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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Absorber zur breitbindigen Absorption
von elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich von 1 bis 18 GHz, wobei
der Absorber einen elektrisch leitfähigen Absorberkörper aufweist
und sich der Absorberkörper von
seiner Grundfläche
nach oben hin verjüngt.
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Derartige
Absorber werden zur reflexionsfreien Auskleidung von Räumen zur
Prüfung
der elektromagnetischen Verträglichkeit
(EMV) von Produkten verwendet. Bis vor einigen Jahren waren Frequenzen
oberhalb von 1 GHz für
die Bestimmung der elektromagnetischen Verträglichkeit eines Produkts nicht
von Bedeutung.
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Da
sich die Taktraten von Computersystemen jedoch beträchtlich
erhöht
haben und moderne PC-Systeme mit Prozessorgeschwindigkeiten von bis
zu 4 GHz laufen, sind neu internationale Standards entwickelt worden,
die den Frequenzbereich über
1 GHz abdecken. Um Störfeldstärkemessungen an
Produkten im Frequenzbereich 1 bis 18 GHz durchführen zu können, werden geeignete Messplätze benötigt, die
auch im Frequenzbereich von 1 bis 18 GHz eine ausreichende Reflexionsdämpfung aufweisen.
Das neue Validierungsverfahren für
derartige Messplätze
im Frequenzbereich von 1 bis 18 GHz wird "Site VSWR"-Verfahren genannt.
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Bisher
werden für
die Absorption von elektromagnetischen Wellen in dem Frequenzbereich
von 1 bis 18 GHz in der Regel mit Kohlenstoff getränkte Schaumstoffpyramiden
als Absorber verwendet.
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Diese
Absorber haben den Nachteil, dass sich deren Reflexionsdämpfungswerte
mit der Zeit stark verringern, da der Kohlenstoff aus den Absorbern
herausfällt.
Bereits nach einer Standzeit von ca. 10 bis 15 Jahren ist daher
ein Austausch sämtlicher Schaumstoffabsorber
erforderlich. Die Kosten hier für sind
enorm. Darüber
hinaus sind die bekannten Schaumstoffabsorber brennbar. Sie fördern nicht
nur die Ausbreitung eines Brandherdes, sondern führen im Brandfalle zu einer
extremen toxischen Belastung der Umwelt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, ein nicht brennbares Absorptionselement
zur Verfügung
zu stellen, das auch bei langen Standzeiten gute Absorptionseigenschaften
im Frequenzbereich von 1 bis 18 GHz aufweist.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen gattungsgemäßen Absorber,
der dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper aus einem Calciumsilikatgemisch
besteht, das wenigstens 40 bis 90 Gew.% Calciumsilikat und 10 bis
60 Gew.% Blähgraphit
enthält.
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Blähgraphit,
welcher auch expandierter Graphit genannt wird, unterscheidet sich
dadurch von Graphit, dass zwischen den Schichten des hexagonalen
Kristallgitters des Graphits Atome oder kleine Moleküle eingelagert
bzw. interkaliert werden. Bei den eingelagerten Molekülen handelt
es sich häufig um
Schwefel- oder Stickstoffverbindungen. Das Volumen von Blähgraphit
ist um einen Faktor von 200 bis 400 größer als das Volumen des „Natur"-Graphits, aus dem
es hergestellt wird.
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Blähgraphit
wird derzeit insbesondere als Flammenschutzmittel verwendet. Bei
Hitzeeinwirkung expandiert der Blähgraphit und bildet eine Intumeszenzschicht
auf der Materialoberfläche.
Dies verlangsamt die Brandausweitung.
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Calciumsilikat
wird beispielsweise als Wärmedämmstoff
für den
Hochbau verwendet. Es handelt sich um einen Baustoff auf mineralischer
Basis, der aus Siliziumoxid, Calciumoxid, Wasserglas und Zellulose
hergestellt und mit Hilfe von Wasserdampf gehärtet wird. Die Calciumsilikatkristalle
bilden ein mikroporöses
Gerüst
und haben daher ein nur geringes Gewicht. Calciumsilikat-Platten
sind auf dem Markt kostengünstig
als Wärmedämmplatten
erhältlich.
Sie sind nicht brennbar und haben trotz ihres geringen Gewichts
eine sehr hohe Stabilität.
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Der
Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich fester Blähgraphit
gut mit flüssigem
Calciumsilikat mischen lässt
und das Gemisch nach der Härtung
ausgezeichnete Absorptionseigenschaften in einem breitbandigen Frequenzspektrum
hat, wenn aus diesem Calciumsilikatgemisch ein Absorberkörper gebildet
wird, der sich von seiner Grundfläche nach oben hin verjüngt. Die
Breitbandigkeit wird durch die dreidimensionale Anordnung des Calciumsilikatgemischs
im Raum erreicht, nämlich
dadurch, dass sich der Absorberkörper
von seiner Grundfläche
nach oben hin verjüngt.
Vorzugsweise weist der Absorberkörper
eine Höhe
von wenigstens 30 cm auf.
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Die
guten Absorptionseigenschaften beruhen darauf, dass der Blähgraphit
in dem Calciumsilikatgerüst
gleichmäßig und
fein verteilt ist. Da der Blähgraphit
eine gegenüber „Natur-" Graphit stark vergrößerte Oberfläche hat,
sind die Kristalle im mikroporösen
Gerüst
der Calciumsilikatkristalle dauerhaft fixiert. Daher weist der erfindungsgemäße Absorber
auch bei langen Standzeiten unverändert gute Absorptionseigenschaften
auf.
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Wenn
die Absorber eine ausreichende Höhe von
zumindest 1,20 m, vorzugsweise 2,40 m, haben und der Absorberkörper ausreichend
dick bemessen ist, nämlich
mindestens 10 cm, vorzugsweise mindestens 20 cm, dick ist, oder
alternativ massiv aus dem Calciumsilikatgemisch gebildet ist, erstrecken sich
die guten Absorptionseigenschaften nicht nur über den Frequenzbereich von
1 bis 18 GHz, sondern auch auf den Bereich ab 30 MHz, bei kleineren Höhen der
Absorber ab 300 MHz, bis 1 GHz. Beispielsweise kann die Grundfläche eines
derartigen Absorberkörpers
viereckig, vorzugsweise quadratisch, sein. Bewährte Größen der Grundfläche eines derartigen
Absorbers liegen z. B. zwischen 100 und 4000 cm2.
Die genauen Abmessungen der Absorber können anhand von Testmessungen
in Testräumen ermittelt
werden, die nacheinander mit Absorbern unterschiedlicher Abmessungen
ausgekleidet werden.
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Mit
der Erfindung gelingt es erstmalig, auch für den Hochfrequenzbereich bis
18 GHz, tatsächlich sogar
bis 40 GHz, nicht brennbare Absorber zur Verfügung zu stellen, die darüber hinaus
kostengünstig hergestellt
und einfach verarbeitet werden können.
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Besonders
gute Reflexionsdämpfungswerte wurden
erzielt, wenn der Absorberkörper
aus einem Calciumsilikatgemisch besteht, das wenigstens 60 bis 70
Gew.% Calciumsilikat und 30 bis 40 Gew.% Blähgraphit enthält.
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Die
Reflexionsdämpfungswerte
können
dadurch optimiert werden, dass das Calciumsilikatgemisch derart
beschaffen ist, dass die Flächenwiderstandswerte
im Frequenzbereich von 1 bis 18 GHz bei Messung an einer Platte
aus dem Calciumsilikatgemisch, die mindestens die Dicke der Skin-Eindringtiefe
hat, zwischen 100 Ohm pro Quadrat und 2 kOhm pro Quadrat liegen.
Bei dieser Optimierung wird vor der Herstellung des erfindungsgemäßen Absorbers
eine Messung an einer Platte aus dem Calciumsilikatgemisch, einer
sogenannten „Referenzplatte", durchgeführt, um
im relevanten Frequenzbereich die Flächenwiderstandswerte zu bestimmen.
Da im Hochfrequenzbereich nur die Skin-Eindringtiefe als Dicke bei
der Bestimmung der Flächenwiderstandswerte
berücksichtigt
wird und die Skin-Eindringtiefe frequenzabhängig ist, ist es wichtig, dass
die Platte dicker als die Skin-Eindringtiefe bei der jeweiligen Frequenz
ist.
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Eine
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass der Absorberkörper keil-,
keilstumpf-, kegel-, kegelstumpf-, pyramiden-, pyramidenstumpfförmig oder
stufenförmig ausgebildet
ist.
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Der
Materialverbrauch und die Herstellungs- und Montagekosten können dadurch
minimiert werden, dass der Absorberkörper als Hohlkörper ausgebildet
ist und eine Schichtdicke von 0,5 bis 20 cm, vorzugsweise von 5
bis 15 cm, aufweist. Bereits bei diesen Dicken hat der dreidimensionale
Absorber ausgezeichnete Absorptionseigenschaften im Frequenzbereich
von 1 bis 18 GHz.
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Zur
Erhöhung
der Reflexionsdämpfung
im Frequenzbereich unterhalb von 1 GHz können derartige Hohlkörper auf
einer Schicht aus flachen Ferrit-Absorbern angeordnet werden, die
einen guten Dämpfungsverlauf
im Bereich von 30 MHz bis 1 GHz aufweisen. Bei einer Kombination
von flachen Ferrit-Absorbern mit dreidimensionalen Absorbern, z.
B. dreidimensionalen Pyramidenabsorbern, werden letztere als Hybridabsorber
bezeichnet.
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Vorteilhafterweise
ist auf wenigstens einer Seite, vorzugsweise auf der Ober- und Unterseite, des
elektrisch leitfähigen
Absorberkörpers
eine Schutzschicht aufgebracht. Diese Schutzschicht ist vorzugsweise
direkt auf dem leitfähigen
Absorberkörper
befestigt, es können
allerdings auch andere Schichten zwischen Schutzschicht und Absorberkörper angeordnet
sein. Die Farbgebung und die Struktur dieser Schutzschicht können beliebig
gewählt werden.
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Vorzugsweise
weist die Schutzschicht eine Dicke von 0,1 bis 10 mm auf.
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Eine
Weiterbildung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die
Schutzschicht aus einem Vlies, einem Gewebe oder einem Gewirk auf
der Basis von Glasfasern besteht. Eine derartige Schutzschicht ist
nicht brennbar und sorgt bereits in geringer Dicke für einen
ausreichenden Schutz.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird ferner gelöst
durch eine Anordnung mit wenigstens vier, vorzugsweise wenigstens
25 erfindungsgemäßen Absorbern,
die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Absorber auf einer gemeinsamen
Trägerplatte
befestigt sind. Durch die Vormontage von mehreren Absorbern auf
einer vorzugsweise nicht brennbaren Trägerplatte kann die Montagezeit
für die
Auskleidung einer EMV-Testhalle beträchtlich reduziert werden.
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Eine
bevorzugte Verwendung der erfindungsgemäßen Absorber ist die Verwendung
als Hybridabsorber, die dadurch gekennzeichnet ist, dass die Absorber
mit einer Höhe
kleiner als 120 cm hergestellt werden und die Absorber in einem
den elektromagnetischen Wellen ausgesetzten Raum über Ferrit-Absorberplatten
angeordnet werden.
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Die
erfindungsgemäße Aufgabe
wird ferner gelöst
durch ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Absorbers,
das dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Calciumsilikatgemisch Platten
hergestellt werden, dass aus den Platten Zuschnitte für einen
keil-, keilstumpf-, kegel-, kegelstumpf-, pyramiden-, pyramidenstumpfförmigen oder stufenförmigen Absorberkörper gebildet
werden und die Zuschnitte in der Keil-, Keilstumpf-, Kegel-, Kegelstumpf-,
Pyramiden-, Pyramidenstumpfform oder Stufenform fixiert werden.
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Vorteilhafterweise
weisen die Platten eine Dicke von 0,5 bis 20 cm, vorzugsweise von
5 bis 15 cm auf.
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Weitere
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung schematisch
dargestellten Ausführungsbeispielen
näher erläutert.
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In
der Zeichnung zeigen:
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1a eine
perspektivische Ansicht eines pyramidenförmigen Absorbers gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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1b eine
Schnittansicht des Absorbers gemäß 1a;
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1c eine
Schnittansicht eines Absorbers gemäß einer alternativen Ausführungsform;
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2a eine
perspektivische Ansicht eines keilförmigen Absorbers gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2b eine
Schnittansicht des Absorbers gemäß 2a;
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2c eine
Schnittansicht eines Absorbers gemäß einer weiteren alternativen
Ausführungsform;
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3 eine
schematische Darstellung eines Absorberelementes mit vier pyramidenstumpfförmigen Absorbern;
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4 eine
graphische Darstellung des Reflexionsfaktors aufgetragen gegen die
Frequenz für einen
pyramidenstumpfförmigen
Absorber;
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5 eine
schematische Seitenansicht auf das Innere eines den elektromagnetischen
Wellen ausgesetzten EMV-Testraumes, dessen Seiten- und Deckwände praktisch
vollständig
mit pyramidenförmigen
Hybridabsorbern und Ferrit-Kacheln bedeckt sind.
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1a zeigt
eine perspektivische Ansicht eines pyramidenförmigen Absorbers 1,
dessen Schnittansicht in 1b dargestellt
ist. Der Absorber 1 ist massiv ausgebildet und besteht
aus einem elektrisch leitfähigen
Absorberkörper 3 aus
einem Calciumsilikatgemisch, welches 70 Gew.% Calciumsilikat und 30
Gew.% Blähgraphit
enthält.
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Eine
alternative Ausführungsform
des Absorbers ist in 1c in Schnittansicht dargestellt.
Der in 1c dargestellte Absorber 1' ist ebenfalls
pyramidenförmig,
jedoch besteht dieser Absorber 1' aus einem Hohlkörper 3' aus dem Calciumsilikatgemisch.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Absorbers,
nämlich
ein keilförmiger
Absorber 11, ist in 2a in
perspektivischer Ansicht und in 2b in
Schnittansicht dargestellt. Der Absorber 11 weist einen
elektrisch leitfähigen
Hohlkörper 13 aus
einem Calciumsilikatgemisch auf, welches 60 Gew.% Calciumsilikat
und 40 Gew.% Blähgraphit
enthält.
Eine 2 mm dicke äußere Schutzschicht 17 aus
einem Glasfaservlies ist über
der Calciumsilikatgemisch-Schicht 13 angeordnet.
Diese äußere Schutzschicht 17 kann
aufgeklebt sein und ermöglicht
jede beliebige Oberflächenstruktur-
und Farbgebung für
den Absorber 11.
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Eine
weitere alternative Ausführungsform
eines keilförmigen
Absorbers ist in 2c dargestellt. Der Absorber 11' weist zusätzlich zu
der Schichtenfolge des Absorbers 11 gemäß 2b eine
weitere Schutzschicht 19 auf der Unterseite des Absorberkörper 13 auf.
Diese Schutzschicht 19 besteht wiederum aus einem Glasfaservlies
einer Dicke von 1 mm.
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3 zeigt
eine perspektivische Darstellung eines Absorberelementes 30,
das vier Absorber 31 enthält. Die Absorber 31 sind
pyramidenstumpfförmige
Hohlkörper,
die eine 10 cm dicke Calciumsilikatgemisch-Schicht enthalten. Die
Absorber 31 haben eine Höhe von 40 cm und eine Grundfläche von
10 cm × 10
cm und sind auf einer Trägerplatte 32 befestigt.
In der auszukleidenden Halle werden die Absorberelemente 30 an
der Wand bzw. der Decke befestigt. Je nach Anzahl der auf der Trägerplatte 32 vormontierten
Absorber 31 kann die Endmontage dadurch erheblich beschleunigt
werden.
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Sofern
die Absorber 31 als Hybridabsorber zusätzlich zu Ferrit-Kacheln eingesetzt
werden, kann eine Schicht aus Ferrit-Kacheln zwischen der Trägerplatte 32 und
den Absorbern 31 angeordnet werden.
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In 4 sind
die Absorptionseigenschaften eines pyramidenstumpfförmigen Vollabsorbers
dargestellt. Der Reflexionsfaktor in dB ist gegen die Frequenz in
Gigahertz aufgetragen. Der untersuchte pyramidenstumfförmige Absorber
hat eine Höhe
von 30 cm und eine Grundfläche
von 10 cm × 10
cm. Die der Grundfläche
gegenüberliegende
Fläche
an der Pyramidenoberseite hat eine Fläche von 1 cm × 1 cm.
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Wie
der Darstellung zu entnehmen ist, weist der Absorber sehr gute Absorptionswerte
im gesamten Hochfrequenzbereich ab 300 MHz auf.
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5 zeigt
schematisch einen Vertikalschnitt durch einen EMV-Testraum 40,
dessen Seitenwände
und Decke mit praktisch lückenlos
aneinander anstoßenden
pyramidenförmigen
Hybridabsorbern aus Calciumsilikat-Gemisch ausgekleidet sind. Die
Hybridabsorber 41 sind auf einer Schicht von ebenfalls
lückenlos
aneinander anstoßenden
Ferrit-Kacheln 42 angeordnet. In dem Testraum 40 sind
eine Antennenanordnung 43 und das zu testende Gerät 44 dargestellt.
Die Auskleidung des Testraums 40 mit den Ferrit-Kacheln 42 und
den Hybridabsorbern 41 sorgt für eine reflexionsfreie Absorption
der Feldenergie nicht nur im Frequenzbereich von 30 MHz bis 1 GHz,
sondern aufgrund der Hybridabsorber auch im Hochfrequenzbereich
von 1 GHz bis 18 GHz, so dass optimale Testbedingungen für die der
neuen Norm CISPR 16-2-3 entsprechenden Störfeldstärkemessungen im Frequenzbereich von
1 bis 18 GHz gegeben sind.
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Im
Rahmen des Erfindungsgedankens sind zahlreiche Abwandlungen möglich. Die
geometrischen Abmessungen der Absorber sowie ihre Form und ihr Schichtaufbau
können
den Einsatzbedingungen angepasst werden. Die einzelnen Schichten
können
sowohl mit Haftkleber verklebt werden oder auch auf andere Weise,
z. B. mechanisch, miteinander verbunden werden. Die Flächenwiderstandswerte des
Calciumsilikatgemischs im Frequenzbereich von 1 bis 18 GHz bei Messung
an einer „Referenz"-Platte aus dem Calciumsilikatgemisch,
die mindestens die Dicke der Skin-Eindringtiefe hat, können auf beliebige Weise bestimmt
werden, z. B. mit Hilfe der Messung des Reflexionsfaktors.