Nahfeldanalyse im Mikrometerbereich
Nahfeldsonden am praktischen Beispiel des Raspberry Pi
Für grundlegende EMV-Untersuchungen zählen Nahfelder zu den wichtigsten Informationsquellen. Sie liefern entscheidende Informationen über die Funktion elektronischer Baugruppen. Wie Nahfeldsonden die Entwicklung und Fehlerdiagnose verbessern, zeigt ein praktisches Beispiel am Raspberry Pi.
Nahfeldsonden sind bei der Entwicklung elektronischer Baugruppen nicht mehr wegzudenken. Sowohl in der Hochfrequenztechnik als auch in der EMV-Technik werden sie eingesetzt, um Simulationswerte zu evaluieren, Störquellen ausfindig zu machen und Echtzeitüberwachung durchzuführen.
Nahfeldsonden lassen sich einfach in den Entwicklungsprozess einbinden und bringen dafür einige interessante Vorteile mit:
- Geringe Rückwirkung auf das Messsystem durch kontaktlose Messung
- Vielseitige Einsatzmöglichkeiten durch optimierte Formgebung der Spitzen
- Durch ihre geringe Größe lassen sich auch schwer erreichbare Strukturen untersuchen
- Nahfeldsonden decken ein breites Frequenzspektrum ab
- Die Sonden sind für Messungen im Frequenz- und im Zeitbereich einsetzbar
- Einfache Handhabung
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Ein weiterer Aspekt – und der größte Vorteil – der Nahfeldanalyse ist die Möglichkeit, verschiedene Wirkzusammenhänge in Baugruppen (z. B. Magnetfelder) zu untersuchen. Das Magnetfeld und das elektrische Feld sind getrennt voneinander messbar. So ist es möglich, die Wirkung des elektrischen Feldes von der Wirkung des magnetischen Feldes getrennt zu beurteilen. Der damit verbundene Gewinn an Freiheitsgraden für die Beurteilung des Wirkzusammenhangs ist erheblich, weil aus den Feldverteilungen auch Verteilungen der Ströme und Spannungen abgeleitet werden können. Um diesen Vorteil der Nahfeldmessung ausnutzen zu können, sind die Sonden von Langer EMV-Technik so konstruiert, dass z. B. Magnetfeldsonden gegen das Eindringen von elektrischen Feldern geschirmt sind.
Hohe räumliche Auflösung für präzise Messungen
Ein weiterer positiver Aspekt der Nahfeldmessung mit Nahfeldsonden ist die räumliche Auflösung von Messwerten. Je nach Sondengröße können Messvolumina höher oder niedriger aufgelöst gemessen werden. So kann beispielsweise die Feldverteilung ganzer Baugruppen sowie kleinster Schaltkreise vermessen und grafisch angezeigt werden.
Für den Bereich der Feldverteilung der Schaltkreise bietet Langer EMV-Technik die Nahfeldmikrosonden der ICR-Serie an. Sie zeichnen sich durch eine hohe räumliche Auflösung von ca. 70 μm bis 250 μm aus und ermöglichen es, die Feldverteilungen integrierter Schaltkreise aufzunehmen und auszuwerten. Bild 1 und Bild 2 zeigen die Feldverteilung des Prozessorchips eines Raspberry Pi bei verschiedenen Spektralfrequenzen. Die Feldverteilungen resultieren aus den inneren Schaltvorgängen des IC.
Feldverteilungen des Raspberry Pi
Auf den Bildern ist die unterschiedliche Aktivität des Schaltkreises bei unterschiedlichen Frequenzen erkennbar. Diese Aktivitäten spiegeln die Vorgänge und Funktionen des Schaltkreises wider und sind beispielsweise abhängig von der Technologie des IC und der Soft- bzw. Firmware. Im Vergleich dazu zeigt die Feldverteilung des Speicherschaltkreises des Raspberry Pi die Verschiedenheit des Aufbaus auf.
Bild 3 und Bild 4 zeigen eine über die gesamte Chipfläche verteilte Aktivität des IC. Sie wird durch die über den Chip verteilte Funktion des IC erzeugt. Unter den Gesichtspunkten der Fehlerdiagnose, Qualitätssicherung und der Optimierung integrierter Schaltungsteile ist diese Art von Nahfelduntersuchungen ein Gewinn in der Entwicklung, aber auch bei der Fehlersuche in fertigen Geräten.
Sicherheitskritische Anwendungen und Seitenkanalangriffe
Die Vorteile der hohen Ortsauflösung und des breiten Frequenzbereichs sind besonders hilfreich bei der Untersuchung sicherheitskritischer Funktionen der ICs. Dies wird aktuell besonders im Bereich Schaltkreissicherheit angewendet. Bei den sogenannten Seitenkanalangriffen werden im Zeitbereich Schaltkreise mit bestimmten Signalen beaufschlagt und an verschiedenen Positionen die Reaktion des Schaltkreises anhand von Feldstärkeerhöhung untersucht. Hier bietet Langer EMV-Technik nicht nur die Nahfeldsonden zur Messung der Reaktion, sondern auch die Pulsfeldgeneratoren zur Einspeisung der Störsignale an. Die Ortsauflösung der eingespeisten Pulsfelder liegt hierbei auch im Bereich von ca. 200 bis 300 μm.
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