ASTRO ELECTRONIC
Dipl.-Ing. Michael Koch
Raabestr. 43 D-37412 Herzberg Germany
Tel: +49 (0)5521 854265 Fax: +49 (0)5521 854266www.astro-electronic.de e-mail
Bei
dieser Vergleichsmessung ging es um die Frage, ob man mit verschiedenen
EMV-Messantennen die gleichen Ergebnisse erhält, wenn man ein Testobjekt
am gleichen Ort in der gleichen Entfernung vermisst. Der Versuchsaufbau
entspricht keiner EMV-Norm. Auf eine Massefläche am Boden wurde verzichtet,
und die Höhe der Antenne und des Testobjekts über dem Erdboden
wurde mit 1.5m festgelegt. Alle Versuche wurden ausschliesslich mit horizontaler
Polarisation gemacht. Eine Beurteilung der Ergebnisse findet sich ganz
unten.
TESEQ
CBL-6143A
Frequenzbereich 30MHz - 3GHz Antennenfaktor:
Der Referenzpunkt für die Entfernungs-Messung ist auf der Antenne angegeben. Die Antenne hat eine Kennzeichnung, welche Seite bei der Messung oben sein soll. |
|
CHASE
CBL-6111
Frequenzbereich 30MHz - 1GHz Antennenfaktor:
Der Referenzpunkt für die Entfernungs-Messung ist auf der Antenne angegeben. |
|
EMCO
3104 Nachbau
Frequenzbereich 30MHz - 200MHz Eine frühere Vergleichsmessung hat keine signifikanten Unterschiede zu einer Original EMCO 3104 gezeigt. Antennenfaktor:
Die
Entfernung wurde von der Symmetrieachse des Dipols aus gemessen.
|
|
EMCO
3109
Frequenzbereich 30MHz - 300MHz Antennenfaktor:
Die Entfernung wurde von der Symmetrieachse des Dipols aus gemessen. |
|
ELECTRO
METRICS RGA-180
Frequenzbereich 1GHz - 18GHz Antennenfaktor:
Die Entfernung wurde von der Vorderkante des Horns aus gemessen. |
|
Schlumberger
896105, ist baugleich mit
Schwarzbeck UHALP9107 Frequenzbereich 300MHz - 1GHz Antennenfaktor:
Die Entfernung wurde von der Spitze der Antenne aus gemessen. Im Nachhinein war diese Entscheidung möglicherweise falsch. |
|
ELECTRO
METRICS 6950
Frequenzbereich 200MHz - 1GHz Antennenfaktor:
Die
Entfernung wurde vom Befestigungspunkt aus gemessen.
|
|
EMCO
3121
Frequenzbereich 28MHz - 1GHz Dies
ist ein Satz von 4 Baluns mit Dipolen, deren Länge auf die jeweilige
Frequenz angepasst werden muss.
Antennenfaktoren:
Die Entfernung wurde von der Symmetrieachse des Dipols aus gemessen. |
|
Hier sind nochmal alle Antennen im Überblick zu sehen, ausgenommen die EMCO 3121. | |
Die
verwendeten Antennenfaktoren für Messungen in 3m Abstand,
30MHz - 300MHz Rot:
TESEQ CBL-6143A (1)
(1)
Da keine Antennenfaktoren für 3m Abstand vorhanden waren, wurden hier
die Antennenfaktoren für Free Space verwendet.
Hinweis: Die Einheit des Antennenfaktors ist nicht dBm wie im Diagramm angegeben, sondern dB/m |
|
Die
verwendeten Antennenfaktoren für Messungen in 10m Abstand,
30MHz - 300MHz Rot:
TESEQ CBL-6143A (1)
(1) Da keine Antennenfaktoren für 10m Abstand vorhanden waren, wurden hier die Antennenfaktoren für Free Space verwendet. Hinweis: Die Einheit des Antennenfaktors ist nicht dBm wie im Diagramm angegeben, sondern dB/m |
|
Die
verwendeten Antennenfaktoren für Messungen in 3m Abstand,
300MHz - 3GHz Rot:
TESEQ CBL-6143A (1)
(1)
Da keine Antennenfaktoren für 3m Abstand vorhanden waren, wurden hier
die Antennenfaktoren für Free Space verwendet.
Hinweis: Die Einheit des Antennenfaktors ist nicht dBm wie im Diagramm angegeben, sondern dB/m |
|
Die
verwendeten Antennenfaktoren für Messungen in 10m Abstand,
300MHz - 3GHz Rot:
TESEQ CBL-6143A (1)
(1) Da keine Antennenfaktoren für 10m Abstand vorhanden waren, wurden hier die Antennenfaktoren für Free Space verwendet. Hinweis:
Die Einheit des Antennenfaktors ist nicht dBm wie im Diagramm angegeben,
sondern dB/m
|
Es
wurden zwei selbstgebaute Referenzstrahler verwendet, bei denen die Stromversorgung
und der Comb-Generator im Inneren eines Kegels eingebaut ist. Der zweite
Kegel enthält keine Elektronik. Durch diese Bauweise werden Unsymmetrien
vermieden, die durch einen Balun oder durch ein Kabel entstehen könnten.
Beide Referenzstrahler haben identische Abmessungen, Durchmesser 99mm, Gesamtlänge 215mm, Kegelwinkel 60°. Die beiden Kegel können in der Mitte getrennt werden, so dass der Comb-Generator direkt an den Empfänger angeschlossen werden kann, um seine Funktion zu verifizieren. Die beiden verwendeten Referenzstrahler unterscheiden sich durch die Taktfrequenz, den Signalpegel und die Pulsbreite bzw. Anstiegszeit. |
|
Referenzstrahler
1
Taktfrequenz 2MHz, wurde für die Antennen-Messungen im Frequenzbereich 30MHz - 300MHz verwendet. Für die links gezeigte Referenzmessung wurde der Comb-Generator direkt (also ohne Kabel) über ein 20dB Dämpfungsglied an den Empfänger angeschlossen. Rot:
Vor den Antennen-Messungen
|
|
Referenzstrahler
2
Taktfrequenz 10MHz, wurde für die Antennen-Messungen im Frequenzbereich 300MHz - 3GHz verwendet. Für die links gezeigte Referenzmessung wurde der Comb-Generator direkt (also ohne Kabel) über ein 20dB Dämpfungsglied an den Empfänger angeschlossen. Rot:
Vor den Antennen-Messungen
|
|
Die Messungen wurden auf einer Wiese durchgeführt. Rund um die Antennen war mindestens 15m freier Raum in alle Richtungen. Der Abstand zwischen dem Referenzstrahler und der Empfangsantenne war 3m oder 10m. Der Antennenmast und das Stativ sind aus Holz. Alle Antennen und Referenzstrahler wurden in 1.5m Höhe über dem Erdboden angebracht. Es gibt keine metallische Massefläche auf dem Boden. |
|
Von
der Empfangsantenne zum Empfänger wurde ein 10m langes Kabel vom Typ
AIRCOM PLUS verwendet.
Der Empfänger ist ein HAMEG HMS3010 (mit Vorverstärker-Option). Die Messwerte wurden über einen PC automatisch aufgezeichnet. Bei 90MHz war ein Rundfunksender stärker als der Referenzstrahler. |
Die
Ergebnisse der Messungen in 3m Abstand, 30MHz - 300MHz
Rot:
TESEQ CBL-6143A (1)
(1)
Der verwendete Antennenfaktor ist nicht für 3m Abstand vorgesehen,
sondern für Free Space.
Frage: Wodurch entsteht der deutliche Unterschied im unteren Frequenzbereich, zwischen den beiden CBL-Antennen einerseits und den drei anderen Antennen andererseits? |
|
Die
Ergebnisse der Messungen in 10m Abstand, 30MHz - 300MHz
Rot:
TESEQ CBL-6143A (1)
(1)
Der verwendete Antennenfaktor ist nicht für 10m Abstand vorgesehen,
sondern für Free Space.
Hinweis: Die Einheit der Messwerte ist nicht dBm wie im Diagramm angegeben, sondern dBm/m |
|
Die
Ergebnisse der Messungen in 3m Abstand, 300MHz - 3GHz
Rot:
TESEQ CBL-6143A (1)
(1)
Der verwendete Antennenfaktor ist nicht für 3m Abstand vorgesehen,
sondern für Free Space.
Hinweis: Die Einheit der Messwerte ist nicht dBm wie im Diagramm angegeben, sondern dBm/m |
|
Die
Ergebnisse der Messungen in 10m Abstand, 300MHz - 3GHz
Rot:
TESEQ CBL-6143A (1)
(1)
Der verwendete Antennenfaktor ist nicht für 10m Abstand vorgesehen,
sondern für Free Space.
Hinweis: Die Einheit der Messwerte ist nicht dBm wie im Diagramm angegeben, sondern dBm/m |
|
Die
Messergebnisse der beiden CBL-Antennen im direkten Vergleich, bei 3m und
10m Abstand:
Rot:
TESEQ CBL-6143A, 3m (1)
(1)
Der verwendete Antennenfaktor ist nicht für diesen Abstand vorgesehen.
Hinweis: Die Einheit der Messwerte ist nicht dBm wie im Diagramm angegeben, sondern dBm/m |
-- Oberhalb von 60MHz zeigen alle Antennen eine gute Übereinstimmung der Ergebnisse. Dass diese Art von Messungen mit gewissen Unsicherheiten in der Grössenordnung von 5dB behaftet ist, war zu erwarten.
--
Unerklärlich sind die starken Abweichungen am unteren Ende des Frequenzspektrums
bei 30MHz, insbesondere bei 3m Abstand. Hier bilden die Antennen zwei Gruppen:
Einerseits zeigt die CBL 6111 eine gute Übereinstimmung mit der CBL
6143A, und andererseits stimmen die Ergebnisse der EMCO 3104, EMCO 3109
und EMCO 3121 gut überein. Zwischen diesen Gruppen besteht aber eine
Differenz von 15-20dB.
Es
wurde noch ein weiterer Versuch mit 3m Abstand an einem anderen Standort
gemacht. Dieser Standort hat weniger optimale Bedingungen: 1m hinter der
Empfangsantenne steht ein kleiner Baum, ca. 3m neben der Messtrecke ist
ein Maschendrahtzaun, ebenso einige Meter hinter dem Referenzstrahler.
Rot:
CBL-6143A, 3m, freie Wiese
Weiterhin wurde getestet, ob Ferritkerne auf dem Antennenkabel einen Einfluss auf die Messergebnisse haben. Da absolut kein Einfluss feststellbar war, verzichte ich auf die Darstellung der Kurven. |
Dies
ist die Dämpfung des verwendeten 10m Kabels.
Messprinzip:
|
|
Dies
ist das reflektierte Signal, wenn das Kabel am anderen Ende mit 50 Ohm
abgeschlossen wird.
Gemessen mit HZ547 Stehwellen-Messbrücke. |
Weitere
Untersuchungen am ungünstigen Standort. Der Referenzstrahler war in
3m Entfernung und in 150cm Höhe.
a) Variation der Höhe der Antenne: Rot: CBL-6143A, 75cm Orange: CBL-6143A, 145cm Grün: CBL-6143A, 215cm Blau: EMCO 3109, 75cm Violett: EMCO 3109, 145cm Weiss:
EMCO 3109, 215cm
|
|
b)
Ferritkerne auf dem Antennenkabel:
Rot: CBL-6143A, kein Ferrit Orange: CBL-6143A, 6 Ferritkerne an der Antenne Grün: CBL-6143A, zusätzlich noch 6 Ferritkerne am Empfänger (viele
grüne Punkte liegen exakt über den roten und orangenen Punkten)
|
|
c)
Variation der Kabellänge, und zusätzliche Dämpfungsglieder
im Kabel:
Rot: CBL-6143A, 10m Kabel Orange: CBL-6143A, 30m Kabel Grün: CBL-6143A, 10m Kabel, 10dB Dämpfungsglied an der Antenne, bei der Auswertung 10dB addiert Blau: CBL-6143A, 10m Kabel, 10dB Dämpfungsglied am Empfänger, bei der Auswertung 10dB addiert Weiss: EMCO 3109, 10m Kabel Violett: EMCO 3109, 10m Kabel, 10dB Dämpfungsglied am Empfänger, bei der Auswertung 10dB addiert |
Da
die Messergebnisse darauf hindeuten, dass mit dem 50 Ohm Eingang des HMS3010
irgendwas nicht stimmen kann, wurden jetzt mehrere Spektrum-Analysatoren
verglichen:
Signalquelle:
Frequenzgenerator mit 50 Ohm Ausgang, 30MHz, -80dBm, keine Modulation, 1m Kabel |
Signalquelle:
CBL-6143A Antenne mit 10m Kabel, der Referenzstrahler steht sehr dicht vor der Antenne, gemessen wurde bei 30MHz |
|
Gemessener Pegel mit HP8566B: | -80.8 dBm | -91.2 dBm |
Gemessener Pegel mit HAMEG HM5014: | -80.5 dBm | ca. -97 dBm (nahe am Rauschteppich) |
Gemessener Pegel mit HAMEG HMS3010, interner Vorverstärker deaktiviert: | -80.6 dBm | -92.3 dBm |
Gemessener Pegel mit HAMEG HMS3010, interner Vorverstärker aktiviert: | -80.9 dBm | -64.97 dBm |
Es scheint also so zu sein, dass der HMS3010 im unteren Frequenzbereich bei 30MHz viel zu hohe Pegel anzeigt, wenn der interne Vorverstärker aktiviert ist und wenn die Quelle schlecht angepasst ist.
Die
Sache liegt doch anders als zunächst vermutet. Es liegt nicht an der
Eingangsimpedanz des Verstärkers. Ich habe jetzt zwischen Antenne
und Empfänger einen Preselector vorgeschaltet.
Wenn
der Preselector nur das 30MHz-125MHz Band durchlässt, dann zeigt der
HMS3010 bei 30MHz den richtigen Pegel an, egal ob mit oder ohne Vorverstärker.
Aber
wenn ich das 125MHz-250MHz oder das 250MHz-500MHz Band durchlasse, dann
zeigt der HMS3010 bei 30MHz einen zu hohen Pegel an, obwohl 30MHz gar nicht
mehr im Durchlassbereich des Preselectors liegt.
Offensichtlich
wird der Vorverstärker oder der Mischer des HMS3010 übersteuert,
durch Signale im Bereich 125MHz-500MHz. Das ist eigentlich auch kein Wunder,
denn in diesem Bereich strahlt der Referenzstrahler wesentlich effektiver
ab als bei 30MHz, und ausserdem hat die Antenne einen viel kleineren Antennenfaktor,
so dass der Pegel wesentlich grösser ist als bei 30MHz.
Selbstverständlich
hatte ich mir vorher das ganze Spektrum bis 3GHz angeschaut und den Referenzpegel
so eingestellt, dass die höchste Spitze immer noch 10dB darunter lag.
Aber wenn man dann den Vorverstärker zuschaltet, dann reicht das offensichtlich
nicht mehr aus.
Das
Problem ist, dass man nicht sehen kann um wieviel der Vorverstärker
das Signal verstärkt. Der HMS3010 hat den Verstärkungsfaktor
wohl intern gespeichert und subtrahiert ihn gleich wieder vom Signal, so
dass das Signal auf dem Bildschirm nicht grösser wird. Man sieht nur
dass das Rauschen ein Stück nach unten wandert.
Man
denkt also, dass der Referenzpegel gut eingestellt ist, weil selbst von
der höchsten Spitze immer noch 10dB Sicherheitsabstand bis zum Referenzpegel
ist. Leider falsch gedacht. Die höchste Spitze darf höchstens
bis zum Referenzpegel reichen, abzüglich des Verstärkungsfaktors.
Leider ist der Verstärkungsfaktor unbekannt.
Wie
kann man das Problem lösen?
--
Preselector vorschalten
--
Für den unteren Frequenzbereich einen anderen (grösseren) Referenzstrahler
verwenden, oder dem Comb-Generator einen Tiefpass (~100MHz) nachschalten
--
Den internen Vorverstärker abzuschalten bringt nichts, weil dann das
Signal bei 30MHz im Rauschen untergeht.
Inzwischen ist klar geworden, dass der Eingang des HMS3010 bei den Messungen übersteuert war, was aber zunächst gar nicht aufgefallen ist. Um festzustellen, ob der Eingang übersteuert ist, gibt es zwei Methoden:
1.
Ein zusätzliches Dämpfungsglied vor den Eingang des Empfängers
schalten, und dann prüfen ob sich die Differenz-Pegel bei verschiedenen
Linien verändern. Wenn ja, dann war der Eingang übersteuert.
Leider
wird der interne Eingangs-Abschwächer des HMS3010 automatisch angesteuert
und kann nicht manuell eingestellt werden. Das ist ein echter Schwachpunkt.
2.
Man kann sich das von der Empfangsantenne kommende Signal auf einem schnellen
Speicher-Oszilloskop anschauen, die Spitzenspannung messen und dann berechnen,
wie der Referenzpegel eingestellt werden muss:
So
sieht der Nadelimpuls des 2MHz Comb-Generators am 50 Ohm Eingang des Speicher-Oszilloskops
aus, wenn der Referenzstrahler in 3m Abstand vor der CBL-6143A Antenne
steht. Es wird eine Spitzenspannung von etwa 36mVpeak
gemessen.
Da das Oszilloskop aber nur 200MHz Bandbreite hat, dürfte die Spannung in Wirklichkeit noch höher sein. Wenn wir von 70mVpeak ausgehen, dann hätte eine Sinusspannung mit 50mVrms die gleiche Spitzenspannung wie dieses Impuls-Signal. Eine 50mVrms Sinusspannung entspricht im 50 Ohm System -13dBm. Man muss also den Referenzpegel des Spektrumanalysators auf -13dBm oder grösser einstellen. Im HMS3010 Manual wird empfohlen, den Referenzpegel so einzustellen, dass alle Signale unterhalb des Referenzpegels liegen. Diese Regel ist aber in diesem speziellen Fall nicht ausreichend ! Bei Signalen mit vielen Linien muss der Referenzpegel deutlich grösser eingestellt werden, als es diese Regel angibt. Fazit: Wieder was dazugelernt, und bei der nächsten Messung wird es berücksichtigt. |
Da
eine ETS-Lindgren 3110B Antenne den Weg in mein Messlabor gefunden hat,
wurde eine neue Vergleichsmessung gegen die TESEQ CBL-6143A gemacht. Als
Referenzstrahlungsquelle wurde ein 2m langer Dipol aus 32mm Aluminiumrohren
verwendet, der einen internen 2MHz Comb-Generator hat.
Ungünstiger
Standort mit Bäumen, keine Massefläche, 3m Entfernung.
Die
verwendeten Antennenfaktoren für Messungen in 3m Abstand,
30MHz - 300MHz Rot:
TESEQ CBL-6143A (1)
(1) Da keine Antennenfaktoren für 3m Abstand vorhanden waren, wurden hier die Antennenfaktoren für Free Space verwendet. Hinweis: Die Einheit des Antennenfaktors ist nicht dBm wie im Diagramm angegeben, sondern dB/m |
|
Die
Ergebnisse der Messungen in 3m Abstand, 30MHz - 300MHz
Rot:
TESEQ CBL-6143A (1)
Unter
Berücksichtigung der zahlreichen möglichen Fehlerquellen bewerte
ich dieses Messergebnis als eine gute Übereinstimmung.
(1)
Der verwendete Antennenfaktor ist nicht für 3m Abstand vorgesehen,
sondern für Free Space.
|
Der HMS3010 ist ein relativ preiswerter Spektrum-Analysator. Es stellt sich die Frage wo die Schwachpunkte liegen, und ob er für EMV-Untersuchungen geeignet ist. Die Antwort ist "ja, aber...", denn es gibt meiner Meinung nach zwei Schwachpunkte:
1. Bei EMV-Messungen kann der Fall auftreten, dass der Eingang des HMS3010 übersteuert wird, ohne dass man dies bemerkt. Was zu falschen Messergebnissen führt, die entweder zu klein oder zu groß sein können. Um mit dem Gerät zuverlässig messen zu können, benötigt man einen externen Preselector (z.B. Electro-Metrics 2701, Tektronix 2706) und/oder ein externes Stufen-Dämpfungsglied (z.B. HP8495A).
2. Das Ausgangssignal
des internen Tracking-Generators ist nicht sinusförmig. Das ist zwar
irrelevant solange es nur darum geht, irgendwelche Frequenzgänge von
Übertragungsstrecken oder Filtern zu vermessen. Es ist aber störend,
wenn man den Tracking-Generator für andere Zwecke verwenden möchte.
Beispielsweise als Frequenzgenerator für Störfestigkeits-Untersuchungen.
Da möchte man gerne mit einer bestimmten Frequenz testen, und nicht
mit allen Oberwellen gleichzeitig.
Um die Übersteuerung
des Eingangs des HMS3010 zu demonstrieren, wurde ein Comb-Generator mit
2 MHz Taktfrequenz angeschlossen. Dies ist das Ausgangssignal des Comb-Generators
im Zeitbereich.
Pulsbreite ca.
2ns
|
|
Der HMS3010 zeigt
dieses Spektrum an. Der interne Vorverstärker ist aktiviert, der interne
Abschwächer ist auf "Low Distortion" eingestellt.
Zitat aus der
Anleitung:
Demnach sollte im hier dargestellten Fall garantiert keine Übersteuerung vorliegen, denn das stärkste Signal liegt immerhin fast 30dB unter dem Referenzpegel. Doch das ist leider ein Irrtum... |
|
Gleiches Eingangssignal
wie zuvor, aber mit einem zusätzlichen 10dB Dämpfungsglied vor
dem Eingang.
Man beachte, dass
der angezeigte Pegel bei tiefen Frequenzen um weniger als 10dB abgesunken
ist.
Fazit: Im oben dargestellten Fall (ohne 10dB Dämpfungsglied) war der Eingang eindeutig übersteuert. Das erkennt man aber nur dann, wenn man ein externes Dämpfungsglied vorschaltet. Der HMS3010 hat zwar einen internen Abschwächer (10dB, 20dB, 30dB), aber leider erfolgt die Steuerung dieses Abschwächers vollautomatisch. Eine manuelle Einstellung, mit der man Übersteuerung erkennen könnte, ist leider nicht vorgesehen. |
|
Das Ausgangssignal des internen Tracking-Generators bei 5 MHz | |
Das Ausgangssignal
des internen Tracking-Generators bei 50 MHz,
die erste Oberwelle bei 100 MHz liegt etwa 6dB unter der Grundwelle |
|
Das Ausgangssignal des internen Tracking-Generators bei 200 MHz |
Hier geht es zur zweiten Vergleichsmessung im Juli 2017.