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02.5 Vergleichende Messung der Schirmdämpfung - ResearchGate

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02.5. 1
02.5 Vergleichende Messung der Schirmdämpfung textiler Lagen
im Zeit- und Frequenzbereich
Dr.-Ing. M. Koch(1), Dr.-Ing. F. Sabath(2)
(1)
Autoflug GmbH, Industriestraße 10, 25462 Rellingen
Tel: (04101) 307 132, Fax: (04101) 307 110, Email: M.Koch@autoflug.de
(2)
Wehrwissenschaftliches Institut für Schutztechnologien – ABC-Schutz,
Postfach 11 42, 29623 Munster, Tel.: (05192) 136 606, Fax: (05192) 136 355
Email: FrankSabath@bwb.org
Zusammenfassung
Die Schirmung elektronischer Systeme ist neben der Filterung von Leitungen ein wesentlicher Bestandteil des Schutzes vor elektromagnetischer Beeinflussung. Die
Charakterisierung der verwendeten Materialien erfolgt üblicherweise durch die Messung der Schirmdämpfung im Frequenzbereich. Hierbei führt die immer weiter ansteigende obere Grenze des genutzten Frequenzspektrums zu einem extremen Ansteigen des Messaufwandes. In dem vorliegenden Artikel wird diskutiert, ob durch die
Vermessung der Schirmdämpfung mit schnellen, impulsförmigen Feldern extrem hoher Bandbreite und Anwendung der Fourieranalyse der Messaufwand auf ein vertretbares Maß begrenzt werden kann. In diesem Beitrag werden am Beispiel leitfähiger Gewebe die Schirmdämpfungsmessungen im Zeit- und Frequenzbereich vergleichend gegenübergestellt.
Einleitung
Mit zunehmender Verbreitung elektronischer Geräte in nahezu alle Anwendungsbereiche und der immer weiteren Absenkung der Signalpegel kommt dem Schutz elektronischer Systeme und Baugruppen eine hohe Bedeutung zu. Neben der Filterung
von Leitungen ist die Schirmung gefährdeter Bereiche ein häufig eingesetztes Verfahren zum Schutz elektronischer Komponenten. Neben der technischen Motivation
erfordert auch der Betriebsschutz zunehmend Maßnahmen zur Abschirmung von
elektromagnetischen Feldern. Um die Eignung eines Materials für den genannten
Zweck festzustellen, muss zunächst die Schirmdämpfung vermessen werden. Zur
Messung der Schirmdämpfung von dünnen Schichten stehen unterschiedliche Verfahren zur Verfügung. Die bekanntesten basieren auf IEEE 299-1997 [4], andere auf
dem Einfügen der Materialien zwischen zwei Wellenleitern. Da die Schirmdämpfungsmessungen derzeit im Frequenzbereich durchgeführt werden, führt die immer
weiter ansteigende obere Grenze des genutzten Frequenzspektrums zu einem extremen Ansteigen des Messaufwandes. Ein Möglichkeit zur Reduzierung des benötigten Messaufwandes besteht in der Vermessung der Schirmdämpfung mit schnellen, impulsförmigen Feldern extrem hoher Bandbreite (UWB-Signale) und Anwendung der Fourieranalyse. Dieser Ansatz führt insbesondere dann zu großer Aufwandsreduzierung (Zeit, Kosten), wenn im Rahmen einer Qualitätskontrolle eine
große Anzahl von Messobjekten untersucht werden muss. Da eine aktuelle Anwendung in der Qualitätskontrolle leitfähiger Textilien besteht, bei der durch eine extrem
hohe Anzahl an Messungen die Homogenität der Materialeigenschaften sicherge-
02.5. 2
stellt werden muss, wird die Anwendbarkeit von Zeitbereichsmessungen anhand dieses Beispiels untersucht.
Nach einer Vorstellung der untersuchten Textilien und ihrer Struktur werden zunächst
die Ergebnisse konventioneller Messungen im Frequenzbereich vorgestellt. Im Anschluss hieran werden alternative Messungen im Zeitbereich mit steilflankigen Pulsen unter Einsatz impulsabstrahlender Antennen (IRAs) diskutiert. Nach Anwendung
der Fouriertransformation werden die so ermittelten Schirmdämpfungswerte mit den
im Frequenzbereich gemessenen verglichen.
Leitfähige Textilien
Die eingesetzten Gewebe lassen sich in zwei
Hauptgruppen unterteilen:
1.1
Metallbeschichtete Gewebe (Typ A)
Metallbeschichtete Gewebe besitzen einen sehr
geringen Oberflächenwiderstand und eignen sich
zur hochfrequenten Abschirmung. Ein Nachteil ist
die relativ hohe Empfindlichkeit der Beschichtung
gegenüber mechanischer Beanspruchung. Sie
eignen sich daher schlecht zur Herstellung von
Schutzkleidung, da die Beschichtung durch Waschen beschädigt werden kann.
Gewebe mit Metallfilamenten oder -fasern (B)
1.1.1
Bild 1: Synthetisches Gewebe
beschichtet mit Silber
Durchgehende Metalfilamente (Typ B1)
Das Garn enthält ein durchgehendes Metallfilament und ist dadurch auch für Gleichstrom leitfähig. Verwendet werden versilberte oder lackierte
Kupferfäden, wenn eine möglichst hohe Leitfähigkeit erreicht werden soll, oder Edelstahl. Der leitfähige Faden kann umsponnen sein, so daß er
nicht an die Oberfläche des Garns kommt oder
spiralförmig eingesponnen, so daß er zumindest
teilweise an der Oberfläche liegt. Ist der Faden
eingesponnen oder lackiert, ist er schwer von außen zu kontaktieren. Ist der Faden versilbert und
liegt an der Oberfläche läßt sich ein leitender
Kontakt zwischen zwei Gewebestücken einfach
durch vernähen oder anpressen herstellen. Das
Bild 2: Swiss-Shield PCCS 2131,
kann bei einigen Anwendungen vorteilhaft sein, Polyester und versilberter Kupwenn z.B. geerdet werden muß oder leitfähige ferfaden,
Hüllen konfektioniert werden sollen bei denen ein
Stromfluß über Nähte hinweg nötig ist. Hauptanwendung sind die Abschirmung
hochfrequenter Felder, leichte, flexible Kabelschirme und Sensoren im elektromedizinischen Bereich.
02.5. 3
1.1.2
Metallfasern begrenzter Länge (Typ B2)
Das Garn enthält Metallfasern begrenzter Länge,
die sich gegenseitig nicht oder nur statistisch berühren und ist daher bei niedrigen Frequenzen
schwach leitfähig. Die Oberflächenleitfähigkeit
liegt im Bereich 10 5 Ω / sq - 1010 Ω / sq und wird
durch den Metallanteil gesteuert, der meistens
zwischen 8 und 15 % liegt. Aus diesem Garn hergestelltes Gewebe eignet sich zur Herstellung
antistatischer Bekleidung aber auch zur Abschirmung im hochfrequenten Bereich. Unter 200 MHz
ist die magnetische Schirmdämpfung sehr gering
und es können durch die begrenzte Faserlänge
resonanzartige Effekte auftreten, die zu einer negativen magnetischen Schirmdämpfung führen Bild 3: NAPTEX PM 30 FR, NO[2]. Oft ist es vorteilhaft, wenn die Fasern um- MEX mit Edelstahlfasern im
sponnen sind und nicht an der Oberfläche des Garnkern
Garns liegen, da an aus dem Gewebe ragenden
Metallspitzen hohe Feldstärken auftreten und so leicht Funken entstehen können.
Der Nachteil keine leitfähigen Verbindungen herstellen zu können entfällt, da die Fasern untereinander ebenfalls nicht leitfähig verbunden sind.
1.1.3
Metallgitter auf Textilien (Typ B3)
Es handelt sich um Gewebe aus konventionellem, nichtleitendem Garn, in das gitterförmig Bündel aus Metallfasern eingewebt sind. So entsteht praktisch ein auf das
Textil aufgebrachtes Metallgitter, dessen Maschenweite meistens zwischen 2 und 15
mm liegt und damit wesentlich größer ist als die des Trägergewebes.
Es ist auch üblich Schirme aus mehreren Lagen gleicher oder unterschiedlicher Gewebearten zu bilden um die gewünschte Schutzwirkung zu erreichen. Das Qualitätskriterium ist dabei die sogenannte „Schirmdämpfung“, die jedoch abhängig von der
Anwendung sehr unterschiedlich bestimmt wird.
Messung im Frequenzbereich
1.2
Messungen nach IEEE 299-1997
Die elektrische Schirmdämpfung wurde nach IEEE Std. 299-1997 [4] gemessen. Er
ersetzt den alten MIL-STD 285, der lange Referenz für Schirmdämpfungsmessungen
war. Messungen werden hier für je einen der oben erläuterten Gewebetypen dargestellt. Es handelt sich um die Gewebe AFG-515 (Typ A, Polyester versilbert), SwissShield PCCS 2131 (Typ B1, versilberter Kupferfaden), NAPTEX PM 30 FR (Typ B2,
10% Stahlfasern im Garnkern) und PM 12-4 (Typ B3, Maschenweite des Metallgitters
4x4 mm). Für die Messungen wurden logarithmisch-periodische Antennen benutzt.
Erforderlich ist nach [4] ein geschirmter Raum, der Innen mit Absorbern ausgekleidet
ist um Resonanzen zu vermeiden. In einer Wand befindet sich eine rechteckige Öffnung von 0,8 m x 0,6 m Seitenlänge. Sende- und Empfangsantenne stehen sich
02.5. 4
dies- und jenseits der Öffnung gegenüber. Die Übertragungsfunktion zwischen den
Antennen wird nun einmal bei unverkleideter Öffnung und einmal nachdem die Öffnung mit Stoff bespannt wurde vermessen und die Schirmdämpfung
berechnet. Die Antennenspitzen waren nach Norm 30 cm vor und hinter
dem Schirm positioniert. Die Polarisation war vertikal. Eine Vielzahl von
Messungen wurde durchgeführt. Es
wurden jeweils Kette und Schuß parallel zum elektrischen Feld orientiert
um die Isotropie zu testen. Wie erwartet verhält sich Typ A sehr isotrop,
während bei den anderen Typen maximale Unterschiede von 5 dB zwischen beiden Orientierungen festgestellt werden können. Hier sind Messungen nur für eine Orientierung darBild 4: Messanordnung nach IEEE Std 299-1997
gestellt.
60
60
40
40
S /d B
S /d B
Das generelle Verhalten ist für alle Gewebe ähnlich. Die elektrische Schirmdämpfung
steigt an, erreicht einen konstanten Wert und fällt zu hohen Frequenzen wieder ab.
Der Abfall zu hohen Frequenzen wird durch die Kopplung der Welle durch die Löcher
zwischen den leitfähigen Elementen hervorgerufen. Bei Typ B3 (PM 12-4), der gegenüber den anderen Geweben sehr große Löcher aufweist, setzt der Abfall daher
früher ein.
20
20
0
0
0
0,5
1
1,5
2
0
PCCS 2131
4
6
8
10
f/GHz
f/GHz
PM 30 FR
2
PM 12-4
AFG 515
PM 30 FR
PCCS 2131
PM 12-4
AFG 515
Bild 5: Schirmdämpfungswerte, gemessen nach IEEE Std 299-1997
1.3
Messung mit koaxialen Wellenleitern
Da die Messung mit Antennen nach [4] einen relativ hohen Aufwand mit sich bringt,
sind für Schirmdämpfungsmessungen an dünnen Schichten andere Messverfahren
in Gebrauch. So ist es üblich, die schirmende Schicht zwischen zwei Wellenleitern zu
plazieren und die Einfügedämpfung zu ermitteln. Es sind Rechteckhohlleiter und
TEM-Wellenleiter in Gebrauch. Der Vorteil der Hohlleiter liegt darin, dass sich in einem bestimmten Frequenzbereich nur der Grundmode (der erste H-Mode) ausbreiten kann, der el. Feldkomponenten nur einer Richtung beinhaltet. Das Gewebe kann
durch Drehen also auf Isotropie getestet werden. Der Nachteil liegt in der unteren
02.5. 5
Grenzfrequenz, die bei Hohlleitern praktisch annehmbarer Querschnittsabmessungen im GHz-Bereich liegt und darin, dass oberhalb eines schmalen
Frequenzbandes auch andere Moden ausbreitungsfähig sind.
Bild 6: Messaufbau (links) und Aufbau der Messköpfe (rechts)
Mit TEM-Wellenleitern lässt sich der
Frequenzbereich nach unten erweitern,
40
wobei zu hohen Frequenzen ebenfalls
höhere Moden ausbreitungsfähig wer20
den. Idealerweise müsste die Schirmende Schicht so in den Wellenleiter
0
eingefügt werden, dass der felderfüllte
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Querschnitt ausgefüllt wird, ohne jef/GHz
doch die Leiter zu unterbrechen. Es gibt
zwar so konstruierte Wellenleiter, die
PM 30 FR
PCCS 2131
PM 12-4
AFG 515
Messung ist durch die komplizierte JusBild 7: Schirmdämpfungswerte
tierung jedoch aufwendig. Deshalb ist
(Messanordnung gem. Bild 6)
es üblich zwei getrennte Messköpfe zu
verwenden zwischen denen die schirmende Schicht eingefügt wird. Dadurch wird der
Frequenzbereich nach unten begrenzt, da ein Spalt im Wellenleiter entsteht über den
eine kapazitive Kopplung stattfindet. Die untere Grenzfrequenz der in Bild 6 gezeigten Messanordnung liegt daher bei ca. 100 MHz. Es sind TEM-Wellenleiter mit rechteckigem (TEM-t-Zellen und H-t-Zellen) und kreiskoaxialen Querschnitten in
Gebrauch. Die rechteckigen Querschnitte werden z.B. in [5] untersucht. Ihr Vorteil ist,
dass durch die rechteckige Ausführung mit flachem Innenleiter eine gut definierte
Polarisation des E-Feldes ergibt, auch wenn zu beiden Seiten des Innenleiters
Streufelder existieren. In diesem Bereich sind die Felder nicht mehr senkrecht polarisiert, wodurch die Messergebnisse beeinflusst werden können. Hier erfolgten die
Messungen mit der in Bild 6 gezeigten kreiskoaxialen Anordnung. Da das E-Feld des
TEM-Modes radial gerichtet ist, können Kett- und Schussrichtung des Gewebes nicht
getrennt untersucht werden. Wie aus Bild 7 hervorgeht, unterscheiden sich die
Messwerte deutlich von denen nach Bild 5. Das Gewebe AFG-515 mit einer gut leitenden Oberfläche zeigt eine deutlich höhere Schirmwirkung, da es den TEM-Mode
des Wellenleiters breitbandig kurzschließt. Dies ist bei den anderen Geweben offensichtlich nicht der Fall. Es bleibt festzuhalten, dass die Messung mit dem kreiskoaxialen Wellenleiter zwar für vergleichende Messungen im Rahmen der Qualitätssicherung durchaus geeignet ist, aber eine Messung nach [5] nicht ersetzen kann.
S/dB
60
02.5. 6
Messung im Zeitbereich
Für die Untersuchung von alternativen Messverfahren der Schirmdämpfung im Zeitbereich wurde im EMP-Labor des WIS in Anlehnung zum IEEE Std 299-1997 die in
Bild 8 skizzierte Messanordnung aufgebaut. Für die Erzeugung des impulsförmigen
Feldsignals wurde eine impulsabstrahlende Reflektorantenne (IRA) mit einem Reflektordurchmesser von 0,9 m benutzt, die von einem Impulsgenerator (PBG 3) mit
einem
doppelt
exponentiellen
Spannungssignal
(U0
=
12,5
kV,
τr = 100 ps, TFWHM = 2,5 ns) gespeist wurde. In einem Abstand von 2 m vor der IRA
befand sich eine Absorberwand mit einer Öffnung mit 40 cm × 40 cm Seitenlänge.
Die elektrische Feldstärke hinter der Absorberwand wurde mittels eines Feldsensors
(ACD-7) in einem Abstand von 60 cm gemessen.
ACD-7
IRA
2m
0,6 m
Gewebeprobe
(0,4m x 0,4m)
CSA 803 C / SD 24
PBG 3
Bild 8: Schema des Messaufbaus
Zur Vermessung der Schirmdämpfung wurde zunächst als Referenzmessung der
Feldimpuls bei unverkleideter Öffnung gemessen (Bild 9). Mittels eines mit Gewebe
bespannten Holzrahmens wurde hiernach die Öffnung verkleidet und das Feldsignal
erneut gemessen (Bild 10). Das leitfähige Gewebe war hierbei stets galvanisch getrennt gegenüber der Absorberwand und deren Rückwand aus Metall.
Bild 9: Feldimpuls der Referenzmessung
Bild 10: Gedämpfte Feldimpulse
Im Gegensatz zu den Messungen im Frequenzbereich unterscheiden sich die gedämpften transienten Signale relativ gering. So dämpfen alle Gewebe die Impulsamplitude um 13 – 15,5 dB (Tabelle 1). Insbesondere der im Referenzsignal vorhan-
02.5. 7
dene Unterschwinger wird durch alle Gewebe sehr stark gedämpft und verzerrt. Darüber weist die Transmission des Signals durch die Gewebe eine Dispersion auf, die
sich deutlich erkennbar in einer Verlängerung der Impulsdauer um den Faktor 2
auswirkt. Die Ursache der Dispersion ist die Frequenzabhängigkeit der Dämpfung.
So nimmt die spektrale Dämpfung mit ansteigender Frequenz zu.
Tabelle 1: Dämpfung der Impulsamplitude
Um die im Zeitbereich gewonnenen
Werte mit den Ergebnissen der
Gewebe
Upp / U0
Dpp / dB
Messungen im Frequenzbereich
vergleichen zu können, wurden über
PM 30 FR
0,191
14,4
die
Fouriertransformation
die
PM 12-4
0,202
13,9
Dämpfungen als Funktion der Frequenz bestimmt. Bei der AnwenPCCS 2131
0,207
13,7
dung der Fourieranalyse ist zu beAFG 0515
0,216
13,3
achten, dass der auswertbare
Alufolie
0,174
15,2
Spektralbereich durch die Messbandbreite
des
Feldsensors
(fo = 4 GHz) nach oben und durch die gewählte Messdauer von T = 5,5 ns nach
unten (fu = 0.2 GHz) begrenzt wird. Die über die Fouriertransformation bestimmten
spektrale Dämpfungswerte der Gewebe sind in Bild 11 aufgetragen. Die Frequenzabhängigkeit der Dämpfungswerte zeigt eine gute Übereinstimmung mit den Werten
der Frequenzbereichsmessungen. Als Folge der Abweichungen des verwendeten
Messaufbaus von dem Aufbau des IEEE Std 299-1997 (z.B. galvanische Trennung
der Gewebe von der Schirmwand) liegen die im Zeitbereich gemessenen Werte im
Mittel 20 dB unter den nach dem IEEE Std 299-1997 bestimmten Werten. Durch die
Anpassung des Messaufbaus der Zeitbereichsmessung würden sich die Dämpfungswerte angleichen.
PM 30 FR
PM 12-4
PCCS 2131
AFG-0515
Alu
35
30
S / dB
25
20
15
10
5
0
0,6 0,8 1,1 1,3 1,6 1,8 2,1 2,3 2,6 2,8 3,1 3,3 3,6 3,8 4,1
f / GHz
Bild 11: Spektrale Dämpfung des Impulssignals
Dem deutlich geringeren Zeitaufwand der Zeitbereichsmessung gegenüber einer
Messung im Frequenzbereich steht jedoch ein erhöhter Aufwand zur Sicherstellung
der benötigten Messdynamik gegenüber. Um mit der Fouriertransformation die
02.5. 8
höherfrequenten Spektralanteile bestimmen zu können, muss neben der hohen
Impulsamplitude der gesamte Signalverlauf mit einer sehr geringen Messunsicherheit aufgenommen werden. Hieraus folgt, dass die verwendeten Messgeräte
trotz der hohen Signalspannungswerte nahezu kein Signalrauschen aufweisen
dürfen.
Zusammenfassung
Zur Charakterisierung von Materialien, z. B. textile Gewebe, ist die Messung der
Schirmdämpfung ein wesentlicher Aspekt. Da die bisher eingesetzten Verfahren
mit einem hohen Messaufwand verbunden sind, wurden alternative Messansätze für
die schnelle Vermessung in einem extrem breiten Frequenzbereich diskutiert.
Durch die Verwendung von TEM-Wellenleitern konnten so die Komplexität und der
Umfang der benötigten Messeinrichtung stark reduziert werden. Basierend auf der
erreichten Genauigkeit erscheint der vorgestellte Messansatz zwar für vergleichende
Messungen im Rahmen einer Qualitätssicherung ausreichend, ist jedoch nicht geeignet Messungen nach IEEE 299-1997 zu ersetzen.
Ein zweiter Ansatz zur Reduzierung des benötigten Aufwandes besteht im Übergang
zu Messungen der Schirmdämpfung mit schnellen transienten Feldimpulsen. In
ersten Vergleichsmessungen konnten hierbei gute Übereinstimmungen erzielt
werden. Die Messung im Zeitbereich zeichnet sich gegenüber den Messungen im
Frequenzbereich durch einen deutlich geringeren Zeitaufwand aus. Um ein zum
IEEE 299-1997 alternatives Messverfahren zu erhalten, sind jedoch noch weitere
Untersuchungen notwendig.
Literatur
[1] Koch, M. ; Camp, M. ; Kebel, R. : Textile, robuste Schirmhüllen für den Feldeinsatz und Schutz von COTS Equipment, EMV 2002, BAkWVT, Tagungsband,
2002
[2] Koch, M. : Applications of Electrically Conductive Textiles, 14th International
Zurich Symposium on Electromagnetic Compatibility, 2001
[3] Koch, M. : Leitfähige Textilien für den Schutz gegen elektromagnetische Felder,
Denkendorfer Kolloquium „Technische Textilien“, 2001
[4] IEEE Standard 299-1997: IEEE Standard Method for Measuring the Effectiveness
of Electromagnetic Shielding Enclosures, The Institute of Electrical and
Electronics Engineers, New York, 1998
[5] Cartrysse, J.A. ; Borgmans, C.P.J.H. : Messverfahren und Messanordnungen zur
Charakterisierung von Abschirmungsmaterialien unter verschiedenen Bedingungen, In Schmeer (Hrsg.): EMV 96, Tagungsband, VDE Verlag, 1996
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