Moderne drahtlose Geräte benötigen leistungsstarke Antennen, um eine stabile Kommunikation, präzise Datenübertragung und eine hohe Langlebigkeit zu gewährleisten. Da Produkte zunehmend Bluetooth-, WLAN-, GPS- und 5G-Module sowie zahlreiche HF-Systeme in kompakten Bauformen integrieren, müssen Ingenieure weiterhin sicherstellen, dass die Antennen effektiv arbeiten und keine unnötigen Störungen verursachen. In diesem Zusammenhang … EMV-Tester ist ein unverzichtbares Werkzeug zur Bewertung und Validierung des Antennenverhaltens bei der Prüfung der abgestrahlten Emissionen.
Da abgestrahlte Emissionen einen direkten Einfluss auf die Qualität der drahtlosen Kommunikation und die Einhaltung der Vorschriften haben, ist es sinnvoll zu wissen, wie, was und wie bei der Bewertung des Antennenverhaltens gemessen wird.

Verständnis der abgestrahlten Emissionen

Abgestrahlte Emissionen entstehen durch unbeabsichtigte elektromagnetische Störungen in elektronischen Schaltungen. Das von einem Gerät abgestrahlte Rauschen tritt auf, wenn es in Betrieb ist, Strom schaltet, Logik- oder Hochfrequenzoszillatoren oder Kommunikationsmodule verwendet werden. Antennen können ihrerseits ungewollt als effektive Sender dieses Rauschens fungieren. Selbst Leiterbahnen auf Leiterplatten, Kabel oder mechanische Strukturen können bei bestimmten Frequenzen als Antennen wirken und unerwünschte Emissionen verstärken.

Hier kommt die Prüfung der abgestrahlten Emissionen zum Einsatz. Sie misst die vom Prüfling abgegebene elektromagnetische Energie und stellt sicher, dass die Emissionen die gesetzlich zulässigen Grenzwerte gemäß Normen wie CISPR, FCC Part 15 und IEC 61000 nicht überschreiten. Diese Grenzwerte tragen dazu bei, Störungen anderer elektronischer Produkte zu vermeiden und sicherzustellen, dass das Produkt benachbarte Kommunikationssysteme nicht beeinträchtigt.

Antennen dienen sowohl der Kommunikation als auch der potenziellen Abstrahlung von Störungen. Daher ist es wichtig, ihre Leistungsfähigkeit bei Emissionsprüfungen zu bewerten. EMV-Tester sind dabei ein zentrales Werkzeug, das Ingenieure bei der Erkennung, Interpretation und Behebung von Problemen unterstützt, die durch das Antennenverhalten entstehen.

Wie ein EMV-Tester die Antennenleistungsanalyse unterstützt

EMV-Tester Das Gerät misst und speichert die von einem Gerät abgegebene elektromagnetische Energie. Bei der Antennenprüfung überwacht es die Frequenzspitzen, vergleicht die Messwerte mit den Normvorgaben und hebt Frequenzen hervor, bei denen die Antennenleistung zu starkem Rauschen führen kann.

Präzise Messung von Emissionsspitzen

Es ist bekannt, dass Antennenstrukturen bei bestimmten Frequenzen Resonanz zeigen. Diese Resonanzspitzen werden mit dem EMV-Tester präzise gemessen, sodass die Ingenieure feststellen können, welche Frequenzen zum Emissionsniveau beitragen, und auch den Beitrag der Antenne zum Emissionsniveau untersuchen können.

Auswertung von Polarisation und Orientierung

Da die Abstrahlung der Antennen je nach Ausrichtung variiert, muss das Gerät gedreht und sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Polarität getestet werden. Diese Ausrichtungen werden vom EMV-Tester erfasst und dienen dazu, die Antenne zu identifizieren, die die Ursache für einen Anstieg der Spitzenwerte ist.

Unterstützung für standardisierte Messbandbreiten

Die Konformitätsnormen legen strenge Bandbreitenvorgaben für Strahlungsmessungen fest. Professionelle EMV-Prüfer halten sich an diese Vorgaben und messen dabei Antennenstrahlungsmuster und unerwünschte Emissionen unter geeigneten Bedingungen. Dies gibt den Ingenieuren die Sicherheit, dass die Daten bei der Analyse von Antennenproblemen zuverlässig sind.

Das LISUN In Laboren sind solche Geräte üblicherweise mit Funktionen zur automatischen Abtastung, Datenaufzeichnung und Frequenzmarkierung ausgestattet. Steuergerätetester werden in Verbindung mit kalibrierten Antennen und Drehtellern als Teil eines Emissionsanalysesystems eingesetzt. LISUN Automatisierungssoftware. Diese ermöglicht es Ingenieuren, die Antennenmuster und die Emissionsergebnisse direkt miteinander zu korrelieren.

Abbildung: EMI-Testempfänger

Bedeutung der Antennenbewertung bei der Prüfung der abgestrahlten Emissionen

Antennen dienen nicht nur zum Senden und Empfangen. Sie können auch unbeabsichtigtes internes digitales Rauschen erzeugen. Größe, Form, Ausrichtung und Position beeinflussen die Emissionsstärke erheblich. Beispielsweise können bereits minimale Abweichungen in der Antennenausrichtung oder der Struktur der Grundplatte Emissionsspitzen bei harmonischen Frequenzen innerhalb empfindlicher Frequenzbänder verursachen.
Die Prüfung der abgestrahlten Emissionen deckt diese Probleme in den frühen Phasen der Zertifizierung auf. Falls die Antenne Störungen aussendet, zeigt das EMV-Prüfgerät hohe Ausschläge bei festgelegten Frequenzen an, die dort nicht auftreten sollten. Daraufhin können die Ingenieure Korrekturmaßnahmen ergreifen, wie z. B. die Neugestaltung der Massefläche, Abschirmung, Modifizierung von HF-Schaltungen oder Filterung der angeschlossenen Schaltungen.
Werden Antennen in kleine Geräte wie Smartphones oder IoT-Module integriert, besteht stets das Risiko, dass mehrere Komponenten über gemeinsame Masse- und Stromversorgungsstrukturen verfügen. EMV-Tester helfen dabei, erwünschte Sendeleistung und unerwünschte Strahlung zu trennen und das tatsächliche Verhalten einer Antenne besser zu analysieren.

Wichtige Messungen, die mit EMV-Testern durchgeführt wurden

Bei der Prüfung der abgestrahlten Emissionen sind verschiedene Messungen entscheidend, um das Verhalten der Antennen zu verstehen. Jede Prüfung liefert wertvolle Hinweise auf die Ausbreitung von Störungen und das Verhalten von Antennenkonstruktionen sowie auf die Minimierung von Emissionen.

Frequenzbereichsabtastung

Das EMV-Testgerät verfügt über einen großen Frequenzbereich, typischerweise von 30 MHz bis zu mehreren Gigahertz. Während dieses Scans werden die Peaks sichtbar, die mit der Antennenresonanz oder internem Schaltrauschen zusammenhängen. Diese Messwerte helfen Ingenieuren, Verbesserungspotenzial im Design zu erkennen.

Harmonische und Subharmonische Identifizierung

Antennenstrukturen können unbeabsichtigt die zweite, dritte oder höhere Ordnung interner Oszillatoren erhöhen. Die Bestimmung dieser Harmonischen ist wichtig für Geräte mit Schaltnetzteilen hoher Frequenz oder für Geräte mit Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikation.

Korrelation mit dem Antennengewinn

Antennen mit hoher Verstärkung können ungewollt zusätzliches unerwünschtes Rauschen abgeben. EMV-Tester helfen dabei, Korrelationen zwischen den Antennenverstärkungseigenschaften und den Emissionsspitzen herzustellen. Dies ermöglicht dem Ingenieur einen detaillierteren Einblick in den Einfluss der Leistung auf die Konformität der Antennen.

Häufige Ursachen für Ausfälle der abgestrahlten Emissionen im Zusammenhang mit Antennen

Bei EMV-Prüfungen können verschiedene Konstruktionsprobleme zur Abstrahlung von Störungen über Antennen führen. Dazu gehören unter anderem eine fehlerhafte Auslegung der Massefläche, eine unzureichende Kontrolle des Rückwegs, eine übermäßige Strahlerwirkung der Leiterbahnen auf der Leiterplatte, eine unzureichende Abschirmung störungsanfälliger Schaltungen und asymmetrische Antennenzuleitungen.

Lange interne Kabel, wie sie in Geräten vorkommen, können als Antennen wirken und die Wahrscheinlichkeit erhöhen, dass ein Test zur Messung abgestrahlter Emissionen nicht bestanden wird. Auch Antennen, die sich zu nah an Schaltnetzteilen oder digitalen Hochgeschwindigkeitsschaltungen befinden, können Störungen abstrahlen. Nur ein EMV-Tester kann diese Probleme zuverlässig diagnostizieren, indem er die Störverteilung über das gesamte Frequenzspektrum misst.

Ausfälle aufgrund von Oberwellen, die von Mikrocontrollern, Oszillatoren und HF-Modulen verursacht werden, stellen ebenfalls ein Problem für Ingenieure dar. Wenn diese Oberwellen mit den Resonanzfrequenzen der Antenne übereinstimmen, werden die Emissionen verstärkt. EMV-Tester hilft dabei, diese Wechselwirkungen zu eliminieren und zeigt die Notwendigkeit einer Änderung der Antennenstruktur an.

Strategien zur Verbesserung der Antennenkonformität mithilfe von EMV-Testern

Vor der Auswertung der Testergebnisse ergreifen Ingenieure verschiedene Maßnahmen zur Reduzierung der Antennenemissionen. Die Optimierung der Geometrie der Grundfläche ist eine der effektivsten. Null- und symmetrische Grundflächen minimieren die unerwünschten Abstrahlungen von Zuleitungen und Signalwegen.
Störungen lassen sich minimieren, indem man die störungsanfälligen Komponenten abschirmt oder mit leitfähigen Gehäusen versieht. Die Menge an Rauschen, die die Antenne erreicht, kann außerdem durch Filterschaltungen, Ferritkerne und Drosseln reduziert werden.

In bestimmten Fällen lassen sich Emissionsprobleme durch die Anpassung der Antennenposition oder durch Abstimmung beheben. Spitzenemissionen können durch geringfügige Änderungen der Antennenlänge, der Antennenplatzierung oder der Anpassungsnetzwerke reduziert werden. Das EMV-Prüfgerät dient dazu, diese Änderungen durch Echtzeit-Rückmeldung während der Testzyklen zu bestätigen.

Fazit

Kurz und Test der abgestrahlten EmissionenDer EMV-Tester ist für die Prüfung der Antennenleistung unerlässlich. Durch hochpräzise Emissionsmessungen, die Erkennung resonanzbedingter Störungen und den Vergleich des Antennenverhaltens mit den gesetzlichen Grenzwerten unterstützt er Ingenieure bei der Entwicklung stabiler und standardkonformer drahtloser Produkte. Angesichts der zunehmenden Komplexität und Integration von Antennen ist die Fähigkeit zur Analyse und Interpretation von Emissionsmustern mithilfe professioneller Geräte, wie sie beispielsweise von EMV-Testern angeboten werden, von entscheidender Bedeutung. LISUN Die Kenntnis des Umgangs mit EMV-Testern gewinnt zunehmend an Bedeutung. Sie gewährleistet zudem, dass die Antennenkonstruktion internationalen Standards entspricht und die zur Ausführung der Antennenfunktionen verwendeten elektronischen Geräte keine unerwünschten Störungen verursachen.