GTEM-Zellkammer vs. reflexionsarmer Raum für kleine Elektronik

Abstract
Im Bereich der EMV-Vorabprüfung dienen reflexionsarme Kammern als traditioneller Standardprüfort. Ihre hohen Baukosten und der große Platzbedarf stellen jedoch erhebliche Hürden für kleine und mittlere Elektronikhersteller dar. Die GTEM-Zellenkammer ist ein neuartiges EMV-Prüfgerät, das auf TEM-Zellen basiert. Sie nutzt eine asymmetrische, sich verjüngende Rechteckstruktur, um den freien Raum zu simulieren und stabil gleichmäßige transversale elektromagnetische (TEM-)Wellen innerhalb der Kammer zu erzeugen. Dies stellt eine ausgereifte, leichte Messtechnik dar, die sich in den letzten zehn Jahren in der EMV-Branche etabliert hat. Dieser Artikel befasst sich mit LISUN GTEM-2 Die GTEM-Zellenkammer dient als zentrales Forschungsobjekt und vergleicht sie hinsichtlich Kosten, Platzbedarf, Testeffizienz und Normenkonformität mit herkömmlichen reflexionsarmen Kammern. Dabei werden die Kernvorteile der GTEM-Zellenkammer in der F&E-Phase von kleinen IoT-Geräten, Leiterplattenmodulen, tragbarer Elektronik und kleinen Haushaltsgeräten aufgezeigt. In Kombination mit Normen wie … IEC 61000-4-20 und GB/T 17626.3, bestätigt dieses Dokument die Gültigkeit seiner Testdaten und bietet technische Referenzen für Unternehmen zur Auswahl von EMV-Laborgeräten.

Grundprinzipien und technische Grundlagen der GTEM-Zellkammer

GTEM steht für Gigahertz Transversale Elektromagnetische Zelle. Im Wesentlichen handelt es sich um eine verbesserte und erweiterte Version herkömmlicher TEM-Zellen. Traditionelle TEM-Zellen weisen eine geringe obere Bandbreite auf und eignen sich nur für Niederfrequenzmessungen. Im Gegensatz dazu GTEM-Zellkammer Die Koaxialstruktur wird räumlich erweitert, der Innenleiter in ein Metallseptum ausgedehnt und die Außenhülle als Außenleiter genutzt. Die Gesamtstruktur ist ein asymmetrischer, sich verjüngender rechteckiger Hohlraum, der mit angepassten Widerstandsanordnungen und wellenabsorbierenden Materialien am Ende ausgestattet ist, um eine Breitband-Impedanzanpassung von 50 Ohm zu realisieren. Er kann reflexionsfreien Freiraum in einer geschlossenen Kammer simulieren und stabil TEM-Wellen über das gesamte Frequenzband erzeugen.

In Bezug auf die Struktur, LISUN GTEM-2 Die GTEM-Zellenkammer hat Abmessungen von 1950 × 950 × 700 mm. An der Vorderseite befindet sich ein N-Typ-HF-Anschluss, mittig eine Abschirmtür mit Sichtfenster. Im Inneren ist eine gleichmäßige 3-dB-Testzone von 200 × 200 × 100 mm angeordnet, die Prüflinge mit maximalen Abmessungen von 260 × 400 × 130 mm aufnehmen kann und somit die Abmessungen der meisten kleinen Elektronikprodukte abdeckt. Die elektrische Feldstärke im Kern lässt sich durch Eingabe der HF-Leistung und des Septumabstands präzise berechnen. Der Feldstärkebereich von 0 bis 200 V/m erfüllt alle Anforderungen der Störfestigkeitsprüfung (1–30 V/m) gemäß IEC 61000-4-3.

Die GTEM-Zellenkammer zeichnet sich durch ihre Breitbandleistung im Frequenzbereich von Gleichstrom bis Mikrowellen aus. Ein einzelnes Gerät kann zwei zentrale EMV-Prüfungen durchführen: die Prüfung der Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern (EMS) und die Vorabprüfung der Emissionsgrenzwerte (EMI). Durch die Kombination mit dem Signalgenerator LS-SMB100B, dem Leistungsverstärker der Serie LS-PA und der Feldsonde LS-PB60 lässt sich ein vollautomatisches Prüfsystem aufbauen. EMI-9KC Das System unterstützt vollautomatische Tests per Software, ohne dass Antennen und Drehteller wiederholt manuell justiert werden müssen, wodurch die Testzyklen erheblich verkürzt werden. 

GTEM-2 GTEM-Zellkammer

Vier Kernvorteile der GTEM-Zellenkammer im Vergleich zur reflexionsarmen Kammer für die Forschung und Entwicklung kleiner Elektronikprodukte

Deutlich reduzierte Bau- und Betriebs- und Wartungskosten
Eine herkömmliche 3-Meter-Halbreflexionskammer benötigt ein separates Labor, eine abgeschirmte Stahlkonstruktion, ferritische Wellenabsorptionsmaterialien an allen Wänden, Drehtische und mehrere Gruppen von Breitband-Sende- und Empfangsantennen. Die Gesamtinvestitionen für Bau und Ausrüstung sind 4- bis 10-mal so hoch wie die einer GTEM-Zellenkammer mit vergleichbaren Spezifikationen.

• Anfangsinvestition: Das komplette EMV-Testsystem von LISUN GTEM-2 Das System umfasst einen GTEM-Hohlraum, einen Signalgenerator, einen Leistungsverstärker, ein Feldstärkemessgerät und eine automatische Testsoftware. Die Gesamtanschaffungskosten betragen lediglich 15–25 % einer kleinen Halbreflexionskammer. Es sind weder Umbauten in der Fabrik noch spezielle bauliche Abschirmungsmaßnahmen erforderlich, und das System kann in Standardwerkstätten und Forschungs- und Entwicklungsbüros aufgestellt werden.

• Energieverbrauch: Schalltote Kammern strahlen elektromagnetische Wellen über externe Antennen ab. Bei Messungen mit derselben Feldstärke von 30 V/m benötigen sie eine deutlich höhere Verstärkerleistung als die GTEM-Zellenkammer. Die GTEM-Zellenkammer koppelt homogene elektrische Felder direkt über die interne Trennwand ein, wodurch die HF-Leistungsausnutzung um mehr als 80 % verbessert und die Stromkosten langfristig erheblich gesenkt werden.

• Langfristige Wartung: Die Wellenabsorptionsmaterialien von reflexionsarmen Kammern müssen alle 3 bis 5 Jahre komplett ausgetauscht werden, Antennen und Drehtische erfordern eine jährliche Kalibrierung. Die GTEM-Zellenkammer hingegen verwendet einen integrierten, metallgeschweißten Hohlraum mit einem typischen VSWR von ≤ 1.5 und kommt ohne verbrauchbare Wellenabsorptionsmaterialien aus. Lediglich eine jährliche Kalibrierung der Portimpedanz ist erforderlich, wodurch der Wartungsaufwand um 70 % reduziert wird.

Minimaler Platzbedarf, geeignet für Forschungs- und Entwicklungsstandorte kleiner und mittlerer Unternehmen
Anechoische Kammern stellen strenge Anforderungen an den Fernfeldabstand. Eine 3-Meter-Kammer benötigt mindestens 25 Quadratmeter abgeschlossenen Raum, während eine 10-Meter-Kammer mehr als 50 Quadratmeter umfasst. Den meisten kleinen und mittelständischen Elektronikunternehmen fehlen die entsprechenden Standortbedingungen.

Die GTEM-Zellkammer zeichnet sich durch eine integrierte, kompakte Gehäusestruktur aus. GTEM-2 Beispielsweise beträgt das Gesamtvolumen der Maschine nur 1.3 Kubikmeter. Sie kann vollständig in einen 40-Fuß-High-Cube-Container verladen und innerhalb von 1 bis 3 Tagen nach Lieferung in Betrieb genommen werden. Mehrere GTEM-Einheiten lassen sich nebeneinander aufstellen, um parallele Vortests verschiedener Produktlinien ohne HF-Übersprechen durchzuführen. Die flexible Raumaufteilung bietet entscheidende Vorteile für die Forschung und Entwicklung kleiner Elektronikprodukte, die durch häufige Iterationen und gleichzeitige Serientests mehrerer Prototypen gekennzeichnet sind.

Höhere Testeffizienz zur Unterstützung schneller Iterationen in der F&E-Phase
Der F&E-Zyklus kleiner Elektronikprodukte ist kurz und erfordert häufige Überarbeitungen von Leiterplatten und Bauteilen sowie wiederholte EMV/EMS-Vorabtests. Das Testverfahren in reflexionsarmen Räumen ist aufwendig:

– Bei der Prüfung in einer reflexionsarmen Kammer müssen das Prüfobjekt bewegt, die Winkel des Drehtisches angepasst, die Sende- und Empfangsantennen umgeschaltet und die Antennenhöhen kalibriert werden. Eine einzelne Gruppe von Strahlungstests dauert 1 bis 2 Stunden.

Bei der GTEM-Zellenkammer müssen Anwender das Produkt lediglich in den internen, 3 dB homogenen Bereich platzieren und die EMI/EMS-Testmodi per Software mit einem Klick umschalten. Ein vollständiger Testdurchlauf dauert nur 15 bis 30 Minuten. Dutzende Prototypen können täglich geprüft werden, um elektromagnetische Störquellen schnell zu lokalisieren und die Entwicklungszyklen zu verkürzen.

Entspricht internationalen Standards mit referenzierbaren Vorab-Testdaten
Viele Ingenieure unterliegen dem Irrglauben, dass nur Daten aus reflexionsarmen Räumen für eine Zertifizierung ausreichen. IEC 61000-4-20 definiert die GTEM-Zellkammer speziell als konforme Vorprüfstelle, und ihre Messergebnisse werden auch von der entsprechenden nationalen Norm GB/T 17626.20 in China anerkannt:
• Störfestigkeit gegen Strahlung (EMS): Das GTEM-Testsystem erfüllt vollständig die Anforderungen von IEC 61000-4-3 und GB/T 17626.3. Drittlaboratorien erkennen in der Regel Vortestdaten aus der GTEM-Zellenkammer an, um Störfestigkeitsprobleme gegen Strahlung im Vorfeld zu vermeiden.

• Abgestrahlte Emissionen (EMI): In Kombination mit einem EMI-Empfänger simuliert das System die Umgebung eines Freifeldmessplatzes (OATS) mittels mathematischer 3D-Modellierung, um Vorab-Konformitätsprüfungen gemäß CISPR 11/22/25 durchzuführen. Bevor Proben zur offiziellen Zertifizierung in reflexionsarme Kammern gesendet werden, können Ingenieure übermäßige Störgeräusche im Vorfeld optimieren und die Kosten für Nachprüfungen erheblich reduzieren.

Vergleichstabelle der wichtigsten Indikatoren: GTEM-Zellkammer vs. 3-m-Halbreflexionskammer

Anwendbare Szenarien und Einschränkungen der GTEM-Zellkammer

Kernanwendungsszenarien der GTEM-Zellkammer
• Forschung und Entwicklung von Unterhaltungselektronik: intelligente Armbänder, Bluetooth-Kopfhörer, Sensormodule, kleine Netzteile, Smart-Home-Controller;
• Industrielle kleine elektronische Steuereinheiten: Leiterplatten-Steuerplatinen, Niederspannungs-Erfassungsmodule, tragbare Testgeräte;
• Vorprüfungslabore von Universitäten und externen Prüfinstitutionen: für Lehrzwecke und die Vorprüfung von Proben, um die Kosten für die Buchung formeller reflexionsarmer Räume zu senken;
• Vorprüfung der Störfestigkeit kleiner militärischer und Energiekomponenten auf Strahlungsbeständigkeit gemäß den Vorab-Konformitätsanforderungen der IEC und nationaler Normen.

Einschränkung Erklärung
Die GTEM-Zellkammer dient der Durchführung von Vorversuchen in der Forschung und Entwicklung und kann reflexionsarme Kammern nicht vollständig ersetzen. Für die offizielle Produkteinführung und Zertifizierungsberichte durch Dritte müssen formale Zertifizierungstests in halb- oder vollreflexionsarmen Kammern durchgeführt werden. Große Geräte mit Abmessungen von mehr als 1300 × 2000 × 650 mm sind zwar kompatibel mit… GTEM-8 Dieses Modell bietet ein schlechteres Kosten-Nutzen-Verhältnis als reflexionsarme Kammern und ist daher nicht empfehlenswert.

Fazit

Entwickelt aus TEM-Zellen mit asymmetrischer, sich verjüngender Struktur, GTEM-Zellkammer Simuliert Freiraum-TEM-Wellen in einem geschlossenen Hohlraum. Als leichte EMV-Prüftechnologie erfüllt sie perfekt die Anforderungen an Vortests in der Forschungs- und Entwicklungsphase kleiner Elektronikprodukte. Im Vergleich zu herkömmlichen reflexionsarmen Kammern, LISUN GTEM-2 Die GTEM Cell Chamber-Serie zeichnet sich durch fünf Kernstärken aus: niedrige Kosten, minimaler Platzbedarf, schnelle Einsatzbereitschaft, hohe Testeffizienz und Einhaltung internationaler EMV-Vorprüfungsstandards. Damit werden zwei große Probleme kleiner und mittlerer Elektronikunternehmen beim Aufbau von EMV-Laboren gelöst: begrenztes Kapital und unzureichender Platz vor Ort.

Für Hersteller von kleinen IoT-Geräten, Wearables, Leiterplattenmodulen und kleinen Haushaltsgeräten bietet der Einsatz der GTEM-Zellenkammer in der Produktentwicklung, bei der Prototypenüberarbeitung und bei Vorabtests von Serienprodukten die Möglichkeit, Risiken elektromagnetischer Störungen von vornherein zu eliminieren und den Zeit- und Kostenaufwand für die Zertifizierung durch externe reflexionsarme Kammern drastisch zu reduzieren. Benötigen Unternehmen offizielle Konformitätsbescheinigungen, können sie eine Kombination aus GTEM-Vortest und abschließender Prüfung in externen reflexionsarmen Kammern nutzen, um ein optimales Verhältnis zwischen Kosten-Nutzen-Verhältnis und Einhaltung gesetzlicher Vorschriften zu erzielen.