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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik Messung der

Messtechnik Messung der Harmonischen für IEC 61000-4-3 und andere gestrahlte Immunitäts-Standards zur Prüfung gemäß anderen HF- Immunitätsstandards angewendet werden. Bild 1: Beitrag einer einzelnen Harmonischen zum Messfeld Im Bemühen, die unumgängliche HF-Immunitätsprüfung pünktlich zum vorgesehenen Zeitplan abzuschließen, ist es nicht ungewöhnlich, dass manchmal Beschränkungen der eingesetzten Testgeräte übersehen werden. Während einige Testgeräteeigenschaften, wie z.B. die Harmonischen von Endverstärkern, offensichtlich ein begrenzender Faktor sind, können die Breitbandeigenschaften der Antennen, der Richtkoppler, der Leistungsmessinstrumente und die isotropen Feldfühler kaum als eine Beschränkung für die meisten Anwendungen angesehen werden. Wenn sie jedoch zusammen mit Leistungsverstärkern eingesetzt werden, die beträchtliche Application Note 60 Harmonic Mesurement for IEC 61000-4-3 and other Radiated Immunity Standards Rf/microwave Instrumentation www.ar-worldwide.com harmonische Verzerrungen in Immunitäts-Prüfsystemen aufweisen, können die Breitbandeigenschaften dieser Geräte zu Messunsicherheiten führen und unakzeptable Fehler ergeben. Ein typischer Fall ist die überall vorhandene isotrope Breitband- Feldsonde, die eine Feldstärke- Angabe für die Feldstärke liefert, die repräsentativ für die Gesamtenergie aller Frequenzen innerhalb eines in Betrieb befindlichen Bandes ist. Obwohl es selten der Fall ist, liefern Feldstärkefühler von einem reinen sinusförmigen Signal eine extrem genaue Anzeige. Sind jedoch zusätzliche Frequenzen aktiv, treten Fehler auf, bis – abhängig von der Anzahl und Stärke der zusätzlichen Signale – ein Punkt erreicht wird, ab dem die Anzeige für den erforderlichen Prüfungspegel bei der gewünschten Frequenz völlig unrepräsentativ ist. Die unangenehmsten, unerwünschten Frequenzen sind die Harmonischen, die durch die Nichtlinearitäten der HF- Testeinrichtung erzeugt werden. Häufig sind vor allem bis in die Sättigung gesteuerte Verstärker, eine Haupt-Quelle für die Harmonischen. In geringerem Ausmaß tragen Signal-Quellen, Richtkoppler und Antennen zu den Nichtlinearitäten und zum Harmonischen-Pegel auf Systemebene bei. Dementsprechend hat die IEC61000-4-3 Anforderungen an die Anlagen festgelegt, um die erlaubten Pegel der Harmonischen auf dem Prüfgebiet zu begrenzen. Während es zwingend ist, die vom Hersteller des Messinstruments gelieferten Pegel der Harmonischen zu berücksichtigen, müssen Prüfingenieure die Daten des Herstellers auch durch eigene Untersuchungen bestätigen. Während dieser Beitrag speziell Methoden anspricht, um harmonische Pegel zu überprüfen, wie es durch IEC 61000- 4-3 gefordert wird, können die Prüfungsprozeduren auch meist Harmonische Harmonische sind unerwünschte Frequenzen, die durch System- Nichtlinearitäten erzeugt werden. Sie sind Vielfache der grundlegenden Prüffrequenz, wobei im allgemeinen gilt, dass die Amplituden der Harmonische zu höheren Frequenzen hin abnehmen. Alle „realen“ Prüfsysteme weisen in einem begrenzten Umfang Nichtlinearitäten auf und erzeugen folglich auch in gewissem Maße Harmonischen-Verzerrungen. Der Prüfungsingenieur muss letztlich den akzeptablen Level von Harmonischen feststellen. Seine Entscheidung basiert auf den festgelegten Test-Standards. In EMC-Testanwendungen sind HF-Leistungsverstärker für die meisten der unerwünschten Harmonischen verantwortlich. Harmonische in einem Verstärker verstehen Alle Verstärker erzeugen - bis zu einem gewissen Grade - harmonische Verzerrungen. Während einige Anwendungen, wie industrielle HF-Heizung und Plasmaerzeugung, nicht durch Harmonische beeinflusst werden, erzeugen hohe Signalverzerrung- Niveaus unakzeptable Fehler bei der Prüfung auf EMC-Immunität. Dementsprechend sind harmonische Verzerrungen eine Schlüsselspezifikation für Endverstärker. Es ist nachgewiesen worden, dass richtig ausgelegte Klasse-A-Verstärker, wenn sie in ihrem linearen Bereich betrieben werden, akzeptable Harmonischen-Niveaus aufweisen und die ideale Wahl für EMC- Prüfungsanwendungen sind. Beachten Sie bitte, dass selbst ein richtig ausgelegter, robuster Class-A-HF-Endverstärker kein verzerrungsfreies Testfeld garantiert. Es muss sorgfältig 6 HF-Einkaufsführer 2017/2018

Messtechnik darauf geachtet werden, innerhalb des linearen Bereiches des Verstärkers zu arbeiten, sogar um den Preis eines kleineren Ausgangssignals. Steuert man den Verstärker weiter aus, erhält man tatsächlich eine höhere Signalstärke, gleichzeitig aber steigt die Ungewissheit bezüglich eines Fehlers im resultierenden E-Feld. Letztlich stellt sich dann die Frage: „Wieviel Eingangssignal ist tatsächlich erforderlich, um die gewünschte Signalreinheit in jeder möglichen, gegebenen Anwendung sicherzustellen?“. Die Application Note #45 befasst sich ausführlich mit dieser wichtigen Frage, indem sie verschiedene Kompressionslevel zur Signalverzerrung in Verbindung setzt. Man kann sehen, dass ein EMC-Verstärker nicht jenseits des 1-dB-Kompressionspunktes betrieben werden sollte. Tatsächlich verringert der Betrieb des Verstärkers in einer lineareren Region unter dem 1-dB- Punkt den Harmonischengehalt beträchtlich. Eine andere, weniger wünschenswerte Option, ist die harmonische Entstörung am Ausgang des Verstärkers. Da diese Lösung Kosten, Einfügungsverlust und Kompliziertheit des Systems erhöht, sollte sie nur berücksichtigt werden, wenn es keine andere praktische Option gibt. Da es unmöglich ist, den kumulativen Effekt aller System- Bestandteile auf die Reinheit des E-Felds vorauszusagen, muss eine Messung auf Systemebene genommen werden. Während man sich auf die Verkäuferdaten verlassen sollte, wenn man einen Endverstärker auswählt, gibt es keinen Ersatz für tatsächliche Systemmessungen, wenn es zur Validierung der Entwicklungsfähigkeit einer Anlagenauslegung kommt. Wie beeinflussen mehrere Signale die Leistungsmessung? Die meisten Feldstärkefühler und Leistungsköpfe verwenden Diodensensoren mit Breitband eigenschaften. Diese HF-Einkaufsführer 2017/2018 Bild 2: Basis-Setup einer Empfangsantenne Bauelemente arbeiten nicht frequenzselektiv sondern messen alle Signale innerhalb ihres Arbeitsbereichs. Die resultierende Leistungsanzeige ergibt sich aus der Quadratwurzel der Summe der quadrierten Amplitude der Grundwelle und aller Harmonischen, die im System vorhanden sind. Harmonische bringen daher Unsicherheiten und Fehler in die Feldstärkemessung hinein. Harmonische sind unvermeidlich aber sie vollständig zu beseitigen wäre ein sehr teurer Vorschlag. So stellt sich die Frage nach einem akzeptablen Niveau. Glücklicherweise liefert IEC 61000- 4-3 eine Anleitung in diesem Bereich. Die letzte Version von IEC 61000-4-3 besagt in dieser Hinsicht: „Für alle Frequenzen, bei denen Harmonische am Ausgang des Verstärkers produziert werden, ist die Unterdrückung dieser Harmonischen im Feld um mehr als 6 dB unterhalb der Grundwelle ausreichend.“ Das heißt, es gibt jetzt eine 6-dB- Harmonischen-Anforderung auf dem Testfeld. Beachten Sie, dass dBc ein Maß eines spezifischen Harmonischen-Pegels in Beziehung zu dem Träger ist. Ein Maß von -6 dBc bedeutet per Definition, dass die Amplitude der Harmonischen 6 dB kleiner als die Trägeramplitude ist. Frühere Versionen des Standards IEC-61000-4-3 haben den harmonischen-Pegel im Ausgangssignal der Endverstärker festgelegt. Die neueste Version des Standards berücksichtigt das gesamte System, wenn sie eine 6-dBc-Forderung stellt. Dieser Wert ist darauf zurückzuführen, dass die Sende-Antenne bei der 3. Harmonischen einen besseren Wirkungsgrad als bei der Grundwelle hat. Schwankungen der Verstärkung um 5 dB sind nicht selten. Wie in IEC-61000- 4-3 Anhang D diskutiert wird, resultiert die Begrenzung aller Harmonischen auf dem Prüffeld auf -6 dBc in einem Feldstärkefehler von nicht mehr als 10%. Bild 1 stellt den Zusammenhang grafisch dar. Beachten Sie, dass bei einem harmonischen Pegel von -6 dBc ein 10-m-Feldstärkefühler tatsächlich nur ungefähr 9 V/m Trägerpegel anzeigt. Wenn der Test eine höhere Genauigkeit verlangt, muss der Harmonischenanteil weiter verringert werden. Z.B. erfordert ein 5%-Fehler der Feldstärke, dass die Harmonischen auf einen Pegel von mindestens -10 dBc reduziert werden. Standards, die den Effekt der Sendeantenne nicht beachten, konzentrieren sich auf die Harmonischen des Endverstärkers. Beispielsweise begrenzten ältere Versionen von IEC 61000-4-3 den Harmonischen-Anteil des Verstärkers auf -15 dBc. Wenn man diesen Wert mit der neuen -6-dBc-Spezifikation für das Gesamtfeld vergleicht, ergeben sich bei -15 dBc ein etwas kleinerer Feldfehler. Messmethoden Es gibt zwei allgemein anerkannte Methoden, die zur Messung des Harmonischen-Feldstärkeanteils verwendet werden. In beiden Fällen wird ein frequenzselektives Messgerät erforderlich, um das Niveau der Grundfrequenz sowie der Harmonischen zu messen. Das populärste Instrument, das zu diesem Zweck benutzt wird, ist ein Spektralanalyzer. Der erforderliche Frequenzbereich des Spektralanalysegeräts wird durch den Frequenzbereich festgelegt, der im EMC-Standard festgelegt ist. Da zum Beispiel IEC 61000-4-3 80 MHz bis zu 6 GHz abdeckt, sollte der Spektralanalyzer eine minimale Bandweite von 80 MHz bis 18 GHz haben, um mindestens noch auf die 3. Harmonische zu reagieren. Für den seltenen Fall, in dem es einen beträchtlichen harmonischen Leistungsanteil über die 3. Harmonische hinaus gibt, wird ein Frequenzanalysator mit höherem Frequenzbereich erforderlich. In den meisten Fällen sind die Pegel der Harmonischen umgekehrt proportional zur Frequenz und sind kein Faktor außerhalb des Betriebsbereichs des Verstärkers. Da es einige Ausnahmen zu dieser allgemeinen Regel gibt, ist es sinnvoll, die Pegel der Harmonischen immer zu überprüfen. Die Empfangsantennen- Methode Der Prüfaufbau verwendet für diese Methode das Setup, das für die tatsächliche Prüfung verwendet wird. Da die Harmonischen direkt - ohne die Notwendigkeit von Berechnungen - gemessen werden, ist dies die bevorzugte Methode, welche die genauesten Daten bereitstellt. 7

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