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Die '''Transfer[[impedanz]]''' <math>Z_\mathrm{T}</math>, auch '''Kopplungswiderstand''', ist eine dimensionsbehaftete [[Messgröße]] für die [[Abschirmung (Elektrotechnik)|Schirmwirkung]] geschirmter [[elektrische Leitung|elektrischer Leitungen]]. In der [[Hochfrequenz]]technik und der [[Elektromagnetische Verträglichkeit|elektromagnetischen Verträglichkeit]] (EMV) kennzeichnet der Wert der Transferimpedanz die Qualität eines Leitungsschirms bzw. eines [[Koaxialkabel]]s: je kleiner die Transferimpedanz, desto besser die Schirmwirkung.

Die Transferimpedanz ist als längenbezogene Größe definiert. Sie besitzt die [[Dimension (Größensystem)|Dimension]] [[Ohm|Ω]]/m; üblich ist die Angabe in mΩ/m (Milli-Ohm pro Meter). Die Messverfahren zur Transferimpedanz sind genormt in EN 50289-1-6 sowie in IEC 62153-4-3 und -4.

Zur Bewertung der Schirmwirkung ''genereller'' elektrischer Abschirmungen dient die dimensionslose Messgröße [[Schirmdämpfung]], die gelegentlich auch für geschirmte Leitungen gebraucht wird.

== Definition ==
Die Transferimpedanz beschreibt die längenbezogene Schirmwirkung eines [[Leitungstheorie #Elektrisch kurze Leitungen|elektrisch kurzen]] (<math>l < \lambda/10</math>), geschirmten Leitungabschnitts der Länge <math>l</math>:

: <math>Z_\mathrm{T} = \frac{U_\text{stör}}{I_\text{stör}\cdot l}</math>

mit
* der Längs[[Elektrische Spannung|spannung]] <math>U_\text{stör}</math>, die in den inneren [[Stromkreis]] (Schirminnenseite, [[Innenleiter]] und [[Abschlussimpedanz]]en der Leitung) eingekoppelt wird
* dem [[Elektrischer Strom|Strom]] <math>I_\text{stör}</math>, der als Störstrom im äußeren Kreis (Schirmaußenseite und Umgebung) eingeprägt wird.
Die Transferimpedanz umfasst nur die [[Galvanische Kopplung|galvanische]] und die [[Induktive Kopplung|magnetische Kopplung]]. Als Störmechanismus beschreibt sie eine vom Störstrom ''I''stör gesteuerte Störspannungsquelle.

Dagegen wird die [[Kapazitive Kopplung]] auf den oder die vom Leitungsschirm geschützten Leiter über die [[Transferadmittanz]] erfasst. Sie ist - aufgrund des vergleichsweise schwachen Einflusses [[elektrisches Feld|elektrischer Felder]] - üblicherweise nur bei einseitig an [[Masse (Elektronik)|Masse]] gelegten Leitungsschirmen zu betrachten.

== Typischer Verlauf über der Frequenz ==
=== Bei Leitungen mit Geflechtschirm ===
[[Datei:Transferimpedanz Braid.PNG|mini|Charakteristischer Verlauf der Transferimpedanz von Leitungen mit Geflechtschirm]]
Typische Werte der Transferimpedanz für [[Flechten (Technik)|Geflecht]]<nowiki/>schirme beginnen für [[Gleichstrom]] bei 10 mΩ/m bis 20 mΩ/m. Bei tiefen [[Frequenz]]en bis ca. 100 kHz entspricht der Wert der Transferimpedanz etwa dem [[Gleichstromwiderstand]] des Schirms. Dieser Wert bleibt bis ungefähr 1 MHz konstant, da bis zu dieser Frequenz die galvanische Kopplung die Einkopplung der Störspannung dominiert.

Oberhalb von ca. 1 MHz dominiert aufgrund der Öffnungen im Geflechtschirm die magnetische Kopplung auf den oder die Innenleiter, und die Transferimpedanz steigt linear mit der Frequenz an, in [[Logarithmische Darstellung|logarithmischem Maßstab]] um 20 [[Bel (Einheit)|dB]] pro Frequenz[[Logarithmische Größe #Andere logarithmische Größen|dekade]].

Nur bei hochwertigen Kabeln ist zwischen ca. 100 kHz und 1 MHz aufgrund des [[Skin-Effekt]]s eine Verbesserung, d. h. Verringerung der Transferimpedanz charakteristisch.

==== Einfluss der Wellenlänge, Prüflingslänge und Frequenz ====
[[Datei:Kopplungsübertragungsfunktion.JPG|mini|hochkant=1.5|Charakteristischer Verlauf der gemessenen Transferimpedanz von Leitungen mit Geflechtschirm. Deutlich sichtbar die Auslöschungen am nahen (rot) und am fernen (blau) Ende einer Messanordnung. Bei kürzeren Leitungslängen verschiebt sich die Grenzfrequenz in höhere Frequenzbereiche. Auch sichtbar für Geflechtschirme mit hohem Bedeckungsgrad der einsetzende Skin-Effekt, der ab ca. 100 kHz bei besonders guten Leitungen die Transferimpedanz verbessert]]

Gemessene Einbrüche der Transferimpedanz bei höheren Frequenzen sind auf den [[Wellenlänge]]n<nowiki/>unterschied zwischen Störstromwelle auf dem Leitungsschirm und Störspannungswelle innerhalb der geschirmten Leitung zurückzuführen. Der Wellenlängenunterschied entsteht dadurch, dass die auf dem Schirm eingeprägte Stromwelle eine [[Permittivität]] ähnlich der [[Elektrische Feldkonstante|Permittivität des Freiraums]] erfährt, während die Störspannungswelle zwischen Innen- und Außenleiter die Permittivität des [[Isolierstoff|Isoliermaterials]] sieht. Da sich die Wellenlänge innerhalb der Leitung aufgrund des [[Dielektrikum]]s um den [[Verkürzungsfaktor]] von der Wellenlänge des Störstroms außerhalb der Leitung unterscheidet, kommt es bei höheren Frequenzen, wenn die geschirmte Leitung elektrisch lang wird, zu Werte-Auslöschungen bei der Bestimmung der Transferimpedanz aus Messstrom und Messspannung. Die Frequenz, bei der diese Auslöschung einsetzt, hängt von der Länge <math>l</math> des [[Prüfkörper|Prüflings]] ab und mit der Wahl des [[Messpunkt]]es für die Messspannung davon, ob die Richtungen der Wellen zwischen innerem und äußerem Stromkreis gegen- oder gleichläufig sind.

Nach EN 50289-1-6 ist die Kopplungslänge Lc:
* elektrisch kurz, wenn: <math>L_{c} \le \frac{c}{10 \cdot f \cdot \sqrt{\epsilon_\mathrm{r1}}}</math> (vgl. oben <math>l < \lambda/10</math>)
* elektrisch lang, wenn: <math>L_{c} \ge \frac{c}{10 \cdot f \cdot |\sqrt{\epsilon_\mathrm{r1}} - \sqrt{\epsilon_\mathrm{r2}}|}</math>

mit
* der [[Lichtgeschwindigkeit]] ''c'' im [[Vakuum|freien Raum]]
* der Frequenz f
* der Permittivität <math>\epsilon</math>.

Die Kopplungs[[übertragungsfunktion]] Tn,f stellt den Verlauf von Transferimpedanz und Schirmdämpfung aS eines Kabelschirmes bzw. eines geschirmten Bauelementes oder Steckers über der Frequenz dar.

Die Transferimpedanz ist unabhängig von den Ausbreitungsbedingungen im Kabel bzw. im Bauteil und dessen Umgebung, die Schirmdämpfung ist es ihrer Definition nach nicht.

Oberhalb der [[Grenzfrequenz]]en ''f''n,f (c = ''cut off'', n = nah, f = fern) beginnt der Bereich der Wellenausbreitung bzw. der Bereich, in dem die untersuchten Objekte als elektrisch lang zu betrachten sind.

=== Bei Leitungen mit geschlossenem Schirm ===
[[Datei:Transferimpedanz Semirigid.PNG|mini|Charakteristischer Verlauf der Transferimpedanz von Leitungen mit kontinuierlich geschlossenem Schirm]]

Bei Leitungsschirmen aus in sich geschlossenem Schirmleitermaterial, z. B. [[Semi-Rigid-Kabel|Semirigidleitungen]], nimmt mit steigender Frequenz die Transferimpedanz ab, weil der [[Skin-Effekt]] dafür sorgt, dass der Störstrom der Innenseite einen immer geringeren [[Spannungsabfall]] erzeugt. Bei welcher Frequenz dieser Effekt einsetzt, hängt von der Dicke des Außenleiters und der [[Skin-Tiefe]] ab.

Dieser Effekt ist erwünscht, da er zur gewollten Entkopplung zwischen äußerem und inneren Stromkreis führt.

== Messung ==
Die Transferimpedanz einer Leitung wird gemessen, indem mittels eines äußeren Stromkreises über eine definierte Leitungslänge ''l'' ein definierter Strom ''I''stör in den Leitungsschirm eingeprägt wird. An der Prüfleitung wird am inneren Stromkreis über einen [[Abschlusswiderstand]] ''R'' der beidseitig mit dem [[Leitungswellenwiderstand]] abgeschlossenen Leitung die dort abfallende Spannung ''U''stör gemessen. Die an ''einem'' Abschlusswiderstand gemessene Spannung entspricht der ''Hälfte'' der in den Leitungsschirm eingekoppelten Spannung der ''beidseitig'' abgeschlossenen Leitung. Die aus den Messwerten ermittelte Transferimpedanz lautet dann:

:<math>Z_\mathrm{T} = 2 \cdot \frac{U_\text{stör, Messwert}}{I_\text{stör}\cdot l}</math>

Als Messanordnung werden in der Literatur triaxiale Messanordnungen oder Anordnungen mit einer direkten Einspeisung des Störstroms in den Leitungsschirm des Messobjekts angegeben.

=== Triaxialmessverfahren ===
[[Datei:Triaxialverfahren.jpg|mini|hochkant=1.5|Triaxialer Messaufbau zur Messung der Transferimpedanz]]
Das zu prüfende Kabel oder Bauteil wird an einem Ende mit einem [[Steckverbinder|Stecker]] und am anderen Ende mit einem Abschlusswiderstand versehen. Der Prüfling wird in das Rohr eingebaut und am senderseitigen Ende mit dem Rohr [[Elektrischer Kurzschluss|kurzgeschlossen]]. Im Falle koaxialer Prüflinge bildet das Koaxialkabel mit dem Messrohr ein triaxiales System; wobei das zu prüfende Kabel das innere System und der Kabelschirm mit dem Rohr das äußere System bilden. Über den Sender wird Energie in das zu prüfende Kabel bzw. in das innere System eingespeist.

Die aus dem zu prüfenden Kabel bzw. aus dem inneren System austretende Energie breitet sich im äußeren System aus. Für die zum sendernahen Ende laufende Welle entsteht durch den Kurzschluss eine [[Totalreflexion]], so dass am Empfänger die [[Interferenz (Physik)|Überlagerung]] aus hin- und rücklaufender Welle bzw. aus Nah- und Fern[[Übersprechen|nebensprechen]] gemessen wird.

Das Triaxiale Messverfahren ist in EN 50289-1-6 sowie in IEC 62153-4-3 und in IEC 62153-4-4 genormt.

=== Alternative Messmethode ===
Die genaueste Methode zur Bestimmung ist bei komplexen Geflechtschirmen die messtechnische Erfassung. Das Triaxialverfahren ist ein häufig verwendetes Messverfahren.<ref>{{Internetquelle |url=https://webstore.iec.ch/publication/6568 |titel=IEC 62153-4-3:2013 {{!}} IEC Webstore |werk=webstore.iec.ch |zugriff=2016-03-21}}</ref><ref>{{Internetquelle |url=https://webstore.iec.ch/publication/23873 |titel=IEC 62153-4-15:2015 {{!}} IEC Webstore |werk=webstore.iec.ch |zugriff=2016-03-21}}</ref> Bei diesem Messverfahren ist eine angepasste Terminierung des Prüflings nur mit großem Aufwand möglich. Eine fehlangepasste Terminierung erzeugt zwar im niederfrequenten Bereich gute Ergebnisse, mit steigender Frequenz werden die Ergebnisse aber zunehmend ungenauer. Darüber hinaus führen größere Stecker zu sehr großen Rohrdicken, wodurch ein wellenwiderstandsrichtiger Abschluss noch schwieriger wird.

Weiterhin existiert das ebenfalls standardisierte Paralleldrahtverfahren, welches gute Ergebnisse bei unterschiedlichen Kabeln erzielt. Es kann ein ähnlicher Messaufbau für Kabel und Kabel-Stecker-Systeme verwendet werden.<ref>{{Internetquelle |url=https://www.beuth.de/de/norm-entwurf/din-iec-62153-4-6/73065326 |titel=DIN IEC 62153-4-6:2004-07 |werk=beuth.de |zugriff=2016-03-21}}</ref> Bei nicht symmetrischen Steckern gelangt diese Methode schnell an ihre Grenzen, weil die Messergebnisse für unterschiedliche Positionen des Speisedrahts variieren können.

In Anbetracht der Einschränkungen der LIM und des Triaxialverfahrens, speziell bei der Analyse im hochfrequenten Bereich, wurde die ''Ground Plate Method'' (GPM) entwickelt.<ref>{{Literatur |Autor=Abid Mushtaq, Stephan Frei |Titel=Alternate methods for transfer impedance measurements of shielded HV-cables and HV-cable-connector systems for EV and HEV |Sammelwerk=International Journal of RF and Microwave Computer-Aided Engineering |Datum=2016-03-01 |ISSN=1099-047X |DOI=10.1002/mmce.20984}}</ref> Die drei Methoden unterscheiden sich im Wesentlichen in der Art der Stromeinspeisung und dem Aufbau des Rückleiters. Bei dem Triaxialverfahren wird ein Zylinder verwendet, das Paralleldrahtverfahren verwendet einen Speisedraht, wohingegen die GPM eine [[Massefläche]] als Rückpfad nutzt.

== Unterschied zur Schirmdämpfung ==
[[Datei:RG58-Ferrite-Coated-and-Uncoated.jpg|mini|Ferritummanteltes und übliches Koaxialkabel RG58]]
Das Bild zeigt den Querschnitt zweier Leitungen des Typs RG 58. Der [[Ferrit (Phase)|ferrit]]<nowiki/>ummantelte Leitungstyp und das Kabel in üblicher Ausführung weisen beide ''dieselbe'' Transferimpedanz auf, weil die Ferritummantelung die Einkopplung auf den Innenleiter nicht verändert, wenn der Störstrom auf dem Außenleiter eingeprägt ist.

Die [[Schirmdämpfung]] gegenüber [[elektromagnetisches Feld|elektromagnetischen Feldern]] wird allerdings vom Ferritmantel vergrößert. Für sie sind die Referenzsignale nicht Strom I und Spannung U, sondern die [[Feldgröße]]n [[Elektrische Feldstärke|E]] und [[Magnetische Feldstärke|H]]. Darüber hinaus wirkt die Ferritummantelung als [[Drossel (Elektrotechnik) #Entstör-Drosseln|Gleichtaktdrossel]], die ein [[Gegentaktsignal]] [[transformator]]isch stützt und auf ein [[Gleichtaktsignal]] induktiv dämpfend wirkt.

== Weitere Literatur ==
* {{Literatur
|Autor=H. Kaden
|Titel=Wirbelströme und Schirmung in der Nachrichtentechnik
|Auflage=2.
|Verlag=Springer Verlag
|Datum=1959
|ISBN=3-540-32569-7
|Kommentar=März 2006}}
* {{Literatur
|Autor=Joachim Franz
|Titel=EMV, Störungssicherer Aufbau elektronischer Schaltungen
|Verlag=Teubner
|Ort=Stuttgart / Leipzig / Wiesbaden
|Datum=2002
|ISBN=3-519-00397-X}}
* IEC 62153-4-3: Metallic communication cable test methods - Part 4-3: Electromagnetic compatibility (EMC) - ''Surface transfer impedance - Triaxial Method.''
* IEC 62153-4-15: Metallic communication cable test methods - Part 4-15: Electromagnetic compatibility (EMC) – ''Test method for measuring transfer impedance and screening attenuation – or coupling attenuation with Triaxial Cell.''
* IEC 62153-4-6: Metallic communication cable test methods - Part 4-6: Electromagnetic compatibility (EMC) - ''Surface transfer impedance - Line Injection Method.''
*SAE ARP 1705C: Coaxial Test Procedure to Measure the RF Shielding Characteristics of EMI Gasket Materials
* A. Mushtaq, K. Hermes, S. Frei: ''Alternative Messmethode zur Bestimmung der Transferimpedanz von HV-Kabeln und HV-Kabel-Stecker-Systemen für Elektro- und Hybridfahrzeuge''. In: ''EMV Düsseldorf 2016.''
* A. Mushtaq, S. Frei, (2016): ''Alternate methods for transfer impedance measurements of shielded HV-cables and HV-cable-connector systems for EV and HEV''. In: ''Int J RF and Microwave Comp Aid Eng.'', [[doi:10.1002/mmce.20984]]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Theoretische Elektrotechnik]]
[[Kategorie:Messgröße zur elektromagnetischen Verträglichkeit]]
[[Kategorie:Messgröße (Nachrichtentechnik)]]
[[Kategorie:Elektrische Messtechnik]]

Transferimpedanz - Versionsgeschichte

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