HF-Analysator EMV-Prüfung in der Automobilindustrie mit einem EMI-Analysator

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In der Automobilindustrie ist es erforderlich, dass Entwickler die EMV-Leistung verschiedener Komponenten prüfen und validieren. Andernfalls kann es zu Störungen zwischen den elektronischen Geräten kommen. Die notwendigen Messungen lassen sich am Beispiel des TBMR-110M erläutern.

In der sich schnell entwickelnden Automobilindustrie, in der fortschrittliche Elektronik und drahtlose Techniken zunehmend in Fahrzeuge integriert werden, ist es wichtig, die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zu prüfen. Ein wichtiges Werkzeug dabei ist der HF-EMI-Analysator (elektromagnetische Interferenz), der eine entscheidende Rolle bei der Gewährleistung des zuverlässigen und störungsfreien Betriebs elektronischer Systeme im Automobil spielt.

Automobilhersteller und -zulieferer nutzen HF-EMI-Analysatoren für Vorab-Konformitätstests (Pre-Compliance) an ihren Produkten. Damit können Entwickler sicherzustellen, dass sie die erforderlichen EMV-Anforderungen erfüllen, bevor sie sich einer formellen Zertifizierung unterziehen. Dieser proaktive Ansatz trägt dazu bei, EMI-Probleme frühzeitig im Entwicklungsprozess zu erkennen und zu lösen, wodurch das Risiko kostspieliger Verzögerungen oder Nichteinhaltung bei der endgültigen Zertifizierung verringert wird.

EMV-Leistung von Komponenten prüfen und validieren

Im Automobilbau sind diese Analysatoren besonders wertvoll für die Prüfung und Validierung der EMV-Leistung verschiedener Komponenten, von Motorsteuergeräten (ECUs) bis Infotainmentsystemen mit einer Frequenz von 110 MHz. HF-Analysatoren messen leitungsgebundenen elektromagnetische Emissionen, die von elektronischen Komponenten und Systemen in Kraftfahrzeugen erzeugt werden und möglicherweise den Betrieb anderer Bordsysteme beeinträchtigen können. Diese Messungen erfolgen in der Regel gemäß Standards wie CISPR 25 oder OEM-spezifischen Anforderungen, um die Einhaltung behördlicher Richtlinien sicherzustellen.

Für solche Anwendungen hat die Firma Tekbox den High-Speed-EMI-Analysator TBMR-110M vorgestellt, mit dem Entwickler alle nötigen Messungen durchführen können. Neben den EMI-Funktionen bietet das Gerät einen eingebauten Tracking-Generator, eine Oszilloskop-Funktion, einen Demodulator und einen IQ-Stream-Generator. Der folgende Text zeigt die Funk-tionsweise des TBMT-110M.

HF-Signalverarbeitung und Spektrumanalyse

Der HF-Eingang ist mit einem schaltbaren Dämpfungsglied mit einem Dämpfungsbereich von 0 dB bis 30 dB in 10-dB-Schritten und einer Eingangsschutzschaltung verbunden. Es folgt ein Vorselektor mit 8 Kanälen. Der Ausgang des Vorselektors speist zwei sequentielle LNAs (Low Noise Amplifier). Die erste Stufe hat eine Verstärkung von 20 dB und die zweite Stufe eine Verstärkung von 10 dB. Damit ist eine Verstärkungsanpassung von 0 bis 30 dB in 10-dB-Schritten möglich.

Das HF-Signal wird abgetastet, A/D gewandelt und in einem FPGA-Block mit kundenspezifischer Logik verarbeitet, bevor die Daten in einem schnellen synchronen RAM mit 256 MByte gespeichert werden. Der Mikrocontroller liest den Inhalt des AM und überträgt ihn über die USB-Schnittstelle an den Computer, wo das Spektrum verarbeitet und angezeigt wird.

Der Tracking-Generator besteht aus einem 250 MHz DDS (Direct Digital Synthesis), gefolgt von einem Verstärker und einem schaltbaren 10-dB-Dämpfer. Er kann Eintaktsignale (CW) von sehr niedrigen Frequenzen bis zu 100 MHz mit einer maximalen Ausgangsleistung von 0 dBm erzeugen. Der Analysator enthält einen digitalen Empfänger mit einer kaskadierten schalt- und abstimmbaren digitalen Filterbank. Die maximale RBW ist auf 3,5 MHz begrenzt. Die Demodulation, die Kurzzeit-FFT (STFFT) und die parallele Filterberechnung erfolgen rechnergestützt unter Verwendung einer leistungsfähigen Multithreading- und SIMD-Technik (Single Input Multiple Data). EMI-Messaufbauten umfassen Wandler wie Messantennen, HF-Stromüberwachungssonden oder LISN, um nur die gebräuchlichsten zu nennen. Alle Wandler haben Eigenschaften, die für genaue Messergebnisse berücksichtigt werden müssen.

Antennenfaktoren für elektrische und magnetische Feldstärken

Messantennen werden durch ihren Antennenfaktor AF in [dB/m] charakterisiert und mit einer Antennenfaktortabelle geliefert. Addiert man den elektrischen Antennenfaktor zur Spannung am Antennenausgang in [dBµV], erhält man die entsprechende elektrische Feldstärke in [dBµV/m]. Elektrische Feldstärke E [dBµV/m] = V_ANT [dBµV] + AFE [dB/m]. Sind Antennen zur Messung magnetischer Felder ausgelegt, werden sie durch den magnetischen Antennenfaktor in [dB/Ωm] charakterisiert. Magnetische Feldstärke H [dBµA/m] = V_ANT [dBµV] + AFH [dB/Ωm]. Die Antennenfaktoren sind immer frequenzabhängig und variieren in geringerem Maße je nach Messabstand zwischen Antenne und Prüfling.

Leistungsimpedanz-Netzwerk und Messwertkorrektur

Die Leistungsimpedanz (LISN) zeichnet sich durch Impedanz, Phase, Isolation und Spannungsteilungsverhältnis aus. Der für die Messwertkorrektur relevante Parameter ist ihr Spannungsteilungsverhältnis, das das Verhältnis der Spannung am LISN RF-Port und der Spannung am Port LISN EUT (Equipment under Test) charakterisiert. Der eigentliche Messaufbau kann zusätzliche Komponenten enthalten, die bei der Berechnung des Messergebnisses berücksichtigt werden müssen. Zu diesen Komponenten können Kabel, Dämpfungsglieder, Filter, Begrenzer, Verstärker und andere Wandler gehören. Alle diese Komponenten zeichnen sich durch logarithmische Parameter aus, die einfach zu den vom Empfänger gemessenen Rohdaten addiert oder davon subtrahiert werden können.

Die folgende Formel ist in der TBMR-110M-Software und in EMCview implementiert: Diagrammamplitude = Rohamplitude [dBµV] – Kabeldatei – LISN-Datei + Antennendatei – Verstärkerdatei.

In jeder der Dateien können beliebige Komponenten charakterisiert werden. Die Software identifiziert die Dateien anhand ihrer Erweiterung:

• Kabeldateien: *.cac

• LISN-Dateien: *.lsc

• Antennendateien: *.ant

• Verstärkerdateien: *.amp

Jede Komponente kann in jeder der Dateien definiert werden, solange der Parameter das entsprechende Vorzeichen hat. Beispielsweise muss der Dämpfungswert eines Dämpfungsglieds in Kabel-, LISN- oder Verstärkerdateien negativ sein, aber positiv in Antennendateien. HF-Stromwandler/RF Current Probes werden in LISN-Dateien mit positiven Transimpedanzwerten definiert. (heh)

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* Shashank Vodapally ist HF-Spezialist bei Meilhaus Electronic.

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