Analysis of Electromagnetic Nearfield Disturbances on Printed Circuit Board and IC Level
Final Report Abstract
Die theoretischen Untersuchungen der Leitungseinkopplung im Nahfeld haben gezeigt, dass die relativ hohen Feldstärken in den meisten Fällen nicht mit den entsprechenden Feldstärken bei herkömmlichen Tests im Fernfeld einer Antenne gleichgesetzt werden können. Bei resonanten Strahlern liegt der dafür definierte Korrelationsfaktor bei kleinen Abständen zwischen Antenne und Leitung unterhalb von Eins, d.h. dass die Nahfeldeinkopplung in diesem Fall eine größere Störwirkung hat als eine Fernfeldeinkopplung gleicher Amplitude. Die Ursache liegt hauptsächlich in der Änderung des abstandsabhängigen Feldwellenwiderstandes. Bei elektrisch kleinen Strahlern kann dagegen die resultierende Störung wesentlich kleiner ausfallen als bei Fernfeldbestrahlung (von einer bis zu drei Größenordnungen). Hauptursache ist in diesem Fall die inhomogone Ausleuchtung des Prüflings, die mit zunehmendem Sondenabstand sich verringert und gegen den Wert im Fernfeld strebt. Die Verifikation eines theoretisch definierten Umrechnungsfaktors erfolgte mit numerischer Feldsimulation, bzw. experimentell. Bei der Verwendung von resonanten Strahlern (homogene Nahfelder) ist die Korrelation bei den untersuchten Anordnungen umgekehrt. Die verwendeten Feldstärken sind demnach mit höheren Feldstärken im Fernfeld zu vergleichen. Bei der Untersuchung verschiedener alternativer Sondengeometrien hat sich das Rogowski-Profil als beste Lösung herausgestellt. Die konkreten Abmessungen für einen realen Aufbau können gemäß den Anforderungen an Halbwertsbreite und minimalem Feldstärkeabfall aus den berechneten Kurvenscharen abgelesen werden. Am Beispiel eines LC-Kreises wurde eine einfache Anpass-Schaltung für einen schmalbandigen Frequenzbereich entwickelt. Der Vorteil des Anpass-Netzwerkes liegt in einer deutlichen Erhöhung der erzeugten Feldstärke. Somit ist es nun möglich, auch robustere Übertragungsstrecken zu beeinflussen. Aufbauend auf einer zuvor entwickelten Kalibriermethode für reine CW-Beeinflussung mit definierten Feldstärken wurde die Erweiterung des Verfahrens für transiente Signale erfolgreich umgesetzt. Damit ist es nun möglich auch für impulshafte Störgrößen reproduzierbare Bewertungen vorzunehmen. Die Kalibriermethode wurde anhand exakter numerischer Feldsimulationen der Einkopplung in eine Leitung validiert. Die Anwendungsbeispiele zeigen den signifikanten Zusammenhang zwischen Störwirkung und Störfeldstärke, Repetitionsrate, Sondenposition und Signal-Datenrate anhand des Bitfehlerverhältnisses. Für die Erweiterung von Fehlerbewertungsverfahren bei analogen Schaltkreisen wurde eine Operationsverstärker-Testschaltung aufgebaut. Anhand des EMIRR-Faktors erfolgte eine Bewertung der Störanfälligkeit von zwei unterschiedlichen OV-Typen an unterschiedlichen Pins. Die Nutzung des Faktors ist bei der Nahfeldimmunitätsprüfung nur bedingt hilfreich, da er sich auf die anregende Pin-Spannung und nicht auf die vorherrschende Feldstärke bezieht. Bei allen Betrachtungen wurde die Rückwirkungsfreiheit zwischen Prüfling und Antennenkreis vernachlässigt, was durch einhergehende Untersuchungen sehr gut bestätigt werden konnte.
Publications
- “Calibrated Time-Domain Nearfield-Immunity Test on Printed-Circuit Board Level”, 12th International Symposium on EMC Europe, Sept. 2013
M. Krause, M. Leone
- „Zeitbereichs-Nahfeld-Immunitätsprüfung auf PCB-Ebene“, EMV 2014, 15. Internationale Fachmesse und Kongress für Elektromagnetische Verträglichkeit, Düsseldorf, März 2014
M. Krause, M. Leone
