DE10206073A1

DE10206073A1 - Device for the detection of electromagnetic pulses with rise times and high voltage amplitudes

Info

Publication number: DE10206073A1
Application number: DE2002106073
Authority: DE
Inventors: Thomas Weber; Ter Jan Luiken Haseborg
Original assignee: TUHH Technologie GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2003-08-21
Anticipated expiration: 2022-02-14
Also published as: DE10206073B4; AU2003206645A1; DE10206073B8; WO2003069361A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung (10) zur Erfassung elektromagnetischer Pulse (11) mit kurzen Anstiegszeiten bis in den Bereich von 10·-12· s und mit Spannungsamplituden bis in den Bereich von > 10·4· V, vorgeschlagen. Die Vorrichtung (10) weist ein im wesentlichen diese durchquerendes Leitungselement (12) und ein das Leitungselement (12) umgebendes Gehäuse (13) auf, wobei das Leitungselement (12) und das Gehäuse (13) einen Wellenleiter (14) bilden und wobei im Bereich (15) zwischen Gehäuse (13) und Leitungselement (12) ein Sensorelement 816) angeordnet ist. Das Sensorelement (16) erfaßt die im Wellenleiter (14) geführte, den Puls (11) charakterisierende Größe (Zeit, Amplitude) in Form vom Wellenleiter (14) in eine elektromagnetische Feldgröße umgewandelte Größe.A device (10) for detecting electromagnetic pulses (11) with short rise times in the range of 10 · -12 · s and with voltage amplitudes in the range of> 10 · 4 · V is proposed. The device (10) has a line element (12) essentially crossing it and a housing (13) surrounding the line element (12), the line element (12) and the housing (13) forming a waveguide (14) and Area (15) between the housing (13) and the line element (12) a sensor element 816) is arranged. The sensor element (16) detects the quantity (time, amplitude) which is guided in the waveguide (14) and characterizes the pulse (11) in the form of the waveguide (14) and is converted into an electromagnetic field quantity.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung elektromagnetischer Pulse mit kurzen Anstiegzeiten bis in den Bereich von 10^-12 s und mit Spannungsamplituden bis in den Bereich von > 10⁴ V. The invention relates to a device for detecting electromagnetic pulses with short rise times in the range of 10 ^-12 s and with voltage amplitudes in the range of> 10 ⁴ V.

Wesentlicher Anteil moderner Informations- oder Kommunikationssysteme sind elektronische Bauteile und Schaltungen, die aber auch in nahezu allen gewerblichen Bereichen wie elektronischen Steuer- und Regelsystemen in allen denkbaren Anwendungsgebieten eingesetzt werden und beispielsweise auch in der modernen Luftfahrttechnik, bei der sich immer stärker lediglich elektrische bzw. elektronisch gesteuertes Fluggerät (fly-by-wire) durchsetzt. Dieses gilt gleichermaßen auch für die verschiedensten wehrtechnischen Bereiche. Alle diese Systeme sind mehr oder weniger in bezug auf Funktionsstörungen aufgrund von außen einwirkender elektrischer Störungen gemäß bestehender EMV-Normen mehr oder weniger gesichert, soweit diese Störungen, beispielsweise elektromagnetische Spannungsimpulse, im Folgenden kurz Pulse genannt, niedrigfrequent sind, eine kleine Spannungsamplitude aufweisen und große Pulsanstiegszeiten, d. h. geringe Pulssteilheiten, aufweisen. Substantial proportion of modern information or Communication systems are electronic components and Circuits, but also in almost all commercial Areas such as electronic control and regulation systems can be used in all conceivable areas of application and for example also in the modern Aeronautical engineering, in which increasingly only electrical or electronically controlled aircraft (fly-by-wire) interspersed. This also applies to the various areas of defense technology. All these Systems are more or less related to Malfunctions due to external influences electrical interference according to existing EMC standards more or less secured, insofar as these faults, for example electromagnetic voltage pulses, in The following are called pulses, are low-frequency, one have small voltage amplitude and large Pulse rise times, d. H. have low pulse steepness.

Die bisherigen elektronischen Systeme der eingangs beispielhaft beschriebenen Art sind aber mehr oder weniger schutzlos sogenannten transienten Störungen bestimmter Art ausgesetzt. Die besagten transienten Störungen stellen im Rahmen der elektromagnetischen Verträglichkeit EMV eine besondere Klasse von Störungen dar und können bei Elektronikkomponenten der besagten Systeme je nach Energieinhalt zu kurzfristigen Störungen aber auch zu einer vollständigen Zerstörung und auch zum Ausfall des Systems in seiner Gesamtheit führen. Transiente Störungen weisen zudem vielfach nicht nur einen unipolaren sondern auch einen bipolaren Verlauf auf, was ihre Beherrschbarkeit noch stärker erschwert. Neben einmalig auftretenden Störungen zählen im Allgemeinen auch sogenannte "bursts", bei denen es sich um periodische wiederkehrende Puls- oder Schwingungspakete handelt, dazu. Typisch bipolare Transiente sind zum Beispiel exponentiell abklingende harmonische Funktionen. Transiente elektromagnetische Störungen werden auch elektromagnetische Pulse EMP genannt. The previous electronic systems of the beginning type described by way of example are more or less defenseless so-called transient disturbances exposed to a certain type. The said transients Interference pose in the context of electromagnetic Compatibility EMC is a special class of interference represents and can in electronic components of said Systems depending on the energy content for short-term faults but also to complete destruction and also to Failure of the system in its entirety. In addition, transient disturbances often show not just one unipolar but also a bipolar course on what their controllability even more difficult. Next one-off faults generally count also so-called "bursts", which are periodic recurring pulse or vibration packets acts, to. Typical bipolar transients are for Example of exponentially decaying harmonics Functions. Transient electromagnetic interference also called electromagnetic pulses EMP.

Typische in der elektromagnetischen Verträglichkeit relevante Quellen für transiente Störungen sind neben Blitzen (LEMP: Ligthning electromagnetic Pulse) und nuklearen elektromagnetischen Pulsen (NEMP: Nuclear electromagnetic Pulse) elektrostatische Entladungen (ESD) und Schalthandlungen in Anlagen der elektrischen Energietechnik und Leistungselektronik. Ebenfalls können im Kurzschlußfall entsprechende Schmelzsicherungen zu nicht unerheblichen transienten Störungen auf Leitungen führen. Neben den erwähnten klassischen elektromagnetischen Pulsen (EMP) ist auch die Klasse der sogenannten Ultra-wide-band-pulse von besonderer Bedeutung im Hinblick auf die schädigende bzw. zerstörende Wirkung elektronischer Systeme. Dennoch stellen die UWB-Pulse für Systeme, deren Einkopplungspfade über typische Längen von einigen Zentimetern bis wenige Meter betragen, eine deutlich höhere Bedrohung dar als ein NEM-Puls gleicher Feldstärke. Da es sich beim NEMP um einen waffentechnisch hergestellten Puls handelt, spricht man im Zusammenhang mit UWB-Pulsen auch von NNEMP (Nonnuclear-EMP), um diese Verwandtheit zu zeigen. Typical in electromagnetic compatibility relevant sources for transient disturbances are beside Flashing (LEMP: Ligthning electromagnetic Pulse) and nuclear electromagnetic pulses (NEMP: Nuclear electromagnetic pulses) electrostatic discharges (ESD) and switching operations in electrical systems Power engineering and power electronics. You can also in the event of a short circuit, appropriate fuses not inconsiderable transient interference on lines to lead. In addition to the classic ones mentioned electromagnetic pulses (EMP) is also the class of the so-called Ultra-wide-band pulses of particular importance in the With regard to the damaging or destructive effect electronic systems. Nevertheless, the UWB pulses for systems whose coupling paths are via typical Lengths from a few centimeters to a few meters pose a significantly higher threat than an NEM pulse same field strength. Since the NEMP is one weapon-based pulse, one speaks in connection with UWB pulses also from NNEMP (Nonnuclear-EMP) to show this relationship.

Der UWB-Puls hat typischerweise eine Anstiegzeit von deutlich kleiner 1 ns und eine Dauer von 2,5 ns. Als UWB-Pulse werden dementsprechend Pulse mit extrem kurzen Anstiegszeiten und entsprechend breitbandigen Spektren bezeichnet. Die Steilheit dieser Pulse, die auch synthetisch als waffentechnisch generierte Pulse vorliegen können, liegen um Größenordnungen über denen anderer Pulse wie den besagten Blitz-Pulsen bzw. LEMPs oder sogenannten Electrical Fast Transiences, die bei Schalthandlungen über Versorgungsleitungen eingekoppelt werden können und als klassische zivile Bedrohung vorliegen. The UWB pulse typically has a rise time of significantly less than 1 ns and a duration of 2.5 ns. As Accordingly, UWB pulses become extremely short pulses Rise times and corresponding broadband spectra designated. The steepness of these pulses, too are available synthetically as weapon-generated pulses can be orders of magnitude higher than those of others Pulses such as the said flash pulses or LEMPs or so - called Electrical Fast Transiences, which at Switching operations can be coupled via supply lines can and exist as a classic civil threat.

Bisher lassen sich mit Hilfe von nichtlinearen Schutzschaltungen leitungsgeführte Transiente (LEMP und NEMP) wirksam unterdrücken bzw. ausreichend dämpfen. So far, using nonlinear Protective circuits for conducted transients (LEMP and NEMP) effectively suppress or sufficiently dampen.

Aufgrund des möglichen, sehr unterschiedlichen Charakters transienter Störungen ist eine für alle möglichen Fälle geeignete universelle Schutzschaltung bisher nicht realisierbar. Da aber eine Realisierbarkeit derartiger Schutzschaltungen von außerordentlicher Bedeutung ist, die sogar zukünftig einen noch größeren Stellenwert haben wird, ist es zwingend erforderlich, Mittel zur Verfügung zu haben, mit denen das transiente Ansprechverhalten einer Schutzschaltung erfaßt bzw. gemessen werden kann. Dazu muß beispielsweise eine transiente Überspannung in das System eingespeist werden, die Messung der Spannung des transienten Pulses vor und hinter der Schutzschaltung durchgeführt werden und gegebenenfalls in der Schutzschaltung selbst. Because of the possible, very different Character of transient disturbances is one for all possible So far, suitable universal protection circuit has not been used realizable. But because of the feasibility of such Protection circuits is extremely important, which will be even more important in the future will have, it is imperative to have funds for To have available with which the transient Response behavior of a protective circuit detected or measured can be. To do this, for example, a transient Overvoltage can be fed into the system Measurement of the voltage of the transient pulse before and be carried out behind the protective circuit and if necessary in the protective circuit itself.

Bisher wurden beispielsweise leitungsgeführte transiente Pulse mit sogenannten Hochspannungstastköpfen, sogenannten Stromzangen (Stromzangen sind aufgrund ihrer speziellen Bauweise bzw. ihres Funktionsprinzips derart genannte Stromsensoren; engl.: current probe) oder Dämpfungsgliedern bzw. Spannungsteilern durchgeführt. Hochspannungstastköpfe und Stromzangen haben aber den grundsätzlichen Nachteil, daß ihr Einsatz, bedingt durch ihre Bauweise, auf einen Frequenzbereich von < 500 MHz bzw. < 3 GHz beschränkt ist. Sollen jedoch Anstiegzeiten im Bereich von 100 pico-Sekunden unverfälscht gemessen werden können, sind Bandbreiten von ca. 8 GHz erforderlich und somit deutlich höhere Bandbreiten als sie Hochspannungstastköpfe und Stromzangen aufweisen können. Bei Stromzangen kommt es zusätzlich zu einer Fehlanpassung durch den Sensor an sich und somit zu einer Verfälschung des zu messenden Pulses. So far, for example, have been conducted transients Pulses with so-called high voltage probes, so-called current clamps (current clamps are due to their special design or its functional principle said current sensors; current probe) or Attenuators or voltage dividers performed. High voltage probes and current clamps have that fundamental disadvantage that their use, due to their construction, on a frequency range of <500 MHz or <3 GHz is limited. However, should rise times measured unadulterated in the range of 100 pico-seconds bandwidths of approx. 8 GHz required and thus significantly higher bandwidths than them Can have high voltage probes and current clamps. With current clamps there is also one Mismatch by the sensor itself and thus to one Falsification of the pulse to be measured.

Grundsätzlich stehen auch Dämpfungsglieder und Spannungsteiler zur Verfügung, sie weisen jedoch ebenfalls Nachteile auf. So verfügen Dämpfungsglieder nur über bestimmte maximale Energieabsorptionen, d. h. es muß vor der Messung ganz genau bekannt sein, in welcher Größenordnung die zu messende Größe liegen wird. Eine galvanische Entkopplung ist nicht möglich. Dadurch kann im Zuge der Pulsmessung eine empfindliche und hochwertige Messelektronik selbst zerstört werden. Die Herstellung von Dämpfungsgliedern, die auch noch im Bereich von einigen GHz linear sind, ist zudem äußerst aufwendig. Zusätzlich haben Dämpfungsglieder eine Anstiegzeit in der Größenordnung von 10 ps (pico-Sekunden). Bei der gegebenenfalls notwendigen Kaskadierung ist eine Gesamtanstiegszeit in der Größenordnung der Anstiegszeiten der zu messenden Signale erwartbar, so daß Dämpfungsglieder zur Erfassung der fraglichen Pulse ausscheiden. Basically there are attenuators and Voltage dividers are available, but they also point Disadvantages. So attenuators only have certain maximum energy absorptions, d. H. it must be before the measurement to be known exactly in which Order of magnitude the size to be measured will be. A galvanic decoupling is not possible. This allows in In the course of the pulse measurement a sensitive and high quality Measuring electronics themselves are destroyed. The production of attenuators that are still in the range of some GHz are linear, is also extremely expensive. In addition, attenuators have a rise time in on the order of 10 ps (pico-seconds). In the if necessary, cascading is one Total rise time in the order of the rise times of the signals to be measured can be expected, so that Eliminate attenuators to capture the pulses in question.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erfassung elektromagnetischer Pulse der Eingangs genannten Art zu schaffen, die die Nachteile der bisher für diese Zwecke bekannten, voraufgeführten Systeme nicht hat, mittels der eine geringe Beeinflussung des zu erfassenden Pulses bzw. des zu messenden Signals, auch für Zwecke der Messung und Überprüfung im Zusammenhang mit der Einhaltung von EMV-Normen bei Anlagen und Schaltungen, möglich ist, die eine schnelle Ansprechzeit und eine hohe Dynamik bei gleichzeitig hoher Empfindlichkeit und hoher Bandbreite gewährleistet und eine galvanische Isolierung gegenüber dem zu messenden System gewährleistet, wobei die Vorrichtung einfach, kompakt und effektiv auch bei der Erfassung allerhöchster Amplituden der Pulse ist. It is therefore an object of the present invention to Device for detecting electromagnetic pulses The type mentioned above to create the disadvantages the previously shown for these purposes Systems does not have a low Influencing the pulse to be recorded or the pulse to be measured Signals, also for purposes of measurement and verification in the Connection with compliance with EMC standards Systems and circuits, which is fast Response time and high dynamics at the same time high sensitivity and high bandwidth guaranteed and galvanic isolation from that too measuring system ensures the device simple, compact and effective even when recording is the highest amplitude of the pulses.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein die Vorrichtung im wesentlichen durchquerendes Leitungselement und ein das Leitungselement umgebendes Gehäuse, wobei das Leitungselement und das Gehäuse einen Wellenleiter bilden und wobei im Bereich zwischen Gehäuse und Leitungselement ein Sensorelement angeordnet ist, das die im Wellenleiter geführte, den Puls charakterisierende Größe (Zeit, Amplitude) in Form einer vom Wellenleiter in eine elektromagnetische Feldgröße umgewandelte Größe erfaßt. The object is achieved according to the invention by a essentially crossing the device Line element and a surrounding the line element Housing, the line element and the housing one Form waveguides and in the range between Housing and line element arranged a sensor element is that the pulse guided in the waveguide characterizing quantity (time, amplitude) in the form of a from Waveguide into an electromagnetic field size converted size detected.

Die erfindungsgemäße Lösung schafft eine koaxiale TEM- Zelle, auf die die zu untersuchende transiente Störung in Form eines leitungsgeführten elektromagnetischen Pulses geführt wird. Im Inneren der Vorrichtung wird dann die elektromagnetische Feldgröße erfaßt. Dadurch kommt es faktisch zu keiner Beeinflussung des zu messenden Pulses und eine galvanische Isolierung zwischen den Leitungselement der Vorrichtung und dem Sensorelement der Vorrichtung ist gewährleistet. Das Sensorelement wird dabei vorteilhalfterweise derart gewählt, daß es äußerst breitbandig ist, mit der Folge, daß die Bandbreite der Vorrichtung Pulsanstiegzeiten, wie angestrebt, im pico-Sekundenbereich zu erfassen ermöglicht. Die Konzeption der Vorrichtung gemäß der erfindungsgemäßen Lösung macht es möglich, daß der erfindungsgemäße TEM-Wellenleiter beispielsweise als 50 Ohm-System ausgelegt werden kann. Ein 50 Ohm-System wird regelmäßig dann gewählt, wenn der gesamte Meßaufbau (Generator, Kabel etc.) auch auf einem 50 Ohm-System basiert. Grundsätzlich ist aber auch z. B. ein 75 Ohm- oder 100 Ohm-System möglich. The solution according to the invention creates a coaxial TEM cell to which the transient interference to be examined is conducted in the form of a conducted electromagnetic pulse. The electromagnetic field size is then detected in the interior of the device. As a result, there is virtually no influence on the pulse to be measured and galvanic isolation between the line element of the device and the sensor element of the device is ensured. The sensor element is advantageously chosen such that it is extremely broadband, with the result that the bandwidth of the device enables pulse rise times, as desired, to be recorded in the pico-second range. The design of the device according to the solution according to the invention makes it possible for the TEM waveguide according to the invention to be designed, for example, as a 50 ohm system. A 50 ohm system is regularly selected if the entire measurement setup (generator, cable, etc.) is also based on a 50 ohm system. Basically, however, z. B. a 75 ohm or 100 ohm system possible.

Ein erfindungsgemäßer Vorteil ist auch, daß mit der gleichen Vorrichtung auch wesentlich kleinere Spannungen, also auch über mehrere Dekaden, gemessen werden können, beispielsweise von einer Spannungsamplitude von ca. 5-10 V an, ohne daß der Aufbau der Vorrichtung geändert werden muß, was gleichermaßen auch für den Meßaufbau unter Einschluß der Vorrichtung gilt. Another advantage of the invention is that with the same device also much smaller Voltages, i.e. also over several decades, are measured can, for example from a voltage amplitude of approx. 5-10 V without the structure of the device must be changed, which also applies to the Measurement setup including the device applies.

Vorteilhafterweise kann als Feldgröße die elektrische Feldgröße des Pulses erfaßt werden, es ist aber auch möglich, vorzugsweise als Feldgröße die magnetische Feldgröße des Pulses zu erfassen. Das heißt mit anderen Worten, daß die Sensorelemente E-Feldsensoren sein können, es ist aber auch möglich, H-Feldsensoren als Sensorelemente einzusetzen oder aber auch in der Vorrichtung sowohl einen E-Feldsensor als auch einen H-Feldsensor einzusetzen. The electrical can advantageously be used as the field size Field size of the pulse can be detected, but it is also possible, preferably the magnetic field size To capture the field size of the pulse. That means with others Words that the sensor elements are E-field sensors can, but it is also possible to use H field sensors as Use sensor elements or in the Device both an E-field sensor and one Use H field sensor.

Um eine äußerst kompakte Bauweise der Vorrichtung zu schaffen, ist es vorteilhaft, das Gehäuse mit einem Dielektrikum zu füllen, d. h. einen TEM-Wellenleiter mit Dielektrikum auszubilden. To make the device extremely compact create, it is advantageous to use a housing Fill dielectric, d. H. using a TEM waveguide Form dielectric.

Äußerst vorteilhaft ist es, das Innere des Gehäuses mit einem Dielektrikum ∈_r ≥ 1 zu wählen, d. h. zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit beispielsweise ∈_r ≥ 2, so daß das Dielektrikum in diesem Falle nicht einfach Isolator ist, sondern vielmehr die Meßgröße "enthält". It is extremely advantageous to choose the inside of the housing with a dielectric ∈ _r ≥ 1, ie to increase the dielectric strength, for example ∈ _r ≥ 2, so that the dielectric is not simply an insulator in this case, but rather "contains" the measured variable.

Vorzugsweise ist das Sensorelement für die Erfassung einer elektrischen Feldgröße in Form eines konischen Monopols ausgebildet. Diese Art des Sensorelementes weist eine extreme Bandbreite von typischerweise 10 GHz auf. The sensor element is preferably for detection an electrical field size in the form of a conical Trained monopolies. This type of sensor element exhibits an extreme bandwidth of typically 10 GHz on.

Um die Vorrichtung schnell vor bzw. hinter die beispielhaft zu untersuchende Schutzschaltung bzw. gegebenenfalls auch schnell in die zu untersuchende Schutzschaltung selbst einfügen zu können, ist es vorteilhaft, die Vorrichtung mit einem Eingangsverbindungselement und einem Ausgangsverbindungselement zu versehen, wobei diese Verbindungselemente die an sich in der HF-Technik bekannten N-Stecker oder 7/16-Stecker bzw. Steckverbindungen sein können. To quickly the device in front of or behind the protective circuit to be examined as an example or if necessary also quickly into the one to be examined To be able to insert the protective circuit yourself, it is advantageous the device with an input connector and to provide an output connector, wherein these connecting elements which are in themselves in HF technology known N plug or 7/16 plug or Plug connections can be.

Um die Vorrichtung so kompakt wie möglich auszubilden, ist es vorteilhaft, das Gehäuse derart konisch auszubilden, daß es sich zu den Verbindungselementen hin verjüngt. Die konische Ausgestaltung hat auch den Vorteil, daß damit ein reflexionsfreies 50-Ohm-System geschaffen werden kann, denn jeder Sprung oder Knick (Diskontinuität) würde Reflexion verursachen. Deshalb werden die Übergangsbereiche bzw. Knicke zwischen konischem Teil und nicht-konischem Teil vorzugsweise auch abgerundet. In order to make the device as compact as possible, it is advantageous to make the housing so conical train that it is towards the fasteners rejuvenated. The conical shape also has that The advantage of being a reflection-free 50-ohm system can be created because every jump or kink (Discontinuity) would cause reflection. Therefore the transition areas or kinks between conical part and non-conical part preferably also rounded.

Es sei aber darauf hingewiesen, daß alternativ oder zusätzlich zu den vorangehend aufgeführten Maßnahmen zur Kompensation von Diskontinuitäten der Vorrichtung auch andere Techniken möglich sind, beispielsweise eine Kompensation von Sprungstellen durch zusätzliche, bauformbedingte Induktivitäten. Auch diese Maßnahmen können dem Ziel der Verwirklichung einer reflexionsarmen Vorrichtung dienen, um das zu messende Signal möglichst gering zu beeinflussen. However, it should be noted that alternatively or in addition to the measures listed above Compensation for discontinuities in the device too other techniques are possible, for example one Compensation of jump points by additional construction inductances. These measures too can achieve the goal of achieving a low reflection Serve device to the signal to be measured as possible little influence.

Aus dem gleichen Grunde ist es vorteilhaft, daß das Leitungselement selbst sich zu dessen beidseitigen Anschlüssen hin konisch verjüngt ausgebildet ist. For the same reason, it is advantageous that the Pipe element itself on both sides Connections is tapered.

Schließlich ist es aus Gründen der vereinfachten Fertigung der Vorrichtung und aus Gründen der Montage bzw. Demontage für Wartungs- und Reparaturzwecke und auch gegebenenfalls zum vereinfachten Austausch des einen Dielektrikums gegen ein anderes Dielektrikum vorteilhaft das Gehäuse mehrteilig auszubilden, beispielsweise zwei- oder dreiteilig, so daß, wie angestrebt, eine Demontage bzw. Montage auf einfache Weise möglich ist. After all, it's simplified for the sake of it Manufacture of the device and for reasons of assembly or Disassembly for maintenance and repair purposes and also if necessary to simplify the exchange of one Dielectric against another dielectric advantageous to form the housing in several parts, for example two or three parts, so that, as desired, disassembly or assembly is possible in a simple manner.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispieles im Einzelnen beschrieben. Darin zeigen: The invention will now be described with reference to the following schematic drawings using a Embodiment described in detail. In this demonstrate:

Fig. 1 in der Seitenansicht die Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines schematisierten Blockschaltbildes, angeschlossen an eine UWB-Pulsquelle und mit einem 50 Ohm-Abschluß, wobei der Sensor mit einem Pulsnachweisgerät, beispielsweise einem Oszillographen, verbunden ist, Fig. 1 in side view, the device according to the invention in the form of a schematic block diagram connected to a UWB pulse source and a 50 ohm termination, wherein the sensor with a pulse detection device, such as an oscilloscope, is connected,

Fig. 2 in perspektivischer Darstellung die Vorrichtung in teilweise auseinandergebauten Zustand, Fig. 2 shows the device in the disassembled perspective view in partial state,

Fig. 3 den Verlauf verschiedener Anstiegzeiten von Pulsen unterschiedlicher transienter Störungen, Fig. 3 shows the profile of various rise times of pulses of different transient faults,

Fig. 4 eine Darstellung des Vergleiches verschiedener Pulse gemäß Fig. 3 im Frequenzbereich, Fig. 4 is a representation of the comparison of different pulses of FIG. 3 in the frequency domain,

Fig. 5 den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals des Sensorelements in Form eines E-Feldsensors bei Beaufschlagung der Vorrichtung mit einem UWB-Puls und Fig. 5 shows the time course of the output signal of the sensor element in the form of an E-field sensor upon exposure of the device with a UWB pulse, and

Fig. 6 das elektrische Feld in der Vorrichtung für einen UWB-Puls mit einer Anstiegszeit von 100 ps. Fig. 6 shows the electric field in the device for a UWB pulse with a rise time of 100 ps.

Zunächst wird Bezug genommen auf die Darstellungen der Vorrichtung 10 gemäß den Fig. 1 und 2. Die Vorrichtung 10 besteht aus einem im Wesentlichen axial ausgebildeten Leitungselement 12, das die Vorrichtung 10 im wesentlichen vorzugsweise axial durchquert. Das Leitungselement 12 kann, wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, zu den beiderseitigen Anschlußseiten, an denen ein Eingangsverbindungselement 18 bzw. ein Ausgangsverbindungselement 19 angeordnet sein kann, konisch hin verjüngend ausgebildet sein. Das axiale Leitungselement 10 ist mit einem dieses vorzugsweise koaxial umgebenden Gehäuse 13 versehen, das ebenfalls konisch zu den Eingangs- bzw. Ausgangsverbindungselementen 18, 19 hin ausgebildet sein kann. Das Gehäuse 13 kann mehrteilig, beispielsweise zweiteilig 130, 131, ausgebildet sein, so daß es leicht in seine Einzelteile demontierbar ist, was insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist. Im Bereich 15 zwischen Gehäuse 13 und Leitungselement 12 ist ein Sensorelement 16 angeordnet. Das Sensorelement 16 ist hier als Monopol herausgebildet und ist bestimmt, eine elektrische Feldgröße des transienten Signals zu erfassen. An Stelle des Monopols zur Ermittlung der elektrischen Feldgröße kann auch alternativ oder zusätzlich ein Sensorelement 16 vorgesehen sein, das in Form eines Oberflächensensors zur Ermittlung des magnetischen Feldes des Transienten Pulses bestimmt ist. Es kann sich auch eine jeweilige Mehrzahl von elektrischen und/oder magnetischen (Feld-) Sensorelementen 16 vorgesehen werden. First, reference is made to the representations of the device 10 according to FIGS. 1 and 2. The device 10 consists of a substantially axially formed line element 12 , which essentially preferably axially traverses the device 10 . As can be seen in particular from FIG. 2, the line element 12 can be designed to taper conically towards the connection sides on both sides, on which an input connection element 18 or an output connection element 19 can be arranged. The axial line element 10 is provided with a housing 13 , preferably coaxially surrounding it, which can also be conical towards the input or output connection elements 18 , 19 . The housing 13 can be constructed in several parts, for example in two parts 130, 131, so that it can be easily dismantled into its individual parts, which can be seen in particular from FIG. 2. A sensor element 16 is arranged in the area 15 between the housing 13 and the line element 12 . The sensor element 16 is formed here as a monopoly and is intended to detect an electrical field size of the transient signal. Instead of the monopole for determining the electrical field size, a sensor element 16 can also alternatively or additionally be provided, which is determined in the form of a surface sensor for determining the magnetic field of the transient pulse. A respective plurality of electrical and / or magnetic (field) sensor elements 16 can also be provided.

Grundsätzlich kann die Vorrichtung 10 auch jede andere koaxiale Form annehmen, beispielsweise in Form eines axialsymmetrischen Vielecks (Quadrat, Sechseck, Achteck usw.) Der Innenleiter, d. h. das Leitungselement 12, muß auch nicht zwangsläufig mittig angeordnet sein, d. h. nicht in der axialen Symmetrieachse des Gehäuses 12. Basically, the apparatus 10 can also assume any other coaxial shape, for example in the form of an axially symmetric polygon (square, hexagon, octagon, etc.) The inner conductor, that is, the lead member 12 need not be arranged necessarily centered, ie not in the axial axis of symmetry Housing 12 .

In Fig. 1 ist das Sensorelement 16 zum einen aus der Vorrichtung 10 herausgelöst dargestellt und zum anderen in die Vorrichtung 10 eingesetzt bzw. im Bereich 15 zwischen Gehäuse 13 und Leitungselement 12 angeordnet. In Fig. 1, the sensor element 16 is shown removed from the device 10 on the one hand and on the other hand used in the device 10 or located in the area 15 between casing 13 and pipe member 12.

Das Gehäuse 13 ist mit einem Dielektrikum 17 gefüllt, wobei das Dielektrikum ein ∈_r von ≥ 1 aufweist. Bei dem schematisch in Fig. 1 dargestellten Versuchsaufbau ist die Vorrichtung 10 eingangsseitig mit einem vorrichtungseigenen Verbindungselement 18 ausgebildet, beispielsweise in Form klassischer HF-Buchsenelemente, und mit einem Impulsgenerator 23 verbunden, der transiente Pulse 11 auf die Vorrichtung 10 liefert. Die Vorrichtung 10 ist auch mit einem Ausgangsverbindungselement 19 versehen, das ebenfalls als klassisches HF-Buchsenelement ausgebildet sein kann. Das Ausgangsverbindungselement 19 bzw. der entsprechende Anschluß 21 ist mit einem 50 Ohm Widerstand zur Bildung eines 50 Ohm- Systems abgeschlossen. Wenn nun während des Betriebes der Vorrichtung 10 ein transienter Puls, ob nun natürlichen Ursprungs oder durch einen Impulsgenerator 23 erzeugt, auf das Eingangsverbindungselement 18, das einerseits mit dem Leitungselement 12 verbunden ist und mit seinem anderen Pol mit dem Gehäuse 13 verbunden ist, geleitet wird, bilden das Leitungselement 12 und das umgebende Gehäuse 13 einen Wellenleiter 14. The housing 13 is filled with a dielectric 17 , the dielectric having an ∈ _r of ≥ 1. In the experimental setup shown schematically in FIG. 1, the device 10 is formed on the input side with a device-specific connecting element 18 , for example in the form of classic HF socket elements, and is connected to a pulse generator 23 which supplies transient pulses 11 to the device 10 . The device 10 is also provided with an output connecting element 19 , which can also be designed as a classic HF socket element. The output connection element 19 or the corresponding connection 21 is terminated with a 50 ohm resistor to form a 50 ohm system. If, during operation of the device 10, a transient pulse, whether of natural origin or generated by a pulse generator 23 , is directed to the input connection element 18 , which is connected on the one hand to the line element 12 and with its other pole to the housing 13 , The line element 12 and the surrounding housing 13 form a waveguide 14 .

Das im Gehäuse 13 angeordnete Sensorelement 16 erfaßt dabei die im Wellenleiter 14 geführte, den Puls 11 charakterisierende Größe (Zeit, Amplitude) in Form einer vom Wellenleiter 14 in eine elektrische und/oder magnetische Feldgröße umgewandelte Größe, die dann auf den Oszillographen 22 zur entsprechenden optischen Darstellung, jedenfalls im Meßaufbau, gegeben wird. Der Signalausgang des Sensorelements 16 kann aber auch, wenn die Vorrichtung 10 Teil einer Schutzschaltung gegen transiente Störungen ist, auf entsprechende Schutz- und/oder Steuermittel gegeben werden, um nach erfaßtem transienten Puls steuerungstechnisch Gegenmaßnahmen einzuleiten. Insofern ist das stark schematisierte Blockschaltbild gemäß Fig. 1 lediglich als eine die Erfindung nicht beschränkende Verständnishilfe anzusehen. The arranged in the housing 13 sensor element 16 detects the guided in the waveguide 14 , the pulse 11 characterizing quantity (time, amplitude) in the form of a quantity converted by the waveguide 14 into an electrical and / or magnetic field size, which then on the oscillograph 22 to the corresponding optical representation, at least in the measurement setup. However, if the device 10 is part of a protective circuit against transient disturbances, the signal output of the sensor element 16 can also be given to appropriate protective and / or control means in order to initiate countermeasures in terms of control technology after a detected transient pulse. In this respect, the highly schematic block diagram according to FIG. 1 is merely to be regarded as an aid to understanding that does not limit the invention.

In Fig. 3 sind bezüglich des Zeit-Spannungsverlaufes transiente Störungen bzw. Pulse verschiedenen Ursprungs dargestellt, d. h. ein LEMP-Puls (Lightning Electromagnetic Pulse), ein UWB-Puls (Ultra-Wide-Band-Pulse) und ein EFT-Puls (Electrical Fast Transient). In Fig. 3 transient disturbances or pulses with respect to the time-voltage curve shown different origin, ie, a LEMP pulse (Lightning Electromagnetic Pulse), a UWB pulse (Ultra-Wide-Band-Pulse) and an EFT pulse (Electrical Fast transient).

Fig. 4 zeigt einen Vergleich der Amplitudendichtespektren von UWB-, EFT- und LEMP-Pulsen, woraus ersichtlich ist, das von den transienten Störungen die UWB-Pulse noch bis in den höchsten Frequenzbereich hinein signifikant in Erscheinung treten. FIG. 4 shows a comparison of the amplitude density spectra of UWB, EFT and LEMP pulses, from which it can be seen that the UWB pulses still appear significantly from the transient interference up to the highest frequency range.

Fig. 5 zeigt das Ausgangssignal des in der Erfindung verwendeten als E-Feldsensor ausgebildeten Sensorelements 16 bei einem Aufbau, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Ein Impulsgenerator 23 liefert einen doppelt-exponentiellen UWB-Puls 11 mit einer Amplitude von 25 kV. Das Sensorelement 16 zeigt differenzierendes Verhalten. Die Umrechnung von der gemessenen Ausgangsspannung des Sensorelementes 16 auf die tatsächlich am Sensorelement 16 anliegende elektrische Feldstärke, vgl. Fig. 6, erfolgt dabei gemäß

U = jω.∈_OE.A_E.R_L
mit
ω: Kreisfrequenz
∈_O: Permittivitätskonstante
A_E: effektive Sensorfläche
R_L: Wellenwiderstand der angeschlossenen Messleitung. FIG. 5 shows the output signal of the sensor element 16 used in the invention as an E-field sensor in a construction as shown in FIG. 2. A pulse generator 23 supplies a double-exponential UWB pulse 11 with an amplitude of 25 kV. The sensor element 16 shows differentiating behavior. The conversion from the measured output voltage of the sensor element 16 to the electrical field strength actually applied to the sensor element 16 , cf. Takes place Fig. 6 according to this

U = jω.∈ _O EA _E .R _L
With
ω: angular frequency
∈ _O : permittivity constant
A _E : effective sensor area
R _L : characteristic impedance of the connected measuring line.

Fig. 6 zeigt die vom Sensorelement 16 gemessene elektrische Feldstärke in der Vorrichtung 10 (TEM-Wellenleiter) bei einer Konfiguration, wie sie für Fig. 5 beschrieben worden ist. Bei bekanntem Abstand zwischen Außen- und Innenleiter des TEM-Wellenleiters, d. h. zwischen Gehäuse 13 und Leitungselement 12, kann nun eine Umrechnung auf die in diesem Fall vom Impulsgenerator 23 gelieferte doppelt-exponentielle Kurvenform erfolgen. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, kann eine Anstiegszeit im Bereich von 100 ps aufgelöst werden. Bezugszeichenliste 10 Vorrichtung
11 Puls/Impuls
12 Leitungselement
120 konischer Bereich
13 Gehäuse
130 Gehäuseteil
131 Gehäuseteil
14 Wellenleiter
15 Bereich
16 Sensorelement
17 Dielektrikum
18 Eingangsverbindungselement
19 Ausgangsverbindungselement
20 Anschluß
21 Anschluß
22 Oszillograph
23 Impulsgenerator
FIG. 6 shows the electric field strength measured by the sensor element 16 in the device 10 (TEM waveguide) in a configuration as has been described for FIG. 5. If the distance between the outer and inner conductor of the TEM waveguide is known, that is to say between the housing 13 and the line element 12 , a conversion can now be made to the double-exponential curve shape provided by the pulse generator 23 in this case. As can be seen from Fig. 6, a rise time in the range of 100 ps can be resolved. Reference list 10 device
11 pulse / pulse
12 line element
120 conical area
13 housing
130 housing part
131 housing part
14 waveguides
15 area
16 sensor element
17 dielectric
18 input connector
19 output connector
20 connection
21 connection
22 oscilloscope
23 pulse generator

Claims

1. Device for detecting electromagnetic pulses with short rise times in the range of 10 ^-12 s and with voltage amplitudes in the range of 10 ⁴ V, characterized by a line element ( 12 ) essentially crossing the device ( 10 ) and a line element ( 12 ) surrounding housing ( 13 ), the line element ( 12 ) and the housing ( 13 ) forming a waveguide ( 14 ) and a sensor element ( 16 ) being arranged in the region ( 15 ) between the housing ( 13 ) and line element ( 12 ) that detects the quantity (time, amplitude) which is guided in the waveguide ( 14 ) and characterizes the pulse ( 11 ) in the form of a quantity converted by the waveguide ( 14 ) into an electromagnetic field size.

2. Device according to claim 1, characterized in that the electromagnetic field size of voltage amplitudes of pulses in the range from 5, in particular 10, to> 10 ⁴ U can be detected.

3. Device according to one or both of claims 1 or 2, characterized in that the field size is a electric field size is.

4. Device according to one or both of claims 1 or 2, characterized in that the field size is a is magnetic.

5. The device according to one or more of claims 1 to 4, that the housing ( 13 ) is filled with a dielectric ( 17 ).

6. The device according to claim 5, characterized in that the dielectric ∈ _r ≥ 1.

7. The device according to one or more of claims 1 to 6, characterized in that the sensor element ( 16 ) is designed for the detection of an electrical field size in the form of a conical monopole.

8. The device according to one or more of claims 1 to 7, characterized in that it has an input connecting element ( 18 ) and an output connecting element ( 19 ).

9. The device according to claim 8, characterized in that the housing ( 13 ) is tapered towards the connecting elements ( 18 , 19 ).

10. The device according to one or more of claims 1 to 9, characterized in that the line element ( 12 ) tapers conically towards the two-sided connections ( 20 , 21 ).

11. The device according to one or more of claims 1 to 10, characterized in that the housing ( 13 ) is formed in several parts ( 130 , 131 ).