Einsatz von Feldsonden mit mehreren Ausgängen in EMV-Nahfeldmessungen von Leiterplatten

Application of probes with multiple outputs in EMC near-field measurements of printed circuit boards

  • Der Einsatz elektromagnetischer Nahfeldscanner zu Analysezwecken im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit gewann in den vergangenen Jahren zunehmend an Bedeutung. Ursprünglich für die Charakterisierung von Antennen entwickelt, wird diese Messmethode immer häufiger zur Untersuchung von Leiterplatten, etwa aus dem Automobilbereich, eingesetzt. Von Interesse ist dabei nicht nur die Detektion sogenannter „Hot Spots“, also von Bereichen erhöhter elektromagnetischer Feldamplituden über der Platine. Auch die Detektion von Fehlern in der Schaltung, die Untersuchung möglicher Optimierungsmaßnahmen, die Ermittlung der Ströme und Spannungen auf der Platine oder die Berechnung des abgestrahlteDer Einsatz elektromagnetischer Nahfeldscanner zu Analysezwecken im Bereich der elektromagnetischen Verträglichkeit gewann in den vergangenen Jahren zunehmend an Bedeutung. Ursprünglich für die Charakterisierung von Antennen entwickelt, wird diese Messmethode immer häufiger zur Untersuchung von Leiterplatten, etwa aus dem Automobilbereich, eingesetzt. Von Interesse ist dabei nicht nur die Detektion sogenannter „Hot Spots“, also von Bereichen erhöhter elektromagnetischer Feldamplituden über der Platine. Auch die Detektion von Fehlern in der Schaltung, die Untersuchung möglicher Optimierungsmaßnahmen, die Ermittlung der Ströme und Spannungen auf der Platine oder die Berechnung des abgestrahlten Fernfelds sind Ziele, die mit der Nahfeldscan-Technik verfolgt werden. Da im Bereich der EMV die Feldsonde häufig im reaktiven Nahfeld platziert wird, ist oft eine Messung aller sechs Feldkomponenten nötig. Soll jede Komponente mit einem eigenen Scan ermittelt werden, wird die Messung sehr zeitaufwändig. Deshalb wird in dieser Arbeit der Einsatz spezieller Feldsonden mit mehreren Ausgängen zur gleichzeitigen Messung verschiedener Feldkomponenten untersucht. Auch die Berechnung unbekannter Komponenten aus bereits bekannten wird behandelt. In der vorliegenden Arbeit kommen ebene Scanflächen zum Einsatz, um bei flachen Platinen eine hohe Ortsauflösung zu erzielen. Die verwendeten Methoden zur Berechnung der Felder aus den Messwerten der Sonden sowie zur Umrechnung der Feldkomponenten basieren auf der Darstellung der Feldverteilungen als Spektrum ebener Wellen. Anhand analytischer Modelle werden zunächst die Einflüsse der geometrischen Parameter der Scanfläche und überlagerten Rauschens auf die Ermittlung und die Umrechnung der gesuchten Feldkomponenten analysiert. Zu diesem Zweck werden die Feldverteilungen von Linienströmen, Liniendipolen sowie Hertz’schen und Fitzgerald’schen Dipolen herangezogen. Auf diese Weise können Anforderungen an die Schrittweite, Scanhöhe und die Abmessungen der Scanfläche formuliert werden. Auch die Auswirkungen der Sondenauswahl auf die Ermittlung nieder- und hochohmiger Nahfelder werden analysiert. Neben der geeigneten Auswahl der Sonden und Scanparameter werden weitere Maßnahmen zur Verringerung der Fehler vorgestellt. So kommt die schon in früheren Arbeiten ange¬wandte Fensterung und Filterung der Scandaten auch hier zum Einsatz. Zusätzlich wird eine Maßnahme zur verbesserten Berechnung der vertikalen Feldkomponente aus den horizontalen Komponenten bei hohen Frequenzen erarbeitet. Zur weiteren Unterdrückung von Fehlern erweist es sich als sinnvoll, die Anzahl der ausgewerteten Sondensignale zu erhöhen und das entstehende überbestimmte Gleichungssystem mit der Methode der kleinsten Fehlerquadrate zu lösen. Die Anwendung einer Tikhonov-Regularisierung trägt zusätzlich zur Verbesserung der Ergebnisse bei. Mithilfe eines im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Nahfeldscanners werden die vorgestellten Techniken auf Messdaten angewandt. Die Verwendung eines vektoriellen Netzwerkanalysators erlaubt dabei die phasenrichtige Messung der Ausgangssignale der Feldsonden. Die von den verwendeten Testplatinen erzeugten Feldverteilungen werden mithilfe einer kommerziellen Simulationssoftware ermittelt, so dass eine Referenz für die gesuchten Ergebnisse zur Verfügung steht. Zur Bestimmung der Empfangseigenschaften der Sonden kommen zwei verschiedene Methoden zum Einsatz. In einem Fall werden die Sonden auf messtechnischem Weg mithilfe von Kalibrierplatinen charakterisiert. Alternativ erhält man das Empfangsverhalten der Sonden durch Simulation des Sendeverhaltens und Anwendung des Reziprozitätstheorems. Auch hier ist eine geeignete Wahl der Parameter von großer Bedeutung. Als Feldsonden kommen sowohl ein Dipol mit zwei Ausgängen als auch eine neuartige, kombinierte Dipol- und Schleifenstruktur mit vier Ausgängen zum Einsatz. Eine leicht modifizierte Variante der letztgenannten Sonde, die in einigen Fällen bessere Ergebnisse liefert, wird ebenfalls vorgestellt. In manchen Fällen besteht Interesse, einen Teilbereich einer Leiterplatte mit erhöhter örtlicher Auflösung zu scannen. Es wird gezeigt, dass sich in diesem Fall eine geschickte Aufteilung des Ortsspektrums vorteilhaft auf die Ergebnisse auswirkt. Aufbauend auf der Bestimmung aller elektromagnetischen Feldkomponenten auf der Scanfläche wird die Berechnung des abgestrahlten Fernfelds aus der Nahfeldverteilung untersucht. Das hierfür verwendete Huygens’sche Prinzip ist eine gängige Methode zur Charakterisierung von Aperturantennen. Aufgrund der relativ niedrigen Frequenzen treten hier jedoch mehrere Schwierigkeiten auf, weshalb die Methode zunächst an analytisch berechenbaren Dipolfeldern untersucht wird. Die Anwendung auf die simulierten und die gemessenen Nahfelder der Testplatinen liefert bei Verwendung einer ebenen Scanfläche erst im GHz-Bereich zufriedenstellende Ergebnisse.show moreshow less
  • The utilization of electromagnetic near-field scanning for electromagnetic compatibility analysis has been of growing interest during the last years. Originally developed for antenna characterization purposes, this method is increasingly used for the investigation of electric circuits, for example in the automotive industry. In this context, not only the detection of "hot spots", i.e. areas of increased field strength above the circuit board, is of concern. Further goals pursued by near-field scanning can be error detection in circuits, the investigation of possible optimizations, the determination of currents and voltages on the device under test or the calculation of the radiated far-fieldThe utilization of electromagnetic near-field scanning for electromagnetic compatibility analysis has been of growing interest during the last years. Originally developed for antenna characterization purposes, this method is increasingly used for the investigation of electric circuits, for example in the automotive industry. In this context, not only the detection of "hot spots", i.e. areas of increased field strength above the circuit board, is of concern. Further goals pursued by near-field scanning can be error detection in circuits, the investigation of possible optimizations, the determination of currents and voltages on the device under test or the calculation of the radiated far-field. As the field probe is frequently positioned in the reactive near-field, the measurement of all six field components is often necessary. If every component is measured separately, this will become a very time consuming procedure. Therefore, this thesis describes the utilization of probes with multiple outputs, which allow the simultaneous measurement of different field components. The calculation of unknown components from already determined ones is also treated in this context. In this work, the scanning surfaces are planar, so that high spatial resolution can be achieved on flat circuit boards. The calculation methods used for the field extraction from the measured probe signal and for the mutual conversion of the field components are based on the plane wave decomposition of the fields. Analytical models are employed to investigate the influences of noise and of geometric parameters of the scanning plane on the determination and conversion of the field components. For this purpose, the field distributions of line currents, line dipoles and elementary dipoles are analyzed. As a result, requirements can be formulated concerning the step width, the scanning height and the dimensions of the scanning plane. Furthermore, the effect of probe selection on the measurement of fields with different field impedances is investigated. Besides a suitable selection of probes and scanning parameters, further measures are described to reduce errors, such as well-known windowing and filtering techniques. Additionally, an improved technique for the calculation of the vertical field component from the horizontal ones at high frequencies is derived. Further error reduction is achieved by increasing the number of used probe signals and solving the resulting system of equations by a least-squares method. The application of a Tikhonov regularization yields additionally improved results. The described techniques are applied to measured data from a near-field scanner that was developed during this work. A vector network analyzer enables the measurement of the relative phases of the probe signals. The circuits under test are simulated using a commercial field-simulation software, so that reference values for the field distributions are available. The receiving characteristics of the probes are determined in two different ways. In the first case, the probes are characterized by measurement using calibration circuits. As an alternative, the receiving characteristics are calculated from the simulated transmission mode using reciprocity. In both cases, parameters must be chosen appropriately. In this work, two different probes are applied. These are a small dipole with two outputs and a combined dipole and loop structure with four outputs. In some cases, a slightly modified version of the combined structure yields improved results. For certain test structures, there might be an interest to scan parts of the structure with higher spatial resolution. For this case, an improvement of the results is attained by appropriately splitting the spatial spectrum. Based on the determination of all electromagnetic field components on the scanning plane, a near-field to far-field conversion is carried out. Huygens´ principle, which is frequently used in the context of radiation from apertures, is applied for this purpose. Several difficulties occur due to the relatively low frequencies, so that the method is first tested with field distributions of elementary dipoles that can be calculated analytically. The application to simulated and measured field distributions yields satisfying results only in the GHz range.show moreshow less

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Metadaten
Author:Matthias Günter Spang
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus-34974
Advisor:Manfred Albach
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of Publication (online):2012/09/24
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2012/05/16
Release Date:2012/09/24
Tag:Mehrfachsonden; Nahfeld-Fernfeld-Transformation; Nahfeldscan
Multiple output probes; Near-field scan; Near-field to far-field transformation
SWD-Keyword:Abstrahlung; Automatische Messung; Elektromagnetische Messung; Elektromagnetische Verträglichkeit; Feldstärkemessung; Fernfeld; Nahfeld
Institutes:Technische Fakultät -ohne weitere Spezifikation-
Dewey Decimal Classification:620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten

$Rev: 12793 $