Oplossing voor verhogen reproduceerbaarheid bij RF-emissie en RF-immuniteitsmetingen?

In de diverse EMC-normen worden stralingseisen gesteld ten aanzien van wat een elektrisch of elektronisch apparaat mag afstralen. Hierbij worden dan metingen uitgevoerd op 3, 10 of zelfs 30 meter afstand van het te meten apparaat. Deze meetplaatsen moeten voldoen aan genormaliseerde antenne-overdrachten (normalised site-attenuation, NSA) opdat de stralingsmetingen gemeten op de ene meetplaats overeen zouden kunnen komen met de resultaten gemeten op een andere meetplaats. Hiervoor worden dan twee of drie gekalibreerde antennes gebruikt.

Als er daarna een elektrisch of elektronisch apparaat wordt neergezet, bijvoorbeeld op de plaats waar de zendantenne heeft gestaan (bij RF emissiemetingen), dan moeten lichtnet, signaalkabels en dergelijke op het apparaat worden aangesloten opdat het kan functioneren. Deze aangesloten kabels vormen dan een niet nader beschreven antenne aan het te meten apparaat en bepalen in hoge mate de efficiëntie van de afstraling ten gevolge van de interne bronnen in het te meten apparaat.

Bij het meten in een afgeschermde ruimte of OATS met een metalen vloer met draaitafel, worden de kabels vanuit het te meten apparaat naar de vloer gebracht. De kabellengten, hun ligging en de resulterende kabelstromen bepalen dan de uitgestraalde energie die ontstaat. De kabelstromen worden weer sterk beïnvloed door de functionele en common-mode afsluitimpedanties die aanwezig zijn aan het uiteinde van deze kabels.

Voor de aansluiting van de lichtnetkabels kan gebruik gemaakt worden van een Artificial Mains Netwerk (AMN, IEC CISPR-16-1-2) waarvoor geldt dan de serie-impedantie naar de referentie (= metalen vloer) voor de veiligheidsgeleider (protective earth, PE) gelijk is aan nul. De impedanties van alle fase- en neutrale draden naar PE worden voorgesteld met een impedantie gelijk aan 50 Ω // (50 µH + 5 Ω) of er wordt een CDN of AMN toegepast die in common-mode een impedantie representeert van ~150 Ω naar deze metalen bodemreferentie.

Bij het opbouwen van meetkooien worden er zware netfilters geplaatst op de buitenwand van de meetkooi, meestal ver verwijderd van de wandcontactdoos in het draaiplateau waarop het elektrische of elektronische apparaat is opgesteld. Met andere woorden: omdat nagenoeg alle netfilters een p-structuur hebben kan de uitgang van het filter worden gezien als een RF-kortsluiting (= spanningsknoop). Doordat de lichtnetvoorziening (óók niet in meetkooien) op geen enkele wijze RF-matig is opgebouwd, zijn de karakteristieke impedantiewaarden gemeten op een wandcontactdoos (WCD) van alle mogelijke propagatie-modi op die kabel onbekend en is de impedantie die ontstaat aan het uiteinde van de lichtnetkabel volledig onbestemd, mogelijk met één uitzondering, wanneer het PE/randaardecontact in de wandcontactdoos lokaal aan de metalen bodemreferentie is verbonden. Voor de fase en de neutrale geleiders geldt dat daarvoor de asymmetrische impedantie ongedefinieerd is. Het toepassen van een AMN of een CDN bij deze impedantie-onbestemde lichtnetaansluiting (WCD in de draaitafel) lijkt dan de enige oplossing.

Als het apparaat voorzien is van meer aansluitingen, al dan niet afgeschermd, dan is het voor de hand liggend dat alle afschermingen met het metaal van de draaitafel/bodemreferentie direct worden verbonden. Bij niet-afgeschermde signaal- en/of voedingslijnen kunnen alle variaties weer optreden, want deze kunnen RF-matig weer worden verbonden met de referentie, worden afgesloten met een nog nader te bepalen common-mode impedantie of blijven hangen. Dit laatste kan bijvoorbeeld met een batterijgevoede interface of een elektrische naar optische verbinding. Ook als het elektrische of elektronische apparaat accu-gevoed is dan kan dit vanuit een galvanisch ‘zwevende’ accu situatie (zoals aan boord van een schip) of een geaarde situatie (zoals in elke conventionele auto met verbrandingsmotor) of, in het beste geval, via een gedefinieerde common-mode impedantie. Deze drie opties – open, kortgesloten of afgesloten – leveren de drie extremen op bij de RF-emissiemetingen en bepalen of er een knoop, buik of een volledig gedempte situatie optreedt aan het einde van de kabel. Deze opties leveren ook een marge van ± 20 dB wanneer er gemeten wordt bij een enkele frequentie, wanneer de kabel waarom het gaat dominant is ten opzichte van de totale afstraling van het apparaat, zie figuur 1 voor de asymmetrische impedantie gemeten aan een 1,5 meter lang verlengsnoer wat aan de WCD is opengelaten, afgesloten met 50 Ω, of is kortgesloten.

De frequentieschaal loopt van 1 tot 300 MHz en de absolute impedantie schaal loopt van -10 dBΩ (= 0,3 Ω) tot 90 dBΩ ( = 30 kΩ). De stralingsmetingen beginnen normconform meestal vanaf 30 MHz, daar waar de impedantie-resonanties voor een 1,5 meter lang snoer al gaan plaatsvinden. Indien er ‘verborgen’ bekabeling in de meetkooi aanwezig is tussen de WCD en het netfilter, zullen deze resonanties al vanaf veel lagere frequenties optreden.

 

Figuur 1. Asymmetrische impedantie gemeten aan een 1,5 meter lang netsnoer, open, met kortsluiting en met een 50 Ω afsluiting aan de stekerzijde.

Inconsistentie in de meetnormen

De diverse EMC-normen schrijven soms een AMN, dan weer een CDN of (MDS, EM of ferriet) clamp of soms helemaal niets voor met betrekking tot de impedantiedefinitie aan de lichtnetaansluiting tijdens een RF-emissie of RF-immuniteitstest. Zoals al aangegeven, kan dit zo’n 40 dB verschil opleveren bij een specifieke frequentie en het zal zo’n vaart niet lopen als het gaat om een breedbandige stoorbron, dan is er altijd wel een stoorcomponent met een frequentie die samenvalt met een maximum efficiëntie van de impedantie-afstemming van die lengte van de lichtnetkabel.

Helaas wordt in de laatste IEC CISPR 32 weer referentie gemaakt naar een AMN in plaats van een CDN. Hierdoor ontstaan er dan weer ‘harde’ knopen voor de PE-geleider van de lichtnetaansluiting, maar wel een eenduidig bepaalde impedantie voor de asymmetrische fase(n) en neutrale geleider ten opzichte van PE. Door toepassing van een AMN in een qua RF-impedantie ongedefinieerde lichtnetvoeding ontstaat aan de EUT nul/fase-aansluiting van de AMN een minimale impedantievariatie ten opzichte van PE, zie figuur 2 van 34 dBΩ (= 50 Ω).

Figuur 2. Asymmetrische impedantie aan de EUT-zijde van een AMN bij open, kortsluiting en 50 Ω aan de voedingszijde

Figuur 2 laat zien, in tegenstelling tot de eisen van IEC CISPR 16-1-2 dat een dummy AMN gemaakt kan worden, zie figuur 3, die een redelijke impedantie kan realiseren van 50 Ω tot ver boven de 30 MHz, iets wat voor een (commercially of the shelf, COTS) AMN’ s meestal niet geldt.

Het blijft hierbij wel een voorwaarde dat de WCD waarin de dummy AMN wordt gestoken zijn PE-aansluiting direct met de metalenbodemreferentie verbonden heeft. Een alternatief wordt dan een extra aansluiting aan de dummy AMN waarmee dit lokaal bij de WCD van de draaitafel wordt gedaan.

Figuur 3. Foto van dummy AMN en dummy CDN met kalibratienetwerk met een open, afgesloten en RF-matig kortgesloten WCD aansluiting.  

Het andere pad, dat ook al een aantal maal is gepoogd in de revisies van IEC CISPR 22, is om een ferriet-clamp (bijvoorbeeld de MDS-clamp) op de lichtnetkabel (en eventueel ook andere kabels) te gebruiken om hiermee de common-mode impedantie te stabiliseren. Common-mode impedantiewaarden tussen 50 en 500 Ω waren hiervoor als doel gesteld. Voor de lichtnetkabel of een andere 2- of 3-aderige onafgeschermde signaal of voedingskabel zou je dit met een 50 Ω afgesloten CDN M2 of M3 (conform IEC 61000-4-6) kunnen doen. Ook hier is het relatief simpel, indien dit dummy CDN netwerk niet voor meetdoeleinden wordt gebruikt, om dit in een kleine behuizing onder te brengen, zie figuur 3, waarbij de dummy CDN functie in dezelfde behuizing als een dummy AMN is ondergebracht. In tegenstelling tot de dummy AMN heeft de dummy CDN voor alle geleiders totaal een common-mode impedantie van 150 Ω, oftewel 44 dBΩ, dit met de impedantietoleranties zoals ook aangegeven in de IEC 61000-4-6, zie figuur 4.

Figuur 4. Common-mode impedantie aan de EUT-zijde van een dummy CDN waarbij de ingang open, afgesloten met 50 Ω en RF-matig kortgesloten is.

In figuur 4 zijn de 3 condities die kunnen optreden aan de WCD: open, afgesloten en hoogohmig gebruikt om de variatie van de common-mode impedantie aan de WCD zijde van de dummy CDN weer te geven. De waarde van de absolute impedantie zou voor frequenties boven de 26 MHz mogen variëren tussen 106 en 212 Ω, oftewel 44 dBΩ ± 3 dB = 41 tot 47 dBΩ.

Zonder dergelijke common-mode stabiliserende maatregelen aan de WCD zou deze weer kunnen variëren van een open, afgesloten of RF-matig kortgesloten condities, zie figuur 5. Hierbij is de parasitaire impedantie van een randgeaarde steker meegenomen als extra pad-lengte (= inductie) en extra capaciteit tussen de aansluitpennen naar de metalen bodemreferentie. Wanneer je dit gaat meten na 1,5 meter lichtnetkabel, dan worden de impedanties weer onbestemd, zie figuur 6.

Figuur 5. Common-mode impedantie aan een randaarde steker wanneer deze aan zijn contacten open, afgesloten met 50 Ω en RF-matig kortgesloten is.

    

Figuur 6. Common-mode impedantie aan de EUT-zijde van een AMN na 1,5 meter lichtnetkabel bij een open, kortsluiting en 50 Ω aan de voedingszijde.

 

Conclusies

Als een elektrisch of elektronisch apparaat bij de ‘radiated’ RF-emissie en/of RF-immuniteitstesten faalt, dan dient men zich af te vragen of de kabel-afsluitimpedanties overeen komen met wat men ervan verwacht. Zelfs bij een goedkeur, zou men zich moeten afvragen of dit dan bij alle toepassingen het geval zou kunnen zijn.

Bij een groot aantal EMC-meetinstituten is de impedantie achter de WCD (geldt ook voor de andere niet-afgeschermde signaal- en/of voedingssignalen) bij de EMC-meetkooien (geldt ook voor TEM-cellen, G-TEM-cellen, mode-stirred chambers, MSC’s) niet eenduidig bepaald en mogelijk een oorzaak voor grote verschillen van de resultaten/bevindingen in het bijzonder in de frequentieband beneden de 300 MHz.

De verschillende EMC-standaarden zijn niet eenduidig over de wijze waarop de lichtnetkabel qua impedantie moet worden aangesloten naar de metalen bodemreferentie bij deze ‘radiated’ opstellingen, en ze zijn zo een bron voor ‘eigen’ interpretaties.

Met behulp van een of twee eenvoudige dummy netwerken – AMN, CDN – kan de invloed van de RF-afsluiting van een lichtnetkabel worden gecontroleerd en kan in hoge mate de reproduceerbaarheid van de meetresultaten worden verhoogd.

Mart Coenen, EMCMCC