Durchführung von Tests zu elektromagnetischen Interferenzen (EMI)

Elektromagnetische Interferenz (EMI) bezeichnet Störungen, denen elektronische Geräte durch elektromagnetische Strahlung aus anderen Quellen oder durch die Strahlung des eigenen Produkts ausgesetzt sind. Diese Störungen sind gravierend, da sie zu Fehlfunktionen, Datenbeschädigung oder sogar zum Totalausfall des Systems führen können. Für Ingenieure und Hersteller ist das Verständnis von EMI daher unerlässlich, um die Zuverlässigkeit ihrer Geräte in unterschiedlichen Umgebungen zu gewährleisten.

Zu den häufigsten EMI-Quellen gehören Haushalts- und Industriegeräte.

Alltagsgegenstände wie Mikrowellen, Leuchtstoffröhren und Smartphones können elektromagnetische Störungen (EMI) erzeugen, ebenso wie Industriemaschinen, Funksender und Elektromotoren. Diese Quellen produzieren verschiedene Frequenzen, die sich mit den Frequenzen empfindlicher Elektronik überschneiden und so Interferenzen verursachen können.

Die Auswirkungen elektromagnetischer Störungen (EMI) auf Geräte können erheblich sein und zu Leistungseinbußen, ungewollten Neustarts oder fehlerhaften Messwerten in empfindlichen Geräten wie Medizingeräten, Telekommunikationssystemen und Fahrzeugelektronik führen. Beispielsweise kann EMI in medizinischen Bildgebungsgeräten die Bildqualität beeinträchtigen und somit das Risiko von Fehldiagnosen erhöhen. Daher ist die Implementierung effektiver Test- und Minderungsstrategien für elektromagnetische Störungen entscheidend, um die Integrität und Leistungsfähigkeit elektronischer Systeme zu gewährleisten.

Die Messung von elektromagnetischen Störungen beginnt mit dem Verständnis der Art der Emissionen, der geeigneten Testumgebung und der passenden Ausrüstung. Ziel ist es, genaue und reproduzierbare Daten zu erfassen, die den branchenüblichen Normen entsprechen.

• Prüfnormen und -vorschriften – Beachten Sie bei EMV-Prüfungen die für Ihr Produkt und Ihren Markt geltenden Konformitätsnormen. Gängige Beispiele hierfür sind:
  • CISPR – Internationale EMV-Anforderungen für Emissions- und Störfestigkeitsprüfungen.
  • FCC – US-amerikanische Vorschriften für elektromagnetische Emissionen.
  • MIL-STD-461 – Militärische EMI/EMV-Anforderungen für Verteidigungs- und Luft- und Raumfahrtausrüstung.
  • ISO-EMV-Normen – Globale Standards für die Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit in verschiedenen Branchen.

Um genaue und konforme Ergebnisse zu gewährleisten, müssen die spezifischen Testmethoden, Frequenzbereiche und Detektoranforderungen jedes Standards eingehalten werden.

• Emissionsart – Ermitteln Sie, ob Sie abgestrahlte Emissionen (RE) oder leitungsgebundene Emissionen (CE) messen, um den richtigen Testaufbau auszuwählen.
• Testumgebung – Verwenden Sie für RE eine reflexionsarme oder halbreflexionsarme Kammer oder für CE eine kontrollierte leitungsgebundene Testanordnung mit Netzimpedanzstabilisierungsnetzwerken (LISNs).
• Messgeräte – Wählen Sie einen EMI-Empfänger oder Signalanalysator mit ausreichender Bandbreite, Empfindlichkeit und Dynamikbereich, um alle relevanten Signale zu erfassen.
• Signalerfassungsmethode – Anwendung eines Zeitbereichsscans (TDS) oder eines Echtzeitscans (RTSC) zur Erkennung transienter oder intermittierender Signale, die bei herkömmlichen Scans möglicherweise übersehen werden.
• Kalibrierung und Verifizierung – Antennen, LISNs und Empfänger müssen regelmäßig kalibriert werden, um Messgenauigkeit und Rückverfolgbarkeit zu gewährleisten.
• Datenanalyse – Nutzen Sie EMI-Messsoftware, um Ergebnisse zu visualisieren, Grenzwerte festzulegen und Konformitätsberichte zu erstellen, um eine schnellere Fehlersuche zu ermöglichen.
• Vorab-Compliance vs. Vollständige Compliance – Entscheiden Sie, ob Sie mit Vorab-Compliance-Tests beginnen möchten, um Probleme frühzeitig zu erkennen und das Risiko von Fehlern in akkreditierten Testlaboren zu reduzieren.

Effektive EMV-Vorabprüfungen erfordern sorgfältige Beachtung sowohl des Versuchsaufbaus als auch der Messverfahren. Ingenieure stehen dabei häufig vor folgenden Herausforderungen:

1. Die Nachbildung der Prüfumgebung – Die Verwendung eines Aufbaus, der nicht dem Zielstandard entspricht (z. B. falscher Kammertyp, fehlendes Netzimpedanzstabilisierungsnetzwerk für leitungsgebundene Störaussendungen), kann zu irreführenden Ergebnissen führen. Die Prüfkonfiguration muss stets den Anforderungen von Normen wie CISPR, FCC oder MIL-STD-461 entsprechen.
2. Erdung und Kabelmanagement – Lange, ungeschirmte oder schlecht verlegte Kabel können ungewollt als Antennen wirken. Achten Sie auf eine gleichmäßige Erdung, verwenden Sie eine geeignete Kabelschirmung und halten Sie sich an die normgerechten Kabelverlegungsvorschriften.
3. Kalibrierung und Überprüfung – Wird die Kalibrierung von EMV-Empfängern, Antennen und LISNs vernachlässigt, können die Daten unzuverlässig werden. Überprüfen Sie die Gerätekalibrierung vor jeder Testsitzung.
4. Lücken im Frequenzbereich – Das Übersehen bestimmter Frequenzbänder kann zwar die Vorabprüfung bestehen lassen, aber im offiziellen Labortest zum Nichtbestehen führen. Scannen Sie daher immer den gesamten, von der jeweiligen Norm geforderten Frequenzbereich.
5. Kontrolle von Umgebungsgeräuschen – Hintergrundrauschen im HF-Bereich kann Emissionen überdecken oder zu Fehlalarmen führen. Messen und dokumentieren Sie die Umgebungsgeräusche vor Beginn der Tests und wenden Sie eine Rauschunterdrückung an, sofern Ihre Testgeräte dies unterstützen.
6. Testen Sie nur in einem Betriebsmodus – Manche Störungen treten nur in bestimmten Konfigurationen auf (z. B. hohe CPU-Auslastung, aktives WLAN). Testen Sie mehrere Betriebszustände, um intermittierende Probleme aufzudecken.

Tipp: Dokumentieren Sie jedes Detail der Einrichtung, von der Kabelführung bis zu den Geräteeinstellungen, damit Sie die Konfiguration bei Bedarf für erneute Tests leicht reproduzieren oder anpassen können.

Während die nächste Generation von 5G-Mobilfunknetzen, autonom fahrenden Fahrzeugen und dem Internet der Dinge (IoT) Gestalt annimmt, arbeiten Ingenieure mit Hochdruck an der Entwicklung immer neuer drahtloser Geräte, um der steigenden Marktnachfrage gerecht zu werden. 

Gleichzeitig nehmen Dichte und Komplexität der elektromagnetischen Umgebung aufgrund der enormen Anzahl drahtlos vernetzter Geräte zu. Diese Entwicklung stellt eine Herausforderung für EMV-Prüfungen dar, da drahtlose Geräte Zertifizierungen nach immer mehr regulatorischen Normen benötigen. Um Geräte schneller und effizienter auf den Markt zu bringen, ist es wichtig, EMV-Probleme während der EMV-Prüfung frühzeitig zu erkennen und zu beheben. 

Die Zeitbereichsabtastung (TDS) ist eine Spektrumsmessverfahren, das auf der schnellen Fourier-Transformation (FFT) basiert und Signale vom Zeitbereich in den Frequenzbereich umwandelt. Verglichen mit herkömmlichen Schritt- oder Sweep-Scan-Verfahren reduziert TDS die Messzeit deutlich, ohne die Genauigkeit zu beeinträchtigen.

Das TDS-Verfahren wurde in CISPR 16-1-1 (2010) als standardkonformes Messverfahren formell angenommen und genehmigt. Bei der FFT-Verarbeitung wird eine Fensterfunktion (oder ein Filter) angewendet, um das Frequenzspektrum der Signale zu begrenzen. CISPR 16-1-1 legt die erforderlichen Bandbreiten und die exakten Filterformen fest. EMV-Empfänger müssen die definierten Toleranzgrenzen für die Filterform einhalten, um den Standard zu erfüllen. 

Die Keysight PXE- und MXE-EMI-Empfänger bieten beide CISPR-konforme TDS-Messfunktionen, wodurch Anwender in ihren EMI-Konformitäts- oder Vorkonformitäts-Workflows erhebliche Testzeit sparen können.

Die Echtzeit-Scan-Funktion (RTSC) ist ein Alleinstellungsmerkmal des Keysight PXE EMI-Empfängers. Sie ermöglicht die lückenlose Signalerfassung und -analyse mit einer sehr großen FFT-Bandbreite von bis zu 350 MHz oder 1 GHz (optionenabhängig). Sie erlaubt die gleichzeitige Messung und Anzeige von Frequenz-, Zeit- und Spektrogramm-Ergebnissen mit bis zu drei simultanen EMV-Detektoren (bis zu sechs Detektoren mit der 1-GHz-FFT).

Sie können lückenlose Messungen und Analysen intermittierender Störsignale des Prüflings deutlich schneller durchführen als mit herkömmlichen Schritt-/Sweep-Verfahren und dabei keine Signale verpassen. Dadurch kann das Prüflabor den Durchsatz seiner EMV-Prüfungen erhöhen, mehr Produkte testen und in kürzerer Zeit zertifizieren. Sie können intermittierende oder breitbandige Emissionen Ihres Geräts überprüfen, bevor Sie es zur Konformitätsprüfung an das Prüflabor senden.

Die Echtzeit-Scanbandbreite von 1 GHz ermöglicht die lückenlose Durchführung von CISPR-Band-C/D-Messungen in einem einzigen Messdurchgang und die gleichzeitige Erfassung von bis zu sechs Detektormessungen. So können Sie sämtliche Emissionen des Prüflings (EUT) erfassen, einschließlich transienter, schmalbandiger und breitbandiger Signale. Dies bietet Ihnen umfassende Einblicke in das Rauschverhalten des Geräts und unterstützt Ingenieure bei der Identifizierung und Behebung von Problemen vor der eigentlichen EMV-Prüfung – für mehr Sicherheit und Erfolg bei den Tests.

Viele Störsignale sind schnell und intermittierend. Herkömmliche Schritt- oder Abtastverfahren erfassen diese oft nicht. 

Mit einer lückenlosen Echtzeit-Erfassung im 1-GHz-Band können Sie zuverlässig alle Störsignale erkennen – egal ob transient, schmalbandig oder breitbandig – ohne das Risiko einzugehen, kritische Emissionen zu verpassen.

Ohne Echtzeit-Scan müssten lange Verweilzeiten eingestellt werden, um die Wahrscheinlichkeit zu erhöhen, intermittierende Signale zu erfassen. Dies verlängert die Testdauer erheblich, insbesondere wenn wiederholte Messungen an verschiedenen Drehtellerpositionen und Antennenhöhen erforderlich sind.

Die Echtzeit-Scanfunktion beseitigt diese Ineffizienz durch breitbandige, FFT-basierte und lückenlose Messung. Sie ermöglicht die vollständige Charakterisierung des Rauschverhaltens des Prüflings, verkürzt die gesamte Testzykluszeit und erhöht die Sicherheit beim Bestehen formaler EMV-Prüfungen.