DE19506504A1 - Offener Wellenleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen offenen Wellenleiter gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus dem Bereich der EMV-Technik ist allgemein bekannt, Wellenleiter zu verschiedenen Prüfzwecken einzusetzen. Da­ bei kommen sowohl offene Zweileiterstrukturen als auch ge­ schlossene TEM-Zellen mit Innenleiter zur Anwendung.

Aufgabe dieser TEM-Wellenleiter ist die Erzeugung eines definierten elektromagnetischen Prüffeldes im TEM-Mode zu EMV-Prüfzwecken der Störfestigkeit und der Störaussendung.

Verbesserungen haben in den letzten Jahren sogenannte GTEM-Zellen gebracht, die als offene Breitband-Wellenlei­ ter oder als geschlossene Gigahertz-TEM-Zellen realisiert sein können.

Ferner ist bekannt (vgl. z. B. J. Wilhelm et al. "Nuklear­ elektromagnetischer Puls (NEMP)", Reihe: Kontakt & Stu­ dium, Band 110 (Expert-Verlag, Sindelfingen, 1985), Seiten 192 bis 195, 200 bis 205), daß TEM-Wellenleiter mit paral­ lel geführten Leiterteilen mindestens einen Knick im Wel­ lenleiter aufweisen, an dem Störungen der homogenen Wel­ lenführung - die zusätzliche höhere TEM-Moden aufweisen - angeregt werden. In Bereichen parallel geführter Leiter­ teile kommt es bei höheren Frequenzen (100-1000 MHz) Zu starken Störungen des Wellenfeldes infolge von Resonanzen (stehenden Wellen).

Diese Nachteile haben die Breitband-Gigahertz-TEM-Zellen zwar nicht. Jedoch ist der konstruktive Aufwand so erheb­ lich, daß für reale Prüfobjekte hohe Investitionskosten anfallen.

Die Gründe dafür liegen an dem unverhältnismäßig hohen konstruktiven Aufwand, insbesondere in den Bereichen zwi­ schen Innenleiter und dem oberen Außenleiter, der für EMV- Messungen nicht nutzbar ist.

Es ist weiterhin bekannt (vgl. z. B. J. Wilhelm et al. "Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV)", Reihe Kontakt
& Studium, Band 41 (Expert-Verlag, Ehningen, 1992), Seiten 416 bis 417, 424 bis 425, 436 bis 437, 442 bis 443), daß sich bisher existierende Wellenleiter aus flächenhaften Zweileiterstrukturen oder Dreileiterstrukturen bislang nicht für genaue Emissionsabnahmemessungen von Elektronik verwenden lassen. Ursache sind Vielfachreflexionen der ausgesendeten EM-Welle in ideal reflektierenden metalli­ schen Innenräumen.

Des weiteren sind aus J. Wilhelm et al. "Nuklear-elektro­ magnetischer Puls (NEMP)", Band 110, Expert-Verlag, 1985, Seiten 192 bis 195 und 200 bis 205 offene TEM-Wellenleiter mit trichterförmiger Struktur bekannt, die vorwiegend mit kurzzeitigen NEMP-Impulsen, z. B. mit 5/200 ns Impulsen, betrieben werden. Übertragen auf den Frequenzbereich er­ reichen diese NEMP-Feldsimulatoren 100 bis maximal 200 MHz.

Diese TEM-Wellenleiter sind als offene Wellenleiter für den Sendebetrieb realisiert und weisen eine Elektrode und eine Gegenelektrode auf, wobei die Gegenelektrode eben und flächig ausgebildet ist und die Elektrode winklig zur Ge­ genelektrode angeordnet ist und aus mehreren zueinander fächerförmig angeordneten Drähten besteht, wobei das spit­ ze Ende der Elektrode den geringsten Abstand zur Gegen­ elektrode aufweist und über eine Zuleitung mit einem An­ schlußpunkt für einen Speisegenerator verbunden ist und am anderen Ende der Elektrode die Drähte jeweils über mehrere in Serie geschaltete Abschlußwiderstände mit der Gegen­ elektrode verbunden sind.

Der Erfindung liegt nunmehr die Aufgabe zugrunde, einen offenen Wellenleiter vorzuschlagen, der breitbandig auch zu Emissionsmessungen bis in den hohen Gigahertz-Bereich störungsfrei eingesetzt werden kann.

Die erfindungsgemäße Lösung der Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 wiederge­ geben. Die weiteren Ansprüche enthalten vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß zwi­ schen Elektrode und Gegenelektrode ein Flächenabsorber an­ geordnet ist.

Die Vorteile der Erfindung sind u. a. darin zu sehen, daß der konstruktive Aufwand minimal ist. Das Fortlassen unnö­ tiger seitlicher und deckenförmiger Bleche bringt dabei zusätzlich nicht nur kostenmäßige Vorteile, sondern insbe­ sondere auch Vorteile im Übertragungsverhalten. Dies liegt darin begründet, daß störende Reflexionen von den nicht existierenden Seitenwänden nicht auftreten. Dadurch, daß der untere Flächenleiter größer gewählt sein kann als der obere, sind Freiraumkopplungen minimierbar. Weiterhin ist von Vorteil, daß der Wellenleiter hinsichtlich seiner Lei­ tungsimpedanz auf beliebige Leitungsimpedanzwerte ausge­ legt werden kann. Für EMV-Meßzwecke werden 50 Ω-TEM-Wellen­ leiter bevorzugt.

Anhand der Zeichnungen wird nachfolgend die Erfindung exemplarisch verdeutlicht, wobei gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren gleiche Bezugselemente kennzeichnen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsge­ mäßen offenen Wellenleiters in Draufsicht;

Fig. 2 die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemä­ ßen offenen Wellenleiters in Seitenansicht.

In der Draufsicht auf die bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen offenen Wellenleiters nach Fig. 1 ist eine Elektrode 1 und eine Gegenelektrode 11 zu erkennen. Die Gegenelektrode 11 ist eben ausgebildet. Die Elektrode 1 ist winklig zur Gegenelektrode 11 angeordnet und besteht aus mehreren zueinander fächerförmig angeordneten Drähten 10 in Abständen λ/12, wobei das spitze Ende der Elektro­ de 1 den geringsten Abstand zur Gegenelektrode 11 aufweist und über eine Zuleitung 40 mit einem Anschlußpunkt 41 für einen Speisegenerator verbunden ist. Am anderen Ende der Elektrode 11 sind die Drähte 10 jeweils über mehrere in Serie geschaltete Abschlußwiderstände 30 mit der Gegen­ elektrode 11 verbunden.

Zwischen der Elektrode 1 und der Gegenelektrode 11 ist ein Flächenabsorber 31 angeordnet.

Dieser Flächenabsorber 31 ist kugelkalottenförmig ausge­ bildet, wobei der Mittelpunkt der zugehörigen Kugel mit dem spitzen Ende der Elektrode 1 zusammenfällt oder min­ destens annähernd zusammenfällt. Weiterhin ist der Flä­ chenabsorber 31 so geformt, daß die Kugelkalotte senkrecht oder zumindest in etwa senkrecht vom Poyntingvektor des sich innerhalb des Wellenleiters ausbreitenden Feldes durchstoßen wird. Der Flächenabsorber 31 ist aus mehreren Absorberkeilen aufgebaut, deren Spitzen jeweils in Richtung des spitzen Endes der Elektrode 1 weisen.

Wie aus der Seitenansicht der bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen offenen Wellenleiters nach Fig. 2 hervorgeht, ist die Elektrode 1 aus in etwa gleichlangen Drähten 10 realisiert. An einem Ende der Elektrode 1 gehen die Drähte 10 in eine Anschlußfläche 101 über. Diese An­ schlußfläche 101 besteht beispielsweise aus einem dreieck­ förmigen Blech, wobei auch andere Blechkonturen Anwendung finden können. Zur Erzielung einer homogenen Feldvertei­ lung in Richtung der Zuleitung 40 ist es von Vorteil, wenn die Anschlußfläche 101 parallel zur Gegenelektrode 11 ver­ läuft und die an die Anschlußfläche 101 angeschlossene Zu­ leitung 40 senkrecht zur Anschlußfläche 101 ausgerichtet ist.

Im einfachsten Fall kann die Anschlußfläche 101 und die Zuleitung 11 durch einen Übergang von einer Koaxialleitung in eine Bandleitung realisiert sein. Dabei treten geringe­ re Reflexionen bei kegelförmigen Koaxialleitungen, insbe­ sondere bei höheren Frequenzen (< 100 MHZ), auf.

Wie aus den Fig. 1 und 2 hervorgeht, ist das andere Ende der Elektrode 1 mit Abschlußwiderständen 30 versehen. Da­ bei ist es von Vorteil, wenn jeder der einzelnen Drähte 10 der Elektrode 1 mit einer Serienschaltung von Abschlußwi­ derständen 30 verbunden ist, deren Projektion auf die Ge­ genelektrode 11 axial zu den zugehörigen Drähten verläuft. Die Serienschaltung der Abschlußwiderstände kann alterna­ tiv jeweils durch einzelne Widerstände ersetzt sein, die hochspannungsfest und induktionsarm realisiert sind.

Der vorgeschlagene offene Wellenleiter weist eine Be­ triebsfrequenz zwischen 0 und 18 GHz auf und funktioniert wie folgt:

Das sich im Wellenleiter ausbreitende -Feld erzeugt in der Elektrode 1 einen Strom, der über die Elektroden 1 und über die induktivitäts- und kapazitätsarmen Abschlußwider­ stände 30 gegen die Masse abfließt. Die Elektrode 1 und die Abschlußwiderstände 30 werden so dimensioniert, daß sich gerade die gewünschte hochfrequente Leitungsimpedanz von z. B. 50 L ergibt.

Die in die Spitze der Elektrode 1 eingespeiste elektroma­ gnetische Welle wird längs des Wellenleiters ungestört zum z. B. flächenhaften Abschlußwiderstand 30 geführt. Letzte­ rer stellt aufgrund seiner konzentrierten Bauelemente eine bedeutende Störung der elektromagnetischen Welle dar, je­ doch sind die Rückwirkungen in den Prüfraum gering, wenn der Flächenwiderstand der Abschlußwiderstände 30 optimiert wird und unter dem Winkel ψ, nach Fig. 1 mit ψ = 90° - ψ/2, zur Gegenelektrode 20 geführt wird.

Nicht nur die Übertragungseigenschaften dieses offenen Gi­ gahertz-TEM-Wellenleiters (OG-TEM-Zelle) sind dadurch gün­ stiger als bei geschlossenen reflektierenden Konstruktio­ nen, sondern die Konstruktionskosten sind auch so bedeu­ tend niedriger, so daß es sich besonders für einen breiten Anwenderkreis lohnt, einen solchen Wellenleiter zu benut­ zen. Es ist empfehlenswert, bei sehr hohen Anforderungen den offenen Wellenleiter in einem geschirmten Raum zu be­ treiben. Der offene Gigahertz-TEM-Wellenleiter strahlt nur unbedeutende elektromagnetische Wellen ab, wenn die Ab­ schlußimpedanz optimiert wurde und wenn im Bereich der Ab­ schlußwiderstände 30 z. B. keilförmige Mikrowellenabsorber aus Polyethylenschaum mit Grafit eingesetzt werden.

Der Feldwellenwiderstand Z im Prüfvolumen ergibt sich aus dem Quotienten der elektrischen und der magnetischen Feld­ stärke, die in jedem Volumenpunkt senkrecht aufeinander­ stehen

Z = E/H = 377 Ω.

Die Amplitude der elektrischen Feldstärke E erhält man nä­ herungsweise, wie allgemein bekannt ist, aus der Beziehung

E(x) = U(x)/h(x).

Zur Vermeidung von Laufzeitdifferenzen zwischen benach­ barten Teilströmen ist die Elektrode 1 am Ende kreissek­ torförmig ausgebildet und kann sowohl aus einem Blech be­ stehen als auch aus elektrischen Drähten 30, deren Abstand kleiner als λ/12 sein sollte, wobei λ die mittlere Be­ triebswellenlänge darstellt. In der Elektrode 1 können sich Querströme und damit höhere störende Moden ausbilden. Diese lassen sich bedämpfen durch Schlitze im Blech, die strahlenförmig wie entsprechende Drähte 30 verlaufen, oder durch Ferrite, die die magnetische Feldstärke auf der Oberfläche der Bleche bedämpfen.

Die Größe des offenen Gigahertz-TEM-Wellenleiters richtet sich nach der Größe des Prüfobjektes. Die Elektrode 1 sollte zur Gewährleistung der Rückwirkungsfreiheit wie bisher etwa zweimal so hoch sein wie die längste Abmessung des Prüfobjekts.

Die Leitungsimpedanz Z_L bleibt über der x-Koordinate (vgl. Fig. 1) konstant, wenn die Breite (b) der Elektrode 1 pro­ portional zur Höhe (h) Zunimmt. Die Leitungsimpedanz Z_L kann durch folgende Formel berechnet werden:

Z_L/[Ω] = b₀·ln 7·h/b
mit b₀ = b(x = 0).

Claims (12)

1. Offener Wellenleiter mit einer Elektrode und einer Ge­ genelektrode, wobei die Gegenelektrode eben ausgebildet ist und die Elektrode winklig zur Gegenelektrode angeord­ net ist und aus mehreren zueinander fächerförmig angeord­ neten Drähten besteht, wobei das spitze Ende der Elektrode den geringsten Abstand zur Gegenelektrode aufweist und über eine Zuleitung mit einem Anschlußpunkt für einen Speisegenerator verbunden ist und am anderen Ende der Elektrode die Drähte jeweils über mehrere in Serie ge­ schaltete Abschlußwiderstände mit der Gegenelektrode ver­ bunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Elektro­ de (1) und Gegenelektrode (11) ein Flächenabsorber (31) angeordnet ist.

2. Offener Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Flächenabsorber (31) kugelkalottenförmig ausgebildet ist, dergestalt, daß der Mittelpunkt der zuge­ hörigen Kugel mit dem spitzen Ende der Elektrode (1) zu­ sammenfällt oder zumindest annähernd zusammenfällt, und die Kugelkalotte senkrecht oder zumindest in etwa senk­ recht vom Poyntingvektor () durchstoßen wird.

3. Offener Wellenleiter nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Flächenabsorber als Ebene ausgebildet ist, die vorzugsweise eine Kugel tangiert, deren Mittel­ punkt mit dem spitzen Ende der Elektrode zusammenfällt oder zumindest annähernd zusammenfällt.

4. Offener Wellenleiter nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenabsorber (31) aus mehreren, mit ihren Spitzen jeweils in Richtung des spitzen Endes der Elektrode (1) weisenden Absorberkei­ len aufgebaut ist.

5. Offener Wellenleiter nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (1) aus gleich langen Drähten (10) vorzugsweise in Abständen λ/12 oder einem drahtähnlichen Blech realisiert ist, mit λ = Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung.

6. Offener Wellenleiter nach Anspruch 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Drähte (10) an dem einen Ende der Elek­ trode (1) in eine Anschlußfläche (101) übergehen.

7. Offener Wellenleiter nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Anschlußfläche (101) aus einem dreieck­ förmigen Blech realisiert ist.

8. Offener Wellenleiter nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußfläche (101) parallel zur Gegenelektrode (11) verläuft.

9. Offener Wellenleiter nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die an die Anschlußfläche (101) angeschlossene Zuleitung (40) in etwa senkrecht zur Anschlußfläche (101) verläuft.

10. Offener Wellenleiter nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Zuleitung (40) die Gegenelektrode (11) durchstößt und ihr gegenüber isoliert ist.

11. Offener Wellenleiter nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils an die einzelnen Drähte angeschlossenen Serienschaltungen von Abschlußwiderständen (30) in der Projektion auf die Gegenelektrode (11) axial zu den zugehörigen Drähten ausgerichtet sind.

12. Offener Wellenleiter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Betriebsfre­ quenz zwischen 0 und 18 GHz liegt.