DE3842196C2 - Geschirmte Zelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen des transversal-elektrischen Typs - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine geschirmte Zelle nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige geschirmte Zelle ist aus dem deutschen Hauptpatent DBP 37 31 165 bekannt. Diese bekannte geschirmte Zelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen des transversal-elektrischen Typs ("TEM"-Zelle) besteht aus einem die Außenwand der Zelle bildenden, allseits geschlossenen, metallischen Schirm. Im Innenraum der Zelle ist ein unsymmetrisch geführter Mittelleiter realisiert. Ferner weist die Zelle eine erste Einrichtung zur Erzeugung von elektro­ magnetischen Wellen und eine zweite Einrichtung zur Absorption von elektromagnetischen Wellen auf. Die weiteren diese Zelle charakte­ risierenden Merkmale bestehen darin, daß die geschirmte Zelle aus zwei im wesentlichen gleichen, trichterförmig ausgebildeten Teil­ zellen besteht, und die zweite Teilzelle gegenüber der ersten Teil­ zelle in der Vertikalen um 180° verdreht ist. Ferner sind die beiden Teilzellen an ihren offenen Trichterenden mit ihren Außenwänden und mit ihren Mittelleitern elektrisch und mechanisch miteinander ver­ bunden, und die Teilzellen haben an ihren Trichterspitzen größere horizontale und vertikale Öffnungswinkel (ϕ_H bzw. ϕ_V) zwischen den entsprechenden Außenwänden, als in ihren übrigen Teilen.

Fig. 1 und 2 zeigt diese geschirmte Zelle. Deutlich zu erkennen sind die zwei im wesentlichen gleichen, trichterförmig ausgebildeten Teilzellen 1 und 2, die um 180° gegeneinander verdreht sind und an ihren offenen Trichterenden (gestrichelte Linie in den Fig. 1 und 2) mit ihren Außenwänden 11-13, 15 und 21-25 und mit ihren unsym­ metrisch geführten Mittelleitern 14 und 24 elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind. Die Verbindung der Außenwände ist dabei HF-dicht ausgeführt. Eine bevor­ zugte Ausführungsform dieser Zellen ist dabei für eine Übertragungsbandbreite von 0 bis etwa 2 GHz ausgelegt.

Die Zellen sind so angeordnet, daß die unteren Außenwände 13 und 23 koplanar miteinander verbunden sind und dadurch eine ebene Fläche für das nutzbare Meßvolumen 5 im Innen­ raum der Zelle darstellen. Die Zellen 1 und 2 sind in ih­ rem Querschnitt parallel zur Trichteröffnung vorzugsweise rechteckförmig oder quadratisch ausgebildet mit senkrecht stehenden seitlichen Außenwänden 11 und 12 bzw. 21 und 22. An der Trichterspitze der einen Teilzelle ist eine erste Einrichtung 3 zur Erzeugung der elektromagnetischen Wellen vorgesehen, an der Trichterspitze der anderen Teilzelle 2 entsprechend eine zweite Einrichtung 4 zur Absorption der elektromagnetischen Wellen. Vorzugsweise handelt es sich bei der ersten Einrichtung 3 um einen Generator, der z. B. über einen 50Ω-Niederspannungs-/Hochspannungs Adapter an die Mittelleiter 14, 24 angeschlossen ist, und bei der zweiten Einrichtung 4 um einen 50Ω-Hochleistungs-Breit­ band-Absorber, der ebenfalls an die Mittelleiter 14, 24 angeschlossen ist. Vorzugsweise sind auch die Mittelleiter als 50Ω-Leitung ausgeführt.

Die Mittelleiter 14, 24 sind so in den Teilzellen 1 bzw. 2 geführt, daß der Öffnungswinkel ϕ_1V zwischen der oberen Außenwand 15 bzw. 25 und den Mittelleitern 14, 24 einer je­ den Teilzelle 1 bzw. 2 kleiner ist als der halbe vertikale Öffnungswinkel ϕ_V zwischen der unteren Außenwand 13 bzw. 23 und der oberen Außenwand 15 bzw. 25 einer jeden Teil­ zelle 1 bzw. 2 (Fig. 2).

Der horizontale Öffnungswinkel ϕ_1H zwischen den seitlichen Berandungen des sich zum Trichterende einer jeden Teil­ zelle 1 bzw. 2 keilförmig verbreiternden Mittelleiters 14 bzw. 24 ist dabei kleiner als der horizontale Öffnungswin­ kel ϕ_H zwischen den seitlichen Außenwänden 11 und 12 bzw. 21 und 22 einer jeden Zelle 1 bzw. 2 (Fig. 1). Die hori­ zontalen Öffnungswinkel ϕ_2H zwischen den seitlichen Beran­ dungen der Mittelleiter 14, 24 und den diesen Berandungen jeweils am nächsten liegenden seitlichen Außenwänden 11, 12, 21, 22 sind dabei in etwa gleich, so daß insgesamt in der horizontalen Projektion (Fig. 2) unsymmetrisch ge­ führte Mittelleiter 14, 24 entstehen.

Die Mittelleiter 14, 24 bestehen aus mehreren metallischen Einzeldrähten, die zwischen der ersten und zweiten Ein­ richtung 3 und 4 gespannt sind und dabei in der Mittellei­ ter-Ebene zur Trichteröffnung einer jeden Teilzelle 1 bzw. 2 hin fächerförmig auseinanderlaufen und auf diese Weise eine flächenförmige Antenne bilden. Die Mittelleiter-Ebene entspricht einer unsymme­ trisch nach oben verschobenen Ebene der geschirmten Zelle. Vorzugsweise sind auch die Drähte abnehmbar befestigt, da­ mit sie bei anderen Messungen, bei denen ein Mittelleiter nicht benötigt wird, entfernt werden können.

Ferner ist aus Tanaka, Y., Honma, T., Kaji, I.: A Boundary-Element Analysis of TEM Cells in Three Dimensions; in: IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol. EMC-28, No. 4 (November 1986), Seiten 179 bis 184, eine symmetrische TEM-Zelle bekannt.

Weiterhin ist aus der DE 31 30 487 A1 bekannt, daß bei symmetrisch ausgebildeten TEM-Zellen am Ende des Mittelleiters zwischen diesem und den inneren Wandungen der Außenwände mehrere parallel geschal­ tete induktivitätsarme Hochspannungswiderstände angebracht sein kön­ nen.

Desweiteren ist aus EP 0 246 544 eine asymmetrische TEM-Zelle be­ kannt, bei der die Wellenanregung an der Spitze des Trichters vorgenommen wir, da hier der Zellenquerschnitt am geringsten ist und entsprechend die Grenzfrequenzen der störenden höheren Wellentypen am höchsten sind. Die dort erzeugte sphärische TEM-Welle läuft von dort bis zum Trichterende, an dem die Zelle den größten Querschnitt aufweist. Dort wird die Welle von dem Mittelleiterende in einen großflächigen, das Trichterende verschließenden und als Wellenab­ schluß dienenden Breitbandabsorber geführt und absorbiert.

Der breitbandige Wellenabschluß besteht aus mehreren parallel ge­ schalteten, induktionsarmen Widerständen, die die Welle bei Frequen­ zen bis zu einigen 100 MHz reflexionsarm abschließen. Ihnen parallel wirkt die am Abschluß angebrachte ebene Pyramiden-Absorberwand, auf die die sphärische Welle auftrifft und die besonders im Frequenzbe­ reich oberhalb von einigen 100 MHz sehr wirksam absorbiert.

All diesen TEM-Zellen, außer der des Hauptpatents sowie der zuletzt genannten (EP 0 246 544), ist ihr symmetrischer Aufbau gemeinsam, wodurch sich im Zelleninneren störende Mehrfachreflexionen ergeben. Ebenso verhält es sich jedoch auch mit der TEM-Zelle nach EP 0 246 544 in jenen Frequenzbereichen, in denen der Absorbtions­ grad der Absorber nicht mehr ausreichend groß ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsge­ mäße geschirmte Zelle dahingehend zu verbessern, daß die in der ersten Teilzelle 1 erzeugten, fortschreitenden elektromagnetischen Wellen in der zweiten Teilzelle 2 keine oder nur geringe reflektierte elektromagnetische Wellen erzeugen, die zu Störungen im elektromagnetischen Feld führen.

Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Pa­ tentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Eine vorteil­ hafte Ausgestaltung ist dem Unteranspruch zu entnehmen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungs­ beispiels unter Bezugnahme auf schematische Zeichnungen näher erläutert.

In der geschirmten Zelle gemäß den Fig. 1 und 2 wird die Wellenanregung an der Spitze des Trichters in der ersten Teilzelle 1 vorgenommen, da hier der Zellenquerschnitt am geringsten ist und entsprechend die Grenzfrequenzen der störenden höheren Wellentypen am höchsten sind. Die dort erzeugte sphärische TEM-Welle läuft von dort bis zum Tri­ cherende in der zweiten Teilzelle 2, an dem die Zelle den größten Querschnitt aufweist. Dort wird die Welle von dem Mittelleiterende in einen großflächigen, das Trichterende verschließenden und als Wellenabschluß dienenden Breit­ bandabsorber mit z. B. 50Ω-Impedanz geführt und absorbiert.

Gemäß Fig. 3 bestehen die in horizontaler Projektion dar­ gestellten Mittelleiter 14, 24 aus mehreren metallischen Einzeldrähten die zwischen der wellenanregenden Einrich­ tung 3 und der wellenabsorbierenden Einrichtung 4 gespannt sind. In der zweiten Teilzelle 2 enthalten die Einzel­ drähte des Mittelleiters 24 im Längszweig induktivitäts­ arme, in Serie angeordnete Massewiderstände, z. B. Keramik­ widerstände mit Kohlenstoffeinlagerungen.

Der breitbandige Wellenabschluß des Mittelleiters 24 be­ steht aus mehreren parallel geschalteten, induktionsarmen Widerständen. Ihnen parallel wirkt die am Abschluß ange­ brachte ebene Pyramiden-Absorberwand, auf die die sphäri­ sche Welle senkrecht auftrifft und die besonders im Fre­ quenzbereich oberhalb von einigen 100 MHz sehr wirksam ab­ sorbiert.

Durch einen derartigen Aufbau des Mitteileiters 24 treten nahezu keine Reflexionen der elektromagnetischen Wellen im Mittelleiter 24 in der zweiten Teilzelle 2 auf, so daß die in der ersten Teilzelle 1 erzeugten elektromagnetischen Wellen sich ungestört ausbreiten können.

Um höchsten Anforderungen an störungsfreie Messungen zu genügen, werden vorteilhafterweise die Innenseiten der Außenwände mit zusätzlichen Mikrowellen-Absorbern ausge­ stattet. Vorzugsweise werden hierzu kurze pyramidenförmige Absorber aus mit Kohlenstoffpartikeln getränktem Po­ lyurethanschaum eingesetzt.

Eine weitere Ausgestaltungsform des Mittelleiters 24 zeigt Fig. 4. Durch zusätzliche Querverbindungen mit induktivi­ tätsarmen Widerständen werden geschlossene Induktions­ schleifen gebildet, die störende Reflexionen von den Außenwänden zusätzlich bedämpfen.

Die Erfindung ist nicht auf das angegebene Ausführungsbei­ spiel beschränkt, sondern der Mittelleiter 14 in der ersten Teilzelle 1 kann als Flächenleiter aus einem dünnen Blech bestehen, das freitragend oder vorzugsweise mit Kunst­ stoffseilen an der oberen Außenwand 15 abnehmbar befestigt ist. Die Einzeldrähte des Mittelleiters 24 der zweiten Teilzelle 2 sind an diesem Flächenleiter angeschlossen, etwa durch gut leitfähiges Kontaktmaterial.

Claims (2)

1. Geschirmte Zelle zur Erzeugung von elektromagnetischen Wellen des transversal-elektrischen Typs ("TEN"-Zelle), mit einem die Außenwand der Zelle bildenden, allseits geschlossenen, metallischen Schirm, mit einem im Innenraum der Zelle unsymmetrisch geführten Mittelleiter, mit einer ersten Einrichtung zur Erzeugung von elek­ tromagnetischen Wellen und einer zweiten Einrichtung zur Absorption von elektromagnetischen Wellen im Innenraum der Zelle, wobei die ge­ schirmte Zelle aus zwei im wesentlichen gleichen, trichterförmig ausgebildeten Teilzellen besteht, und die zweite Teilzelle gegenüber der ersten Teilzelle in der Vertikalen um 180° verdreht ist, wobei die beiden Teilzellen an ihren offenen Trichterenden mit ihren Außenwänden und mit ihren Mittelleitern elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind und die Teilzellen an ihren Trichterspit­ zen größere horizontale und vertikale Öffnungswinkel (ϕ_H bzw. ϕ_V) zwischen den entsprechenden Außenwänden als in ihren übrigen Teilen haben, wobei der Mittelleiter aus mehreren zwischen der ersten und zweiten Einrichtung gespannten und zum Trichterende einer jeden Teilzelle hin in der Mittelleiter-Ebene fächerförmig auseinander­ laufenden metallischen Einzeldrähten besteht, nach DBP 37 31 165, dadurch gekennzeichnet, daß der in der zweiten Teilzelle (2) ange­ brachte Mittelleiter (24) mindestens im Längszweig der Einzeldrähte induktivitätsarme Massewiderstände enthält.

2. Geschirmte Zelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Mittelleiter (24) der zweiten Teilzelle (2) im Längs- und Querzweig der Einzeldrähte induktivitätsarme Massewiderstände enthält.