Estimation of radiated emissions from electrically large EUTs

Abstract

With the increasing application of faster switching electronics and digital computers with high clock frequencies, a PC-size enclosure becomes electrically large, in comparison with the wavelength. The concept of ’electrically large’ is characterized by the geometrical size and the considered frequency. Such devices radiate unintentional electromagnetic waves through slots, sockets and ventilation vents, which could be considered as ’unintentional radiators’. The focus of this work is to determine the radiated emission of an electrically large equipment under test (ELEUT). A rectangular slotted metallic enclosure was considered to be an ELEUT, which is comparable to personal computers or other electronic devices. Another configuration with connecting wires attached to the ELEUT has been also investigated. In order to reduce the risk of interferences from these devices, the radiated emission can be measured via different EMC test methods. In general, these emission measurement methods can be classified to electric-field-based or total-power-based methods. The electricfield- based measurement method is denoted as the classical method, the corresponding measurement environments are e. g., open area test sites, semi-anechoic chambers and fully anechoic rooms. Typical total-power-based measurement methods are conducted in mode-stirred chamber (MSC)s and gigahertz transverse electromagnetic cells. The relation between these two methods is connected by the directivity, which allows the conversion of the total radiated power to the electric field strength. The motivation in this work is to apply the MSC as the alternative test methods (ATM) to measure the total radiated power of the ELEUTs, which is irrelevant to the radiation patterns of the ELEUTs. The enhanced robustness of measurements in the MSC makes it a rigorous EMC test environment, which has been recognized as a suitable alternative measurement technique. The maximum electric field strength of ELEUTs can be determined by the combination of the total radiated power measurement in the MSC and the estimated directivity of the EUTs. The maximum directivity of the ELEUTs can be achieved by an analytical approximation or a numerical simulation. In order to determine the radiated emission of ELEUT, three variants will be applied in this work. In variant 1, the conversion procedure introduced in CISPR 16-4-5 is applied to the ELEUTs, which can be compared with the existing limit of the FAR. In variant 2, the total radiated power can be converted to an equivalent electric field strength, with the help of the directivity. These two methods depends on the number of EUTs and could not be directly compared with the measured total radiated power, which is not very practical. Based on variant 3, the new power limit of the MSC is derived, which could directly compare with the measured total radiated power. This method is very helpful and could be applied for further research.

Durch die zunehmende Anwendung von leistungselektronischen Wandlern mit hohen Schaltfrequenzen bzw. durch Digitalschaltungen mit hohen Taktfrequenzen müssen entsprechend ausgestattete Geräte als elektrisch groß (also größer als die betrachtete Wellenlänge) aufgefasst werden. Der Begriff „elektrisch groß“ ist durch die geometrische Größe und die betrachtete Frequenz charakterisiert. Solche Geräte strahlen elektromagnetische Wellen durch Schlitze, Öffnungen und Durchführungen im Gehäuse ab und können als „unbeabsichtigte Strahler“ betrachtet werden. Der Schwerpunkt dieser Arbeit ist die Untersuchung der Abstrahlung von elektrisch großen, unbeabsichtigten Strahlern (englisch: electrically large equipment under test, ELEUT). Im Rahmen der Arbeit wurde ein quaderförmiges Metallgehäuse mit einem Schlitz als Prüfling eingesetzt, das mit einem Computergehäuse oder anderen elektronischen Geräten vergleichbar ist. Eine weitere Konfiguration eines ELEUT mit daran angeschlossenen Anschlussleitungen wurde ebenfalls untersucht. Zur Sicherstellung der elektromagnetischen Verträglichkeit muss die Abstrahlung dieser Geräte in verschiedenen EMV-Testeinrichtungen gemessen werden. Allgemein können die Emissionsmessverfahren in Messungen der maximalen Feldstärke in einem bestimmten Abstand und in Messungen der Gesamtstrahlungsleistung eingeteilt werden. Das feldstärkebasierte Verfahren wird auch als das klassische Verfahren bezeichnet. Zugehörige Messumgebungen sind z. B. Freifelder, Halbabsorberhallen und Vollabsorberhallen. Typische gesamtstrahlungsleistung-basierte Messmethoden finden in Modenverwirbelungskammern (MVK) und GTEM-Zellen statt. Der Zusammenhang zwischen diesen beiden Methoden wird durch die Direktivität hergestellt, welche die Umrechnung der gesamten abgestrahlten Leistung in die elektrische Feldstärke erlaubt. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine alternative Testmethode (ATM) zur Vereinfachung der Emissionsmessung anzuwenden, wobei Modenverwirbelungskammern als ATM verwendet wurden. Ein Vorteil dieser Messumgebung ist die bessere Reproduzierbarkeit und Robustheit der Messergebnisse. Die Messgröße ist dabei die gesamtabgestrahlte Leistung, die unabhängig von dem konkreten Abstrahldiagramm des Prüflings ist. Die maximale elektrische Feldstärke von Prüflingen kann durch die Kombination der gemessenen Gesamtstrahlungsleistung in einer MVK und über die Schätzung der Direktivität der Prüflinge bestimmt werden. Die maximale Direktivität der ELEUTs kann durch analytische Annäherung oder durch numerische Simulationstechniken bestimmt werden. Um die abgestrahlte Emission von ELEUT zu bestimmen, werden in dieser Arbeit drei Varianten angewendet. In Variante 1 wird das im Standard CISPR 16-4-5 eingeführte Konversionsverfahren auf ELEUTs angewendet, die mit der bestehenden Grenze der FAR verglichen werden kann. In Variante 2 kann die gesamte abgestrahlte Leistung mit Hilfe der Direktivität in eine äquivalente elektrische Feldstärke umgewandelt werden. Diese beiden Methoden hängen von der Anzahl der EUTs ab und können nicht direkt mit der gemessenen Gesamtstrahlungsleistung verglichen werden, was nicht sehr praktikabel ist. Basierend auf Variante 3 wird die neue Leistungsgrenze des MVKs abgeleitet. Außerdem könnte diese Grenze direkt angewendet werden, um mit der gemessenen Gesamtstrahlungsleistung zu vergleichen. Diese Methode ist sehr hilfreich und könnte für weitere Forschung angewendet werden.