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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfkammer zur Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit eines in der Kammer angeordneten Objekts, wobei die Kammer vier Seitenwände, eine Bodenwand und eine Kammeroberwand umfasst und die Wände aus leitfähigem Material bestehen.
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Bei der Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit von Objekten wird zum einen untersucht, welche elektromagnetischen Störungen das Objekt aussendet (Emissionsmessung) und zum anderen, wie robust ein Gerät gegenüber elektromagnetischen Störungen ist. Hierbei wird die sogenannte Störfestigkeit (Immunität) eines Gerätes geprüft, indem Veränderungen im Betrieb des Gerätes bei Beaufschlagung mit elektromagnetischer Energie detektiert werden. In einem Frequenzbereich ab 30 MHz oder ab 80 MHz bis in den Gigahertz-Bereich werden elektromagnetische Wellen verwendet, die von Antennen erzeugt oder gemessen werden.
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Um die Prüfungen unabhängig von der Umgebung durchführen zu können, finden diese Prüfungen in weiter Entfernung von möglichen Störeinflüssen (z.B. Antennenfreifeld) oder in elektromagnetisch geschirmten Räumen statt, die aus leitfähigen, metallischen Materialien bestehen. Hierdurch wird zum einen vermieden, dass zusätzliche, nicht reproduzierbare Störungen aus der Umgebung auf den Prüfling einwirken oder sich mit den definierten Testfeldern überlagern. Zum anderen wird verhindert, dass durch die Erzeugung elektromagnetischer Wellen die Umgebung in nicht gewünschter Weise gestört wird.
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Zur Untersuchung der elektromagnetischen Verträglichkeit sind mehrere Messverfahren bekannt. Zum einen werden sogenannte TEM-Zellen oder GTEM-Zellen verwendet, in denen zwischen der metallischen Kammer und einem in der Kammer angeordneten Septum ein homogenes elektromagnetisches Feld erzeugt wird. Nachteilig bei diesem Verfahren ist jedoch, dass zum einen der Frequenzbereich und das Prüfvolumen stark beschränkt sind. Zudem muss der Prüfling in alle Raumrichtungen gedreht werden, um von allen Seiten untersucht werden zu können.
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Bei größeren Prüflingen werden geschirmte, metallische Räume verwendet, beispielsweise Absorberkammern, die an den Innenseiten mit absorbierenden Materialien ausgekleidet sind, etwa mit Ferritkacheln oder mit Pyramidenabsorbern aus kohlenstoffgetränktem Schaumstoff. Die Absorber verhindern, dass die in der Kammer entstehenden elektromagnetischen Wellen an den metallischen Wänden reflektiert werden und es zu unerwünschten Überlagerungen der Wellen in der Kammer kommt, die orts- und frequenzabhängig sind.
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Eine weitere Prüfmethode ist die Verwendung einer sogenannten Modenverwirbelungskammer (mode-stirred chamber, reverberation chamber), in der auf absorbierendes Material verzichtet wird. In diesen metallischen Kammern wird ein Modenrührer eingesetzt, der in der Regel aus einer Mehrzahl von metallischen Platten oder einem asymmetrisch geformten Blech besteht, die an einer Drehwelle angeordnet sind, und der während der Prüfung kontinuierlich oder schrittweise rotiert. Die metallischen Platten des Modenrührers sorgen dafür, dass sich die Feldverteilung im Raum in Abhängigkeit der Rührerposition ändert, wobei statistisch gleichverteilte und im Mittel räumlich homogene Felder erzeugt werden. Dies bedeutet, dass alle drei kartesischen Koordinaten der Gesamtheit aller ermittelten Felder jeweils auf hohem Signifikanzniveau innerhalb eines Teilraumes der Modenverwirbelungskammer eine vom Ort unabhängige Normalverteilung mit Mittelwert Null darstellen. Entsprechende Verteilungen ergeben sich für die Beträge der Feldstärken (Chi-Verteilung) sowie für die Richtung und die Polarisation der Felder. Insbesondere ist der mittlere Betrag der Feldstärke in guter Näherung räumlich konstant, und die Gesamtheit der Felder ist einschließlich ihrer Polarisation richtungsunabhängig. Modenrührer, die bei einer für die Praxis ausreichend kleinen Anzahl von Messdurchführungen bereits regelmäßig ausreichend gut verteilte Felder liefern, benötigen jedoch ein relativ großes Volumen im Raum, das für die Prüfung nicht zur Verfügung steht. Darüber hinaus muss das Problem gelöst werden, wie der Modenrührer angetrieben wird. Eine Antriebseinheit in der Kammer ist den erzeugten elektromagnetischen Feldern ausgesetzt oder kann selbst Störfelder erzeugen. Bei einer externen Antriebseinheit ist eine geschirmte Durchführung der Welle durch die Kammerwand notwendig.
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Allerdings bietet eine Modenverwirbelungskammer den Vorteil, dass auf einfache Weise sehr hohe Feldstärken innerhalb der Kammer erzeugt werden können und für eine umfassende Untersuchung der Prüfling in der Kammer nicht in seiner Lage verändert werden muss. Aufgrund der statistischen Gleichverteilung der erzeugten Felder und der räumlichen Homogenität des gemittelten Feldes wird die Modenverwirbelungskammer primär für Immunitätsprüfungen eingesetzt.
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Viele Untersuchungen in der Forschung haben das Ziel, das Feld innerhalb der Kammer zu homogenisieren. Besonderes Interesse gilt der Gestaltung und der Formgebung des Rührers sowie dessen Effektivität.
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Für die Gestaltung des Modenrührers (stirrer) gibt es keine feste Designvorschriften. Vielmehr sind Aufbau, Form, Gestaltung, Platzierung und Größe des einzelnen Rührers für jede Kammer neu zu bestimmen. Dies erfolgt meist nach dem trial-and-error Verfahren, also durch einfaches Ausprobieren, wenngleich es inzwischen einige detaillierte Untersuchungen in Bezug auf das Design des Rührers gibt. Solche Untersuchungen sind beispielsweise bei
Clegg, Janet; Marvin, Andrew C.; Dawson, John F.; Porter, Steward J.: "Optimization of Stirrer Designs in a Reverberation Chamber", ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, IEEE TRANSACTIONS ON, 47 (2005), Nr. 4, Seite 824 bis 832; oder bei
Wellander, Niklas; Lunden, Olof; Beckström, Matz: "Experimental Investigation and Mathematical Modelling of Design Parameters for Efficient Stirrers in Mode-Stirred Reverberation Chambers", ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, IEEE TRANSACTIONS ON, 49 (2007), Nr. 1, Seite 94 bis 103 beschrieben.
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Daneben gibt es Untersuchungen zu alternativen Realisierungen beispielsweise mit schwingenden leitfähigen Wänden bei
Leferink, F.; Boudenot, J.-C.; Etten, W. van: "Experimental Results Obtained in the Vibrating Intrinsic Reverberation Chamber", ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, 2000, IEEE INTERNATION. SYMPOSIUM ON, Band 2 (2000), Seite 639 bis 644, oder mit einer kontrolliert innerhalb der Kammer verschobenen Wand, sogenannte moving-wall mode-stirred chambers, bei
Huang, Y.; Edwards, D.J.: "An investigation of electromagnetic field inside a moving wall mode-stirred chamber", Electromagnetic Compatibility 1992, Eighth International Conference on IET (1992), Seite 115 bis 119; oder mit einer in der Kammer angeordneten schwingenden Wand (
NL 2006275 C ).
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine verbesserte Prüfkammer vorzuschlagen, die die Vorteile der Modenverwirbelungskammer aufweist, insbesondere eine hohe Feldstärke innerhalb der Kammer, wobei die statistisch betrachtete homogene Feldverteilung verbessert und das zur Verfügung stehende Prüfvolumen vergrößert werden sollen.
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Gelöst wird die vorliegende Aufgabe durch eine Prüfkammer mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 10.
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Die erfindungsgemäße Prüfkammer zur Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit an Objekten hat vier Seitenwände, eine Bodenwand und eine Kammeroberwand, die aus leitfähigen Materialien bestehen, sodass insgesamt eine geschirmte Kammer gebildet wird. Erfindungsgemäß umfasst die Kammer wenigstens zwei leitfähige Modenplatten, die innerhalb der Kammer angeordnet sind und um je eine Schwenkachse von einer Startposition in eine Endposition verschwenkbar sind. Das Verschwenken erfolgt in einem vorgegebenen Schwenkwinkel oder optional in mehreren Schwenkwinkeln, die auch unterschiedlich sein können.
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Unter Verschwenken wird eine (bereichsweise) rotatorische Bewegung um eine Schwenkachse verstanden. Die Drehbewegung ist auf einen Drehwinkel kleiner 360° beschränkt. Verschwenken schließt auch ein Umklappen der Modenplatten ein. Bevorzugt schließt sich nach einer (Verschwenk-)Hinbewegung eine Rückwärtsbewegung in die entgegengesetzte Drehrichtung an, so dass die verschwenkte Modenplatte ihre Ausgangsposition wieder erreicht. Zwischen der Hin- und der Rückbewegung kann ein Stillstand erfolgen, der auch über eine längere Zeit dauern kann.
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Die Schwenkachse ist parallel zu wenigstens einer der Wände der Kammer angeordnet und von dieser beabstandet, bevorzugt jedoch benachbart. Der Abstand zu der benachbarten Wand ist somit kleiner, bevorzugt deutlich kleiner, als der Abstand zu der gegenüberliegenden Wand. Deutlich kleiner bedeutet in diesem Zusammenhang wenigstens um den Faktor 5, bevorzugt um den Faktor 10, besonders bevorzugt um den Faktor 20 kleiner.
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Bevorzugt wird die Schwenkachse konstruktiv durch eine Schwenkwelle realisiert. Ferner sind Realisierungen der Schwenkachse über mehrere, nicht durchgehende Wellen, die mit der Schwenkachse fluchten, oder über Scharniere oder ähnliches vorgesehen, die ein Verschwenken, ein (bereichsweises) Drehen oder Umklappen der Modenplatten erlauben.
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Die Modenplatte und Schwenkachse sind derart zueinander angeordnet, dass sich die Schwenkachse senkrecht zur Flächennormalen der Modenplatte erstreckt und ausgerichtet ist. Wenigstens eine der Modenplatten ist in der Startposition oder in der Endposition der Schwenkachse parallel zu einer der Wände angeordnet, bevorzugt zu der Wand zu der die Schwenkachse benachbart ausgerichtet ist. Bevorzugt sind alle Modenplatten in der Start- oder in der Endposition parallel oder senkrecht zu der jeweiligen Wand, zu der sie benachbart sind, ausgerichtet.
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Die Prüfkammer umfasst, wie bei Modenverwirbelungskammern üblich, kein absorbierendes Material an ihren Innenwänden. Sie wirkt also ebenfalls als elektromagnetischer Hohlraumresonator, der bevorzugt ab einer Frequenz oberhalb seiner 60. Eigenmode betrieben wird. Im Rahmen der Erfindung hat man sich die vielfältigen Untersuchungen in Modenverwirbelungskammern zunutze gemacht, in denen über verschiedene Positionen des Modenrührers die gemittelte elektrische Feldstärke untersucht wurde. Jedenfalls in einem Teil der als Resonator arbeitenden Kammer können für Frequenzen oberhalb einer unteren Grenzfrequenz statistisch gleichverteilte und im Mittel räumlich homogene Felder erzeugt werden. Die untere Grenzfrequenz ist dabei von den Dimensionen der Kammer abhängig. Bei statistisch gleichverteilten und im Mittel räumlich homogenen Feldern ist der Mittelwert des Betrags der elektrischen Feldstärke räumlich konstant; Richtung und Polarisation der Felder sind gleich verteilt. Letzteres bedeutet, dass die Gesamtheit der erzeugten Felder in guter Näherung richtungsunabhängig ist.
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Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass die Erzeugung statistisch gleichverteilter und im Mittel räumlich homogene Felder in einem Resonator eines der grundlegenden Probleme darstellt, die bei herkömmlichen Modenverwirbelungskammern insbesondere von dem Modenrührer und dessen Design abhängt. Das Design kann aber praktisch nicht oder nur sehr aufwändig modelliert werden und wird meistens individuell im trial-and-error-Verfahren ermittelt.
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Es wurde von den Erfindern erkannt, dass durch den Einsatz von wenigstens zwei Modenplatten in der Kammer eine deutlich effizientere Feldverwirbelung als mit vier günstigen Positionen eines üblichen Modenrührers erzielt werden kann, da diese Modenplatten benachbart zu den gut leitenden Wänden der Kammer angeordnet sind. Somit sind die Modenplatten genau dort positioniert, wo die von ihnen erzeugten Feldverzerrungen den größten Einfluss haben. Im Rahmen von Untersuchungen konnte festgestellt werden, dass durch den Einsatz von verschwenkbaren Modenplatten in der Nähe der leitfähigen Außenwände bereits mit wenigen Variationen der Position der Modenplatten räumlich sehr homogene statistisch gemittelte Felder erzielt werden konnten. In ersten Untersuchungen wurde die Gesamtfläche aller Modenplatten der Gesamtfläche eines herkömmlichen Modenrührers angenähert. In weiteren wurde erkannt, dass eine geringere Gesamtfläche der Modenplatten im Vergleich zu der Fläche eines herkömmlichen Modenrührers ausreicht, um eine ausreichende Homogenität zu erzielen. Schon mit deutlich kleinerer Gesamtfläche an Modenplatten im Vergleich zu einem Stirrer wird wenigstens die gleiche Feldhomogenisierung erreicht, in der Regel aber eine deutlich bessere. Somit weist die erfindungsgemäße Kammer den Vorteil auf, dass das zur Verfügung stehende und nutzbare Volumen für die Prüfung von Objekten deutlich größer ist.
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Die Voruntersuchungen legen nahe, dass wesentlich weniger Messungen erforderlich sind als mit einem üblichen Modenrührer, da weniger Positionen realisiert werden müssen, um eine Gesamtheit von Feldern zu erzeugen, deren Beträge einen Mittelwert aufweisen, dessen räumliche Schwankung unter einem vorgegebenen Höchstwert liegt. Letzteres ist Voraussetzung für eine aussagekräftige Prüfung.
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Darüber hinaus wurde erkannt, dass durch ein Verschwenken einer bevorzugt ebenen Modenplatte von einer Startposition in eine Endposition die in einem Raum erzeugten unterschiedlichen Konfigurationen leicht bestimmbar sind. Wird die Modenplatte von der Startposition in die Endposition verschwenkt, so kann die Plattenkonfiguration einfach binär charakterisiert werden. In diesem Fall (mit zwei Stellungen jeder Modenplatte) gibt es 2n-Konfigurationen, wobei n die Anzahl der Modenplatten ist. Im Fall mit zwei Modenplatten existieren also 4 Konfigurationen, mit 4 Modenplatten 16 Konfigurationen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die geschwenkte Prüfkammer mehr als 2 Modenplatten, bevorzugt 3 Modenplatten. In einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind in der Kammer 4 oder 5 Modenplatten angeordnet, die jeweils um eine eigene Schwenkachse verschwenkbar sind. In weiteren Konstellationen sind auch 6 Modenplatten, 8 Modenplatten, 12 Modenplatten oder 16 Modenplatten denkbar. Im Rahmen der Erfindung hat sich jedoch gezeigt, dass in einer Ausführungsform mit 4 Modenplatten für den praktischen Gebrauch hinreichend gute Ergebnisse für Voruntersuchungen an Prüflingen erzielt werden. Wird die Modenplatte lediglich von einer Startposition in eine Endposition verschwenkt, so ergibt sich nach der obigen Formel für 4 Modenplatten eine Anzahl von 16 Konfigurationen. Jede dieser Modenplatten-Konfigurationen kann einfach binär charakterisiert werden. Bei der Kalibrierung der Prüfkammer wird dann ein statistisch unabhängiges Ensemble von Zuständen ermittelt und gespeichert. Bei den folgenden Messungen wird nur dieses Ensemble statistisch unabhängiger Konfigurationen verwendet. Dies hat den Vorteil, dass sich die Messzeit weiter verkürzt. Außerdem lässt sich eine Kalibrierung der Kammer einfach und effizient durchführen.
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In mehreren Untersuchungen hat sich gezeigt, dass durch den Einsatz von 5 Modenplatten, also eine Modenplatte pro Seitenwand und eine an der Kammeroberwand, mit 32 möglichen Stellungen und Konfigurationen verbesserte Ergebnisse erzielt werden können. Der Einsatz von 6 Modenplatten mit 64 Konfigurationsmöglichkeiten liefert nochmals verbesserte Resultate, so dass die Durchführung vom Prüfungen und Messungen mit 5 oder 6 Modenplatten in vielen Fällen einen guten Kompromiss zwischen Messaufwand und Signifikanz des Resultates darstellt. Die Verwendung von 7 Modenplatten (2 Seitenwände mit je 2 Platten, 2 Seitenwände mit je einer Platte und eine Platte an der Kammeroberwand) mit insgesamt 128 Konfigurationen der Modenplatten (bei lediglich 2 Stellungen je Modenplatte) liefert für die Praxis sehr gute und in der Regel ausreichende Ergebnisse. Selbstverständlich ist auch eine Anordnung mit 9 Modenplatten denkbar. Bei zwei Positionen pro Modenplatte ergeben sich dann 512 Konfigurationen. Des Weiteren können die Modenplatten auch in 3 oder 4 oder mehr Stellungen verschwenkt werden. Hierdurch steigt die Anzahl der möglichen Konfigurationen deutlich. Da in der Praxis ein signifikantes Ergebnis mit möglichst wenigen Stellungen erreicht werden soll, stellen zwei Stellungen pro Modenplatte einen guten Kompromiss zwischen Aufwand und Ergebnis dar.
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Dieses Verfahren beruht auf der Norm IEC-61000-4-21, in der unter anderem die Autokorrelation eines Ensembles von Feldstärken, die an einem Punkt der Kammer für verschiedene Konfigurationen gemessen werden, für die Bewertung der Qualität des Messprozesses in einer Modenverwirbelungskammer als Grundlage verwendet wird. Bei Vorhandensein eines herkömmlichen Modenrührers wird für jede Rührerposition die Leistung bzw. Feldstärke ermittelt. Für das Ensemble der Feldstärken, die an den angefahrenen Rührerpositionen ermittelt wurden, erfolgt eine Auswertung über eine in der Norm angegebene übliche Berechnung der Autokorrelationsmatrix. Normgemäß müssen die Einträge dieser Matrix, d.h. die Korrelationskoeffizienten zwischen geschifteten Feld-Ensemblen, einen ausreichend kleinen Betrag aufweisen. In diesem Fall heißen die Konfigurationen, die den Feldern des Ensembles zugrunde liegen, unkorreliert. Dieses Verfahren wird für die Modenplatten adaptiert. In der vorliegenden Konfiguration mit 4 Modenplatten können lediglich 16 Zustände erzeugt werden. Alle Zustände bzw. die Feldverteilung in allen Konfigurationen müssen untereinander möglichst unkorreliert sein. Durch die eindeutige Änderung der Stellungen der Modenplatten, wird für jede der 16 Konfigurationen eine neue Feldverteilung in der Kammer erzeugt, wobei alle Felder im erzeugten Ensemble in dem Sinne unkorreliert sind, dass alle auftretenden Korrelationskoeffizienten ausreichend klein sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die Modenplatten jeweils von der Startposition in einer Vorwärtsschwenkrichtung in die Endposition geschwenkt. Nach Erreichen der Endposition verbleibt die Modenplatte in dieser Position für eine vorgegebene Zeit. In dieser Zeit kann eine Messung oder eine Kalibrierung des Raums vorgenommen werden. Es können an einem Prüfobjekt Untersuchungen erfolgen, beispielsweise indem elektromagnetische Wellen in dem interessierenden Frequenzbereich erzeugt werden und die einzelnen Frequenzen schrittweise angefahren oder durchgewobbelt werden, wie es bei Prüfungen der elektromagnetischen Verträglichkeit üblich ist. Anschließend wird die Schwenkplatte bevorzugt in einer Rückwärtsschwenkrichtung entgegen der Vorwärtsschwenkrichtung zurück in ihre Startposition verschwenkt. Selbstverständlich können zwischen der Vorwärts- und der Rückwärtsbewegung einer Modenplatte mehrere Messungen oder Prüfungen durchgeführt oder andere Modenplatten zwischen ihren Start- und Endpositionen bewegt werden, z. B. auch hin und her.
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In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Schwenkwinkel für die Modenplatten höchstens 180 Grad, bevorzugt höchstens 90 Grad. Bei einem Schwenkwinkel von 180 Grad muss die Schwenkachse derart in der Kammer angeordnet sein, dass genügend Abstand zu wenigstens zwei Wänden in der Kammer vorhanden ist, um ein Verschwenken der Modenplatte zu erlauben. Bei einem Schwenkwinkel von höchstens 90 Grad ist auch eine Anordnung der Schwenkwelle nahe einer Kante der Kammer möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Schwenkwinkel wenigstens 30 Grad, vorteilhafterweise wenigstens 45 Grad und besonders bevorzugt wenigstens 60 Grad. Es hat sich gezeigt, dass ein genügend großer Schwenkwinkel notwendig ist, um hinreichende Änderungen im Raum zu schaffen, damit die Konfigurationen unkorreliert sind, d.h., dass die Korrelationskoeffizienten in der Autokorrelationsmatrix des erzeugten Feld-Ensembles ausreichend klein sind.
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Im Rahmen der Erfindung hat sich gezeigt, dass die Fläche der Modenplatte im Vergleich zur Wandfläche variiert werden kann. Hierbei kann die Fläche der Modenplatte deutlich reduziert werden. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt die Fläche der Modenplatte höchstens 20 % der Wandfläche der Wand, zu der die Modenplatte parallel in der Startposition oder in der Endposition angeordnet und benachbart ist. Untersuchungen haben gezeigt, dass mit einer Fläche der Modenplatte von 20 % oder 15 % der Wandfläche der benachbarten Wand sehr gute Ergebnisse erzielt werden können. Hierbei ist stets ein Kompromiss zu finden zu dem in dem Raum noch zur Verfügung stehenden Prüfvolumen. Je höher die Anzahl der Modenplatten ist, desto geringer sollte die Fläche der einzelnen Modenplatten sein. Untersuchungen haben gezeigt, dass sich mit einer Fläche der einzelnen Modenplatte von höchstens 10 %, bevorzugt höchstens 6,25 % der Wandfläche der benachbarten Wand sehr gute Ergebnisse der statistischen Feldhomogenität und geringe Korrelationskoeffizienten zwischen den einzelnen Konfigurationen erzielen lassen. Bei einer Anzahl von 4 Modenplatten im Raum sollte die Fläche der einzelnen Modenplatte höchstens 6,25 % der Wandfläche der benachbarten Wand sein, bevorzugt höchstens 5 %.
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Als weiteres Designkriterium für die Modenplatten kann ihre Längendimension betrachtet werden, also ihre Ausrichtung in einer Raumdimension. Vorteilhaft haben sich Modenplatten erwiesen, deren größte Längsdimension höchstens 50 % der entsprechenden Längsdimension der Wand, zu der die Modenplatte in Startposition oder Endposition parallel ausgerichtet ist, beträgt, wobei die gleiche Raumrichtung betrachtet wird. Sehr gute Ergebnisse in Bezug auf die Feldhomogenität haben sich mit Modenplatten ergeben, deren größte Längsdimension höchstens 25 % oder 20 % der entsprechenden Längsdimension der benachbarten Wand waren. Bei einer Anzahl von 4 oder mehr Modenplatten sollte die größte Längsdimension höchstens 15 %, besonders bevorzugt höchstens 10 % der entsprechenden Längsdimension der Wand sein.
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Eine bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die Modenplatte rechteckig ist, bevorzugt quadratisch. In einer bevorzugten Ausführungsform erstreckt sich die Schwenkachse entlang einer der Außenkanten der Modenplatten. Auf diese Weise ist es möglich, die Modenplatte auch nahe einer Ecke der Kammerwand anzuordnen, so dass die Schwenkachse nahe einer Kammerwand positioniert sein kann. Durch eine Anordnung der Schwenkwelle an der Außenkante der Modenplatte haben sich gute Ergebnisse bei der Untersuchung der Korrelationsfaktoren ergeben. Selbstverständlich ist es auch möglich, die Schwenkachsen in der Mitte der Modenplatte anzuordnen oder außermittig. Die mittige Anordnung kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn die Modenplatte nicht rechtwinklig ist, sondern eine runde Form oder eine beliebige freie Form aufweist. Allerdings hat eine rechtwinklige Modenplatte den Vorteil, dass eine Simulation und Modellierung am Rechner vor einer Realisierung in einer Kammer einfacher durchzuführen ist, um Vorhersagen über die Ausgestaltung der Modenplatten und ihre Anordnung im Raum zu treffen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform, in der die Schwenkachse durch eine Schwenkwelle konstruktiv realisiert wird, überragt die Schwenkwelle die Modenplatte. Bevorzugt erstreckt sich die Schwenkwelle entlang einer Kammerwand von deren einem Ende zum gegenüberliegenden Ende, wobei die Schwenkwelle bevorzugt von den entsprechenden Wänden beabstandet ist.
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Bevorzugt wird die Schwenkwelle in einem Lager gelagert, das an der Wand befestigt ist, zu dem sich die Schwenkwelle parallel erstreckt. Alternativ können die Lager auch an den am Ende der Schwenkwelle angeordneten Wänden der Kammer befestigt sein. Bevorzugt ist der Abstand der Schwenkwelle von der parallel angeordneten Wand der Kammer, zu der die Schwenkwelle benachbart ist, kleiner als ein Viertel der größten Längendimension der Modenplatte. Bevorzugt ist der Abstand höchstens 20 %, besonders bevorzugt höchstens 10 % der größten Längendimension der Modenplatte, die an der Schwenkwelle angeordnet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform werden die Modenplatten von einer Antriebseinheit um die Schwenkachse herum rotatorisch bewegt, d.h., es erfolgt ein Verschwenken der Modenplatte durch die Antriebseinheit. Bevorzugt ist die Antriebseinheit zum Schwenken der Modenplatten außerhalb der Prüfkammer angeordnet. Die Modenplatten werden besonders bevorzugt von der Antriebseinheit berührungslos von der Startposition in die Endposition und auch zurück von der Endposition in die Startposition verschwenkt. Besonders bevorzugt erfolgt der berührungslose Antrieb durch eine Kopplung zwischen der Antriebseinheit und der Modenplatte, die sehr bevorzugt magnetisch erfolgt. Hierzu müssten die Wände der Prüfkammer aus einem nicht magnetischen Material, beispielsweise Aluminium oder ähnlichem sein. Geeignete Kopplungselemente, um ein magnetisch und berührungslos erfolgendes Antreiben der Modenplatten zu erzielen, sind im Stand der Technik bekannt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das berührungslose Verschwenken der Modenplatten über eine berührungslose Kopplung zwischen der Antriebseinheit und einer Schwenkwelle, die zur konstruktiven Realisierung der Schwenkachse verwendet wird. In dieser bevorzugten Ausführungsform erfolgt der berührungslose Antrieb bevorzugt durch eine magnetische Kopplung zwischen der Antriebseinheit und der Schwenkwelle.
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Unabhängig von der Antriebseinheit kann die Modenplatte kontinuierlich um ihre Schwenkachse verschwenkbar sein oder schrittweise. Bei einem kontinuierlichen Verschwenken wird die Modenplatte von einer Startposition in die Endposition verdreht. Bei einem schrittweisen Verschwenken erfolgt das Verdrehen in Winkelschritten, die bevorzugt äquidistant sind. Die Winkelschritte können vorzugsweise 45 Grad, 22,5 Grad, 20 Grad oder 15 Grad sein. In manchen Ausführungsformen hat es sich als günstig erwiesen, wenn die einzelnen Winkelschritte lediglich 10 Grad oder 5 Grad betragen. Möglich ist auch ein Winkelschritt von 90 Grad, so dass eine 90 Grad-Änderung der Stellung der Modenplatte in nur einem Schritt erfolgen kann. Durch kleinere Winkelschritte ist es möglich, die Modenplatte in mehreren Winkelpositionen zu positionieren, um eine größere Anzahl von Konfigurationen für die gleiche Anzahl von Modenplatten zu erzeugen. Die Winkelschrittgröße kann von einem antreibenden Schrittmotor abhängen. Allerdings ist es hierbei notwendig, dass die Winkelschritte genügend exakt sind, so dass eine genaue Positionierung der Modenplatte erfolgen kann. So kann beispielsweise sichergestellt werden, dass die Korrelationskoeffizienten, die für die Felder des bei den einzelnen Winkelschritten erhaltenen Feld-Ensembles erzielt werden, betragsmäßig ausreichend gering sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Prüfkammer lediglich eine Durchführung für eine elektrische Verbindung mit einer in der Prüfkammer angeordneten Antenne auf. Auf diese Weise kann die Antenne mit einem außerhalb der Prüfkammer angeordneten Sendegerät oder Empfangsgerät elektrisch verbunden werden. Für Immunitätsprüfungen wird außerhalb der Prüfkammer ein Signalgenerator und ein Verstärker eingesetzt, wobei das verstärkte Antennensignal mittels eines Kabels und in der Wand der Kammer angeordneten Durchführung zu einer in der Kammer angeordneten Sendeantenne geleitet wird, um ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen. Bei einem berührungslosen Antrieb der Modenplatten kann die Durchführung für die Sendeantenne die einzige Durchführung sein. Auf diese Weise kann besonders einfach eine komplett geschlossene Prüfkammer erzeugt werden, die keine Leckage von Hochfrequenzleistung beispielsweise über Achsdurchführungen von Antriebswellen aufweist. Dies erleichtert unter anderem auch die Möglichkeit, die Prüfkammer mit Isoliergasen oder unter Vakuum zu betreiben. Dadurch ist es möglich höhere Feldstärken zu verwenden, ohne dass es zu ungewollten Überschlägen kommt.
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Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit eines Objektes, insbesondere die Störfestigkeitsprüfung in einer oben beschriebenen Prüfkammer. Die Wände in der Kammer bestehen aus leitfähigem Material, so dass eine geschirmte Kammer entsteht, die HF-dicht ist. In der Kammer ist eine Antenne zum Empfang oder zum Aussenden elektromagnetischer Wellen angeordnet, die über ein Antennenkabel und eine in einer Kammerwand vorgesehene Durchführung mit einem Sendegerät oder einem Empfangsgerät elektrisch verbunden ist, wobei das Sende- oder Empfangsgerät außerhalb der Kammer angeordnet ist. Zur Durchführung des Verfahrens umfasst die Kammer wenigstens zwei in der Kammer angeordnete Modenplatten, die jeweils um eine Schwenkachse drehbar angeordnet sind und von einer Startposition in eine Endposition verschwenkbar sind. Bevorzugt wird die Schwenkachse durch eine Schwenkwelle konstruktiv realisiert. Die Modenplatten sind bevorzugt jeweils in der Startposition oder in der Endposition parallel zu einer der Wände der Prüfkammer angeordnet.
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Erfindungsgemäß wird zunächst wenigstens eine der Modenplatten, besonders bevorzugt alle Modenplatten, in einer Startposition positioniert. Diese Startposition gilt als erste Konfiguration für die Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit. Anschließend erfolgt die Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit, beispielsweise die Störfestigkeitsprüfung eines in der Kammer angeordneten Objekts. Bevorzugt wird ein gewünschter Frequenzbereich (abhängig von der Kammergröße) (beispielsweise von 30 MHz bei großen Kammern oder ca. 800 MHz bei Kammern entsprechend dem in den Figuren beschriebenen Ausführungsbeispiel bis beispielsweise 2 GHz) untersucht, wobei einzelne Frequenzschritte zwischen der Startfrequenz (z. B. 30 MHz) und der Stoppfrequenz (z. B. 2 GHz) angefahren werden.
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Nach Durchführung der Prüfung wird wenigstens eine der Modenplatten von der Startposition in ihre Endposition verschwenkt, wodurch eine neue Konfiguration entsteht. Die verschwenkte Modenplatte verweilt jeweils in der neuen Position für eine vorbestimmte Zeit. Diese Zeit ist größer als die Zeit, die verwendet wird, um die Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit in dieser Konfiguration durchzuführen. Das erneute Prüfen der elektromagnetischen Verträglichkeit wird bevorzugt in dem gleichen Frequenzbereich durchgeführt, während die Modenplatten in ihrer jeweiligen Position verweilen. Anschließend wird eine der Modenplatten in eine neue Position (Startposition oder Endposition) verschwenkt, so dass eine weitere Konfiguration der Modenplatten erfolgt. Beim Einsatz von 4 Modenplatten können insgesamt 16 Konfigurationen erzielt werden, dadurch dass die einzelnen Modenplatten jeweils in der Startposition und/oder Endposition angeordnet sind. Folglich genügt es, 16 Mal den interessierenden Frequenzbereich zu untersuchen, um eine Gesamtprüfung des in der Kammer angeordneten Prüflings vorzunehmen. Dabei ist kein Verdrehen oder Ändern der Prüfungsposition notwendig. Die Prüfung erfolgt aus allen Raumrichtungen.
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Das Verfahren weist den weiteren Vorteil auf, dass durch die Verwendung der Modenplatten, deren Größe deutlich geringer und auch deren Gesamtfläche geringer ist als die eines herkömmlichen Modenrührers, ein größeres nutzbares Prüfvolumen in der Prüfkammer zur Verfügung steht. Der in herkömmlichen Modenverwirbelungskammern von den Modenrührern belegte Raum kann für die Prüfungen verwendet werden.
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Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Abbildungen beschrieben:
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Es zeigen
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1 eine Prinzip-Skizze einer Prüfkammer mit mehreren Modenplatten mit einem Wandausschnitt;
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2 eine Außenansicht der Kammer mit mehreren Antriebseinheiten für die Modenplatten;
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3 eine mögliche Konfiguration von 4 Modenplatten in einer Kammer.
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1 zeigt eine quaderförmige Prüfkammer 1 in perspektivischer Ansicht, so dass eine Bodenwand 2 und zwei Seitenwände 3 zu sehen sind. Eine der Seitenwände 3 hat eine Öffnung 4, die mit einem nicht gezeigten Deckel HF-dicht verschlossen werden kann. Durch die Öffnung 4 ist der Innenraum der Prüfkammer 1 zugänglich, so dass ein Prüfling und eine Antenne zur Aussendung elektromagnetischer Wellen in der Prüfkammer 1 positioniert werden können.
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Die Öffnung 4 erlaubt einen Blick ins Innere der Prüfkammer 1, in der mehrere Modenplatten 5 angeordnet sind, die jeweils an einer Schwenkwelle 6 befestigt sind. Die Schwenkwellen 6 erstrecken sich nahe einer der Wände.
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Zwei der Schwenkwellen 6 erstrecken sich vertikal in der Prüfkammer 1, wobei sie je mittels eines Lagers 7 gelagert sind. Das Lager 7 ist hier an der benachbarten Seitenwand 3 befestigt, im vorliegenden Fall in Form einer parallel zur Seitenwand 3 verlaufenden Halterung 8 angeschraubt.
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Am oberen Ende der Schwenkwelle 6 ist ein Kopplungselement 9 angeordnet, das eine berührungslose, bevorzugt magnetische Kopplung, mit einem weiteren, hier nicht dargestellten Kopplungselement außerhalb der Prüfkammer 1 erlaubt.
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Die Schwenkwelle 6 kann aus einem leitfähigen Material, beispielsweise Metall, oder aus einem nichtleitfähigen Material, wie etwa Kunststoff oder einem Polymer hergestellt sein. Die Schwenkwelle 6 kann über wenigstens einen Teil ihrer axialen Längserstreckung abgeflacht sein und mehrere Befestigungselemente vorsehen, um die Modenplatte 5 an der Schwenkwelle 6 zu befestigen. Im gezeigten Beispiel ist die Modenplatte 5 an ihrem äußeren Rand an der Schwenkwelle 6 angeordnet. Die Schwenkwelle 6 erstreckt sich also entlang des Randes der Modenplatte 5 und überragt diese seitlich. Die Modenplatte 5 ist hier quadratisch ausgebildet, wobei auch andere Formen möglich sind.
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2 zeigt die Prüfkammer 1 in einer weiteren perspektivischen Ansicht. Die Öffnung in der Seitenwand 3 ist mit einem Deckel 12 HF-dicht verschlossen, so dass ein elektromagnetisch geschirmter Raum gebildet wird. Durch Einsatz von geeigneten Dichtungen am Deckel 12 und zwischen den Wänden 3 lässt sich auch eine Gasdichtigkeit erzeugen, so dass Prüfungen mit Gasen oder im Vakuum durchgeführt werden können.
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Außerhalb der Prüfkammer 1 sind vier Antriebseinheiten 10 angeordnet, die die vier Schwenkwellen 6 innerhalb der Prüfkammer 1 rotatorisch bewegen und dabei von einer Startposition in eine Endposition verschwenken. Die Antriebseinheiten 10 umfassen je einen Stellmotor sowie ein Kopplungselement, das mit dem Kopplungselement 9 innerhalb der Prüfkammer 1 zusammenwirkt.
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Aus der Anordnung der vier Antriebseinheiten 10, die jeweils mit den vier Schwenkwellen 6 innerhalb der Prüfkammer 1 fluchten, ist die Anordnung der Schwenkwellen 6 innerhalb der Kammer 1 zu erkennen. Drei der Schwenkwellen 6 sind senkrecht zu einer Kammeroberwand 11 ausgerichtet, wobei eine Schwenkwelle 6a nahe der linken Seitenwand 3a verläuft, während zwei Schwenkwellen 6b, 6c nahe der hinteren Seitenwand 3 verlaufen. Die vierte Schwenkwelle 6d erstreckt sich horizontal parallel zur Kammeroberwand 11 von der linken Seitenwand 3a zur gegenüberliegenden rechten Seitenwand 3.
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Aus 3 sind in einer schematischen Skizze der Prüfkammer 1 die Anordnungen der einzelnen Schwenkwellen 6 und Modenplatten 5 zu entnehmen.
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Die Modenplatten 5 sind jeweils in ihrer Startposition gezeigt und können um 90 Grad verschwenkt werden. Bevorzugt erfolgt das Verschwenken der Modenplatten 5 in einem Schritt von der Startposition (0 Grad) in die Endposition (90 Grad). Es ist zu erkennen, dass durch die versetzte Anordnung der Modenplatten 5 jede der Platten verschwenkt werden kann, ohne andere Modenplatten 5 in ihrer Bewegung einzuschränken oder zu behindern.
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Die im Beispiel gezeigten quadratischen Modenplatten 5 weisen eine Kantenlänge von 170 mm auf. Damit entspricht die Gesamtfläche aller vier Modenplatten 5 etwa der Fläche, die ein herkömmlicher Modenrührer hätte. Die Größe der verwendeten Prüfkammer 1 beträgt in dem hier gezeigten Beispiel 1.000 mm × 800 mm × 650 mm. Damit ergibt sich eine Startfrequenz für Messungen bei ca. 800 MHz. Die mit den vier Modenplatten 5 erzielte Feldhomogenität ist gegenüber der mit einem herkömmlichen Modenrührer erzeugten Feldhomogenität jedoch deutlich besser. Es werden durch die segmentierten Modenplatten 5 nahe den Wänden 3, 11 der Prüfkammer 1 Moden angeregt, die sich deutlicher von anderen Moden unterscheiden. Die Korrelationskoeffizienten in der Autokorrelationsmatrix des mit diesen Feldern gebildeten Ensembles sind also deutlich kleiner, als dies bei einem üblichen Modenrührer erreichbar ist. Bevorzugt werden also nur Moden angeregt, die statistisch unabhängig voneinander sind. Dies hat den Vorteil, dass die Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit lediglich in den 16 hier möglichen Klappenkonfigurationen durchgeführt werden muss.
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Weiterhin ermöglicht die Verwendung der Modenplatten 5 eine einfachere Identifizierung der Plattenkonfigurationen, die zu einer statistisch unabhängigen Feldverteilung führen. Sie kann mit deutlich weniger Aufwand bzw. in deutlich kürzerer Zeit erzielt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Clegg, Janet; Marvin, Andrew C.; Dawson, John F.; Porter, Steward J.: "Optimization of Stirrer Designs in a Reverberation Chamber", ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, IEEE TRANSACTIONS ON, 47 (2005), Nr. 4, Seite 824 bis 832 [0009]
- Wellander, Niklas; Lunden, Olof; Beckström, Matz: "Experimental Investigation and Mathematical Modelling of Design Parameters for Efficient Stirrers in Mode-Stirred Reverberation Chambers", ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, IEEE TRANSACTIONS ON, 49 (2007), Nr. 1, Seite 94 bis 103 [0009]
- Leferink, F.; Boudenot, J.-C.; Etten, W. van: "Experimental Results Obtained in the Vibrating Intrinsic Reverberation Chamber", ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY, 2000, IEEE INTERNATION. SYMPOSIUM ON, Band 2 (2000), Seite 639 bis 644 [0010]
- Huang, Y.; Edwards, D.J.: "An investigation of electromagnetic field inside a moving wall mode-stirred chamber", Electromagnetic Compatibility 1992, Eighth International Conference on IET (1992), Seite 115 bis 119 [0010]
- Norm IEC-61000-4-21 [0025]
