EMC nærfeltscanninger Hvad kan elektromagnetiske nærfelter bruges til, og hvordan kan de måles?

Transkript

1 Maj 2012 TN2 EMC nærfeltscanninger Hvad kan elektromagnetiske nærfelter bruges til, og hvordan kan de måles? Anders P. Mynster DELTA Venlighedsvej Hørsholm Danmark Tlf delta@delta.dk delta.dk

2 Indhold Resume... 3 Baggrund... 4 EMC nærfeltscanner systemer... 6 Elektromagnetisk udstråling... 8 Scan strategier... 9 Kommercielt tilgængelige scannere Eksempel 1: Switch mode DC-DC konverter Eksempel 2: GPS receiver problemer Eksempel 3: Estimering af udstråling Eksempel 4: Måling af udstrålingsmønster Eksempel 5: Software og EMC støj Konklusion Yderligere eksemplarer af rapporten kan rekvireres hos DELTA på mail delta@delta.dk Side 2

3 Resume DELTA har I flere år foretaget EMC nær-felt scanninger af elektronik. Her beskrives hvordan nærfelter måles og hvilke problemer, der kan afhjælpes med metoden. DELTA har I længere tid arbejdet med nærfelt scanninger af EMC test objekter. I dette TEK notat beskrives hvad en EMC nærfelt scanner består af, lidt teori om hvordan den kan benyttes, og til sidst gives eksempler på de forskellige brugsscenarier, hvor nærfelt scanninger har bidraget med data til at fejlfinde og karakterisere testobjekter. Ved eksempler vises scenarier hvor nærfelt scanninger er brugt til at finde det, der kaldes hotspots, dvs. de steder på printet hvor feltstyrken er størst, og som derved er udgangspunkt for emissionen. Der beskrives et eksempel på, hvordan et EMC problem med signal integritet kan løses med nærfelt scanneren. Derefter vises hvordan teorien om Huygen boks princippet kan bruges til at estimere udstrålingsniveauet, som det ses i et radiodødt rum, og til at finde mønsteret for hovedretningen af udstrålingen. Til slut illustreres hvordan problemet med at relatere kodeafviklingen i produktets indlejrede software til støjen, der blev målt i et radiodødt rum, kan afhjælpes af et nærfelt scan. Formålet med dette TEK notat er ikke at beskrive alle detaljer om nærfelt scannere, men snarere at give en overordnet introduktion til emnet. Anders P. Mynster, Specialist DELTA Side 3

4 Baggrund Det har længe været nødvendigt at måle elektromagnetisk støj fra apparater for at dokumentere, at de ikke forstyrrer hinanden. NASA har udgivet en rapport i, der opsummerer nogle af de problemer, som elektromagnetisk udstråling har forårsaget. Denne inkluderer selvfølgelig de rumfartøjer og fly, der har været i problemer grundet elektromagnetisk støj, men også mere jordnære problemer som elektriske kørestole der pludselig kører rundt af sig selv, og hvordan de første ABS bremser ikke fungerede på et bestemt stykke tysk motorvej, som var nær en radiosender. Det endte med, at hele motorvejen måtte have et elektromagnetisk støjhegn på samme måde, som vi ser akustiske støjhegn herhjemme. Da mere og mere elektronik vandt indpas i vores dagligdag, var det klart, at der måtte sættes regler for den udsendte elektromagnetiske støj eller interferens, og for hvor elektromagnetisk følsomt eller kompatibelt elektronisk udstyr måtte være overfor disse elektromagnetiske felter. Derfor blev der i EU i 1992 introduceret det såkaldte EMC direktiv, der skal overholdes, for at produktet kan CE mærkes. Figur 1 Semi anekoisk radiodødt rum For at kunne opfylde kravene i EMC direktivet skal blandt andet den elektromagnetiske udstråling fra et apparat måles og dokumenteres. Dette skal typisk gøres i et såkaldt semi anekoisk radiodødt rum. Et sådant rum koster i omegnen af 15 millioner kroner og er derfor en stor investering for alle elektronik producenter. DELTA har derfor gennemført denne investering, og udbyder at måle apparater som en service. Desværre er det DELTAs erfaring, at mange nye produkter fejler i sådanne test og må komme igen, når problemerne er løst. Dtte sker ofte flere gange, hvilket gør godkendelsen til en unødigt dyr affære. Samtidig vil testen i det radiodøde rum ikke nødvendigvis vise, hvor fejlen kommer fra, kun hvilken frekvens der er problemet. Side 4

5 Figur 2 Eksempel på målt spektrum i radiodødt rum L e v e l [ d Bµ V/ m ] M 50M 70M 100M 200M 300M 500M 700M 1G F r e q u e n c y [ Hz ] M ES RE 4 m h M a x Pk L I M RE, EN B, Q P Ra d ia t e d Em is s io n I Figur 2 ses et spektrum målt i et radiodødt rum fra et test objekt. Det kan ses, at test objektet fejler mellem 90 og 100 MHz og ved 620 MHz. Problemet er, at grafen ikke giver information om, hvilke dele af test objektet udviklerne skal være særligt opmærksomme på. Ofte er der tale om digitale clock generatorer, men det kan også være stigetiden for en transistor, der styrer en diode. Det kan med andre ord være meget besværligt og til tider umuligt at lokalisere kilden til udstrålingen. Derfor er det vigtigt at have billige fejlfindingsværktøjer til rådighed, så problemerne kan løses udenfor det radiodøde rum. Det er her, EMC nærfelt scanninger kommer til sin ret, da man her kan: 1. lokalisere fejlen observeret under testen 2. vurdere om de forbedringer, der er gjort, har afhjulpet problemet 3. forudsige udstrålingen, der vil blive målt under test i et radiodødt rum EMC i udviklingsforløbet Desværre er det ofte sådan, at EMC målinger først bliver udført sidst i udviklingsforløbet. Dette betyder, at det først er, når den samlede prototype er færdig, at der bliver lavet EMC-test. Dette er kraftigt medvirkende til, at det typisk er 80 %, der fejler i den første test. Ydermere betyder det, at når der ses overskridelser af grænseværdien (som i Figur 2), er det til tider en yderst besværlig opgave at lokalisere, hvor fejlen opstår, så den kan korrigeres. Problemet er, at der oftest ikke er defineret standarder for test af de enkelte dele i et apparat. F.eks. er en hyppig kilde til overskridelse af emissionsgrænserne switch mode strømforsyninger, som for øvrigt også var tilfældet i Figur 2. Denne laves dog ofte tidligt i designfasen eller købes som færdig komponent. Derved ville produktet ikke have haft problemer, hvis det havde været muligt at måle på strømforsyningen tidligt i designfasen og have korrigeret de fejl, der blev set, eller skiftet til en anden leverandør af strømforsyninger. Side 5

6 EMC nærfeltscanner systemer En EMC nærfeltscanner består af 3 primære dele: 1. Et måleinstrument som f.eks. en spektrum analysator, et oscilloskop eller en målemodtager, der typisk kan måle fra 30 til 1000 MHz. 2. En nærfelt probe som kan opfange nærfeltet og omdanne det til et elektrisk signal, som måleinstrumentet kan måle. 3. En scanner, robot eller aktuator som kan bevæge proben i x, y og z aksens retning. Disse tre elementer udgør tilsammen et nærfelt scannersystem. Måleinstrument Som måleinstrument benyttes typisk et af tre forskellige instrumenter. Det oftest benyttede er en spektrum analysator. Denne benyttes, da der er behov for at kunne dække store frekvensområder på kort tid. Det er målinger, som er hurtige, men der kan være problemer med at opnå tilstrækkeligt dynamikområde, og det er kun muligt at måle amplituden af nærfeltet. Et alternativ til spektrum analysatorer er målemodtagere. Disse har et utroligt godt dynamikområde, og der findes specielle enheder, der kan faselåses, så man med to styk også kan bestemme fasen af feltet. Ulempen er dog ofte, at fordi målemodtagere skal indstille filtre og attenuatorer for hver frekvens, der måles, kan et scan tage mange timer og til tider døgn at gennemføre. Det sidste alternativ er oscilloskoper. Disse udmærker sig ved at være lynhurtige til at opsamle data og kan måle fasen af feltet, da de har flere synkrone indgange. Det er først de senere år, at oscilloskoper er blevet hurtige nok til at kunne måle op i GHz området, men der findes i dag flere produkter, der kan dette. Ulempen er, at det kræver, at der gennemføres omfattende databehandling som f.eks. konvertering fra tidsdomænet til frekvensdomænet via Fourier transformationer, og som med spektrum analysatorer er der begrænset dynamisk rækkevidde. Til gengæld betyder det, at målinger, der ville tage flere dage med en målemodtager eller spektrumanalysator, kan gennemføres på få timer. Nærfeltsprobe Proben, der skal opfange feltet, er typisk den mest kritiske del af systemet. For det første skal det sikres, at den kan måle de rigtige felt komposanter, hvor der er 4 muligheder: Tangentielt E- og H-felt og ortogonalt E- og H-felt. Desuden skal den have en tilstrækkelig følsomhed både ved de laveste og højeste frekvenser, der skal måles. Derefter skal man huske, at EMC Læs nærfelt mere scanninger foregår i det reaktive nærfelt, så derfor skal proben påvirke feltet mindst muligt. Samtidig betyder probens størrelse også noget, da denne bestemmer opløsningen, dvs. den mindste stepstørrelse af scannet, altså hvor langt der skal være mellem to kilder, for at de kan adskilles. Derfor findes der flere leverandører af optiske prober, der næsten ikke indeholder metalliske dele. Desværre er de oftest konstrueret som et power meter med en ensrettende diode, som gør, at der ikke kan skelnes mellem bidrag fra forskellige frekvenser. Side 6

7 Figur 3 De blå pile illustrerer de tangentielle komposanter og den røde pil illustrerer den normal komposant. Dette er illustreret på reference printet der er brugt i eksempel 3. Scanner Der findes flere bud på, hvordan en EMC scanner skal opbygges. Oftest er der tale om en XYZ aktuator næsten som de gamle XY-plottere men med en ekstra dimension. De vigtigste parametre for dette system er hastigheden, scanneren kan flytte sig med fra punkt til punkt, og størrelsen af det areal den kan bevæge proben over. Hvis ikke der vælges en kommerciel EMC scanner, vælges der ofte industrirobotter, som de der bliver benyttet til CNC-fræsere. Her skal man dog være opmærksom på, at de fleste af disse har store metaldele, som kan påvirke måleresultaterne, jf. afsnit om Elektromagnetisk udstråling. Der er også systemer, som er baseret på 6 aksede robot arme. Disse udmærker sig ved at have større bevægelsesfrihed. Derved kan proben også roteres, så der ikke skal skiftes eller roteres probe manuelt, når der skiftes mellem de forskellige felt komposanter, når blot det kun er E-felt eller kun H-felt. Dette skyldes, at robotarmen kan holde en H-felts probe, som måler den tangentielle komposant når den har lodret akse, og kan indstilles med vandret akse og derved måle den normale komposant af feltet. Typisk er præcisionen af de tilgængelige robotter, altså den største positioneringsusikkerhed, på under 1/10 mm. Derved er den så god, at det ikke er en praktisk begrænsning. Side 7

8 Elektromagnetisk udstråling Udstrålingsmekanismer For at der kan ske en elektromagnetisk udstråling, skal der foregå en acceleration af ladninger. Dette betyder, at der skal være en generator, der påvirker ladningerne. For EMC udstråling er disse generatorer typisk komponenter, hvor der er store strøm- eller spændingsskift over kort tid. Det kan f.eks. være en USB line driver, eller en transistor i en switch mode strømforsyning. For at udstrålingen også bliver effektiv, skal størrelsen af den struktur hvor ladningerne bliver accelereret også være sammenlignelig med bølgelængden, typisk større end 1/10 bølgelængde. Nærfelter og fjernfelter For elektromagnetiske bølger er der defineret tre zoner for udstrålingen. Det reaktive nærfelt, det udstrålende nærfelt og fjernfeltet. Det reaktive nærfelt optræder der hvor felterne holder udstrålingsstrukturens svingninger vedlige. Det udstrålende nærfelt optræder der hvor udstrålingsmønstret ændrer sig med afstanden fra antennen, hvorimod faconen på udstrålingsmønstret ikke ændrer sig med afstanden i fjernfeltet. Figur 4 Illustration af de tre zoner for elektromagnetisk udstråling. 0,62 d 3 /λ Brugsscenarier for nærfelt scannere Formålet med brugen af nærfelt scannere kan primært inddeles i to kategorier: 1) Hot spot lokalisering 2) Udstrålingsestimering Som nævnt under afsnittet om udstrålingsmekanismer skal der være en antenne større end 1/10 bølgelængde til at udstråle generatorens effekt, for at det kan give for stor udstråling i forhold til grænseværdierne. Da bølgelængden er givet ved lysets hastighed delt med frekvensen, varierer den meget i området, hvor der testes for elektromagnetisk udstråling. Ved 30 MHz er den 10 meter, ved 300 MHz er den 1 meter og ved 1 GHz er den blot 30 cm. I relation til apparater betyder det, at det stort set kun er kabler, der udstråler under 300 MHz, da de enkelte printkort og moduler ikke er store nok til at fungere som antenner. Derved er nærfelt scanneren ikke god til at forudsige udstrålingsniveauet fra apparatet. Til gengæld er den fortræffelig til at måle de kraftige magnetfelter, som kabler skal holdes borte fra, og til at lokalisere de generatorer der skaber strømmene, der løber ud på kablerne og forårsager udstråling. Derved kan scanneren bruges til at lokalisere, hvor der skal sættes ind, når et apparat har for meget udstråling ved disse frekvenser. I Eksempel 1 vises et eksempel på brug af scanneren under 300 MHz. Over 300 MHz vil både kabler og printkort udstråle. Ved at måle både amplitude og fase af nærfelter kan fjernfeltet bestemmes ud fra en simulering eller en nærfelt til fjernfeltstransformation. Derfor kan det også være vigtigt at kunne bestemme fasen af felterne. Side 8

9 Scan strategier Når der skal laves et nærfelts scan, skal det overvejes, hvilket formål der er med målingen, da der er flere forskellige strategier at følge. Typisk vil man dog starte med et såkaldt pre-scan. Dette er et scan, der laver en grov karakterisering af EUT(Equipment Under Test). Typisk vil sådan en måling foregå i én højde ca. 1-5 cm over overfladen på EUT. Typisk vil man benytte en step størrelse på 1-2 cm. Ved dette scan identificeres de frekvenser, som er mest kritiske, ved at sammenligne de amplitudespektre der er målt i alle punkter. Efter at de mest kritiske frekvenser er identificerede, kan disse inspiceres manuelt som 2D farve plots overlagt på et billede af EUT. Derved bliver det muligt at identificere, hvor feltstyrken er størst over EUT. Herefter kan man vælge at lave en detaljeret scanning, med mindre step størrelse af et område. Det kan, f.eks. være for at identificere specifikt hvilken komponent, der er problemet, men kan også være for at kigge ind i en enkelt chip for at finde ud af, om der er problematiske bonding wires ii. Figur 5 Hvordan proben kan placeres i alle hjørner for at tilpasse EUTs koordinat system med scannerens koordinat system EUT Positions tilpasning Hvis man betragter nærfeltet over en ledning i en lille afstand, kan det ses, at f.eks. fra 10 mm til 12 mm afstand aftager det elektriske felt med ca. en tredjedel. Omsat betyder det en forskel på 3,5 db. Det betyder, at hvis man skal analysere på feltstyrken over et helt print kort, er det meget vigtigt, at den flade, der måles, er parallel med printkortets overflade. Hvis ikke der foretages en omhyggelig justering, således at printkortet ligger korrekt i forhold til scan fladen, vil der altså introduceres en gradvis fejl i den målte amplitude, og dette fører til forkerte resultater, når fjernfeltet beregnes, eller forkerte konklusioner mht. positioner af hotspots. Derfor er det vigtigt at tilpasse printet inden målingen. Der findes flere meget præcise metoder til at sørge for, at EUT er i den korrekte position. Den nemmeste løsning er dog meget lavpraktisk, idet man flytter scanneren manuelt så probens hjørne lige akkurat berører EUTs hjørne. Ved at gøre dette i 3 af hjørnerne og sikre at hhv. x koordinatet for hjørne 1 og 2 er ens, y koordinatet for hjørne 1 og 3 er ens, og at z koordinatet er ens for alle tre hjørner. Med lidt omhu kan det derved sikres, at positioneringsfejlen er under ½ mm og derved typisk tilstrækkelig. Side 9

10 Kommercielt tilgængelige scannere Der findes flere systemer, som er kommercielt tilgængelige. Nogle få er nævnt her, for at illustrere de styrker der er i tre forskellige typer af scannere. Vigtigt for dem alle er, at ved køb skal man være opmærksom på, hvilke måleinstrumenter der kan tilsluttes, da man ellers skal ud og erhverve sig en ny spektrum analysator, oscilloskop eller receiver. Priserne starter typisk omkring kroner. Detectus iii Detectus er et eksempel på en af de klassiske nærfelt scannere. Detectus laver 3D scannere hvor en X,Y,Z aktuator bevæger scanproben over printet. 3D bevægelsen er vigtig, da det betyder, at man kan scanne nede mellem komponenter. Det er især en fordel, hvis der sidder en strømforsyning på printet. Disse har ofte høje komponenter f.eks. elektrolytiske kondensatorer, spoler og transformatorer. Detectus systemet kan i den kommercielle version kun måle amplituden og ikke fasen af nærfeltet, da softwaren kun kan styre spektrumanalysatorer. EMSCAN iv EMxpert er en special scanner, som også kun kan måle amplitude. I modsætning til de fleste andre scannere har EMxpert et array af prober og ikke kun en. Dette betyder, at man ved hjælp af et relæ skifter mellem proberne i stedet for at bevæge en probe. Dette eliminerer tiden, det tager at flytte proben, og derved kan der opnås realtids billeder af printets elektromagnetiske nærfelt. Dette kan især være en fordel ved fejlsøgning på en bestemt frekvens, idet man med det samme ser virkningen ved at sætte en anden afkoblings kondensator på eller forbinde to stelplaner. Ulempen er, at det kan være svært eller umuligt at lave visse typer målinger på print, hvor komponenter varierer i højden, f.eks. på strømforsyninger jf. Detectus afsnittet. EMSCAN har strategien, at der blot kan scannes på bagsiden af et print, men med print med mere end 1 lag kan der derved let overses vigtige detaljer. Det betyder også, at det ikke er muligt at mindske afstanden mellem punkterne, hvor nærfeltet måles. NFS 3000 v Fraunhofer laver denne scanner, som i skrivende stund er den eneste kommercielt tilgængelige scanner, der også kan måle fasen af nærfelterne. Dette betyder, at man kan lave beregninger som estimerer fjernfeltsudstrålingen jvf. Eksempel 3 og 4. Det betyder også, at der kan kompenseres for probens udstrålingskarakteristik, hvilket kan give en opløsning på målingerne ned i mikrometer størrelsen. Figur 6 Tv: NFS 3000, øvert th: EMxpert og nerderst th detectus scanneren. Side 10

11 Eksempel 1: Switch mode DC-DC konverter Ved målinger i det radiodøde rum blev en alt for stor elektromagnetisk udstråling observeret i området mellem 80 og 230 MHz. I dette område er det typisk kablerne fra test objektet, der fungerer som antenner, og derfor skal strømmene på disse observeres. Der kan dog ofte være mange kabler, og det kan derfor være svært at sige, hvilke kabler der udstråler. Derfor blev der lavet et nærfeltscan. Figur 7 Den målte amplitude af nærfelterne over en switch mode strømforsyning, rød er kraftigst og blå er svagest I figuren ovenfor på de to øverste billeder kan det ses, at der er et kraftigt magnetisk nærfelt ved kabel stikket øverst til venstre på strømforsyningen. Dette er ved henholdsvis 84 MHz(tv) og 104 MHz(th). For at verificere at det virkeligt var disse kabler, der bar strømmen, blev der påsat feritter om de kabler, der udgik fra dette stik. Dette kan ses på de to nederste billeder, hvor det samme scan er blevet gennemført i den nye konfiguration. Og derved var en del af problemet løst. Problemet i det specifikke test objekt var, at pladsen til kabel føring var meget begrænset, og det var derfor fristende at lægge kabler meget tæt på denne strømforsyning. Hvis et kabel bliver udsat for et magnetfelt, inducerer magnefeltet en strøm i kablet. Derved bliver det kabel, der er ført tæt på strømforsyningen, til antennen, der kan udstråle feltet. Ved af have målt det magnetiske nærfelt kan man derfor tydeligt se over hvilke områder af strømforsyningen, der absolut ikke må placeres kabler, og hvilke områder hvor risikoen er mindre. Side 11

12 Eksempel 2: GPS receiver problemer Et system var bygget op af flere færdigkøbte moduler blandt andet et processor modul og et GPS modul. Det skulle logge GPS data over en længere periode. Desværre viste systemet tegn på at have dårlige modtage forhold. Kunden havde erfaret, at systemets modtageforhold blev væsentligt forbedrede, når der blev benyttet kabel til GPS antennen, og derfor var der en mistanke om, at støj fra processormodulet forstyrrede GPS en. Da systemet var bygget op af færdige moduler, var der begrænset viden om interne clock frekvenser, og hvor støjen kunne komme fra. Samtidigt er følsomheden på GPS enheder, på grund af den signalkodning der anvendes, ekstremt høj, så signaler på -160 dbm kan blive detekteret. Derved var der ikke mulighed for at måle støjen ved GPS antennen, i stedet skulle kilden identificeres og koblingsveje bedømmes. Figur 8 Billede af det probepunktet hvor den kraftigste amplitude af det forstyrrende magnetfelt blev fundet og det målte signal. Da dette var en meget speciel case med meget lave feltstyrker, var der ikke mulighed for at lave en 2D scanning i traditionel forstand, da et 2D scan ville blive nødt til at blive udført i en højde, som var for stor til at detektere signalerne. Derfor blev proben placeret i flere mistænkte punkter med en veldefineret højde over komponenten. Den veldefinerede højde er vigtig, da niveauerne i de forskellige punkter ellers ikke kan sammenlignes. Målingerne viste, at CPUen udsendte en støj med en frekvens på 1584 MHz. Da GPS signalets L1 bånd ligger på 1575 MHz, vil forskellen på kun 9 MHz kunne gå ind og forstyrre GPS signalmodtagelsen og forringe systemets ydeevne. Da kilden nu var identificeret, kunne man som det første punkt påpege et fladkabel som lå lige over CPUen og videreførte støjen til GPS modtageren. Side 12

13 Eksempel 3: Estimering af udstråling I innovationskonsortiet EMC First Time Right arbejdes der blandt andet på at bruge data fra nærfelt scanninger og bruge dem til at simulere fjernfeltet. Dette støtter sig op ad teorien om en Huygen boks. Denne bygger i bund og grund på elektromagnetismens feltækvivalens princip, også kaldet Huygens princip. I løse termer siger det, at hvis det tangentielle E eller H felt er defineret på en lukket overflade, der omslutter alle kilder, så vil feltet uden for denne overflade bestemmes ud fra de tangentielle felter på overfladen uden at kende de kilder overfladen omslutter vi. Det betyder, at hvis man kan måle det tangentielle E-felt eller H-felt i en kasse, der omslutter EUT, så kan man beregne udstrålingen for dette testobjekt, svarende til det man vil måle i et radiodødt rum. Det er ikke sådan, at man helt kan erstatte det radiodøde rum, da det er beskrevet i standarderne, at det skal benyttes, men det er utroligt vigtigt at vide, når man i udviklingsfasen gerne vil have en idé om, hvorvidt et givet design er godt nok i forhold til udstrålingen af det elektriske felt. For at eftervise dette princip, blev der konstrueret et referenceprint med en batteridrevet kamgenerator, som udsendte udstråling for hver 20 MHz. Dette print blev modelleret og derefter blev nærfeltet simuleret i CST- microwave studio. Dette nærfelt blev så benyttet til at simulere fjernfeltet, som igen blev benyttet til at beregne niveauet, svarende til målingerne i et radiodødt rum. For at eftervise tesen om, at det primært er kabler, der udstråler under 300 MHz, blev dette gennemført både med og uden et kabel monteret på printet. Det konstruerede referenceprint blev så målt i et radiodødt rum både med og uden et kabel monteret. Figur 9 En sammenligning af de simulerede signaler fra et testobjekt og de målte i et radiodødt rum I figuren ovenfor ses det, at de simulerede værdier ligger ganske tæt op ad de faktisk målte værdier. Her er det især vigtigt at lægge mærke til, at feltet ved både målinger og simuleringer med kabel stiger ved 125 MHz og i området lige omkring 300 MHz, mens det ikke gør det, når kablet ikke er monteret. Samtidig er forskellen mellem det simulerede og det målte generelt mindre end 5 db. Der ses dog to store forskelle mellem det simulerede og det målte felt ved 480 hhv. 660 MHz. Det formodes, i skrivende stund, at dette skyldes, at simuleringen ikke har tabet i printets dielektriske materiale inkluderet, eller at det skyldes små variationer i dimensioner mellem det fysisk fremstillede print og den model, der blev opbygget i CST. For yderligere uddybning af dette eksempel henvises til referencen vii. Konsortiet arbejder fortsat på at forbedre de resultater, der er opnået indtil nu. Side 13

14 Eksempel 4: Måling af udstrålingsmønster Ved hjælp af lignende teknikker som i eksempel 3 kan udstrålingsmønsteret findes ved at lave en nærfelt scanning. Dette er især vigtigt, hvis der designes antenner, som skal have en specifik retningsbestemt udstråling, et bestemt polarisations mønster, eller blot have en rimelig udstråling i alle retninger. Selvfølgelig kan udstrålingsmønsteret som standard ikke bestemmes i retninger, som ikke bliver målt, men ved at benytte teknikker som inddrager den fysiske udstrækning af testobjektet, kan udstrålingen estimeres i retninger uden for målingen. Figur 10 Tv: Illustration af problematikken ved at måle et begrænset område af overfladen over printet Tv: Det genskabte udstrålingsmønster i og udenfor det målte område For at teste om algoritmen kunne beregne udstrålingen, selv i retninger hvor nærfeltet ikke var blevet målt, blev det magnetiske nærfelt foran et standard gainhorn simuleret. For at have en reference blev fjernfeltet også simuleret. Derefter blev nærfeltsdata fra simuleringen benyttet i nærfelt til fjernfelt beregningsalgoritmen. I figuren ovenfor ses udstrålingsmønsteret foran antennen i hhv. φ=0 og φ=90. Den blå linje viser det simulerede fjernfelt, den røde viser resultatet af en nærfelt til fjernfelts transformation uden brug af viden om EUTs fysiske størrelse. Den grønne linje viser resultatet af en nærfelt til fjernfelts transformation med brug af viden om EUTs fysiske størrelse. Her kan det ses, at hvis ikke informationen om EUT størrelse benyttes, beregnes feltet forkert i en vinkel større end 45 grader, men hvis informationen benyttes, beregnes værdier til at være meget tæt på de faktiske. I situationer, hvor der ikke er økonomisk eller fysisk mulighed for at måle et fjernfelt, kan der derved opnås ganske gode estimater. Side 14

15 Eksempel 5: Software og EMC støj Et stigende problem for godt EMC design er den intensive integration af indlejret software i moderne elektronik. I standard test foreskrives det typisk, at EUT skal være under de værst mulige operations betingelser, altså at man ikke skal måle støj fra en processor, mens den ikke laver noget. Den skal lave krævende beregninger, mens der måles. DELTA har muligheden for at lave nærfelt scan med et oscilloskop, og derved kan der opnås information både i frekvensdomænet vha. Fourier transformationer og i tidsdomænet. Derved kan det undersøges, om der er eksekvering af specifikke kodestykker, som kan sammenholdes med den støj, der ses fra produktet. I et produkt var der inkluderet en flash RAM, med både skrive- og læseaktivitet kombineret med andre forskellige rutiner i processoren. Ved at sammenholde koden med det tidsdomænesignal, der blev målt midt mellem processor og RAM, var det muligt at identificere, hvilke kodesegmenter der blev udført, når den udstrålede støj steg. Figur 11 Tidsdomæne signaler der viser støjens afhængighed af den indlejrede kode Det kunne også ses, at der i dette tilfælde var lavet en for streng testsoftware, idet det endelige produkt aldrig kom ud for situationer, hvor der skulle skrives så intensivt til flash RAM kredsen. I dette specifikke tilfælde kunne en software begrænsning af den maksimale sammenhængende skrivetid til RAM kredsen givetvis forbedre resultatet i den endelige compliancemåling af den elektromagnetiske støj. Dette skyldes, at produktet skal testes efter CISPR standarderne, hvor en quasi-peak detektor skal benyttes, når der skal sammenholdes med grænseværdierne. Quasi-peak detektoren har et indbygget RC led, der skal lades op af støjen over tid. Ved at begrænse den tid, hvor støjen bliver udsendt, vil RC leddet ikke blive opladet til lige så høje værdier, og derved vil den aflæste værdi blive mindre. Der skal dog meget systematisk softwarestyring til, for at en sådan løsning kan realiseres. Side 15

16 Konklusion I dette TEK notat beskrives, hvad en EMC nærfelt scanner består af, sammen med teori om hvordan den kan benyttes. Til sidst blev der givet eksempler på de forskellige brugsscenarier, hvor nærfeltscanninger har bidraget med data til at fejlfinde og karakterisere testobjekter. Ved eksempler blev der demonstreret scenarier hvor nærfelt scanninger er blevet brugt til at finde hotspots, dvs. de steder på printet hvor feltstyrken er størst, og som derved er udgangspunkt for emissionen. Der blev beskrevet et eksempel på, hvordan et EMC problem med signalintegritet kan løses med nærfelt scanneren. Derefter hvordan teorien om Huygen boks princippet kunne bruges til at estimere udstrålingsniveauet, som det ses i et radiodødt rum, og til at finde mønsteret på udstrålingen. Til slut blev det vist, hvordan problemet med at relatere den indlejrede softwares kodeafvikling til støjen, der blev målt i et radiodødt rum, kunne afhjælpes af et nærfeltscan. Resultaterne er skabt gennem et samarbejde i Innovationskonsortiet EMC first-time-right med deltagelse af Aalborg Universitet, Bang & Olufsen A/S, DEIF A/S, kk-electronic a/s, Molex Interconnect samt DELTA. Aktviteterne har endvidere modtaget støtte fra Rådet for Teknologi og Innovation. Samarbejdet vil være åbent for nye deltagere frem til udgangen af 2012, specielt blandt de små- og mellemstore virksomheder, som erfaringsmæssigt har de største problemer. Det planlægges endvidere, at præsenterer flere resultater gennem konferencer, workshops og nye guidelines. Side 16

17 Om TEK notat DELTA udgiver regelmæssigt rapporter i TEK notat-serien for at kommunikere den nyeste internationale viden indenfor vores fagområder. Formålet er at understøtte en fremrykning af tidspunktet, hvor nye teknologiske landvindinger giver et forretningsmæssigt afkast til danske virksomheder. Om DELTA DELTA hjælper sine kunder med effektiv anvendelse af avancerede teknologier, der skal opnå kommerciel succes i en kompleks verden. Vi varetager design, udvikling, test, certificering og rådgivning inden for elektronik, mikroelektronik, softwareteknologi, lys, optik, akustik, vibration og sensorsystemer. DELTA er ét af Europas førende udviklingshuse samt ét af de ni Godkendte Teknologiske Serviceinstitutter (GTS) i Danmark. Vores 270 medarbejdere i Danmark, Sverige og Storbritannien samarbejder med kunder i over 50 lande. i R.D. Leach og M. B. Alexander, Electronic systems failures and anomalies attributed to electromagnetic interference, NASA Reference publication 1374, Juli 1995 ii X. Dong, S. Deng, T. Hubing, D. Beetner, Analysis of Chip-level EMI using Near-Field Magnetic scanning, EMC symposium 2004 iii iv v vi C. A. Balanis, Antenna Theory, third edition, Wiley-interscience 2005 vii M. Sørensen, et al, Perturbation of near-field scan from connected cables, ikke publiceret. Side 17