Messtechnik Multi-tone
Messtechnik Multi-tone Prüfung spart Zeit und Geld Da Prüfungen der gestrahlten Störfestigkeit immens zeitaufwändig sind, ist es kein Wunder, dass die Ausführenden von Möglichkeiten „träumen“, das Verfahren durch verbesserte Effizienz zu beschleunigen. Bild 1: Prozentuale Zeiteinsparung bei der Verweilzeit Jason Smith, Manager Applications Engineering & Pat Malloy, Sr. Applications Engineer Amplifier Research ardeinfo@arworld.us In der Regel werden die folgenden Überlegungen angestellt: • Kann eine Antenne den gesamten Frequenzbereich abdecken? • Lässt sich die HF-Umschaltung automatisieren? • Kann einfach ein Regler zur automatischen Umschaltung der Antennenpolarisation hinzugefügt oder sogar der Prüfling automatisch so gedreht werden, dass alle vier Seiten dem H-Feld ausgesetzt werden? • Könnte die Verweilzeit nicht ein wenig verkürzt werden, ohne dass die Prüfung beeinträchtigt wird? Diese Gedanken sind zwar sinnvoll, doch auf diese Weise lassen sich lediglich die Übergangszeiten verkürzen, die leider nur einen Bruchteil der gesamten Prüfzeit ausmachen. Wenn es nun aber eine Möglichkeit gäbe, die Prüfzeit erheblich zu verkürzen und dennoch die strengen Anforderungen der Prüfnorm zu erfüllen – dann würde sicherlich ein Traum wahr. Es gibt Grund zur Freude … wir haben einen Weg gefunden. Im Titel dieses Beitrags wird bereits angedeutet, wie das erreicht werden kann. AR RF/ Microwave Instrumentation hat ein Produkt entwickelt, das ein patentiertes Prüfverfahren verwendet, bei dem für jede Prüfdauer bzw. Verweilzeit zusätzliche Prüffrequenzen, also Frequenzen hinzugefügt werden. Anstatt pro Verweildauer einen Ton zu prüfen, werden weitere Frequenzen hinzugefügt, sodass die Prüfleistung effektiv um einen Faktor erhöht wird, der in etwa der Zahl der verwendeten Frequenzen entspricht. Bei Verwendung von beispielsweise vier Frequenzenn wäre die Prüfung in etwa einem Viertel der normalen Zeit abgeschlossen, also viermal schneller. Multi-tone Konzept Da die Verwendung mehrerer Frequenzen so naheliegend ist, fragt man sich, warum das Prinzip nicht schon früher eingesetzt wurde. Die Idee dahinter ist zwar einfach, doch die tatsächliche Geräteimplementierung erwies sich bislang stets als Hürde. Die simultane Steuerung und richtige Kombination mehrerer Signalquellen auf reproduzierbare Weise ging über die Möglichkeiten der vorhandenen Prüfinstrumente hinaus. Glücklicherweise gab es kürzlich einen Durchbruch bei Signalgeneratoren, sodass nun Instrumente verfügbar sind, die den strengen Anforderungen der Multi-tone Prüfung genügen. Das Problem der Signalerzeugung wurde somit gelöst, bei der Konfiguration einer Multi-tone Prüfung müssen aber weitere Erwägungen berücksichtigt werden. Dazu gehören zum Beispiel die Fragen, welchen Einfluss der Einsatz mehrerer Frequenzen auf den Leistungsverstärker hat; ob diese Methode den Anforderungen der Prüfnorm gerecht wird; ob durch die Bemühungen um Verkürzung der Prüfzeit die Ergebnisse in irgendeiner Weise beeinträchtigt werden. Was die Auswirkung auf den Leistungsverstärker des Systems angeht, so wurde festgestellt, dass der Leistungsbedarf additiv ist. Für eine Prüfung mit zwei Frequenzen wird somit ein Leistungsverstärker benötigt, der zweimal so stark ist wie der für eine Standard-Prüfung mit einer Frequenz spezifizierte. Entsprechend würde für eine Prüfung 12 hf-praxis 8/2014
Messtechnik mit fünf Frequenzen ein fünfmal so starker Leistungsverstärker gebraucht. Die Entstehung von Intermodulationsprodukten durch die gleichzeitige Verwendung von zwei oder mehr Frequenzen sorgt ebenfalls für zusätzlichen Leistungsbedarf. Dieser Effekt lässt sich durch Verwendung eines Klasse-A- Leistungsverstärkers innerhalb seines linearen Bereichs minimieren. Angesichts der Komplexität, die mit der Kombination von mehr als einem Prüfsignal bei gleichzeitiger Einhaltung der strengen Anforderungen an die Signalintegrität einhergeht, wurde ausgefeilte Software für Kontrollprüfungen entwickelt. Diese proprietäre Software verwendet komplexe Algorithmen zur Messung und Bestimmung der maximalen Anzahl an möglichen Frequenzen, wobei die Bedingungen für eine gültige Multi-tone Prüfung eingehalten werden. Ermittlung der erforderlichen Verstärkerleistung Eine der Grenzen der Multitone Prüfung liegt in der maximal verfügbaren Verstärkerleistung. Ein bewährter Ansatz für die Ermittlung der Verstärkerleistung besteht darin, den zur Erzeugung des für die Prüfung der gestrahlten Störfestigkeit nach IEC 61000-4-3 geforderten Prüffelds mindestens nötigen Wert zu bestimmen und ihn zum Ausgleich von Systemverlusten zu verdoppeln. Da der Leistungsbedarf in Abhängigkeit von der Frequenz variiert, besteht die einzige Methode zur verlässlichen Bestimmung der benötigten Leistung in der Kalibrierung des homogenen Feldes gemäß IEC 61000-4-3. Abbildung 2 zeigt eine typische Verteilung der erforderlichen Leistung in Abhängigkeit von der Frequenz. Zu beachten ist, dass der Leistungsbedarf mit steigender Frequenz rapide abfällt. Damit kann bei der Multi-tone Prüfung die volle (zuvor ungenutzte) Verstärkerleistung genutzt und die Prüfzeit insgesamt reduziert Bild 2: Leistungsbedarf bei 10 V/m aus Kalibrierung des homogenen Feldbereichs. werden. In diesem konkreten Fall würde sich durch Einsatz eines 250W-Verstärkers die Geschwindigkeit im niedrigen Frequenzbereich verdoppeln, bei den höheren Frequenzen ließe sich sogar eine erheblich stärkere Reduzierung der Prüfzeiten erreichen. In vielen Fällen verfügen Prüflabore über die erforderliche Leistung zur Erzeugung hoher Feldstärken, führen aber meistenteils Prüfungen bei niedrigeren Pegeln durch. Mit Multi-tone Prüfungen könnten die Prüflabore ihre ungenutzte Verstärkerleistung besser einsetzen und gleichzeitig die Prüfzeiten verkürzen. Die Anschaffung von Verstärkern mit höherer Leistung im Prüflabor lässt sich nun etwas leichter begründen, da damit nicht nur das Prüfen bei höheren Feldstärken möglich ist, sondern durch die zusätzliche Leistung auch die Prüfzeit verkürzt wird. IEC 61000-4-3 Prüfung der Störfestigkeit 80 MHz – 6 GHz Kalibrierung In dieser Prüfnorm wird das für die Konformität erforderliche Vorgehen bei Kalibrierung und Prüfung in aller Deutlichkeit erklärt. Bei dem langwierigen Prozess der 16-Punkt-Kalibrierung werden isotrope Feldsonden eingesetzt, die nicht frequenzselektiv sind, also nicht mehrere Frequenzen herausfiltern und messen können. Deshalb lässt sich die zur Kalibrierung benötigte Zeit durch die Verwendung eines Multi-tone Verfahrens nicht verringern. Das gleiche Verfahren kommt nach wie vor bei der jährlichen Kalibrierung des homogenen Feldbereichs zum Einsatz, und die Ergebnisse werden dann ausgewertet, um die Eignung für Multi-tone Prüfungen festzustellen. Im Rahmen des Kalibrierungsprozesses sind Messungen der Linearität und des Oberschwingungsanteils vorgeschrieben. Bei der Planung einer Multi-tone Prüfung ist zu berücksichtigen, dass diese Messungen sowie weitere Prüfungen für alle Frequenzen durchgeführt werden müssen. Die zusätzlichen Tests verwenden die gleichen, in der IEC-Spezifizierung für Linearität und Oberschwingungen angegebenen Kriterien und dienen dazu, die maximale Anzahl an Frequenzen zu ermitteln, die an einem bestimmten Punkt in der Prüfung verwendet werden können. An diesem Punkt wird die Zusammenstellung der Frequenzen für die Multi-tone Prüfung vorgenommen. Prüfung: Sobald festgestellt wurde, wie viele Frequenzen an welchen Punkten in der Prüfung eingesetzt werden können, kann die Prüfung in Rekordgeschwindigkeit vonstattengehen. Bei jeder Verweilzeit wird der Prüfling einer Reihe von Frequenzen ausgesetzt. Zeigt der Prüfling keine Störung, wird die Prüfung fortgesetzt. Wenn eine Störung auftritt, kann der Nutzer entweder umgehend mit einer einzelnen Frequenz überprüfen, ob der Fehler weiterhin besteht, oder mit der Multi-tone Prüfung fortfahren und notieren, wo Störungen aufgetreten sind. Im zweiten Fall werden die Frequenzbereiche, in denen Fehler aufgetreten sind, nach Abschluss der Prüfung mit einer einzelnen Frequenz erneut geprüft. Zu diesem Zeitpunkt können zusätzlich weitere Tests und Schwellwertbestimmungen durchgeführt hf-praxis 8/2014 13
