Messergebnis: kapazitive Kopplung

[The Scientist (Gast)]

Hi,

ich habe für meine Facharbeit eine Platine erstellt(Schaltplan und 
Layout im Anhang) mit der ich den Effekt der kapazitiven Kopplung 
untersuchen wollte. Die Strösenken-Leiterbahnen sind 0.3mm dick und in 
0.6mm-Schritten angeordnet. Sie verlaufen 8cm lang parallel zur 
Störquellen-Leiterbahn. An dieser liegt eine 5V, 20MHz Rechteckspannung 
an. Nach der Formel:

$${C_k} = \frac{l \pi \epsilon_{0} \left( 0.6 + 0.4 \epsilon_{r} \right) }{\ln \left( \frac{d}{D} + \sqrt{\left( \frac{d}{D} \right)^2 - 1} \right) }$$

Ergeben sich die Koppelkapazitäten jeweils zu 4.06pF, 2.59pF und 2.16pF. 
Die Berechnung der Störspannung erfolgt über einen komplexen 
Spannungsteiler und ergibt: 2.25V, 1.53V und 1.30V.
Im Versuch ergeben sich allerdings Werte um 140mV. Woran kann diese 
massive Abweichung liegen? Wenn das kein Messfehler sein sollte, scheint 
das Modell ja nicht viel zu taugen. Da unsere Schule mit Top-Equipment 
ausgestattet ist, gab es keine geeigneten Tastköpfe zum Ausgleich der 
Eingangskapazität des OSCars, sondern nur einfache Messspitzen. Die 
daraus resultierende Frequenzabhängigkeit der Messspannung könnte eine 
Fehlerursache sein. Aber ein Fehler von über einer Zehnerpotenz???
Eins von beiden ist falsch: Das Modell oder die Messung. Nur was?

mfg The Scientist

[Nicht_neuer_Hase (Gast)]

Ein Standart-Tastkopf 1:10 hat ca. 10 pf Eingangskapazität ...

Gruss

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

Das sind Lambda/4 Microstrip-Richtkoppler. Mit Verkürzungfaktor von etwa 
2 wäre die Wellenlänge also 64cm, das sind ca 470 MHz. Es kommt beim 
Richtkoppler auf die Flußrichtung an, die Auskopplung hat bei diesen 
einfachen Kopplern allerdings eine Richtschärfe von etwas mehr als 10 
dB. Wieviel da überkoppelt ist eine Frage des Oberwellengehalts der 20 
MHz Rechteckschwingung im genannten Frequenzbereich. Zu Null Hertz hin 
fällt die Kopplung nach minus unendlich ab.

[Christoph db1uq K. (christoph_kessler)]

Dazu gibts Berechnungsprogramme, hier Aplac, die Abbildung stammt von:
http://www.elektronikschule.de/~krausg/APLAC_Schaltungssimulation/Aplac_cd_version_2.2.1/APLAC_Tutorial_in_German_version_2.2.1/Part_3_Version_2.2/APLAC_Kurs_03.doc

Das sind natürlich Leitungen, die allseitig mit dem Wellenwiderstand 
abgeschlossen sind, keine leerlaufenden Leitungen.

Hier noch ein Text zur Theorie dieser Koppler.
http://www.ee.bilkent.edu.tr/~microwave/programs/magnetic/dcoupler/theory.htm

Ich nehme auch an, dass der Tastkopf die Messung zu stark verfälscht, 
ohne definierte Messbedingungen wird das immer sehr ungenau bleiben.

[The Scientist (Gast)]

was heißt das denn konkret? Ich habe von HF jetzt nicht sooo viel 
ahnung. Die Modellrechnung hab ich aus einem Buch über 
EMV(http://www.teubner.de/index.php;do=show/site=t/book_id=6416/sid=131634876447cc18aeb734d188673073), 
wo die kapazitive Kopplung durch einen Kondensator modelliert wird.
Ich interpretiere deinen Beitrag so, dass dieses Modell selbst bei 20MHz 
sehr ungenau ist(eine zehner Potenz) und die Messergebnisse durchaus 
stimmen können.

[6639 (Gast)]

Wie schaut's mit der induktiven Kopplung aus ? Villeicht sollte man das 
Ganze auch in Abhaengigkeit der Frequenz messen.

[The Scientist (Gast)]

@6639:
Klar hätte ich auch gemacht, wenn die Facharbeit nicht auf 12 DIN A4 
Seiten beschränkt wäre. Und ich muss den Effekt ja erstmal theoretisch 
erklären und noch so ne allgemeine Einführung geben. Da bleibt nicht 
mehr viel für ne genaue Untersuchung.
Induktive Kopplung sollte recht klein sein, da kleiner Strom in der 
Störquelle und großer Innenwiderstand der Störsenke(100k).
Und wenn, sollte sie die Störung doch eher verstärken, oder?

Worum es mir geht ist einfach:
Lässt sich der Effekt, wie im gennanten Buch, durch einen 
Spannungsteiler aus Koppelkapazität und Impedanz der Störsenke - 
Innenwiderstand + Last - einigermaßen mathematisch beschreiben? Dann 
wären die Messergebnisse total daneben und ich könnte argumentieren, das 
Schulequipment lässt eine solche Messung nicht zu.
Wenn aber die Messergebnisse so normal sind für den dargestellten 
Aufbau, dann wäre das Modell selbst für eine grobe Abschätzung nicht zu 
gebrauchen.

mfg The Scientist

[Martin L. (Gast)]

Du brauchst zum messen was sehr hochohmiges. Ein normaler Tastkopf geht 
nicht. Vielleicht kann man aber was mit einem Gleichrichter aus 
vorgespannten Dioden machen. Da kann man wenigstens den Spitzenwert ganz 
sinnvoll bestimmen. Ansonsten braucht man ein FET-Tastkopf. (Oder Du 
nimmst einen sehr hochohmigen Spannungsteiler - 1:200 vielleicht.)

Aber das ganze Konzept ist eigentlich Murks (oder soll ich gronottig 
schreiben?). Für sowas nimmt man einen (vektoriellen) Networkanalyser 
der einem die S-Parameter Frequenzabhängig ausgibt. Da muss man sich 
auch keine Gedanken um Tastköpfe etc. machen und kalibriert auch die 
Zuleitungen bis zum Koppler auf der Platine mit heraus.

Den induktiven Teil kannst Du u.U. nicht vernachlässigen weil es ja 
einen
Wellenwiderstand gibt und da bei den Flanken schon ein Strom von U/Z 
fließt, bis die elektromagnetische Welle - die sich ja nun mal nur mit 
maximal der Lichtgeschwindigkeit ausbreitet - merkt, dass die Leitung ja 
eigentlich im Leerlauf ist.

Ansonsten ist die Formel aber auch nur eine Nährung weil das 
Platinensubstrat ja eine andere relative Dielektrizätskonstante als die 
Luft aufweist und es IMO überhaupt keine geschlossene analytische Lösung 
dafür gibt. (Was ich sogar bei zwei Rechtecken in einem homogenen 
Dielektrikum bezweifel.)
Also nimm erst mal ein einfaches 2D-FEM Progamm und schau mal was die 
tatsächliche Koppelkapazität ist. Mindestens ein Progamme gibt es sogar 
kostenlos.

Viele Grüße,
 Martin L.