Klassifizierung von elektromagnetischen Störquellen

Abbildung 1 zeigt eine schematische Einteilung analoger Signale von elektromagnetischen Störquellen in unterschiedliche Signalklassen. Ein Signal, das sowohl zeitkontinuierlich als auch amplitudenkontinuierlich ist, wird als Analogsignal bezeichnet. Es wird zunächst übergeordnet zwischen deterministischen und stochastischen Signalen unterschieden.

Abb. 1: Übersicht über die verschiedenen Signalklassen von elektromagnetischen Störquellen (Quelle: eigene Darstellung)

Deterministische Signale

Man bezeichnet einen Vorgang oder ein Signal dann als deterministisch, wenn sein Werteverlauf für jeden beliebigen Zeitpunkt vorhersehbar ist bzw. vorausberechnet werden kann. Deterministische Vorgänge sind geschlossen mathematisch beschreibbar.

Stochastische Signale

Signale, die diese Eigenschaft nicht aufweisen, zählen zu den stochastischen Signalen. Die stochastischen Signale werden wegen der Zufallsstruktur ihres Werteverlaufs auch nicht deterministische Signale genannt. Ihr Werteverlauf wird weitgehend von statistischen Eigenschaften bestimmt. Stochastische Signale lassen sich in stationäre und nicht stationäre Signale einteilen. Der Begriff der Stationarität ist eng verknüpft mit dem zeitlichen Verhalten statistischer Parameter von Signalen, wie beispielsweise deren Mittelwert und Varianz.

Für stationäre Signalvorgänge wurden die meisten Signalverarbeitungsverfahren entwickelt, obwohl sie vom technischen Standpunkt aus gesehen im Grunde genommen nicht die wichtigste Klasse von stochastischen Signalen repräsentieren. Dies liegt daran, dass sie mathematisch am einfachsten zu handhaben sind.

Die Behandlung nicht stationärer Vorgänge ist demgegenüber komplizierter. Nicht stationäre Vorgänge können mit Verfahren für die Verarbeitung von stationären Signalvorgängen untersucht werden unter der Annahme, dass für Abschnitte des Vorgangs Stationarität vorliegt. Stochastische elektromagnetische Emission wird z.B. von Elektromotoren oder Speicherzugriffen bei Computern verursacht. Hauptbestandteil der Emissionen elektronischer Komponenten sind Taktsignale und deren Oberschwingungen. Diese Art von elektromagnetischer Emission bei Mikroprozessorsystemen besitzt einen stationären Charakter.

Periodische Signale

Eine spezielle Klasse deterministischer Signale wird durch die periodischen Signale gebildet, die sich wiederum in die harmonischen Schwingungen (monofrequente Signale) sowie die allgemeinen periodischen Signale unterteilen lassen.

Nicht periodische Signale

Im Gegensatz dazu gibt es noch die nicht periodischen Signale, zu denen die quasiperiodischen wie auch die transienten Signale (Übergangsvorgänge) zählen.
Emissionen transienter Signale findet man abgesehen von natürlichen Erscheinungen wie Blitzen oder elektrostatischen Entladungen vor allem im Bereich der Hochspannungstechnik bei Schaltvorgängen im Versorgungsnetz.

Störquellen

Wie bereits vorgestellt, können elektromagnetische Störquellen grob in schmalbandige und breitbandige Störquellen unterschieden werden. Störquellen werden als schmalbandig bezeichnet, wenn die Bandbreite im Spektralbereich schmaler ist als die Bandbreite des Empfängers. Ist sie breiter als die Bandbreite des Empfängers, wird sie als breitbandig bezeichnet. Schmalbandige Störungen werden in erster Linie durch Funksignale erzeugt. Es treten aber auch in Geräten vielfältige Möglichkeiten für Resonanzen störender Signale auf. Breitbandige Störungen können in Form von Rauschen oder einmaligen transienten Störungen infolge von Schaltvorgängen auftreten.

Schmalbandige Störquellen

Schmalbandige Störungen entstehen meist aus ursprünglich gewollten, vom Menschen geschaffenen Signalen, die am falschen Ort empfangen werden, wie z.B. aus Funksignalen. Kommunikationssender sind somit eine häufige Störquelle. Nachfolgend werden die wesentlichen schmalbandigen Störquellen diskutiert.

Kommunikationssender

Kommunikationssender strahlen elektromagnetische Energie in die Umwelt ab. Dies geschieht zwar in gesetzlich kontrollierter Weise, aber dennoch kann ein Gerät bei entsprechender Empfindlichkeit gegenüber dem elektromagnetischen Feld des Senders und bei geringem Abstand zum Sender in seiner Funktion beeinträchtigt werden.

Kommunikationssender können in verschiedene Anwendungsgruppen eingeteilt werden:

• kommerzielle Sender: Rundfunk, Fernsehen
• Sprechfunk: Polizeifunk, Autotelefon, CB-Funk, Amateurfunk
• Richtfunk: Satellitenfunk, Erdrelaisstationen
• Hochfrequenzmesstechnik: Navigation und Radar in Luftverkehr, Schifffahrt und Straßenverkehr

Die maximal zulässigen Sendeleistungen der verschiedenen Kommunikationssender sind gesetzlich geregelt, wobei hier den internationalen Richtlinien der ITU (International Telecommunication Union) gefolgt wird. Die zulässigen Sendeleistungen sind abhängig von folgenden Faktoren:

• Frequenz
• regionale Lage
• Sendezeiten
• gerichtete Abstrahlung

Störungen durch Kommunikationssender
Das Problem elektromagnetischer Beeinflussung durch Kommunikationssender ergibt sich immer dann, wenn ein Gerät auf der Abstrahlfrequenz des Senders eine Störsenke, also einen Empfänger, darstellt und in der Richtung der Abstrahlung in ungenügendem Abstand platziert wird. Kommunikationssender, die in denselben Frequenzbereichen arbeiten, sind also nur dann elektromagnetisch verträglich, wenn sie genügend räumlich getrennt werden.

Geräte, die nicht auf den Frequenzen eines Kommunikationssenders senden oder empfangen sollen, können dagegen durch entsprechende EMV-Maßnahmen so weit entstört werden, dass sie noch in großer Nähe zum Sender zufriedenstellend arbeiten. Die von Kommunikationssendern abgestrahlten Störungen liegen auf der Trägerfrequenz, den Seitenbändern oder ungewollten harmonischen Oberschwingungen des Funksignals.

Die Oberschwingungen von Funksignalen entstehen in nicht linearen Bauteilen. Sie bilden eine häufige schmalbandige Störquelle. Störungen durch Kommunikationssender sind im Bereich der See- und Luftnavigation ab 10 kHz (Very Low Frequencies) bis über 50 GHz (Extremely High Frequencies) zu erwarten. Im Bereich von Satellitenfunk und Navigation sind Störungen bis über 300 GHz möglich. Rundfunksender strahlen dagegen bei Frequenzen zwischen 200 kHz und 1 GHz, Satelliten-Rundfunksender bei 10 GHz.

Störung durch Empfänger

Aber nicht nur Kommunikationssender, auch die zugehörigen Empfänger können Störquellen bilden. Die lokalen Oszillatoren, mit denen das empfangene Signal demoduliert wird, strahlen sowohl bei ihrer Oszillatorfrequenz als auch bei der Zwischenfrequenz und ihren Oberschwingungen.

Störung durch Bildschirmgeräte

Auch Bildschirmgeräte stören durch die Ablenkgeneratoren für den Bildaufbau:

• Zwischenfrequenz bei Tonrundfunk: 455 kHz (AM), 10,7 MHz (FM)
• Zwischenfrequenz bei Fernsehrundfunk: 5,5 MHz (Ton-ZF), 38,9 MHz
• Zeilenfrequenz bei einfachen Monitoren: 15,75 kHz
• Zeilenfrequenz bei professionellen Monitoren: 35 kHz, 65 kHz

Hochfrequenzgeneratoren

Eine weitere Gruppe von Störquellen bilden Hochfrequenzgeneratoren. Diese Geräte erzeugen Energie bei hohen Frequenzen, die am selben Ort, meist zur lokalen Erhitzung oder zur Beschleunigung von Elementarteilchen, eingesetzt wird. Anwendungsgebiete für HF-Generatoren sind z.B.:

im Haushalt:

• Mikrowellenherde, Frequenz: 2.450 MHz

in der Medizin:

• medizinische Wärmebehandlung von Gelenken und inneren Organen mittels elektromagnetischer Felder, Frequenz: 27 MHz bis 2.450 MHz
• Ultraschallerzeugung für Therapiezwecke, Frequenz: ca. 1 MHz
• Ultraschallerzeugung für Diagnose, Frequenz: 1 MHz bis 5 MHz
• Hochfrequenz-Linearbeschleuniger für Strahlentherapie, Frequenz: 10 MHz bis 200 MHz

in der Industrie:

• Hochfrequenz-Linearbeschleuniger für Werkstoffprüfung, Lithografie, Frequenz: 10 MHz bis 200 MHz
• Induktionshärten durch induzierte Wirbelströme, Frequenz: 50 Hz bis 1 MHz

in der Grundlagenforschung:

• Hochfrequenz-Linearbeschleuniger und Hochfrequenz-Kreisbeschleuniger wie z.B. Zyklotron und Synchotron, Frequenz: 10 MHz bis 200 MHz

Netzrückwirkungen

Netzrückwirkungen bilden eine weitere Art von Störquelle. Nicht lineare elektrische Betriebsmittel wie Motoren, Stromrichter, Gasentladungslampen, Fernsehgeräte usw. ziehen am Eingang einen nicht sinusförmigen Strom vom Netz. Dadurch fallen auch an anderen Geräten nicht sinusförmige Spannungen ab. Die Verzerrung der Sinusform bewirkt im Spektrum des Eingangssignals weitere Spektrallinien bei Vielfachen der Netzfrequenz.
Eine weithin bekannte Störquelle bilden schließlich noch Abstrahlungen von Starkstromleitungen bzw. Hochspannungsleitungen. Diese Störungen treten meist bei einer Netzfrequenz von 50 Hz oder bei 50/3 Hz (Drehstrom) auf.

Breitbandige Störquellen

Transiente Störungen

Breitbandige Störungen können in Form von Rauschen oder transienten Störungen auftreten. Dabei sind transiente Störungen einmalige nicht periodische Störungen, die einen impulsartigen Zeitverlauf und somit ein Spektrum mit weiter Bandbreite besitzen. Die meisten transienten Störungen werden verursacht durch:

• elektrische Schaltvorgänge
• elektrostatische Entladungen (Electrostatic Discharge – ESD)
• elektrische Zündungen
• Blitzschlag (Lightning Electromagnetic Pulse – LEMP) und nuklearer elektromagnetischer Impuls (Nuclear Electromagnetic Pulse – NEMP)

Die Schädigung von Halbleiterbausteinen durch transiente Störungspulse ist abhängig von:

• Strom- bzw. Spannungsamplitude des Pulses
• Anstiegszeit bzw. Flankensteilheit
• Dauer des Pulses bzw Rückenhalbwertszeit
• Energiegehalt
• evtl. Polarität

Elektrostatische Entladungen

Elektrostatische Entladungen können zwischen Geräten oder Menschen und Geräten stattfinden, die auf unterschiedlichen Potenzialen liegen. Der menschliche Körper kann eine Kapazität von 100 pF bis 500 pF besitzen. Beim Begehen eines Kunststoffteppichs kann dabei im Worst-Case-Fall eine Aufladung mit einer Spannung bis zu ca. 30 kV erfolgen. Abhängig von der Kapazität und dem Potenzialunterschied entstehen Entladeströme, die elektrische Bauteile direkt schädigen können. Durch den pulsförmigen Verlauf der Entladeströme können auch stark veränderliche magnetische Felder entstehen, die berührungslos zu elektromagnetischer Beeinflussung führen können.

Geschaltete Induktivitäten

Geschaltete Induktivitäten bilden in Industrieanlagen eine häufige Störquelle. Das Abschalten des Stroms in einem induktiven Stromkreis bewirkt einen starken transienten Spannungsimpuls.
Im nächsten Abschnitt wird anhand konkreter EMV-Messungen das Verhalten elektromagnetischer Störquellen in der Realität diskutiert.

Emissionsmessung

Bei der Untersuchung des Emissionsverhaltens von Testobjekten sind prinzipiell drei verschiedene Störsignale festzustellen.

Störsignalverhalten des Testobjekts

Anhand des Störsignalverhaltens des Testobjekts sollte man auch die Emissionsmessung ausrichten, d.h., man sollte sich bereits im Vorfeld Gedanken über die richtige Norm in Bezug auf die Art des Testobjekts machen (z.B. Industrie- oder Konsumprodukt), über das Land, in dem das Produkt eingesetzt werden soll (z.B. Europäische Union oder USA), über die vorhandene Messgeräteausrüstung (z.B. TEM-Zelle oder Absorberkammer) und über die zeitliche Einplanung von eventuellen technischen Verbesserungen des Emissionsverhaltens. Beispielhaft wurde, wie im Folgenden beschrieben, ein Laptop bezüglich seines strahlungsgebundenen Emissionsverhaltens untersucht.

Emissionsmessung an einem Laptop

Es wird die Emission eines handelsüblichen Laptops mit Pentiumprozessor (P55C) und einer Taktfrequenz von 200 MHz gemessen. Der Abstand zur Messantenne beträgt 1 m, die Polarisation der Antenne ist vertikal.

Abb. 2: Vergleich des gemessenen Amplitudenspektrums mit Mittelwertdetektion des Testobjekts Laptop (Quelle: eigene Darstellung)

Abbildung 2 zeigt das gemessene Amplitudenspektrum für die Auswertung mit dem Mittelwert-Detektor. Die schwarze Kurve repräsentiert das Ergebnis des Zeitbereichsmesssystems und die graue Kurve das Ergebnis des konventionellen Messempfängers. Die Beobachtungsdauer ΔTM betrug 5 ms, die Linienbreite Δf ist 50 kHz. Am konventionellen Messempfänger war eine Zwischenfrequenz-Bandbreite von 120 kHz eingestellt.

Die gesamte Messzeit betrug beim Zeitbereichsmesssystem ca. 1,5 min und bei der Messung mit dem konventionellen Messempfänger ca. 25 min. Beim Vergleich der vom konventionellen Messempfänger mit dem vom Zeitbereichsmesssystem gemessenen Amplitudenspektren fällt auf, dass die Rauschgrundlinie des konventionellen Messempfängers um ca. 10 dB höher liegt als die des Zeitbereichsmesssystems. Dieser Unterschied kommt durch das unterschiedliche Eigenrauschen beider Messsysteme zustande.

Bei deterministischen Störungen, wie z.B. der Prozessortaktfrequenz von 200 MHz und deren Harmonischen, ist der Betrag der Differenz zwischen den Messwerten der beiden Messsysteme typischerweise kleiner als 1 dB.

Autor: Dr.-Ing. Florian Krug

Den vollständigen Fachartikel sowie weitere zum Thema finden Sie in dem Produkt "Elektromagnetische Verträglichkeit".