Projekt: Nahfeldsonden

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Einleitung
Überlegungen zum Bau
Herstellung der H-Feld-Sonde

Schritt-für Schritt Anleitung

Herstellung der E-Feld-Sonde
Einsatz der Sonden

Einleitung

Mit Nahfeldsonden misst man die Abstrahlung elektronischer Schaltungen. Es gibt H-Feld-Sonden zur Messung magnetischer Abstrahlungen und E-Feld-Sonden zur Messung elektrischer Abstrahlung. Da man die Quelle der Abstrahlung in der Schaltung damit genau bestimmen will, sind solche Sonden klein und werden über die Schaltung geführt, um Abstrahlungen zu lokalisieren.
Große Sonden haben Abmaße von wenigen Zentimetern und eignen sich zum schnellen "scannen" - also der Groblokalisierung. Danach nimmt man kleinere Sonden zur genauen Bestimmung des abstrahlenden Bauteils.

Überlegungen zum Bau

Eine H-Feld-Sonde misst magnetische Wechselfelder, wie sie z.B. von mit Wechselströmen durchflossene Leiterbahnen erzeugen. Dafür eignet sich prinzipiell eine kleine Spule, die man in die Nähe so einer Leiterbahn bringt. Spulen haben aber eine Resonanzfrequenz und funktionieren nur weit unterhalb dieser berechenbar. Da hier sehr hohe Frequenzen gemessen werden sollen braucht man eine Spule mit extrem hoher Resonanzfrequenz, und deshalb soll diese Spule auch nur eine Windung haben.

Da die Sonde dann (über einen 20dB-Verstärker) an einen Spektrumanalysator angeschlossen werden muss, braucht die Sonde einen koaxialen Steckverbinder. Viele Sonden haben einen robusten BNC-Anschluss, ich verwende einen etwas verschleißanfälligeren SMA-Stecker. Dadurch lässt sich die Sonde aus einem Stück Koax-Kabel basteln. Ein Teil des Kabels dient dabei als Griff. Das erfordert eine gewisse Steifigkeit, weshalb die Wahl auf RG402-Kabel fiel.
Auch die Schirmung des Koaxialkabels ist von Vorteil. Zwar kann sie magnetische Felder nicht abschirmen, aber in den beiden koaxial verlaufenden Leitern (Mittelleiter und Schirm) werden durch Magnetfelder nahezu identische Ströme induziert, die sich dadurch wieder aufheben.

Herstellung der H-Feld-Sonde

Material:
Für etwa 2 ... 3 € bekommt man z.B. bei Ebay kurze RG402-Kabel mit beidseitig angelöteten SMA-Steckern. Ein Kabel von 30 cm Länge reicht für zwei Sonden. Dazu wird das Kabel erst einmal mittig durchgeschnitten. Nun hat man zwei 15cm lange Kabel mit einem SMA-Stecker an einer Seite.

Am offenen Ende des Kabels soll die Induktionsschleife entstehen. Dazu legt man auf einer Länge von ca 5 mm den Mittelleiter frei, indem man Schirmung und die innere Isolation auf dieser Länge entfernt.

Nun biegt man das Ende zu einer Schlaufe - der Induktionsschleife. Der Durchmesser der Schleife bestimmt ihren Verwendungszweck. Etwa 3 cm Durchmesser eignet sich zur schnellen Groblokalisation, kleinere Durchmesser zur genauen Bestimmung. Da man zwei Kabelstücke hat, kann man ja gleich zwei Sonden verschiedener Durchmesser bauen.

Die Schlaufe wird so gebogen, dass das Ende der Leitung wieder auf die Außenhülle des Kabels trifft. Sie sollte rund bis Tropfenförmig sein, damit sie eine möglichst große Fläche umschließt.

Nun wird der Mittelleiter und auch der Schirm des Kabelendes dort auf den Schirm des Kabels gelötet. Da der Mittelleiter etwas hervorsteht, kann man ihn dazu gut zur Seite biegen, so dass er seitlich in die Lötstelle reicht. Es wird , wie auf dem Foto zu sehen, rings herum verlötet. Wenn noch etwas vom Mittelleiter herausschaut, kann man das abschneiden.

Nun stellt der Innenleiter unsere Induktionsschleife dar. Da nun ein Ende der Schleife mit Masse verbunden ist, wird jeder induzierte Strom durch den Mittelleiter des Kabels in das am SMA-Stecker angeschlossenen Messgerät gespeist.

Allerdings bildet der Außenschirm der Schleife eine identische Induktionsschleife. Dort würde der gleiche Strom induziert, der den Messstrom des Mittelleiters kompensieren würde. Das verhindert man dadurch, dass man den Außenschirm der Messschleife an einer Stelle rundherum durchtrennt. Wo genau innerhalb der Schleife man den Außenleiter durchtrennt ist nicht so entscheidend, üblicherweise macht man es aber an der Vorderseite der Schleife (siehe Foto). Ich verwendete dafür ein kleines Cuttermesser mit frischer Klinge. Es ist wichtig, dass kein Drähtchen oder Kupferspan in der Unterbrechung verbleibt, und sie kurzschließen kann. Da man nicht messen kann, ob der Schirm komplett durchtrennt wurde, sollte man ihn mit einer Lupe genau inspizieren.

Damit ist die Sonde eigentlich schon fertig. Allerdings ist ihr leitfähiges Äußere während der Messung mit Masse verbunden. Wenn man damit so in laufenden Geräten herumhantiert, kann man leicht Kurzschlüsse verursachen. Deshalb empfehle ich eine Isolation z.B. mit Isolierlack. Wahrscheinlich wäre auch Flüssiggummi gut geeignet.

Schritt-für-Schritt Anleitung

Ausgangsmaterial ist ein mindestens 15 cm langes RG402-Kabel mit SMA-Steckern. (Ebay, 2€) Davon kürzt man eine Seite so, dass etwa 15cm Kabel mit einem Stecker an einem Ende übrig bleiben. In meinem Fall war das Kabel 15cm lang, und ich schnitt deshalb nur einen Stecker ab und warf ihn weg.
Nun wird auf einer Länge von ca. 5mm der Außenschirm entfernt. Da der Schirm hier aus verzinntem Kupfergeflecht besteht, reicht dafür ein scharfes Bastelmesser.
Als nächstes wird die Innenisolierung entfernt, und damit der Mittelleiter frei gelegt. Es empfiehlt sich, auch etwas der Isolierung zwischen dem verbliebenen Außenschirm und dem Mittelleiter wegzunehmen, so dass der Schirm etwas über die Isolierung übersteht. (Habe ich hier versäumt.)
Denn als nächstes wird der Mittelleiter um 90 Grad zur Seite gebogen. Danach sollte der Außenschirm möglichst weit nach vorn stehen, denn nun wird eine Schleife gebogen, und je dichter dabei das Ende des Schirms an die Seite des Kabels gelangen kann, desto einfacher ist später das Verlöten. Man kann gut erkennen, das der Mittelleiter dabei etwas stören kann.
Zum Verlöten drückt man die Schleife am besten mit einem kleinen Schraubstock zusammen, um die Lücke zwischen Kabelende und Kabelwand möglichst klein zu machen.
Nun trägt man Flussmittel auf und verlötet den Schirm rundum, und lötet dabei auch den Mittelleiter mit ein. Dessen überstehendes Ende schneidet man danach ab. Dann reinigt man die Lötstelle z.B. mit Isopropylalkohol (IPA).
Danach bringt man die Unterbrechung in den Außenschirm ein. Ein kleines Bastelmesser (Skalpell) mit frischer Klinge reicht aus, um das verzinnte Kupfergeflecht zu durchtrennen. Das muss sorgfältig geschehen. Es dürfen keine kleinen Drähtchen im Schlitz verbleiben, da diese sonst später wieder Brücken bilden könnten.
Abschließend trägt man eine Isolation auf. Bei mir ist es farbloses "Plastik"-Spray.
Fertig.

Herstellung der E-Feld-Sonde

Material:
Für etwa 2 ... 3 € bekommt man z.B. bei Ebay kurze RG402-Kabel mit beidseitig angelöteten SMA-Steckern. Ein Kabel von 30 cm Länge reicht für zwei Sonden. Dazu wird das Kabel erst einmal mittig durchgeschnitten. Nun hat man zwei 15cm lange Kabel mit einem SMA-Stecker an einer Seite.

Am offenen Ende des Kabels soll die Empfangsantenne entstehen. Dazu entfernt man auf einer Länge von ca 10 mm den Außenschirm. Damit ist man eigentlich schon fertig. Der nun aus dem Schirmgefecht hervorstehende Innenleiter ist die Antenne. Die ihn noch umgebende Isolation dient nur der mechanischen Stabilität.

Aber das leitfähiges Schirm der Sonde ist während der Messung mit Masse verbunden, und an der vordersten Spitze kann auch der Mittelleiter beim Herumtasten mit der Sonde Kurzschlüsse verursachen.
Deshalb empfehle ich eine Isolation z.B. mit Isolierlack. Wahrscheinlich wäre auch Flüssiggummi gut geeignet. Im einfachsten Fall nimmt man Schrumpfschlauch, den man vorn 1..2 mm überstehen lässt.

Die Isolation des Mittelleiters ist auch aus einem anderen Grund sehr wichtig. Wenn z.B. ein klassischer Spektrumanalysator direkt an die Sonde angeschlossen ist, kann man dessen Eingangsstufe durch das einfache Berühren eines gleichspannungsführenden Objektes mit dem Sondenmittelleiter zerstören! Also isolieren!
Es gibt auch sogenannte Pin-Probes, die zum Berühren von Pins mit den nichtisolierten Mittelleider ausgelegt sind. Diese enthalten aber im Mittelleiter einen Serienkondensator als DC-Blocker.

Einsatz der Sonden

Das von solchen Sonden empfangene Signal ist sehr klein, und muss mit einem geeigneten Messgerät zur Anzeige gebracht werden. Angewendet werden hier der Spektrumanalysator oder das Oszilloskop. Dabei ist der Spektrumanalysator das geeignetere Gerät. Außerdem wird man fast immer einen Messverstärker benötigen. Dafür eignen sich die meist mit 5V betriebenen billigen 20dB-Verstärker chinesischer Ebay-Händler gut.

Die Sonde wird mit dem SMA-Stecker an den Eingang des Verstärkers geschraubt und der Ausgang des Verstärkers mit Hilfe eines SMA-Kabel mit dem Eingang des Spektrumanalysators verbunden. Nun legt man noch 5V am Verstärker an.

Anfangs nimmt man eine große H-Feld-Sonde. Diese führt man erst mal horizontal über die Schaltung. Hat man eine Strahlungsquelle gefunden kann man diese mit einer kleineren Sonde genauer lokalisieren.

Dann stellt man die Schleife vertikal, und dreht ihre Ausrichtung. Die Schleife empfängt Strahlung vom stromdurchflossenen Leitungen, die sich in der Ebene der Schleife befinden. Dadurch lässt sich die Quelle weiter eingrenzen.

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Autor: sprut
erstellt: 23.01.2021