DE4300778A1 - TEM-Zelle - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine TEM-Zelle, insbesondere zur Untersuchung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) bei der zumindest der Innenleiter zu einem oder zu beiden Enden hin spitz zuläuft, wobei der Wellenwiderstand erhalten bleibt.

Eine TEM-Zelle ist ein aufgeweiteter Wellenleiter, in dem sich eine Transversal-Elektro-Magnetische Welle ausbreitet wie z. B. in einem Koaxialkabel oder entlang einer Doppel­ leitung (Lecherleitung) oder Streifenleitung. Ein Teil des Raumes, in dem sich die TEM-Welle ausbreitet und in dem die Feldverteilung des elektromagnetischen Feldes mög­ lichst homogen ist, wird im besonderen als Testraum für elektronische Geräte oder Baugruppen benutzt. Untersucht wird meist die Störempfindlichkeit des Prüflings, wenn er elektromagnetischen Feldern ausgesetzt ist. Der Prüfling wird in den Raum zwischen Innenleiter und Rückleiter, ge­ wöhnlich unterhalb des Innenleiters eingebracht, in dem die Feldstärke des elektromagnetischen Feldes im leeren Raum, d. h. ohne Prüfling bekannt ist.

An dieser Stelle sei auf folgende Quellen verwiesen:

M.L.Crawford: "Generation of Standard EM Fields Using TEM Transmission Cells", IEEE Trans. on EMC-16, No.4, 1974.

H.Garbe: "TEM-Zellen in der EMV-Meßtechnik - Ein Überblick -", EMV ′92 - Karlsruhe, VDE-Verlag Berlin, 1992.

DIN 40839, Teil 4: "Elektromagnetische Verträglich­ keit" (EMV) in Kraftfahrzeugen, Bauth Verlag Berlin, 1990.

Streifenleitungen für EMV-Messungen, bei denen nur die ge­ erdete Grundplatte als Rückleiter in Betracht gezogen wird, werden im Zusammenhang mit der Erfindung als Spezialfall einer TEM-Zelle verstanden.

Auch die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen durch den Prüfling kann mittels TEM-Zellen untersucht werden.

Um ein möglichst homogenes Feld im Prüfraum zu erzielen, ist der Innenleiter meist als flaches Band ausgebildet; ersatzweise wird auch eine Anordnung von Drähten installiert, wobei in einem Fall zur Erzielung einer bes­ seren Feldhomogenität die Drähte so angeordnet sind, daß sie eine senkrecht zur Ausbreitungsrichtung gekrümmte Flä­ che beschreiben (Ausführung einer WTEM-Zelle der Firma Amplisilence, Robassomero (To), Italien).

Zum Einspeisepunkt hin läuft der Innenleiter stets spitz zu, um einen möglichst reflexionsfreien Übergang vom koa­ xialen Speisekabel zum bandförmigen Innenleiter hin zu erzielen. Hierbei ergeben sich Laufzeitunterschiede der Stromlinien, die nicht mehr vernachlässigbar sind im Ver­ gleich zur Periodendauer der Meßfrequenz. Dies führt zu erhöhten Reflexionen und Anregung von unerwünschten höhe­ ren Wellenformen (Hohlleiterwellen). Zur Verminderung die­ ser Laufzeitunterschiede muß man die spitz zulaufenden Teile des Innenleiters möglichst lang machen, was zu einem Optimierungsproblem führt (M.L.Crawford, J.L.Workmann, C.L.Thomas: "Expanding the Bandwidth of TEM Cells for EMC Measurements", IEEE Trans. on EMC-20, No.3, 1978) und am besten auf den zweiten spitz zulaufenden Teil, der zum koaxialen Abschlußwiderstand hin führt, verzichten und statt dessen einen großflächigen Absorber im aufgeweiteten Teil der TEM-Zelle installieren (z. B. EMES-Simulator im o.g. "Überblick", von H.Garbe). Die sogenannte GTEM-Zelle (EP 0 246 544 B1) besitzt nur den spitz zulaufenden Teil des Innenleiters in einem pyramidenförmigen Außenleiter und eine kugelkallottenförmige großflächige Absorberwand, so daß die allein erzeugte sphärische TEM-Welle ohne Laufzeit/Phasenverschiebungen im Absorber reflexionsfrei aufgenommen wird. Ein Nachteil der GTEM-Zelle ist die In­ homogenität der sphärischen TEM-Welle in Ausbreitungs­ richtung, was für ausgedehnte Prüflinge, z. B. Kabelbäume ungeeignet ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine TEM-Zelle zu realisieren, in der sich im Prüfraum eine TEM-Planwelle ausbreitet und bei der der aufweitende Übergang vom Kabel­ anschluß zum Prüfraum so ausgebildet ist, daß Reflexionen und die Anregung unerwünscht er höherer Wellenformen ohne Verlängerung des aufweitenden Übergangs vermindert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsmäßig dadurch gelöst, daß der Innenleiter so ausgebildet wird, daß er die Form des Seg­ ments eines rotationssymmetrischen Hohlkörpers besitzt, der durch Umdrehung (Rotation) eines auf der Drehachse be­ ginnenden Polygonzugs oder einer auf der Drehachse begin­ nenden glatten Kurve entstanden ist, wobei die Breiten­ kreise (Querschnitte des Hohlkörpers) auch durch einen Po­ lygonzug angenähert sein können.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht insbesonde­ re darin, daß die Laufzeit/Phasenverschiebungen entlang der Stromlinien auf dem Innenleiter vermieden oder stark unterdrückt werden und dadurch der Übergang vom koaxialen Einspeisepunkt zum Testraum kurz gehalten werden kann bei geringem Reflexionsfaktor und geringer Neigung zur Anre­ gung höherer Wellenformen. Dasselbe gilt für einen zweiten Übergang vom Testraum zu einem koaxialen Steckverbinder, wie er für einen koaxialen Abschlußwiderstand oder eine Vorrichtung zur Messung der transmittierten HF- bzw. Im­ pulsleistung benutzt wird. Deshalb wird man vorzugsweise bei der erfindungsgemäßen TEM-Zelle beide Enden des Innen­ leiters spitz zulaufen lassen, da die Realisierung der schon genannten großflächigen breitbandigen Absorber in gewissen Frequenzbereichen nicht problemlos ist. Der In­ nenleiter der erfindungsgemäßen TEM-Zelle kann auch aus einer Vielzahl von gleichlangen Drähten aufgebaut werden; aber gerade bei dem sich vorzugsweise anbietenden zwei­ spitzigen Innenleiter ist die mechanische Stabilität wegen der Schalenform des Bleches besonders hoch, so daß eine Drahtkonstruktion keine wesentliche Vereinfachung darstellt. Zur Unterdrückung von unerwünschten höheren Wellenformen kann es von Vorteil sein, den Innenleiter mit Längsschlitzen zu versehen. Als ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen TEM-Zelle ist zu nennen, daß die Feldho­ mogenität im Meßvolumen durch den gebogenen Innenleiter verbessert wird, ähnlich wie bei der oben erwähnten WTEM- Zelle.

Ein sehr einfacher Aufbau der erfindungsgemäßen TEM-Zelle wird dadurch erzielt, daß man im wesentlichen nur die Grundplatte als Rückleiter benutzt, indem man die Abstände zu den übrigen Abschirmwänden der Zelle so groß macht, daß deren Abstand zum Innenleiter den Wellenwiderstand prak­ tisch nicht beeinflußt. Eine solche Anordnung kann auch betrachtet werden als modifizierte Streifenleitung in ei­ nem abgeschirmten Gehäuse. Hier ist es auch sehr sinnvoll, die Seitenwände und die Deckwand innen mit Absorber­ material zu belegen, um störende höhere Wellenformen zu unterdrücken. Da sich die Welle im wesentlichen zwischen Innenleiter und Bodenblech ausbreitet, ist die durch das Absorbermaterial verursachte Wellendämpfung vernachlässigbar.

Um die Dimensionen der Zelle möglichst klein zu halten, wird man die Abstände zu den Zellenwänden klein machen. Hierbei muß man, um den Wellenwiderstand einzuhalten, den Verlauf der Wände an die Form des Innenleiters anpassen. Sie erhalten Knicke oder Biegungen. Lediglich die Grund­ platte kann eine plane Fläche bleiben. Bei rechteckigem Querschnitt des Rückleiters werden die vertikalen Knicke oder Biegungen des Deckblechs und die horizontalen Knicke oder Biegungen der Seitenbleche in der Regel in Längsrich­ tung gegeneinander verschoben sein, um den geforderten Wellenwiderstand einzuhalten.

Die Querschnitte des Außenleiters müssen nicht einen rechteckigen Querschnitt besitzen; auch eine bauchige Form kann von Vorteil sein. Bei größeren Dimensionen bie­ tet sich dann eine pneumatische Konstruktion (Traglufthalle) unter Verwendung elektrisch leitfähiger Gewebe oder Kunststoffbahnen an.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt den Innenleiter 1, der in diesem Ausführungs­ beispiel ein Segment der Umdrehungsfläche eines Trapezes ist, eines sehr einfachen Polygonzuges, der auf der Umdrehungsachse 2 beginnt und endet. Fig. 2 zeigt diesen Innenleiter in einer Abschirmkammer 4 mit rechteckförmigem Querschnitt, der so an den Innenleiter angepaßt ist, daß der Wellenwiderstand in jeder Querschnittsfläche 50 Ohm beträgt. Der konische Übergang an beiden Enden ist 50 cm lang, der gerade Teil der Zelle ist 2 m lang und besitzt einen Querschnitt von 45 × 45 cm. Die Umdrehungsachse 2 befindet sich in der ebenen Grundfläche 5. Der Abstand zwischen dem höchsten Meridian des Innenleiters 1 und der Grundfläche 5 beträgt 30 cm. Nicht eingezeichnet ist eine 10 cm dicke Polystyrolschaumplatte auf dem Boden der TEM- Zelle im Bereich des 2 m langen Testraumes. Die seitlichen Ränder der Schaumstoffplatte sind mit in Längsrichtung liegenden Ferritstäben gefüllt. 150 Ferritstäbe (Länge 120 mm, Durchmesser 10 mm) in der Nähe der Seitenwände bedämp­ fen unerwünschte Eigenresonanzen in der Zelle aber schwä­ chen nur sehr gering die TEM-Welle. Die Dämpfung der TEM- Zelle bei 400 MHz ist < 0,5 dB. Die Halter für den Innenleiter 6 sind sehr dünnwandige glasfaserverstärkte Kunststoffrohre (harzgetränkte Glasfasergewebe). Das Steh­ wellenverhältnis der mit 50 Ω abgeschlossenen TEM-Zelle ist VSWR < 1,2 im Frequenzbereich bis 380 MHz und VSWR < 1,3 im Frequenzbereich bis 400 MHz.

Claims (3)

1. TEM-Zelle, insbesondere zur Untersuchung der elektro­ magnetischen Verträglichkeit (EMV), bei der zumindest der Innenleiter zu einem oder zu beiden Enden hin spitz zuläuft, wobei der Wellenwiderstand erhalten bleibt, da­ durch gekennzeichnet, daß der Innenleiter 1 die Form des Segments eines rotationssymmetrischen Hohlkörpers besitzt, der durch Umdrehung eines auf der Drehachse 2 beginnenden Polygonzugs oder einer auf der Drehachse beginnenden glat­ ten Kurve entstanden ist, wobei die Breitenkreise 3 (Querschnitte des Hohlkörpers) auch durch Polygonzüge an­ genähert sein können.

2. TEM-Zelle nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfläche 5 der TEM-Zelle eben ist und sich die Drehachse 2 auf der Grundfläche 5 der TEM-Zelle befindet.

3. TEM-Zelle, insbesondere nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie wie eine Traglufthalle als pneuma­ tische Konstruktion unter Verwendung elektrisch leitfähi­ ger Kunststoffbahnen oder elektrisch leitfähiger Gewebe ausgeführt ist.