DE3908846A1

DE3908846A1 - Antennenanordnung

Info

Publication number: DE3908846A1
Application number: DE19893908846
Authority: DE
Inventors: Heinrich Garn
Original assignee: Oesterreichisches Forschungszentrum Seibersdorf GmbH
Current assignee: Oesterreichisches Forschungszentrum Seibersdorf GmbH
Priority date: 1988-03-17
Filing date: 1989-03-17
Publication date: 1989-11-16
Also published as: AT390331B; ATA72188A

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zur frequenzse lektiven Feldstärkemessung hochfrequenter elektromagnetischer Wechselfelder ("Radiowellen"), insbesondere über 10 kHz, umfas send eine über einen HF-Vorverstärker an einen Empfänger, z.B. Meßempfänger, Spektrumanalysator od.dgl. angeschlossene Antenne.

Derartige aktive sondenartige Antennenanordnungen werden ins besondere zur frequenzselektiven Messung elektrischer Feldstär ken in Hochfrequenzfeldern verwendet.

Es sind Antennen zur breitbandigen nichtfrequenzselektiven Mes sung bekannt. Das sind elektrisch kurze, nichtresonante Anten nen, z.B. in Form dreier orthogonaler Dipole mit einem Detektor, z.B. einer Gleichrichterdiode, einem Thermoelement od. ähnli chem, welche Detektoren die Gleichspannung bzw. den Gleichstrom der Antennen messen. Diese Anordnungen messen die Gesamtfeld stärke in frequenzunabhängiger Form und sind unempfindlich; sie funktionieren typisch ab etwa 1 V/m. Ihre Anwendung erfolgt üblicherweise zur Messung von starken HF-Feldern mit Feldstär ken größer 1 V/m.

Ferner sind Antennen zur schmalbandigen frequenzselektiven Mes sung bekannt. Diese passiven meist resonanten Empfangsantennen werden an Meßempfänger, Spektrumanalysatoren od. ähnliche Em pfangsgeräte angeschlossen. Ferner sind passiv resonante oder elektrisch abgestimmte Empfangsantennen mit angepaßtem Vorver stärker zum Anschluß an Meßempfänger, Spektrumanalysatoren od. ähnlichem bekannt. Unter Anpassung versteht man, daß die Vor verstärker an die Eingangsimpedanz der Antennen wirkleistungs mäßig angepaßt sind. Diese Antennenanordnungen messen die Feld stärke bei einer Frequenz und sind empfindlich, z.B. -20 dB, uV/m bis zu +120 dB. Sie dienen zur Messung von schwachen Hf-Feldern mit Feldstärken von kleiner 1 V/m.

Mit diesen bekannten Antennen ist eine selektive Messung schwa cher Felder nur im Fernfeld der Strahlquelle möglich bzw. sie sind für Nahfeldmessungen nicht gut geeignet. Die bekannten Antennen sind nachrichtentechnische Empfangsantennen. Sie sind in Relation zur Meßentfernung zu groß und verzerren das zu mes sende Feld unzulässig stark. Weiters tritt durch den in der Antenne induzierten Strom eine unerwünschte Rückwirkung auf die Feldstärkenquelle auf.

Aus der DE-OS 24 02 975 ist ein "Anzeiger für elektromagneti sche Strahlung" bekannt, der das Vorhandensein eines elektro magnetischen Feldes qualitativ erkennen (JA/NEIN-Aussage) kann, aber nicht in der Lage ist, elektromagnetische Felder quantita tiv zu messen. Der Gleichspannungsverstärker dieses "Anzeigers" ist nicht direkt mit der Antenne verbunden; dazwischengeschal tet befindet sich ein Detektor.

Der "Anzeiger" gemäß der DE-OS kann nur frequenzunabhängig die Gesamtfeldstärke detektieren und liefert keine Aussage über das vorhandene Frequenzspektrum. Überdies ist der "Anzeiger" nur für Feldstärken über 190 V/m einsetzbar.

Im Gegensatz zu nachrichtentechnischen Empfangsantennen, die dem Feld ja (möglichst viel) Energie entziehen sollen, muß eine Meßantenne Sondencharakter haben. Je kleiner diese Sonde ist, desto geringer sind Rückwirkungen auf das zu messende Feld.

Die durch die endliche Größe der "Sonde" verursachte unerwünsch te Feldverzerrung ist um so größer, je näher sich Prüfling und Meßantenne kommen und je größer die Meßantenne ist.

Bei unterschiedlich großen Prüflingen variiert die Feldstär ke über das Volumen der Meßantenne unterschiedlich stark, vgl. Fig. 1.

Die Leerlaufspannung U ₀ am Speisepunkt der Antenne ergibt sich aber aus

wobei
E _{z, M} (z) . . . Feldkomponente am Aufpunkt,
I _M (z) . . . Stromverteilung auf der Meßantenne,
I₀ . . . Strom im Speisepunkt,
I . . . Länge eines Dipolastes der Meßantenne,
2h . . . Spaltbreite am Speisepunkt.

Daher wird theoretisch für jede mögliche Feldverteilung (her rührend von verschiedenartigen Quellen) eine eigene Kalibrie rung der sogenannten Antennenfaktoren (Wandlungsfaktor) benö tigt. Die Abweichung dieser Antennenfaktoren von jenen für punktförmige Quellen ist wieder um so größer, je näher sich je de Quelle und Meßantenne kommen und je größer die Meßantenne ist, vgl. Fig. 2.

Ein meßtechnischer Vergleich der Antennenfaktoren kommerziell erhältlicher Meßantennen für den Frequenzbereich 30-1000 MHz wurde durchgeführt und ergab Abweichungen bis zu 8,7 dB.

Fig. 1 zeigt die Variation der Feldstärke über das Volumen ei ner Meßantenne 1 bei verschieden großen Prüflingen. Mit strich lierten Linien sind die Linien mit gleichem Betrag der Feldkom ponente Z beispielhaft angedeutet. Als Meßantenne 1 wird z.B. ein Halbwellendipol bei 80 MHz mit einer Gesamtlänge von etwa 180 cm eingesetzt. Als Quelle QU 1 wurde eine quasipunktförmige Quelle angenommen. Als Quelle QU 2 wurde ein größerer Prüfling, dargestellt durch vier Punktquellen, angenommen.

In Fig. 2 ist die Variation der Feldstärke über das Volumen einer Meßantenne bei verschieden großen Meßantennen dargestellt. Strichlierte Linien geben den gleichen Betrag der Feldkompo nente EZ beispielhaft wieder.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Antennenanordnung der ein gangs genannten Art derart auszugestalten, daß eine frequenz selektive Messung elektrischer Feldstärken in Hochfrequenzfel dern möglich wird, insbesondere auch im Nahfeld einer Strah lungsquelle. Es sollen möglichst geringe Feldverzerrungen und möglichst geringe Rückwirkungen auf die Strahlungsquelle ein treten. Die Kalibrierung der Antennenfaktoren soll universell für beliebige Feldverteilungen gültig sein.

Diese Aufgaben werden bei einer Antennenanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Vermei dung von die Messung verfälschenden (störenden) Feldverzerrun gen der Vorverstärker ein Differenzverstärker mit symmetri schem Eingang und unsymmetrischem Ausgang ist, daß der Betrag der Vorverstärkereingangsimpedanz größer als das Vierfache, vorteilhafterweise größer als das Hundertfache des Betrages der Fußpunktimpedanz der symmetrischen Antenne, z.B. Dipol antenne, ist, daß die Gesamtlänge der Antenne kleiner ist als ein Viertel der Betriebswellenlänge, vorzugsweise im Bereich von 1/10 bis 1/50 der Betriebswellenlänge gelegen ist, gegebe nenfalls kleiner als 1/100 oder 1/1000, der Betriebswellenlänge ist, und daß die Antenne nicht resonant ist.

Die erfindungsgemäße Antennenanordnung ist insbesondere für die Messungen im Nahbereich der Quelle geeignet, sie bewirkt keine die Messung störenden Feldverzerrungen und keine detek tierbaren Rückwirkungen auf die Quelle. Die Antennenanordnung umfaßt lediglich eine Antenne, einen Meßempfänger bzw. Spektrum analysator und einen zwischengeschalteten Verstärker. Besonders vorteilhaft ist die erfindungsgemäße Antennenanordnung anwend bar für EMV-Störfeldstärkemessungen, d.h. Messungen der elektro magnetischen Verträglichkeit in 1 bis 10 m Meßabstand vom Prüf ling. Die Feststellung der elektromagnetischen Verträglichkeit ist insbesondere wichtig, um allfällige gegenseitige Störungen elektronischer und elektrischer Geräte festzustellen, z.B. bei Einrichtungen der Kommunikationstechnik, Datenverarbeitung und Prozeßsteuerungen.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist vorge sehen, daß die Antenne direkt bzw. gegebenenfalls unter Zwi schenschaltung von Filtern, insbesondere Bandbreitenfiltern, und Schutzelementen, z.B. Dioden, gegen Überlastung des Vorverstär kereingangs direkt, d.h. ohne Symmetriewandlung, an den Vor verstärkereingang angeschlossen ist. Vorteilhaft ist es ferner, wenn der Vorverstärker einen niederohmigen, an den Eingang des Empfängers angepaßten Ausgang aufweist.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Fig. 1 und 2 zeigen die beim Stand der Technik auftretenden Gege benheiten und Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungs gemäßen Meßantennenanordnung.

Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild der erfindungsgemäßen An tennenanordnung. Eine Antenne 1 ist über ein Filter 2 und Schutz einrichtungen 3 an einen Verstärker 4 angeschlossen, an dessen Ausgang ein Empfänger 5 angeschlossen ist.

Die Antenne 1 ist eine sondenartige, möglichst kurze bzw. elek trisch kurze Antenne, deren Abmessungen vorzugsweise klein ge genüber einem Viertel der Betriebswellenlänge sind. In gleicher Weise soll die Antenne 1 auch klein gegenüber dem Meßabstand sein. Vorteilhafterweise werden dipolartige Antennen mit symme trischem Antennenfußpunkt vorgesehen.

Der Antennenverstärker 4 soll einen hochohmigen Eingang aufwei sen, d.h. daß der Betrag der Eingangsimpedanz des Verstärkers 4 soll wesentlich größer sein als der Betrag der Fußpunktimpe danz 1. Der Ausgang des Verstärkers 4 soll an den Empfänger 5, z.B. einen Meßempfänger oder einen Spektrumanalysator, angepaßt sein. Zweckmäßigerweise wird die Antenne 1 direkt an den Ver stärker 4 angeschaltet, wenn gleiche Symmetrie der Antenne und des Verstärkereinganges vorliegt. Die Zwischenschaltung von Filtern 2 oder Schutzeinrichtungen 3, z.B. zur Beschränkung des Frequenzbandes auf eine gewisse Bandbreite bzw. zum Schutz gegen eine Überlastung des Verstärkereinganges, können jedoch vorgesehen sein. Mit dem Wort "direkt" sollen insbeson dere Einrichtungen ausgeschlossen werden, welche eine Änderung der Symmetrie des Antennenanschlußpunktes bewirken, z.B. eine Umwandlung eines symmetrischen Antennenausganges in eine un symmetrische Antennenausgangsstufe. Vorteilhaft werden Anten nen mit symmetrischem Fußpunkt ohne Symmetriewandlung an einen ebenfalls symmetrischen Verstärkereingang angeschlossen.

Der Eingang des Antennenverstärkers 4 soll somit die gleiche Symmetrie wie die Antenne aufweisen und ist im Falle einer symmetrischen Dipolantenne daher symmetrisch. Die Eingangsstu fe ist in diesem Fall vorteilhaft als Differenzverstärker ausge bildet, der es mit sich bringt, daß die Symmetrie des Anschlus ses umgewandelt wird und der somit einen unsymmetrischen Aus gang besitzt. Dieser unsymmetrische Ausgang wird sodann an den Empfänger angeschlossen, welcher einen an diesen Ausgang ange paßten Eingang besitzt.

Die bekannten aktiven Antennen sind resonant oder elektrisch abgestimmt, es erfolgt eine Wirkleistungsanpassung des Verstär kereinganges an den Antennenfußpunkt, es erfolgt eine Verände rung der Anschlußsymmetrie und die Symmetrieverhältnisse des Verstärkereinganges sind unsymmetrisch. Bei den erfindungsge mäßen Antennen sind die Antennen nicht resonant; sie sind son denartig und die Länge der Dipoläste ist sehr viel kleiner als ein Viertel der Betriebswellenlänge. Ferner ist der Verstärker eingang hochohmig, wobei die Verstärkereingangimpedanz wesent lich größer als die Antennenfußpunktimpedanz ist. Ferner sind die erfindungsgemäßen Antennenanordnungen aktiv bzw. sind vor teilhafterweise an den Eingang einer Differenzverstärkerstufe angeschlossen, so daß vorzugsweise symmetrische Antennenfuß punkte und symmetrische Verstärkereingänge vorgesehen sind.

Eine typische Länge einer erfindungsgemäßen symmetrischen Di polantenne ist etwa 30 cm für den Frequenzbereich 30 bis 200 MHz.

Die erfindungsgemäße Antennenanordnung ist in gleicher Weise zur Breitbandmessung als auch zur frequenzselektiven Messung einsetzbar. Insbesondere dient sie zur Messung schwacher elek trischer Felder von elektrischen Geräten und Einrichtungen.

Bei einer Ausführungsform mit einer unsymmetrischen Antenne wird diese unsymmetrische Antenne gegebenenfalls über Filter und Schutzeinrichtungen an einen unsymmetrischen Verstärker eingang angeschlossen, dessen gegebenenfalls symmetrischer oder unsymmetrischer Ausgang an einen entsprechend angepaßten Eingang eines Empfängers 5 angeschlossen wird.

Die Erfindung bringt als Vorteile, daß durch die hochohmige Spannungsmessung im Verstärker der Strom in der Antenne mini miert wird, so daß dadurch nahezu keine Rückwirkung auf die Quelle auftritt. Ferner wird durch die elektrisch kurze, son denartige Antenne die Feldverzerrung minimiert. Durch die physische Kleinheit der Antenne gilt die Antennenfaktorkali brierung, die einmal vorgenommen wurde, für beliebige Feldver teilungen. Diese Eigenschaften ermöglichen die Verwendung der erfindungsgemäßen Antennenanordnungen zur Messung im Nahbe reich von Strahlungsquellen, z.B. im Abstand von 1 m für Fre quenzbereiche von 30-1000 MHz.

Claims

1. Antennenanordnung zur frequenzselektiven Feldstärkemessung hochfrequenter elektromagnetischer Wechselfelder ("Radiowel len"), insbesondere über 10 kHz, umfassend eine über einen HF-Vorverstärker an einen Empfänger, z.B. Meßempfänger, Spektrumanalysator oder dgl. angeschlossene Antenne, dadurch gekennzeichnet,
daß zur Vermeidung von die Messung verfälschenden (störenden) Feldverzerrungen der Vorverstärker (4) ein Differenzverstär ker mit symmetrischem Eingang und unsymmetrischem Ausgang ist,
daß der Betrag der Vorverstärkereingangsimpedanz größer als das Vierfache, vorteilhafterweise größer als das Hundertfa che des Betrages der Fußpunktimpedanz der symmetrischen An tenne (1), z.B. Dipolantenne, ist,
daß die Gesamtlänge der Antenne (1) kleiner ist als ein Vier tel der Betriebswellenlänge, vorzugsweise im Bereich von 1/10 bis 1/50 der Betriebswellenlänge gelegen ist, gegebenen falls kleiner als 1/100 oder 1/1000, der Betriebswellenlänge ist,
und daß die Antenne (1) nicht resonant ist.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (1) direkt bzw. gegebenenfalls unter Zwischen schaltung von Filtern (2), insbesondere Bandbreitenfiltern, und Schutzelementen (3), z.B. Dioden, gegen Überlastung des Vorverstärkereingangs direkt, d.h. ohne Symmetriewandlung, an den Vorverstärkereingang angeschlossen ist.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker (4) einen niederohmigen, an den Ein gang des Empfängers (5) angepaßten Ausgang aufweist.

4. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorverstärker (4) einen niederohmigen, an den Ein gang des Empfängers (5) angepaßten Ausgang aufweist.

5. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang des Verstärkers (4) gleiche Symmetrie wie die Antenne (1) aufweist.

6. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne (1) eine symmetrische Antenne, z.B. eine Dipolantenne ist, die an einem aktiven symmetrischen Ein gang des Verstärkers (4) angeschlossen ist.

7. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (4) einen unsymmetrischen Ausgang be sitzt.

8. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (4) ein Differenzverstärker mit symme trischem Eingang und unsymmetrischem Ausgang ist.

9. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (4) einen niederohmigen, an den Eingang des Empfängers (5) angepaßten Ausgang aufweist.