:  15 m/m from 5 MHz to 30 MHz. Test procedure according to EN 50289-1-6, triaxial method, after completion of the flexure test according to 5.2.9 of this standard. Screening attenuation Screening Class A:  85 dB from 30 MHz to 1 000 MHz; Screening Class B:  75 dB from 30 MHz to 1 000 MHz; Test procedure according to EN 50289-1-6, triaxial method, after completion of the flexure test according to 5.2.9 of this standard. Cable bending test acc. to EN 50117-2-x / EN 50289 Bending test will be enhanced acc. to the proposal of Prof. Schwarzenau in the next Editions. of EN 50117 series

Long term behaviour after bending test ------- sample after bending test ------- after 4 days storage ------- after 7 days storage in the tube

Messen der Kopplungsdämpfung Die Kopplungsdämpfung ist die Summe aus Unsymmetriedämpfung des Paares und der Schirmdämpfung des Schirmes Wie vorher erklärt, strahlen symmetrische Paare einen Teil der Energie ab, wenn die Kabel elektrisch lang sind. Das Mass für diese Abstrahlung ist die Unsymmetriedämpfung des Paares. Bei geschirmten Paaren wird diese Abstrahlung durch den Schirm zusätzlich geschirmt. Das Mass für die Schirmwirkung bzw. des EMV-Verhaltens eines geschirmten symmetrischen Paares ist damit die Summe aus der Unsymmetriedämpfung des Paares und der Schirmdämpfung des Schirms, Die Kopplungsdämpfung bzw. die unbalance attenuation. Da beide Einheiten logarithmisch gemessen werden, können sie einfach addiert werden. Der Generator speist das Paar symmetrisch, im Kopf wird das Kabel, wie beim Koaxialkabel im Gleichtaktbetrieb angeschlossen. Das logarithmisch Verhältnis von eingespeister zu gemessener Leistung ist die Kopplungsdämpfung. Zusätzlich kann im Gegentaktbetrieb die Schirmdämpfung des Schirms gemessen werden. Die Differenz aus beiden Messungen ist die Unsymetriedämpfung.

Messen der Kopplungsdämpfung Die Kopplungsdämpfung ist die Summe aus Unsymmetriedämpfung des Paares und der Schirmdämpfung des Schirmes Wie vorher erklärt, strahlen symmetrische Paare einen Teil der Energie ab, wenn die Kabel elektrisch lang sind. Das Mass für diese Abstrahlung ist die Unsymmetriedämpfung des Paares. Bei geschirmten Paaren wird diese Abstrahlung durch den Schirm zusätzlich geschirmt. Das Mass für die Schirmwirkung bzw. des EMV-Verhaltens eines geschirmten symmetrischen Paares ist damit die Summe aus der Unsymmetriedämpfung des Paares und der Schirmdämpfung des Schirms, Die Kopplungsdämpfung bzw. die unbalance attenuation. Da beide Einheiten logarithmisch gemessen werden, können sie einfach addiert werden. Der Generator speist das Paar symmetrisch, im Kopf wird das Kabel, wie beim Koaxialkabel im Gleichtaktbetrieb angeschlossen. Das logarithmisch Verhältnis von eingespeister zu gemessener Leistung ist die Kopplungsdämpfung. Zusätzlich kann im Gegentaktbetrieb die Schirmdämpfung des Schirms gemessen werden. Die Differenz aus beiden Messungen ist die Unsymetriedämpfung. geschirmte symmetrische Kabel, Datenkabel, mehradrige Kabel IEC 62153-4-9, Kopplungsdämpfung, Triaxialverfahren, Verfahren mit 2 Generatoren in Beratung

Internationale Normen für Triaxialverfahren, (CoMeT) IEC TR 62153-4-1 Introduction to EMC measurements 2007-11 IEC 62153-4-3 Surface transfer impedance - Triaxial method 2006-03 IEC 62153-4-4 Shielded screening attenuation, test method for measuring of the screening attenuation "as" up to and above 3 GHz 2006-05 IEC 62153-4-7 Shielded screening attenuation, test method for measuring the Transfer impedance ZT and the screening attenuation aS of RF-Connectors up to and above 3 GHz; Tube in Tube method 2006-04 IEC 62153-4-9 Coupling attenuation, triaxial method 2008-03 IEC 62153-4-10 Shielded screening attenuation test method for measuring the Screening Effectiveness of Feedtroughs and Electromagnetic Gaskets 2009-05 IEC 62153-4-15 Test method for measuring transfer impedance and screening attenuation – or coupling attenuation with Triaxial Cell 46/454/CD 2013-02 EN 50289-1-6 Communication cables - Specifications for test methods Part 1-6: Electrical test methods -Electromagnetic performance (includes IEC 62153-4-3 and IEC 62153-4-3) 2002 Folie 24, International Standards for the triaxial test set-up Foil 24 is a list of International Standards for the triaxial test set-up

Literatur [1] Bernhard Mund, Thomas Schmid: EMC of HV cables and components with Triaxial Cell, Wire & Cable Technology International/January & March 2012 [2] Bernhard Mund, Thomas Schmid: Messen der Schirmdämpfung von Steckverbindern, Kabeldurchführungen und EMV-Dichtungen, 3. Anwenderkongress Steckverbinder 2009, Vogel Verlag, Würzburg [3] Bernhard Mund: EMC of Cables & Connectors & Test methods, EMC Zurich 2007 [4] Bernhard Mund: Measuring the EMC on RF-connectors and connecting hardware, Tube in tube test procedure, IWCS (International wire & cable symposium) 2004, Philadelphia [5] Thomas Hähner und Bernhard Mund: Measurement of the screening effectiveness of connectors & cable assemblies: International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility, EMC 2002 [6] Thomas Hähner und Bernhard Mund: Background, content and future of the EMC measurement standard prEN 50289-1-6, Open / shielded test methods, International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility, EMC 2000 [7] Otto Breitenbach, Thomas Hähner und Bernhard Mund: Kabelschirmung im Frequenzbereich von MHz bis GHz, erweiterte Anwendung eines einfachen Meßverfahrens, Frequenz 1-2/1999 S. 18-28. [8] Lauri Halme, Rauno Kytönen, "Background and introduction to EM screening (shielding) behaviours and measurements of coaxial and symmetrical cables, cable assemblies and connectors", IEE Colloquium on screening effectiveness measurements, Savoy Place London, 6 May 1998

Steuer- & Auswerte-Software WinCoMeT - Steuerung des Netzwerkanalysators - Auswertung der Messergebnisse - Dokumentation - Export der Daten nach MS-Excel - Ausgabe auf Drucker - Vollversion zur Messung der Übertragungs- parametern von Kommunikationskabeln - einschliesslich FFT und Gating-Funktion Im Laufe mehrerer Diplomarbeiten wurde mit Studenten der FH Giessen eine Steuer- und Auswertesoftware entwickelt. Die Software steuert den Generator und den Empfänger, die Üblicherweise in einem Netzwerkanalysator integriert ist. Weiterhin können Messwerte gespeichert und weiterverarbeitet werden. Die Software wurde letztes Jahe von Denis Brück, Fachbereich MNI, überarbeitet unter Visual Basic und C++, allerdings zur Zeit noch in der Beta Version. Praktikanten oder Diplomanden sind willkommen, um hier weiterzuarbeiten. Verschiedene Kunden im Ausland warten auch auf die englische Ausgabe

Autoren Bernhard Mund, bedea Berkenhoff&Drebes GmbH Rundfunk&Fernsehtechniker, Radio Brand Marburg, 1971 Dipl.-Ing. Nachrichten- & Mikroprozessortechnik, FH Giessen, 1984 Leiter Entwicklung Kabel sowie HF- & EMV-Messungen, Obmann des UK 412.3, Koaxialkabel, Sekretär des IEC SC 46A und CENELEC SC 46XA Coaxial cable Thomas Schmid, Rosenberger HF-Technik, Tittmoning Fernmeldehandwerker, Deutsche Bundespost; Traunstein 1988 Dipl.-Ing. (FH) Nachrichtentechnik, Fachhochschule München 1995 Entwicklung von HF-Steckern und Komponenten, HF-& EMV-Messtechn. Mitarbeiter UK 412.3, Koaxialkabel Mitarbeiter IEC TC 46 WG 5 Screening eff. & WG 6 Intermodulation

Danke fürs Zuhören ? ? ? www.bedea.com bmund@bedea.com