Für die Konformitätsbewertung nach EN 55022 sind EMV-Messungen in drei Metern sowie Messungen in zehn Metern Entfernung zulässig. Für eine qualitative Bewertung der unterschiedlichen Ergebnisse beschreibt die EN 55022 ein Umrechnungsverfahren. Dabei werden die Werte aus Messungen mit drei Metern Entfernung über eine 20-dB/Dekade-Formel auf zehn Meter Messentfernung umgerechnet. Nach dieser Formel unterscheiden sich die Messwerte der Feldstärke um 10 dB. Für den Fall, dass sich zwischen EUT (Equipment Under Test) und Messantenne eine nicht reflektierende Fläche befindet (etwa eine mit Absorbern ausgestattete Bodenfläche), kann man diese Formel unter Berücksichtigung eines kleinen Fehlers benutzen.
EMV-Normen schreiben die Messungen oberhalb der leitenden Oberfläche vor. Dies hat ein Stehwellenverhalten des elektromagnetischen Feldes entlang der vertikalen Achse zur Folge. Da das EUT eine komplexe Strahlungsquelle darstellt, ist das genaue Abstrahlungsverhalten schwer vorherzusagen. Grundsätzlich ist die Geometrie der Ausbreitung von Prüfmuster zur Empfangsantenne bei verschiedenen Messentfernungen unterschiedlich. Deswegen kann man sich nicht wirklich auf die konstante 10-dB-Umrechnungsformel verlassen. Für viele EMV-Labore bildet die Messung in einer Drei-Meter-Distanz die Grundlage für Konformitätsbewertungen. Deshalb ist es für solche Labore besonders wichtig, eventuelle Änderungen der Messwerte, die bei der Umrechnung auf eine Zehn-Meter-Messdistanz auftreten, bewerten zu können. Hier werden nun zwei Verfahren vorgestellt, die bei der Umrechnung von Messwerten auf verschiedene Messabstände eine gute Abschätzung zeigen. Den Messungen und Berechnungen liegt jeweils folgende Geometrie zugrunde: Der Prüfling (EUT) ist auf einem nicht leitenden Tisch in einer Höhe von 0,8 m positioniert. Die Empfangsantenne steht in einer Entfernung von 3 bzw. 10 m zum EUT. Sie führt bei den Messungen einen Höhenscan zwischen 1 und 4 m durch.NSA (Normalized Site Attenuation), die normierte Messplatzdämpfung, benutzt man in EMV-Laboren für die Qualitätsauswertung des Messplatzes. Dabei werden die gemessenen NSA-Werte mit theoretischen Daten oder den Werten, die auf einem nahezu idealen Messplatz gemessen werden, verglichen. Die zu vergleichenden Datensätze müssen der gleichen Geometrie entsprechen. Normierung bedeutet hier, dass die Einflüsse der Messantennen bei den Berechnungen eliminiert werden.Hier geht es nun darum, NSA-Werte zu vergleichen, die zwei unterschiedlichen Messentfernungen entsprechen. Die Beurteilung der Ergebnisse erfolgt auf Grundlage der NSA-Theorie. Wenn man die Definitionsformeln für NSA für zwei unterschiedliche Messentfernungen anwendet, ist es möglich, den Unterschied zwischen beiden normierten Messplatzdämpfungen zu definieren:
(1)Mithilfe der NSA-Definitionsformeln können die Messparameter (Spannungen, Antennenfaktoren) in die erste Formel eingefügt werden: (2)Dabei entspricht
- ▶
- V
- dir
- der Spannung am Empfängereingang im „direkten“ Modus (Generatorausgang mit Empfängereingang über Kabel direkt verbunden),
- ▶
- V
- d1
- der Spannung am Empfängereingang bei Messentfernung d1,
- ▶
- V
- d2
- der Spannung am Empfängereingang bei Messentfernung d2,
- ▶
- AF
- t
- dem Antennenfaktor der Sendeantenne,
- ▶
- AF
- r
- dem Antennenfaktor der Empfangsantenne.
In der zweiten Formel wurde als Vereinfachung vorausgesetzt, dass die Antennenfaktoren bei beiden Messentfernungen gleich sind. Diese Vereinfachung ist zulässig, da sich die Faktoren der benutzten Antennen im Frequenzbereich >30 MHz bei Messentfernungen von 3 oder 10 m tatsächlich um weniger als 1 dB unterscheiden.
Die Relation zwischen gemessener Spannung und elektrischer Feldstärke in der Messentfernung d1 bzw. d2 lautet:
(3)Dabei entspricht
- ▶
- E
- d1
- der Feldstärke bei Messentfernungen d1,
- ▶
- E
- d2
- der Feldstärke bei Messentfernungen d2.
Den Unterschied zwischen den normierten Messplatzdämpfungen bei zwei Messentfernungen als Funktion der Feldstärke kann man schreiben als: (4)Die NSA lässt sich für beliebige Geometrien einfach berechnen. Außerdem sind NSA-Werte in Tabellenform in verschiedenen EMV-Normen für horizontale und vertikale Polarisationen publiziert. Beim Vorliegen der NSA-Werte für zwei Messentfernungen kann die Feldstärke von Messentfernung d1 auf Messentfernung d2 umgerechnet werden: (5)Die grafische Darstellung der mit der fünften Formel berechneten Werte der ∆NSA für beide Polarisationen (Abbildung 1) zeigt, dass jeweils im Frequenzbereich von 30 bis 300 MHz wesentliche Unterschiede der ∆NSA zu dem 10-dB-Umrechnungsfaktor bestehen. Dies entspricht dem Unterschied in der Messgeometrie.
Lösungsansatz Momentenmethode
Die NSA-Methode gilt für den idealen Fall und berücksichtigt nicht die Kopplung zwischen Sende- und Empfangsantenne, die Kopplung zwischen Antennen und idealer Bodenfläche oder die Abstrahlung der realen Antennen. Um die einfache NSA-Theorie zu überprüfen, wird das Problem mithilfe der Momentenmethode (MoM) betrachtet. Bei der MoM sind die Antennen als leitende Segmente mit definiertem Durchmesser über leitender Erde realistisch modelliert. Die Sendeantenne kann zum Beispiel von einer idealen Spannungsquelle gespeist werden. Die Empfangsantenne ist mit einem Widerstand belastet, dessen Spannung berechnet wird. Dadurch sind die realen Werte der Spannungen auf beiden Antennen ermittelt und ∆NSA für verschiedene Geometrien (Abstand zwischen den Antennen, Höhe der Sendeantenne, Höhenscan der Empfangsantenne) festgelegt. Als Sendeantenne war für jede Frequenz eine Dipolantenne, für den Empfang eine bikonische Antenne im Einsatz. Diese Messkonstellation wurde für alle späteren Messungen beibehalten. Die Berechnungen wurden mithilfe des MoM-Programms UNIAL in einem Frequenzbereich von 30 bis 300MHz durchgeführt. Abbildung 2 bietet einen grafischen Vergleich zwischen NSA- und MoM-Ergebnissen.
Die MoM-Berechnungen haben die Ergebnisse der NSA-Theorie bestätigt. Vergleicht man MoM und NSA-Theorie für die horizontale Polarisation, liegt der maximale Unterschied zwischen beiden Berechnungen bei 2 dB. Für die vertikale Polarisation sind die Unterschiede im Frequenzbereich 200 bis 300 MHz kleiner als 4 dB. Die gleiche Geometrie, die bei der MoM-Analyse angewendet wurde, lag auch dem NSA-Vergleich von gemessenen Werten zugrunde. Abbildung 3 zeigt die grafische Darstellung der Ergebnisse. Die Übereinstimmung von berechneten und gemessenen Ergebnissen ist sehr gut. Die einzige Ausnahme bildet der Frequenzbereich 30 bis 70 MHz. Hier zeigt sich, dass eine ungünstig angepasste Sendeantenne für eine Messentfernung von zehn Metern nur ein gemessenes Signal in der Nähe des Rauschpegels wiedergibt. Den häufigsten Praxisfall bildet eine Umrechnung von Messergebnissen, die in einer Absorberhalle mit einem Messabstand von drei Metern entstanden sind, auf Grenzwertlinien für den Messabstand von zehn Metern. Die physischen Abmessungen des Prüflings sind in jedem Fall zu berücksichtigen. Für eine Abschätzung der gesuchten Werte kann ein Diagramm genutzt werden.
Zusammenfassung
Bei der Betrachtung der verschiedenen Möglichkeiten zur Umrechnung von Messwerten für die elektrische Feldstärke bei drei Metern Messentfernung auf Werte bei zehn Metern Entfernung hat sich gezeigt, dass die normativ auf 10 dB festgelegte Umrechnungsformel nicht den physikalischen Realitäten entspricht. Die einfache NSA-Theorie bietet jedoch eine gute Abschätzung der Werte. Mithilfe der Momentenmethode lässt sich die reale Geometrie von Sende- und Empfangsantenne mit hoher Genauigkeit modellieren. Damit sind die Ergebnisse einer Abstrahlungsmessung bei drei Metern Messabstand gut auf eine Entfernung von zehn Metern übertragbar. Beide Theorien konnten durch die Messungen bestätigt werden und bilden somit eine gute Grundlage für die Umrechnung.
Die beschriebenen Theorien und Messergebnisse wurden jeweils sowohl für die horizontale als auch für die vertikale Polarisation des Signals ausgewertet. Für den Idealfall geht man davon aus, dass nur eine Polarisation vorliegt. In der Realität strahlen die Prüfmuster jedoch durch Spalten und Ritzen des Gehäuses sowie über Netz- und Signalleitungen oder andere „Antennen“, so dass immer eine Kombination von horizontaler und vertikaler Polarisation vorliegt. Deshalb ist eine exakte Umrechnung viel umfangreicher als die „Idealfall“-Berechnung.
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