DE19728322C2 - Verfahren und Einrichtung zur Prüfung von TEM-Zellen oder Absorberkammern n - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur Prüfung von TEM-Zellen, Absorberkammern und dergleichen auf deren Eignung zur Durchführung von Emmisionsprüfungen im Rahmen der Untersuchung auf elektromagnetische Verträglichkeit.

Die Feststellung der elektromagnetischen Verträglichkeit von Gegenständen erfolgt durch Feststellung der Normenkonformität eines entsprechenden Pro­ dukts. Zu diesem Zweck werden die zu untersuchenden Gegenstände in TEM- oder Abschirmzellen eingebracht, um möglichst neutrale Verhältnisse zu schaf­ fen.

Um zu wissen, ob innerhalb einer TEM- oder Abschirmzelle tatsächlich neu­ trale Verhältnisse vorliegen, bedürfen diese Abschirmzellen einer Untersu­ chung und Bewertung des elektrischen Feldes in ihrem Innern.

über den Vergleich der von einer Antenne ausgesandten und an vorbestimm­ tem Ort innerhalb der Zelle empfangenen Feldstärke werden Schlußfolgerun­ gen zur Brauchbarkeit der TEM- oder Abschirmzelle gezogen. Problematisch ist, daß die Abstrahlung jeglicher Signale innerhalb der TEM- oder Abschirm­ zelle zu Reflexionen an den Zellenbegrenzungen führt, wodurch sich Resonan­ zen ausbilden können, deren Größe und Wirkung schwer einschätzbar sind.

Die Ausbildung störender Einflüsse wird durch fest installierte Kabelzuführungen und zunehmende Dimensionen emittierender und reflektierender Gegenstände in der Zelle verstärkt.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Einrich­ tung zur Prüfung von Abschirmzellen und dergleichen zu entwickeln, bei denen in ei­ nem breiten Frequenzband diskrete harmonische Signale zeitlich möglichst konstan­ ter Amplitude mit wählbarem Frequenzabstand abgestrahlt werden, wobei eine Be­ triebsspannungszuführung über metallische Zuleitungen wegen daraus resultieren­ der Feldverzerrungen in der Abschirmzelle vermieden werden soll. Die Gehäuseab­ messungen und damit ebenfalls der innere Aufbau sind äußerst gering zu halten, um die Ausbildung von Feldstörungen innerhalb der Zelle zu vermeiden und einen uni­ versellen Einsatz durch eine geringe Dimensionierung auch unter ungünstigen Be­ dingungen zu ermöglichen.

Zur Feststellung der Anwendbarkeit von GTEM-Zellen bezüglich Störfestigkeitsprü­ fungen wurde in einer Druckschrift (Geromiller, H.-P., u. a.: Schwankungen frequenz- und ortsabhängig: Das elektrische Feld in einer GTEM-Zelle 1750; Elektronikpraxis 1997; Heft 1; S. 58-59) vorgeschlagen, das elektrische Feld in der Zelle punktweise in einem definierten Prüfvolumen zu vermessen und aus den Meßwerten flächen­ weise Minimal-, Maximal- und Durchschnittswerte zu ermitteln. Die zur Erzeugung des zu messenden elektrischen Feldes benötigte Leistung wurde von Leistungser­ zeugern außerhalb der Zelle über den Zellenspeiseanschluß ins Innere der GTEM- Zelle geführt. Die Messung des elektrischen Feldes beruhte auf einem zuleitungsab­ hängigen Sensor, dessen Abmaße jene des erfindungsgemäß aufgebauten Geräts deutlich übersteigen.

In einer weiteren Druckschrift (N.N.: Neue EMV-Meßgeräte und Entstörtechnik; Funkschau 1997; Heft 11; S. 74-77) wurde ein Testgenerator vorgeschlagen, wel­ cher ein Linienspektrum von 30-1000 MHz abstrahlt und in der Form eines Würfels aufgebaut ist. Das Frequenzraster der abgestrahlten Spektrallinien beträgt 10 MHz. Die Anwendung des Geräts zur Vermessung der Testvolumina von TEM-Zellen, Abschirmkammern, etc. müßte wegen der äußeren Abmaße (Würfelkantenlänge ca. 10 cm) auf grobes Raster beschränkt werden. Darüber hinaus stellt die Würfelform des Geräts hinsichtlich der Abstrahlcharakteristik des ausgesandten Linienspektrums kein Optimum dar.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bezüglich des Verfahrens durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst. Speziell wird hierfür zunächst eine Grundfläche einer TEM- oder Abschirmzelle vorgegeben und dieser ein Punktraster unterlegt. So­ dann wird die im weiteren vorgeschlagene Einrichtung auf den Punkten des Rasters plaziert. Die von der Einrichtung ausgesandten diskreten Signale werden an vorbe­ stimmtem Ort innerhalb der TEM- oder Abschirmzelle ihrer elektrischen Feldstärke nach gemessen. Durch Vergleich der von unterschiedlichen Rasterpunkten ausge­ sandten und am vorbestimmten Ort empfangenen Signale lassen sich Störungen er­ kennen und eliminieren und ein später zu bewertender Prüfling läßt sich an geeigne­ ter Stelle oder an deren mehreren positionieren, an denen die Störungen am gering­ sten sind. Das Verfahren läßt sich in definierten Höhen fortführen, um so die Güte der Abschirmzelle und die relative Größe von Störwerten in Quasi-Scheiben zu er­ mitteln und die Prüfstellung ebenfalls in der dritten Dimension festzulegen. Das Ra­ ster für die Messung in allen drei Dimensionen wird hierbei ganz entscheidend von Größe der Einrichtung bestimmt, die zur Emission der Bewertungssignale zur Verfügung steht.

Bezüglich der Einrichtung wird die Aufgabe durch die im Anspruch 2 angegebenen Merkmale gelöst.

Für eine spezielle Realisierung des Verfahrens wird deshalb weiterhin erfindungsgemäß eine Punktsignalquelle mit nachstehend beschriebenem Schaltungsaufbau und zweckmäßiger geometrischer Form vorgeschlagen, die geringste Abmessun­ gen ermöglicht. Zunächst ist ein Akkumulator mit einem Schalter verbunden, der die Betriebsspannung nach deren Stabilisierung und Unterspannungsüber­ wachung an einen folgend angeordneten Quarzgenerator weitergibt, der für eine weitestgehend temperaturstabile Grundfrequenz sorgt, die gleich dem späteren Spektrallinienabstand ist. Eine Impulsformerstufe, vorzugsweise ein Nadelimpulsumformer, formt daraus Nadelimpulse mit einer mit der Grundfre­ quenz übereinstimmenden Folgefrequenz. Diese Nadelimpulse werden über eine nachgeordnete Spannungsteilerstufe, die als Differenzier- und Anpas­ sungsglied ausgebildet ist, einem Verstärker mit Symmetrieglied zugeführt und nachfolgend über die leitend ausgebildeten Gehäusehalbschalen, die als breit­ bandige Dipolantenne wirken, abgestrahlt. Statt des Verstärkers können als Antennentreiber auch parallelgeschaltete IC-Gatter, vorzugsweise aus der ACT-Reihe, verwendet sein.

Im einzelnen zeichnen sich die verwendeten Komponenten durch folgendes aus:

Um eine kleine Akkumulatorabmessung und eine lange Betriebszeit zu errei­ chen, werden vorzugsweise mehrere NiMH-Akkumulatoren in Reihe geschal­ ten Gekoppelt ist der Akkumulatorenaufbau mit einem Low-Drop-Spannungs­ regler, um die Betriebsspannung möglichst konstant zu halten. Da bei entlade­ nem Akkumulatorenaufbau eine erforderliche Mindestregelungsspannung un­ terschritten würde, wäre eine schleichende Amplitudenänderung die Folge.

Deshalb unterbricht ein mit einem Operationsverstärker aufgebauter Kompara­ tor mit vorzugsweise schmaler Hysterese den Signalweg, sobald die Akkuspan­ nung in die Nähe eines Wertes gerät, unter dem eine signifikante Signalpara­ meteränderung eintreten würde.

Alternativ ist es selbstverständlich möglich, mit anderen Stromspeicherungsein­ richtungen zu arbeiten, die jedoch nicht unbedingt vorteilhaft sind.

Vorzugsweise wird mit einer konstanten Grundfrequenz von 1 MHz gearbeitet, da damit ein Normquarz verwendet werden kann. Der Spektrallinienabstand wird von der Grundfrequenz bestimmt. Der Abstand der Folgefrequenzen ist somit auf 1 MHz festgelegt. Die Funktion der Punktsignalquelle wird durch die Zahl der noch mit ausreichender Amplitude abgestrahlten Spektrallinien be­ stimmt. Je kleiner die Grundfrequenz ist, desto dichter liegen die Spektrallinien beieinander.

Der Quarzgenerator ist mit einem hochohmigen Widerstand passender Kenn­ werte geschalten, der Anschwinghilfe leistet. Das nachfolgend angeordnete CMOS-Gatter erzeugt aus der nahezu sinusförmigen Oszillatorausgangsspan­ nung ein mäanderförmiges Signal. Damit wird die Impulsformerstufe angesteu­ ert. Diese ist mit schnellen NAND-Gattern aufgebaut und nutzt die kurze Lauf­ zeit eines Signals durch ein Gatter, um mit jeder Low-High-Flanke des Ein­ gangssignals einen High-Low-High-Nadelimpuls zu generieren.

Der Nadelimpuls wird einem RC-gegenkoppelnden Breitbandtreiber im A-Be­ trieb zugeführt, um den Hüllkurvenverlauf des abgestrahlten Spektrums über einen frequenzabhängigen Spannungsteiler beeinflussen zu können.

Zur Reduzierung der äußeren Abmessungen ist die Schaltung in SMD-Bauwei­ se ausgeführt. Zur Gewährleistung eindeutiger Massebezüge wurde eine dop­ pelseitige Platine mit einseitig durchgehender Massefläche verwendet. Der Quarz wurde vorzugsweise in einer abgewinkelten Fassung montiert.

Der Akkumulatoraufbau ist vorzugsweise mit Aufsteckkontakten versehen, um den Akkumulatoraufbau extern gut aufladen zu können.

Auf die Außenringe sind durchgängige Hochfrequenz-Federkämme mit nach außen gerichteten Federn aufgelötet, sodaß die beiden Gehäusehalbschalen aufgesteckt werden können. Beide Gehäusehalbschalen sind elektrisch leitend ausgebildet und weisen die Form von Kegelstümpfen mit Zylinderansatz auf. Selbstverständlich ist es ebenso möglich, die Gehäusehalbschalen aus einem Kunststoff zu fertigen und mit einem geeigneten Metallüberzug zu versehen, mit dem der statisch tragende Kunststoff bereits plattiert ist oder nachträglich versehen wurde.

Die Erfindung soll im folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen

Fig. 1 das Blockschaltbild einer erfindungsgemäß aufgebauten Einrichtung,

Fig. 2 den Stromlaufplan einer erfindungsgemäß aufgebauten Einrichtung, beide in der Ausführung mit Verstärker.

Fig. 3 zeigt den Stromlaufplan einer erfindungsgemäßen Einrichtung, bei der statt des Verstärkers ein verändertes Ausgangsstufen­ konzept, basierend auf einem Antennentreiber, der aus IC-Gat­ tern vorzugsweise der ACT-Reihe aufgebaut ist.

Fig. 4 Gehäuse der erfindungsgemäß aufgebauten Einrichtung nach Abstreifen der Gehäusehalbschalen von den diese tragenden Federkämmen.

Ausgangspunkt der Überlegungen ist die Erzeugung eines Amplitudenspek­ trums durch generierte Nadelimpulse nach dem Schaubild:

Diese zeitabhängige Funktion U(t) kann in eine Fourierreihe entwickelt wer­ den:

Für die Amplitude der n-ten Oberwelle gilt:

Die Oberwellen können insoweit als Amplitudenspektrum mit asymptotischer Hüllkurve und diskreten Minima dargestellt werden.

Die Abhängigkeit des Spektrums von den Signalparametern "k" und "f' ergibt folgenden Zusammenhang:

• - Bei Erhöhung der Grundfrequenz "f" bleibt die Frequenzlage der Maxima und Minima der Hüllkurve des Spektrums erhalten. Die Amplituden der einzelnen Oberwellen wachsen mitsteigender Grundfrequenz.
• - Eine Verringerung von "k" verschiebt die Lage des ersten Einbruches der Hüllkurve des Spektrums zu höheren Frequenzen, die Krümmung der Hüllkurve des Spektrums im Anfangsbereich nimmt ab. Damit geht eine Amplitudenabnahme im Spektrum einher.

Im Sinne der Aufgabenstellung müssen die Nadelimpulse möglichst steilflankig und mit hoher Amplitude erzeugt werden. Dabei muß ein Kompromiß bezüglich der Akkumulatorenspannungsversorgung geschlossen werden. Ausgehend vom geforderten Akkubetrieb ergeben sich zwei Subschaltungen: Die Betriebs­ spannung muß ohne großen Spannungsverlust stabilisiert, und ein entladener Akkumulatorenaufbau muß durch Signalaustastung nach außen hin signalisiert werden.

Deshalb wird die notwendige Spannung durch einen Akkumulatorenaufbau 1 zur Verfügung gestellt, der vorzugsweise eine Kapazität von ca. 110 mAh bei einer Betriebsspannung von, nominal 7,2 V aufweist. Diese wird beispielhaft erreicht durch eine Reihenanordnung von 2 Stück NiMH-Akkus mit 3,6 Volt. Um verwendete Logikschaltkreise und die Transistorenendstufe mit einer auch bei fast entladenem Akkumulator noch konstanten Spannung von 5,0 Volt versor­ gen zu können, wurde im Stabilisator 2 zur Stabilisierung der Betriebsspan­ nung ein Low-Drop-Spannungsregler gewählt. Bei entladenem Akkumulatorauf­ bau 1 würde die erforderliche Mindest-Regler-Längsspannung unterschritten, und eine schleichende Amplitudenänderung der abgestrahlten Signale wäre die Folge. Damit wären präzise Messungen unmöglich. Deshalb unterbricht ein mit dem Operationsverstärker 3 aufgebauter Komparator mit schmaler Hyste­ rese den Signalweg, sobald die Spannung des Akkumulatorenaufbaus 1 einen Wert kleiner 6 Volt erreicht, sodaß eine betriebsspannungsbedingte signifikan­ te Signalparameteränderung ausgeschlossen werden kann. Die für den Kom­ parator notwendige Referenzspannung wird über einen Spannungsteiler 4 von der stabilisierten Betriebsspannung abgeleitet.

Zur Erzeugung einer weitgehend konstanten Grundfrequenz von 1 MHz dient ein mit einem einzelnen CMOS-Gatter aufgebauter Quarzgenerator 5. Ein hochohmiger Widerstand 6 leistet Anschwinghilfe. Ein Kondensator 7 dient der Unterdrückung parasitärer Schwingungen das Oszillators. Das nachfolgende CMOS-Gatter 8 erzeugt aus einer nahezu sinusförmigen Oszillatorausgangs­ spannung ein mäanderförmiges Signal.

Mit dem mäanderförmigen Signal wird die Impulsformerstufe angesteuert. Diese ist mit schnellen NAND-Gattern aufgebaut. Sie nutzt die sehr kurze Laufzeit eines Signals durch ein Gatter, um mit jeder Low-High-Flanke des Eingangssignals einen High-Low-High-Nadelimpuls zu generieren.

Um den Hüllkurvenverlauf des abgestrahlten Spektrums über einen frequenz­ abhängigen Spannungsteiler 16 beeinflussen zu können, wird der Nadelimpuls einem RC-gegenkoppelnden Breitbandverstärker im A-Betrieb zugeführt. Ein Widerstand 9 bewirkt einen definierten Quellwiderstand in der Größenordnung 50 Ohm für die Transistorstufe. Mit einem Gegenkopplungsnetzwerk, beste­ hend aus dem Kondensator 10 und den Widerständen 11 und 12, wird die Verstärkung auf einen Wert von 10 bis 15 dB eingestellt. Zur Erhöhung der Bandbreite wird ein Transistor mit hoher Transitfrequenz verwandt. Mittels Breitbandübertrager auf der Basis eines Ferritringkernes wird das Kollektor­ signal symmetrisiert und transformiert, um eine Anpassung an die kapazitativ wirkenden, auf die Federkämme 14 aufgebrachten Gehäusehalbschalen 15, die beispielhaft in Kupfer ausgeführt sind und einen elektrischen Dipol bilden, zu gewährleisten. Der Kollektorstrom ist so bemessen, daß ausreichend Strom zur raschen Umladung des Dipols zur Verfügung steht.

Beim Einsatz eines Antennentreibers 13 entfallen die Widerstände 9, 11 und 12, der Kondensator 10 sowie der frequenzabhängige Spannungsteiler 16.

Bezugszeichen

1

Akkumulatorenaufbau

2

Stabilisator

3

Operationsverstärker

4

Spannungsteiler

5

Quarzgenerator

6

hochohmiger Widerstand

7

Kondensator

8

CMOS-Gatter

9

Widerstand

10

Kondensator

11

,

12

Widerstände

13

Antennentreiber

14

Federkämme

15

Gehäusehalbschalen

16

frequenzabhängiger Spannungsteiler

Claims (21)

1. Verfahren zur Prüfung von TEM-Zellen oder Absorberkammern, bei dem punktweise aufeinanderfolgend in einem breiten Frequenzband diskrete harmonische Signale zeitlich möglichst konstanter Amplitude mit wählbarem Freqenzabstand (Amplitudenspektrum) in der TEM-Zelle oder Absorberkammer mittels einer Punktsignalquelle abgestrahlt werden und die Signalstärke an vorgegebener Stelle festgestellt wird, eine Signalaustastung der Punktsignalquelle nach außen hin ohne externe Verbindung signalisiert wird, die Quellpunkte zur Abstrahlung der Signale in Form eines definierten Rasters angeordnet sind und ein Vergleich der Signalstärke in Abhängigkeit von Frequenz und Quellpunkt erfolgt und zur Bewertung verwendet wird.

2. Einrichtung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1, bei dem eine Punktsignalquelle verwendet wird, bei der ein Akkumulatoraufbau (1) als Stromquelle verwendet ist, die abgegriffene Betriebsspannung nach ihrer Stabilisierung in einem nachfolgend angeordneten Stabilisator (2) über einen damit verbundenen Unterspannungsindikator an einen folgend angeordneten Quarzgenerator (5) weitergegeben wird, der für eine weitestgehend temperaturstabile wählbare Grundfrequenz sorgt, die gleich dem späteren Spektrallinienabstand ist, eine im weiteren damit verbundene Impulsformerstufe daraus Nadelimpulse der Folgefrequenz formt, diese Nadelimpulse über einen nachgeordneten frequenzabhängigen Spannungsteiler (16) einem Verstärker mit Symmetrierglied zugeführt und über einen nach­ folgend angeordneten Dipol abgestrahlt werden.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, bei der als Spannungsquelle mehrere NiMH-Akkumulatoren in Reihe geschalten angeordnet sind.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 und 3, bei der die Spannungs­ stabilisierung durch einen Low-Drop-Spannungsregler erfolgt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, bei der im Zusammen­ hang mit dem Spannungsstabilisator (2) ein mit dem Operationsverstär­ ker (3) aufgebauter Komparator mit vorzugsweise schmaler Hysterese verwendet ist.

6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei der die Grundfre­ quenz durch Auswahl des Quarzes nach seiner Schwingfrequenz festge­ legt ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, bei der als Quarz ein sol­ cher mit einer konstanten Grundfrequenz von 1 MHz verwendet ist.

8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, bei der der Quarzgene­ rator (5) mit einem hochohmigen Widerstand (6) passender Kennwerte geschalten ist, der Anschwinghilfe leistet.

9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, bei der der Quarzgene­ rator (5) mit einem nachfolgenden CMOS-Gatter (8) gekoppelt ist, das aus der nahezu sinusförmigen Oszillatorausgangsspannung ein mäan­ derförmiges Signal formend ausgebildet ist.

10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9, bei der die Impulsfor­ merstufe mit schnellen NAND-Gattern aufgebaut ist.

11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei der der Verstärker als gegenkoppelnder Breitbandverstärker ausgeführt ist.

12. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 10, bei der der Verstärker in Form eines Antennentreibers (13) ausgeführt ist.

13. Einrichtung nach Anspruch 12, bei der der Antennentreiber (13) in Form eines oder mehrerer parallelgeschalteter IC-Gatter ausgeführt ist.

14. Einrichtung nach Anspruch 13, bei der die IC-Gatter solche der ACT- Reihe sind.

15. Einrichtung nach einem Ansprüche 2 bis 14, bei der die Schaltung in SMD-Bauweise auf einer doppelseitigen Platine mit einseitig durchge­ hender Massefläche aufgebaut ist.

16. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 15, bei der der Akkumula­ toraufbau (1) mit Aufsteckkontakten versehen ist.

17. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 16, bei der auf die Außen­ ringe der Anordnung durchgängige Hochfrequenz-Federkämme (14) mit nach außen gerichteten Federn aufgelötet sind.

18. Einrichtung nach Anspruch 17, bei der die nach außen gerichteten Fe­ dern aufgesteckte Gehäusehalbschalen (15) tragen, die jeweils einen Pol einer Dipolantenne darstellen.

19. Einrichtung nach Anspruch 18, bei dei der die Gahäusehalbschalen (15) in Form von Kegelstümpfen mit Zylinderansatz ausgeführt sind.

20. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 19, bei der die Impulsfor­ merstufe vorzugsweise ein Nadelimpulsumformer ist.

21. Einrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 20, bei der der frequenz­ abhängige Spannungsteiler (16) als Differenzier- und Anpassungsglied ausgebildet ist.