DE10206073B4

DE10206073B4 - Device for detecting power-driven electromagnetic pulses

Info

Publication number: DE10206073B4
Application number: DE2002106073
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Weber; Jan Luiken Prof. Dr.-Ing. Haseborg ter
Original assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Current assignee: Technische Universitaet Hamburg TUHH; Tutech Innovation GmbH
Priority date: 2002-02-13
Filing date: 2002-02-13
Publication date: 2006-03-30
Anticipated expiration: 2022-02-14
Also published as: DE10206073A1; AU2003206645A1; DE10206073B8; WO2003069361A1

Abstract

Vorrichtung zur Erfassung leitungsgeführter elektromagnetischer Pulse, umfassend ein die Vorrichtung (10) im wesentlichen durchquerendes Leitungselement (12) und ein das Leitungselement (12) umgebendes Gehäuse (13), wobei das Leitungselement (12) und das Gehäuse (13) einen Wellenleiter (14) bilden, auf den die zu erfassenden Pulse (11) geführt werden, und daß im Bereich (15) zwischen Gehäuse (13) und Leitungselement (12) ein Sensorelement (16) angeordnet ist, das die im Wellenleiter (14) geführte, den Puls (11) mit kurzen Anstiegzeiten bis in den Bereich von 10^–12 s und mit Spannungsamplituden bis in den Bereich von 10⁴ V charakterisierende Größe (Zeit, Amplitude) in Form einer vom Wellenleiter (14) in eine elektromagnetische Feldgröße umgewandelten Größe erfaßt, wobei die Vorrichtung (10) Teil einer Schaltung ist, deren Ansprechverhalten in bezug auf die Pulse (11) erfaßbar und meßbar ist.Device for detecting conducted electromagnetic pulses, comprising a line element (12) essentially traversing the device (10) and a housing (13) surrounding the line element (12), wherein the line element (12) and the housing (13) comprise a waveguide (14 ), on which the pulses to be detected (11) are guided, and that in the region (15) between the housing (13) and line element (12), a sensor element (16) is arranged, the guided in the waveguide (14), the Detecting pulse (11) with short rise times in the range of 10 ^-12 s and magnitude (time, amplitude) characterized by voltage amplitudes within the range of 10 ⁴ V in the form of a variable converted into an electromagnetic field quantity by the waveguide (14), the device (10) being part of a circuit whose response with respect to the pulses (11) is detectable and measurable.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung leitungsgeführter elektromagnetischer Pulse.The The invention relates to a device for detecting conducted electromagnetic Pulse.

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.essential Share of modern information or communication systems are electronic components and circuits, but also in almost all commercial sectors like electronic control systems in every conceivable way Application areas are used and, for example, in of modern aviation technology, in which more and more only electric or electronically controlled aircraft (fly-by-wire) interspersed. This applies equally to the most diverse defense technology Areas. All of these systems are more or less related to dysfunction on the outside acting electrical interference according to existing EMC standards more or less assured, as far as these disturbances, For example, electromagnetic voltage pulses, below short called pulses, low frequency, a small voltage amplitude exhibit and great Pulse rise times, i. low pulse slopes, have.

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 initially described by way of example Species are more or less defenseless so-called transient disorders of a certain kind. Put the said transient disturbances in the context of electromagnetic compatibility EMC a special Class of disorders can and can in electronic components of said systems depending on the energy content to short-term disturbances but also to a complete one destruction and also lead to the failure of the system in its entirety. transient disorders In addition, in many cases not only have a unipolar but also one bipolar development, which makes their controllability even more difficult. In addition to one-time disturbances counting In general, so-called "bursts", which are are periodic recurrent pulse or vibration packets, in addition. For example, bipolar transients are exponentially decaying harmonic functions. Transient electromagnetic interference will 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 in addition to lightning (LEMP: Ligthning electromagnetic Pulse) and nuclear electromagnetic pulses (NEMP: nuclear electromagnetic pulse) Electrostatic discharges (ESD) and switching operations in plants electrical power engineering and power electronics. Also can in Short circuit appropriate fuses to not insignificant transients disorders lead on lines. In addition to the mentioned Classical electromagnetic pulses (EMP) is also the class the so-called ultra-wide-band-pulse of particular importance in the Regard to the harmful or destructive Effect of electronic systems. Nevertheless, the UWB pulses for systems their coupling paths over typical lengths from a few centimeters to a few meters, one clearly higher Threat as a NEM pulse of the same field strength. Because the NEMP is around is a weapon manufactured pulse, one speaks in the Also related to UWB pulses from NNEMP (Nonnuclear-EMP) to show this kinship.

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 Anstiegzeiten 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.Of the UWB pulse typically has a rise time of significantly less 1 ns and a duration of 2.5 ns. As UWB pulses are accordingly pulses with extremely short rise times and corresponding broadband spectra designated. The steepness of these pulses, which is also synthetic Weapons technically generated pulses may be orders of magnitude above those other pulses such as the said flash pulses or LEMPs or so-called Electrical Fast Transiences used in switching operations via supply lines can be coupled and 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 With the aid of non-linear protective circuits, conducted transients (LEMP and NEMP) 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.by virtue of the possible, very different character of transient disturbances is one for all possible ones Cases appropriate Universal protection circuit previously not feasible. But there is one Realizability of such protective circuits of extraordinary Meaning is that even in the future even more important it is imperative to have funds available too have with which the transient response of a protection circuit detected or can be measured. This must, for example, a transient overvoltage be fed into the system, measuring the voltage of the transient Pulses are performed in front of and behind the protection circuit and optionally in the protection 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, conducted transient pulses with so-called high-voltage probes, so-called current clamps (current clamps are so-called current sensors) or attenuators or voltage dividers are performed on account of their special construction or operating principle. However, high-voltage probes and current probes have the fundamental disadvantage that their use, due to their design, is limited to a frequency range of <500 MHz or <3 GHz. However, if rise times in the range of 100 pico-seconds can be measured unadulterated, bandwidths of about 8 GHz are required and thus significantly higher bandwidths than they can have high voltage probes and current clamps. With current clamps, there is in addition to a mismatch by the sensor itself and thus to a distortion of the measured pulse.

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 galva nische 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 Anstiegzeiten der zu messenden Signale erwartbar, so daß Dämpfungsglieder zur Erfassung der fraglichen Pulse ausscheiden.Basically also attenuators and voltage dividers available, However, they also have disadvantages. So have attenuators only over certain maximum energy absorptions, i. it must be before the Measurement be known exactly, in which order of magnitude to be measured Size are becomes. Galvanic decoupling is not possible. This can be done in the course of Pulse measurement a sensitive and high-quality measuring electronics themselves are destroyed. The production of attenuators, which are also linear in the range of a few GHz, is also extremely expensive. additionally have attenuators a rise time in the order of magnitude of 10 ps (pico-seconds). In case of any necessary cascading is an overall rise time in the order of the rise times expected to be measured signals so that attenuators for detection excrete the pulses in question.

Aus der Publikation "AEG-Telefunken: "TEM-Zellen", Firmenschrift "AEG-Telefunken Hochfrequenztechnik EMV/EMP-Zentrum, A1E161 09.85, Prospekt, 1985, Seiten 1–6" ist eine Einrichtung in Form einer Meßkammer bekannt, die für die Prüfung der Stör-/Zerstörfestigkeit von Bauelementen, Geräten und Funktionseinheiten durch elektrische Felder mit CW (Beeinflussungsuntersuchungen im Rahmen der EMV) bestimmt ist. Mit dieser Einrichtung soll die Stör-/Zerstörfestigkeit von Bauelementen, Geräten und Funktionseinheiten gegen elektromagnetische Feldimpulse aller Art (EMB) und die Kalibrierung von Feldstärke-Meßgeräten sowie Feldsensoren (EMV und EMP) dadurch bewerkstelligt werden können, daß die Testobjekte, d.h. Bauelemente, Geräte und Funktionseinheiten, in die bekannte Meßkammer zur Ausführung der Messung eingebracht werden.Out the publication "AEG-Telefunken:" TEM cells ", company publication" AEG-Telefunken high frequency technology EMC / EMP-center, A1E161 09.85, brochure, 1985, pages 1-6 "is a device in the form of a measuring chamber known for the examination of Error / surge immunity of components, devices and functional units by electric fields with CW (influencing investigations within the scope of the EMC). With this device, the Stör- / Zerstörfestigkeit should of components, devices and Functional units against electromagnetic field pulses of all kinds (EMB) and the calibration of field strength meters and field sensors (EMC and EMP) can be accomplished by having the test objects, i. components, equipment and functional units, in the known measuring chamber for carrying out the Measurement are introduced.

Aus der Publikation "MISLAN J.D.: "Comparison of Failure Mode Criteria in Electromagnetic Environments", IN: IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. IN-34/4, Dez. 1985, S. 581–584" ist eine Einrichtung bekannt, die der elektromagnetischen Beaufschlagung von Funktionseinheiten, Geräten und Bauelementen dienen soll, d.h. allgemein Objekten, die in bezog auf ihre Stör-/Zerstörfestigkeit untersucht werden sollen und dazu mit elektromagnetischen Feldern beaufschlagt werden.Out the publication "MISLAN J.D .: "Comparison of Failure Mode Criteria in Electromagnetic Environments ", IN: IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, Vol. IN-34/4, Dec. 1985, pages 581-584 "is a device known that the electromagnetic loading of functional units, devices and components, i. e. generally objects that referred in on their interference / destruction resistance to be investigated and to do so with electromagnetic fields be charged.

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.It Thus, it is an object of the present invention to provide a device for Detection of electromagnetic pulses of the type mentioned above create the disadvantages of the previously known for this purpose, pre-listed systems does not have.

Gelöst wird die Aufgabe durch eine Vorrichtung nach Anspruch 1. Is solved the object by a device according to claim 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen werden in den Unteransprüche angegeben.advantageous Embodiments are specified in the subclaims.

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 dem 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 creates solution according to the invention a coaxial TEM cell, to which the transient disturbance to be investigated in the form of a conducted electromagnetic Pulse guided becomes. Inside the device, the electromagnetic field size is then detected. Thereby In fact, there is no influence on the pulse to be measured and a galvanic insulation between the line element of Device and the sensor element of the device is ensured. The sensor element is thereby advantageously halved so that it is extremely broadband is, with the result that the Bandwidth of the device Pulse rise times as aimed at pico seconds range. The conception of Device according to the inventive solution makes it is possible that the TEM waveguide according to the invention for example, can be designed as a 50 ohm system. A 50 ohm system will be regular then selected if the entire measurement setup (Generator, cables, etc.) are also based on a 50 ohm system. Basically but also e.g. 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.One Advantage according to the invention is also that with the same device also much smaller voltages, ie also over several decades, can be measured, for example, from a voltage amplitude from about 5-10 V on without the Structure of the device changed must be what equally also for 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.advantageously, can be used as field size the electric Field size of the pulse detected but it is also possible preferably as field size the magnetic Field size of the pulse capture. This means in other words, that the Sensor elements E-field sensors may be, but it is also possible H-field sensors to use as sensor elements or in the device to use both an E-field sensor and an 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.Around an extremely compact To create a construction of the device, it is advantageous to use the housing to fill a dielectric, i.e. form a TEM waveguide with dielectric.

Äußerst vorteilhaft ist es, das Innere des Gehäuses mit einem Dielektrikum ϵ_r ≥ 1 zu wählen, d.h. zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit beispielsweise ϵ_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 interior of the housing with a dielectric ε _r ≥ 1, ie to increase the dielectric strength, for example, ε _r ≥ 2, so that the dielectric in this case is not simply an insulator, 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.Preferably is the sensor element for the detection of an electric field size in the form of a conical Monopols trained. This type of sensor element has an extreme Bandwidth of typically 10 GHz.

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.Around the device quickly before or after the example to be examined Protection circuit or possibly also quickly into the examined Insert protection circuit yourself to be able to it is advantageous, the device with an input connector and to provide an output connector, said connectors the N-type plug or 7/16 plug known per se in HF technology 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.Around to make the device as compact as possible It is advantageous to the housing so conical that it tapers towards the fasteners. The conical design also has the advantage that with it A reflection-free 50 ohm system can be created because any crack or crease (discontinuity) would cause reflection. That's why 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.It but it should be noted that alternatively or additionally to the measures listed above to compensate for discontinuities of the device also others Techniques possible are, for example, a compensation of discontinuities by additional, Construction-related inductances. These measures too can aim at the realization of a low-reflection device, as possible to the signal to be measured low influence.

Aus dem gleichen Grunde ist es vorteilhaft, daß das Leitungselement selbst sich zu dessen beidseitigen Anschlüssen hin konisch verjüngt ausgebildet ist.Out For the same reason, it is advantageous that the conduit element itself formed conically tapered to its two-sided connections is.

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.Finally is it for reasons the simplified manufacture of the device and for the sake of Assembly or disassembly for Maintenance and repair purposes and also, if necessary, to the simplified Replacing one dielectric with another dielectric advantageous, the housing in several parts form, 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 with reference to the following schematic Drawings using an exemplary embodiment described in detail. Show:

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, 1 in the side view of the device according to the invention in the form of a schematic block diagram, connected to a UWB pulse source and with a 50 ohm termination, the sensor with a pulse detection device, such as an oscilloscope connected,

2 in perspektivischer Darstellung die Vorrichtung in teilweise auseinandergebauten Zustand, 2 in a perspective view of the device in a partially disassembled state,

3 den Verlauf verschiedener Anstiegzeiten von Pulsen unterschiedlicher transienter Störungen, 3 the course of different rise times of pulses of different transient disturbances,

4 eine Darstellung des Vergleiches verschiedener Pulse gemäß 3 im Frequenzbereich, 4 a representation of the comparison of different pulses according to 3 in the frequency domain,

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

6 das elektrische Feld in der Vorrichtung für einen UWB-Puls mit einer Anstiegszeit von 100 ps. 6 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 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 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 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 auch eine jeweilige Mehrzahl von elektrischen und/oder magnetischen (Feld-) Sensorelementen 16 vorgesehen werden.First, reference will be made to the illustrations of the device 10 according to the 1 and 2 , The device 10 consists of a substantially axially formed conduit element 12 that the device 10 essentially preferably traversed axially. The pipe element 12 can, in particular, look like 2 it can be seen, to the mutual connection sides, at which an input connection element 18 or an output connector 19 may be arranged conically tapered out. The axial conduit element 10 is with a preferably coaxially surrounding this housing 13 which is also tapered to the input and output connection elements 18 . 19 can be trained out. The housing 13 can be multi-part, for example, two-piece 130 . 131 be formed so that it is easy to disassemble in its individual parts, which in particular 2 is apparent. In the area 15 Zvi housing 13 and conduit element 12 is a sensor element 16 arranged. The sensor element 16 is here formed as a monopoly and is determined to detect an electric field size of the transient signal. Instead of the monopoly for determining the electric field quantity, a sensor element may alternatively or additionally also be provided 16 be provided, which is determined in the form of a surface sensor for determining the magnetic field of the transient pulse. It may also be a respective plurality of electrical and / or magnetic (field) sensor elements 16 be provided.

Grundsätzlich kann die Vorrichtung 10 auch jede andere koaxiale Form annehmen, beispielsweise in Form eines axialsymmetrischen Vielecks (Quadrat, Sechseck, Achteck usw.).Basically, the device can 10 take any other coaxial shape, for example in the form of an axisymmetric polygon (square, hexagon, octagon, etc.).

Der Innenleiter, d.h. das Leitungselement 12, muß auch nicht zwangsläufig mittig angeordnet sein, d.h. nicht in der axialen Symmetrieachse des Gehäuses 13.The inner conductor, ie the line element 12 also does not necessarily have to be arranged centrally, ie not in the axial symmetry axis of the housing 13 ,

In 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 1 is the sensor element 16 on the one hand from the device 10 shown detached and on the other in the device 10 used or in the area 15 between housing 13 and conduit element 12 arranged.

Das Gehäuse 13 ist mit einem Dielektrikum 17 gefüllt, wobei das Dielektrikum ein ϵ_r von 1 aufweist. Bei dem schematisch in 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 Eisgangsverbindungselement 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 with a dielectric 17 filled, wherein the dielectric has an ε _r of 1. In the schematic in 1 The experimental setup shown is the device 10 on the input side with a device-specific connection element 18 formed, for example in the form of classical RF jack elements, and with a pulse generator 23 connected, the transient pulses 11 on the device 10 supplies. The device 10 is also with an output connector 19 provided, which may also be designed as a classic RF jack element. The output connector 19 or the corresponding connection 21 is terminated with a 50 ohm resistor to form a 50 ohm system. If now during operation of the device 10 a transient pulse, whether of natural origin or by a pulse generator 23 generated on the Eisgangsverbindungselement 18 , on the one hand with the conduit element 12 is connected and with its other pole to the housing 13 connected, form the conduit element 12 and the surrounding case 13 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 1 lediglich als eine die Erfindung nicht beschränkende Verständnishilfe anzusehen.That in the case 13 arranged sensor element 16 detects the waveguide 14 guided, the pulse 11 characterizing quantity (time, amplitude) in the form of a waveguide 14 in a converted electrical and / or magnetic field size size, which then on the oscilloscope 22 for the corresponding optical representation, at least in the measuring structure, is given. The signal output of the sensor element 16 but also if the device 10 Part of a protection circuit against transient interference is given to appropriate protection and / or control means to initiate countermeasures control technology after detected transient pulse. In this respect, the highly schematic block diagram in accordance with 1 merely to be regarded as an understanding aid not limiting the invention.

In 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 3 with respect to the time-voltage curve transient disturbances or pulses of different origin are shown, ie a LEMP pulse (Lightning Electromagnetic Pulse), a UWB pulse (Ultra Wide Band Pulse) and an EFT pulse (Electrical Fast Transient).

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. 4 shows a comparison of the amplitude density spectra of UWB, EFT and LEMP pulses, from which it can be seen that of the transient disturbances, the UWB pulses still occur significantly up to the highest frequency range.

5 zeigt das Ausgangssignal des in der Erfindung verwendeten, als E-Feldsensor ausgebildeten Sensorelements 16 bei einem Aufbau, wie er in 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. 6, erfolgt dabei gemäß U = jω·ϵ0E·AE·RL mit

ω:: Kreisfrequenz
ϵ₀:: Permittivitätskonstante
A_E:: effektive Sensorfläche
R_L:: Wellenwiderstand der angeschlossenen Messleitung.

5 shows the output signal of the sensor element used in the invention, designed as an E-field sensor 16 in a build, as in 2 is shown. A pulse generator 23 provides a double-exponential UWB pulse 11 with an amplitude of 25 kV. The sensor element 16 shows differentiating behavior. The conversion of the measured output voltage of the sensor element 16 actually on the sensor element 16 applied electric field strength, cf. 6 , takes place according to U = jω · ε 0 E · A e · R L With

ω:: angular frequency
ε ₀ :: permitivity
A _E :: effective sensor surface
R _L :: Characteristic impedance of the connected measuring cable.

6 zeigt die vom Sensorelement 16 gemessene elektrische Feldstärke in der Vorrichtung 10 (TEM-Wellenleiter) bei einer Konfiguration, wie sie für 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 6 ersichtlich ist, kann eine Anstiegszeit im Bereich von 100 ps aufgelöst werden. 6 shows the from the sensor element 16 measured electric field strength in the device 10 (TEM waveguide) in a configuration as used for 5 has been described. With a known distance between the outer and inner conductor of the TEM waveguide, ie between the housing 13 and conduit element 12 , can now convert to the in this case from the pulse generator 23 delivered double-exponential waveform. How out 6 As can be seen, a rise time in the range of 100 ps can be resolved.

1010: Vorrichtungcontraption
1111: Puls/ImpulsPulse / Pulse
1212: Leitungselementline element
120120: konischer Bereichconical Area
1313: Gehäusecasing
130130: Gehäuseteilhousing part
131131: Gehäuseteilhousing part
1414: Wellenleiterwaveguides
1515: BereichArea
1616: Sensorelementsensor element
1717: Dielektrikumdielectric
1818: EingangsverbindungselementDoor link
1919: AusgangsverbindungselementOutput connector
2020: AnschlußConnection
2121: AnschlußConnection
2222: Oszillographoscillograph
2323: Impulsgeneratorpulse generator

Claims

Device for detecting conducted electromagnetic pulses, comprising the device ( 10 ) essentially traversing line element ( 12 ) and a line element ( 12 ) surrounding housing ( 13 ), wherein the line element ( 12 ) and the housing ( 13 ) a waveguide ( 14 ) to which the pulses to be detected ( 11 ) and that in the area ( 15 ) between housing ( 13 ) and line element ( 12 ) a sensor element ( 16 ) arranged in the waveguide ( 14 ), the pulse ( 11 ) with short rise times in the range of 10 ^-12 s and with voltage amplitudes up to the range of 10 ⁴ V characterizing quantity (time, amplitude) in the form of a waveguide ( 14 ) is converted into an electromagnetic field quantity converted, wherein the device ( 10 ) Is part of a circuit whose response with respect to the pulses ( 11 ) is detectable and measurable.

Device according to Claim 1, characterized in that the device ( 10 ) the response of a circuit with respect to the pulses ( 11 ) is detectable and measurable by the fact that the device ( 10 ) is arranged electrically in front of or behind the circuit.

Device according to one of claims 1 or 2, characterized that the Field size an electric Field size is.

Device according to one of claims 1 or 2, characterized that the Field size a magnetic Field size is.

Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the housing ( 13 ) with a dielectric ( 17 ) is filled.

Apparatus according to claim 5, characterized in that the dielectric ε _r ≥ 1.

Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that the sensor element ( 16 ) is designed for the detection of an electric field quantity in the form of a conical monopole.

Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that it has an input connection element ( 18 ) and an output connector ( 19 ) having.

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

Device according to one of claims 1 to 9, characterized in that the conduit element ( 12 ) to its two-sided connections ( 20 . 21 ) tapers conically.

Device according to one of claims 1 to 10, characterized in that the housing ( 13 ) in several parts ( 130 . 131 ) is trained.