In der EMV-Prüfung steht die Antenne drei oder zehn Meter vom Prüfling entfernt. Bei der Nahfeldmessung sind es wenige Millimeter. Das ist mehr als ein Unterschied im Abstand: Die beiden Messungen erfassen physikalisch verschiedene Bereiche des Feldes. Wer das einmal verstanden hat, liest Feldkarten richtig – und weiß, welche Fragen sie beantworten und welche nicht.
Zwei Bereiche um jede Quelle
Jede Leiterbahn und jedes Bauteil, durch das hochfrequente Ströme fließen oder an dem hochfrequente Spannungen anliegen, ist von einem elektromagnetischen Feld umgeben. Dieses Feld sieht nicht überall gleich aus.
- Im Nahfeld, dicht an der Quelle, überwiegen Feldanteile, die an die Quelle gebunden sind. Sie speichern Energie, statt sie abzustrahlen, und werden mit wachsendem Abstand schnell schwächer.
- Im Fernfeld hat sich eine Welle gebildet, die sich von der Quelle löst. Elektrisches und magnetisches Feld stehen dort in einem festen Verhältnis zueinander und nehmen nur noch langsam ab.
Für elektrisch kleine Quellen – und das sind die meisten Strukturen auf einer Leiterplatte – liegt der Übergang grob beim Abstand λ/2π, also bei etwa einem Sechstel der Wellenlänge.
| Frequenz | Wellenlänge λ | Übergang bei etwa λ/2π |
|---|---|---|
| 30 MHz | 10 m | 1,6 m |
| 100 MHz | 3 m | 48 cm |
| 480 MHz | 62,5 cm | 10 cm |
| 1 GHz | 30 cm | 4,8 cm |
| 3 GHz | 10 cm | 1,6 cm |
Eine Sonde, die zwei bis fünf Millimeter über der Leiterplatte geführt wird, misst also bei allen Frequenzen, die für die EMV einer Baugruppe typischerweise relevant sind, tief im Nahfeld.
Warum die Feldstärke im Nahfeld so schnell abfällt
Im Fernfeld nimmt die Feldstärke umgekehrt proportional zum Abstand ab. Verdoppelt sich der Abstand, sinkt der Pegel um 6 dB. Im Nahfeld einer kleinen Quelle fallen die dominanten Feldanteile dagegen mit 1/r² oder 1/r³ ab – das sind 12 bis 18 dB pro Abstandsverdopplung.
Genau dieser steile Abfall macht die Nahfeldsonde zu einem Ortungswerkzeug. Was direkt unter der Sonde liegt, dominiert das Messsignal. Eine Quelle, die nur einen Zentimeter daneben sitzt, trägt deutlich weniger bei. Deshalb zeigt eine Feldkarte Hotspots, die sich einzelnen Bauteilen und Leiterbahnabschnitten zuordnen lassen.
Der steile Abfall hat eine zweite Konsequenz: Die Messhöhe muss konstant und dokumentiert sein. Wird die Sonde bei 2 mm Abstand nur einen Millimeter höher geführt, sinkt der Pegel im idealisierten Modell bereits um etwa 7 bis 11 dB. Handgeführte Messungen sind für eine erste Orientierung nützlich. Für Vergleiche zwischen Hardwareständen braucht es einen Scanner, der jede Messung im gleichen Raster und in der gleichen Höhe wiederholt.
Die Exponenten gelten streng nur für eine idealisierte, punktförmige Quelle. Eine lange Leiterbahn verhält sich in geringem Abstand eher wie eine Linienquelle und fällt zunächst langsamer ab. Über einer Massefläche wird der Abfall mit wachsender Höhe wieder steiler. An der Aussage ändert das nichts: Schon kleine Höhenunterschiede verändern den Pegel deutlich.
Warum man E- und H-Feld getrennt misst
Im Fernfeld sind elektrisches und magnetisches Feld über den Feldwellenwiderstand des freien Raums fest verknüpft, rund 377 Ω. Wer eines der beiden kennt, kennt auch das andere. Im Nahfeld gilt dieser feste Zusammenhang nicht. Welches Feld überwiegt, hängt von der Quelle ab:
- Stromgetriebene Strukturen mit niedriger Impedanz – Stromschleifen von Schaltreglern, Versorgungs- und Rückstrompfade – erzeugen vor allem ein magnetisches Nahfeld.
- Spannungsgetriebene Strukturen mit hoher Impedanz – Schaltknoten, offene Leitungsenden, Kühlkörper – erzeugen vor allem ein elektrisches Nahfeld.
Deshalb gibt es zwei Sondentypen: eine kleine Leiterschleife für das H-Feld und eine kleine Elektrode für das E-Feld. Welche Sonde die richtige ist, hängt davon ab, welche Art von Quelle man sucht. In der Praxis beginnt die Fehlersuche meist mit dem H-Feld, weil Stromschleifen auf Leiterplatten häufig die Hauptquelle sind.
Was Nahfeldpegel aussagen – und was nicht
Nahfeldpegel sind vor allem relativ zu lesen: Wo ist das Feld stärker, wo schwächer? Welcher Peak im Spektrum gehört zu welchem Ort? Was hat eine Änderung am Hotspot bewirkt? Für diese Fragen ist die Nahfeldmessung sehr aussagekräftig, solange Sonde, Höhe, Raster und Betriebsart gleich bleiben.
Ein direkter Vergleich mit den Grenzwerten der EMV-Prüfung ist dagegen nicht möglich. Das hat zwei Gründe:
- Die Antennen sind oft woanders. Ob eine Störung im Fernfeld ankommt, entscheiden häufig Kabel, Gehäuseteile und Kühlkörper, nicht die Leiterplatte selbst. Ein kräftiger Hotspot auf der Platine kann kaum abstrahlen, während eine schwächere Quelle, die auf ein angeschlossenes Kabel koppelt, die Prüfung scheitern lässt.
- Die Sonde misst eine Spannung. Um aus dem Sondensignal eine Feldstärke zu machen, braucht es den Kalibrierfaktor der Sonde. Für relative Vergleiche genügt meist das Sondensignal selbst.
Eine gute Nahfeldanalyse verfolgt deshalb den Weg der Störung: von der Quelle auf der Leiterplatte über die Kopplung bis zu den Strukturen, die tatsächlich abstrahlen. Bei Kabeln ergänzt eine Messung des Gleichtaktstroms mit einer Stromzange das Bild. Ein aussagekräftiger Messbericht nennt darum nicht nur die lauteste Stelle, sondern auch, was sie für die Abstrahlung vermutlich bedeutet.
Vom Nahfeld zur Abstrahlung
Ganz ohne Brücke zwischen den beiden Welten bleibt man aber nicht. Mit der Nah-zu-Fernfeld-Transformation lässt sich aus Nahfelddaten abschätzen, wie eine Baugruppe abstrahlt. Dazu werden die tangentialen Felder über der Leiterplatte erfasst – mit Betrag und Phase oder, bei phasenlosen Verfahren, auf mehreren Messebenen. Daraus bestimmt man äquivalente Quellen, etwa ein Modell aus vielen kleinen Dipolen, und berechnet deren Fernfeld.
Das ist ein Entwicklungswerkzeug. Es hilft einzuschätzen, welche Quelle die Abstrahlung dominiert und wie sich eine Änderung auswirkt, noch bevor ein Labortermin ansteht. Es ersetzt keine Prüfung: Die Messebene über der Leiterplatte erfasst weder Kabel noch Gehäuse, und die Umgebung einer Prüfkammer lässt sich nur näherungsweise nachbilden.
Kurz zusammengefasst
- Eine Nahfeldsonde misst wenige Millimeter über der Leiterplatte, also bei allen relevanten Frequenzen tief im Nahfeld.
- Dort fällt das Feld mit dem Abstand steil ab. Das ermöglicht die Ortung der Quelle, verlangt aber eine konstante Messhöhe.
- E- und H-Feld sind im Nahfeld nicht fest verknüpft und werden mit eigenen Sonden gemessen.
- Nahfeldpegel eignen sich für Vergleiche und Ursachensuche, nicht für den direkten Abgleich mit Grenzwerten.
- Die Nah-zu-Fernfeld-Transformation schlägt eine Brücke zur Abstrahlung, bleibt aber eine Abschätzung.