Kalibrierung von Magnetfeldantennen mittels kontaktloser vektorieller Netzwerkanalyse

Der Qualifizierung leitungsgebundener und gestrahlter Störgrößenemissionen im Frequenzbereich bis 80 MHz kommt durch den vermehrten Einsatz leistungselektronischer Schaltungen mit immer schneller schaltenden Bauelementen eine immer größere Bedeutung zu. Eine Erfassung der gestrahlten Störgrößenemission wird in diesem Frequenzbereich größtenteils unter Nahfeldbedingungen durchgeführt. Da unter diesen Bedingungen die Feldkopplung maßgeblich durch das Magnetfeld verursacht wird, werden in diesem Frequenzbereich zur Messung der Störgrößen üblicherweise Magnetfeldantennen verwendet. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines rückführbaren Kalibrierverfahrens für Magnetfeldantennen unter Anwendung eines Verfahrens zur kontaktlosen vektoriellen Netzwerkanalyse.

Hierbei wird die Magnetfeldantenne als Zweitor interpretiert, bei welchem das erste Tor durch den Port am Antennenfußpunkt und das zweite Tor durch die den Antennenschlitz umfassende Stromzange realisiert wird. Dieses Modell wird anhand einer vollständigen analytischen Beschreibung der Magnetfeldantenne validiert. Mithilfe dieses Kalibrierverfahrens ist es somit möglich Magnetfeldantennen am Ort der Messung rückführbar zu Kalibrieren, wodurch automatisch sämtliche parasitären Verkopplungen des Messaufbaus mit der Umgebung im ermittelten Antennenfaktor berücksichtigt sind. Abschließend wird ein Vergleich der mittels etablierter Kalibrierverfahren und des hier neu präsentierten Kalibrierverfahrens unter Laborbedingungen durchgeführt.

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The increasing amount of power electronics in combination with decreased switching times of power semiconductors in daily life products as well as industry applications gives the necessity to qualify unintended cablebound and field coupled disturbances even for frequencies below 80 MHz. As radiated measurements within this frequency range are performed under nearfield conditions, the coupled power is mainly provided by the magnetic field. Thus in this frequency range magnetic loop antennas are mainly used for qualification of radiated emissions. In [CHS11] and [IF14] investigations on these calibration methods are presented and it is stated, that in some cases large variations of the resulting antenna factors occur. A more detailed investigation of the calibration methods has shown, that all of these are based on the generation of an analytical describable magnetic field. As no qualification measurement based on a national standard can be performed, the measurement chain can not be seen as traceable and thus also these calibration methods can not be seen as traceable, too. The error caused by boundary conditions is always hard to quantify, especially when generating an analytical describable field for antenna calibration.

That leads to the objective of this work to develop a traceable calibration routine for magnetic loop antennas based on a contactless vectorial network analysis procedure. The principle of the contactless vectorial network analysis is presented in [Jun09] as the in situ calibration of current probes. Using this analytical failure term model allows the determination and correction of the current probes complete scattering parameters. Interpreting the loop antenna as a two-port network, where one port is represented by the antennas port at the feed point network and the other port is realized by clamping the current probe over the antennas shielding gap, the scattering parameters of the complete measurement setup can be measured using a vector network analyser. During postprocessing the error terms caused by the current probe are corrected to obtain the real scattering parameters of the loop antenna. Finally the antenna factor can be calculated using these scattering parameters, which already consider all parasitic coupling of the antenna and used measurement cables with the electromagnetic environment. A good match between the resulting antenna factors of the different calibration routines can be stated under laboratory conditions. Der Qualifizierung leitungsgebundener und gestrahlter Störgrößenemissionen im Frequenzbereich bis 80 MHz kommt durch den vermehrten Einsatz leistungselektronischer Schaltungen mit immer schneller schaltenden Bauelementen eine immer größere Bedeutung zu. Eine Erfassung der gestrahlten Störgrößenemission wird in diesem Frequenzbereich größtenteils unter Nahfeldbedingungen durchgeführt. Da unter diesen Bedingungen die Feldkopplung maßgeblich durch das Magnetfeld verursacht wird, werden in diesem Frequenzbereich zur Messung der Störgrößen üblicherweise Magnetfeldantennen verwendet. Die von [CHS11] und [IF14] durchgeführten Untersuchungen der bisher zur Kalibrierung von Magnetfeldantennen genutzten Kalibrierverfahren in Form der Standardfeld-, Standardantennen- und Dreiantennenmethode zeigten, dass diese Verfahren teilweise zu deutlich unterschiedlichen Antennenfaktoren führen. Eine genauere Untersuchung dieser Kalibrierverfahren führt zu dem Ergebnis, dass diese Kalibrierverfahren alle auf der Generierung eines analytisch beschreibbaren Magnetfeldes basieren. Durch die ausschließlich analytische Beschreibung besteht keine Rückführbarkeit der Messkette, da keine Messung in Bezug auf einen nationalen Standard durchgeführt wird. Gerade bei der Realisierung geeigneter, im Prinzip analytisch beschreibbarer Kalibrierfelder kommt es durch unvermeidliche Randbedingungen immer zu schlecht quantifizierbaren Störeinflüssen.

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines rückführbaren Kalibrierverfahrens für Magnetfeldantennen unter Anwendung eines Verfahrens zur kontaktlosen vektoriellen Netzwerkanalyse. Das Prinzip der kontaktlosen vektoriellen Netzwerkanalyse basiert auf der von Junge in [Jun09] entwickelten In-situ-Kalibrierung von Stromzangen, welche mittels eines analytischen Fehlermodells die Aufnahme und Korrektur der vollständigen Systemeigenschaften einer Stromzange ermöglicht. Die Magnetfeldantenne selbst wird bei diesem Kalibrierverfahren als Zweitor interpretiert, bei welchem das erste Tor durch den Port am Antennenfußpunkt und das zweite Tor durch die den Antennenschlitz umfassende Stromzange realisiert wird. Mittels eines vektoriellen Netzwerkanalysators wird der Streuparametersatz des gesamten Messkreises aufgenommen, welcher in der nachgelagerten Datenverarbeitung um den Einfluss der Stromzange korrigiert wird. Dieser „echte“ Streuparametersatz der Magnetfeldantenne wird schließlich zur Berechnung des Antennenfaktors verwendet. Ein großer Vorteil dieser Art der Kalibrierung ist, dass die Magnetfeldantenne mit relativ wenig Aufwand direkt am Ort der Messung inklusive des Anschlusskabels an das Messgerät kalibriert werden kann, wodurch alle parasitären Verkopplungen des gesamten Messaufbaus berücksichtigt werden. Der abschließend durchgeführte Vergleich der unter Laborbedingungen mit den unterschiedlichen Kalibrierverfahren ermittelten Antennenfaktoren zeigte sowohl für passive als auch für aktive Magnetfeldantennen gute Übereinstimmung.