DE4423544A1 - Einrichtung zur Simulation eines starken elektromagnetischen Feldes im leeren Raum - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Simulation ei­ nes starken elektromagnetischen Feldes im leeren Raum des EMGT- Zellentyps (Zelle für elektromagnetisches Gigahertz-Transversalfeld) gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Von den Versuchslaboratorien wird oftmals gefordert, elektromagneti­ sche Felder zu simulieren, die beispielsweise durch das Vorhandensein von Radaren, von natürlichen Quellen wie etwa dem Blitz oder von künstlichen Quellen wie etwa den nuklearen Explosionen bedingt sind. Diese Laboratorien müssen dann Systeme benutzen, die diese Umge­ bung in ihren sämtlichen Aspekten simulieren: Signalform, Durchlaß­ band, Homogenität des simulierten Feldes und dergleichen. Sie werden somit dahin geführt, starke elektromagnetische Felder in den Anlagen eines Flugzeuges oder einer Rakete zu simulieren, um die Situation zu reproduzieren, die ein solches Fahrzeug erfährt, wenn es einem Ra­ darstrahl unterworfen ist.

Um ein elektromagnetisches Feld im leeren Raum zu simulieren, wird im allgemeinen eine von einem Strom durchflossene Leitung verwen­ det, die über einer Masseebene auf Nullpotential gehalten wird. Zwi­ schen dieser Leitung und dieser Masseebene entsteht ein elektromagne­ tisches Feld, dessen Homogenität von der Form der Leitung abhängt. Die bekanntesten Leitungen sind vom "Strip line"-Typ oder EMT-Zel­ len, für diese Mittel bestehen jedoch wegen ihrer Form Beschränkun­ gen hinsichtlich der Frequenz auf ungefähr 150 MHz.

Seit einigen Jahren ist eine neue Familie von EMT-Zellen in den Han­ del gekommen, die EMGT-Zellen (Zellen für elektromagnetisches Gigahertz-Transversalfeld) genannt werden und die im gesamten Fre­ quenzbereich vom Gleichspannungsfeld bis zu Gigahertz-Wechselfel­ dern gute Eigenschaften besitzen.

Zahlreiche Dokumente des Standes der Technik beschreiben die Eigen­ schaften der EMT-Zellen und der EMGT-Zellen, beispielsweise die folgenden Dokumente:

• - "Electromagnetic susceptibility measurements of vehicle compo­ nents using TEM Cells 14 kHz - 200MHz" (SAE Information Re­ port, J 1448, Januar 1984),
• - "A new family of TEM-cells with enlarged bandwidth and optimi­ zed working volume" von D. Königstein und D. Hansen (Proc. 7th Int. Zurich Symp. and Tech. Exh on EMC, Seiten 127-132, März 1987),
• - "Simulating open area test site emission measurements based on data obtained in a novel broadband TEM-cell", von P. Wilson, D. Hansen und D. Königstein (1989, IEEE, Seiten 171-177),
• - "Vehicle electromagnetic radiated susceptibility testing using a large TEM-cells" (SAE Information Report, J 1407, März 1988),
• - "The GTEM-cell concept; application of this new EMC test environment to radiated emission and suscetibility measurements" von H. Garbe, D. Hansen (Seiten 152 bis 156),
• - die Patente CH 670 174 und US 4 837 581.

Der Artikel "Comparison of analysis of a WTEM cell with standard TEM cells for generating EM fields" von Lorenzo Carbonini (IEEE Transactions on Electronic Compatibility, Band 35, Nr. 2, Mai 1993) beschreibt eine EMWT-Zelle, die ein Netz von parallelen Drähten (in longitudinaler Richtung) verwendet und anstelle des ebenen metalli­ schen Septums (in transversaler Richtung) von EMT- und EMGT-Zel­ len umgeben ist.

Die europäische Patentanmeldung EP-A-0 517 992 beschreibt eine Einrichtung, die einer EMT-Zelle ähnlich ist, deren Funktion jedoch wegen einer Unterbrechung der äußeren Geometrie auf Höhe des Übergangs eines konischen Querschnitts in einen rechteckigen Quer­ schnitt auf 150 MHz begrenzt ist. Das Septum ist aus einer Platte oder aus parallelen Drähten, die auf einem Kreisbogen verteilt sind, gebil­ det, wodurch es möglich ist, eine Homogenität des Feldes in der mittle­ ren Zone einer Querebene (1,016 ± 0,105 V/m) zu erhalten.

In dieser Einrichtung ruft das Anlegen einer Hochspannung unabhängig davon, ob das Septum aus einer Platte oder aus parallelen Drähten ge­ bildet ist, zwischen dem am nächsten an der Wand befindlichen letzten Draht (oder dem Ende der Platte) und dieser Wand selbst Durchschläge hervor. Die Formfaktoren sind nämlich von der Art, daß an den Enden eine Überspannung entsteht.

Die Erfindung hat zum Ziel, diese Nachteile zu beseitigen, indem sie einen Anstieg auf 1 GHz und einen Spannungsanstieg auf 50 kV/m er­ laubt.

Der Artikel "Conformal mapping analysis of a modified TEM-cell" von Changhua Wan (IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Band 35, Nummer 1, Februar 1983) beschreibt eine modifizierte EMT- Zelle, die einen zentralen Leiter (Septum) enthält, der von einer recht­ eckförmigen Abschirmung umgeben ist, in der das Septum durch einen Leiter ersetzt ist, der H-Form besitzt, um direkt über und unter der in­ neren Oberfläche der Abschirmung der Zelle und nicht im mittleren Teil zwischen dem Septum und der Abschirmung wie in den herkömm­ lichen EMT-Zellen ein gleichmäßiges Feld zu erzeugen. Eine solche Modifikation kann auch in einer EMGT-Zelle verwirklicht werden, in EMT- oder EMGT-Zellen dieses Typs kann jedoch nicht zu Hochspan­ nungen übergegangen werden: Für solche Spannungen treten nämlich Spitzen von lokalen Feldern auf, die ein Durchschlagen zur Folge ha­ ben können.

Die vorliegende Erfindung hat zur Aufgabe, die Leistung derartiger EMGT-Zellen zu verbessern, indem eine nutzbare Zone mit größeren Abmessungen vorgeschlagen wird, in der das elektrische Feld konstant ist und stärker sein kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Einrichtung zur Simulation eines starken elektromagnetischen Feldes im leeren Raum der gattungsgemäßen Art, die die im kennzeichnenden Teil des An­ spruches 1 angegebenen Merkmale besitzt.

Weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung, die sich auf bevorzugte Ausführungsformen beziehen, sind in den abhängigen Ansprüchen an­ gegeben.

Die vorliegende Erfindung weist zahlreiche Vorteile auf:

• - die Modifikation der Form des Septums ermöglicht es, in trans­ versaler Richtung eine größere homogene Zone mit konstantem elektri­ schen Feld zu erhalten: Es wird eine hohe Leistung der Zelle erhalten, indem die Feldzone vergrößert wird;
• - durch die Modifikation der Position der erfindungsgemäßen Zelle in bezug auf diejenige der Zellen der Standes der Technik kann eine bessere Homogenität in longitudinaler Richtung erhalten werden;
• - durch die Hinzufügung von abgerundeten Elementen kann diese Einrichtung mit gepulster Hochspannung verwendet werden;
• - durch die Verbesserung der Geometrie dieser Einrichtung kann eine größere Zone mit konstantem elektrischen Feld erhalten werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand bevorzugter Ausführungs­ formen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 die Einrichtung der Erfindung in einer Querschnittan­ sicht, in der die Äquipotentialflächen des elektrischen Feldes dargestellt sind;

Fig. 2 und 3 eine EMGT-Zelle des Standes der Technik in einer teil­ weise aufgeschnittenen perspektivischen Ansicht bzw. in einer Querschnittansicht, in der die Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes dargestellt sind; und

Fig. 4 bis 6 verschiedene Ausführungsvarianten der Einrichtung der Erfindung jeweils in Querschnittansichten, in denen die Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes dargestellt sind.

Fig. 2 zeigt eine EMGT-Zelle 10 des Standes der Technik, die Pyrami­ denform mit rechteckigem Querschnitt besitzt und in der an der Pyra­ midenspitze eine Quelle 11 angeordnet ist, wobei ein Anschluß erlaubt, an diesem Punkt einen Stromfluß zwischen dieser Quelle und einer mit "Septum" bezeichneten metallischen Platte 12 herzustellen.

Das Feld entsteht zwischen dieser Platte 12 und der rechteckigen Struktur der Zelle 10. Die Gesamtheit hat eine charakteristische Impe­ danz von 50 Ω. Diese EMGT-Zelle ist von einer Wand 15 verschlos­ sen, die an ihrer Innenfläche von Hochfrequenzabsorbern bedeckt ist, welche die Form von aneinandergrenzenden Pyramiden besitzt, welche ihrerseits eine absorbierende Wand bilden, die eine Durchlassung einer im Volumen der Zelle reflektierten Welle verhindert. Die absorbie­ rende Wand ist wie ein Kugelsegment gekrümmt, dessen Mittelpunkt im Bereich der Spitze der Pyramide liegt.

Da die Versuche notwendig in einer Zone eines homogenen Feldes (Inhomogenitäten höchstens bis zu ungefähr 10%) ausgeführt werden müssen, ist die Arbeitszone auf das in Fig. 3 gezeigte Rechteck be­ schränkt, die eine Schnittansicht in der Ebene P der erfindungsgemäßen Einrichtung ist, wobei die Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes dargestellt sind, deren Werte in Volt/Meter einer Spannung von 1 Volt auf dem Septum entsprechen.

Für diese Arbeitszone 17 beträgt die maximale Differenz 0,30 Volt/Meter. Bei Abwesenheit eines Gegenstandes wird eine cha­ rakteristische Impedanz von 47,3 Ω erzielt.

Es wird festgestellt, daß die nutzbare Zone gegenüber den Abmessun­ gen der Zelle klein ist: ungefähr ein Drittel der Höhe und ein Fünftel der Breite. Da diese Zellen eine Länge von 8 Metern erreichen können, wird ein Interesse an einer Vergrößerung dieser nutzbaren Zone kon­ statiert: Dann können Gegenstände mit größeren Abmessungen in einer Zelle mit geringerer Größe und somit bei geringeren Kosten geprüft werden.

In Fig. 2 sind außerdem der Lufteinlaß 20 und der Luftauslaß 21 dar­ gestellt, die der Kühlung der Zelle dienen.

Eine solche EMGT-Zelle weist die Merkmale einer sehr großen Band­ breite in einem nutzbaren Frequenzbereich auf, der vom Gleichspan­ nungsfeld bis zu GHz-Wechselfeldern reicht. Die EMT-Betriebsart wird dazu verwendet, eine einfallende ebene Welle für Suszeptibili­ tätsprüfungen zu simulieren. Die Daten der Strahlungsemission in der Zelle können dazu verwendet werden, Prüfbereiche in einer offenen Zone oder Messungen im leeren Raum zu simulieren.

Die Grundidee der Wellenausbreitung in einer solchen EMGT-Zelle besteht darin, die Ausbreitung einer leicht sphärischen Welle zu erzeu­ gen, die von einer Quelle in eine rechteckige koaxiale Übertragungslei­ tung mit verteiltem Hybridende ohne geometrische Verzerrungen der EMT-Welle emittiert wird. Da der Öffnungswinkel des Wellenleiters klein ist ( 20 Grad), kann die nicht verzerrte sphärische Welle ange­ nähert als ebene Welle betrachtet werden.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist das Hauptvolumen der EMGT-Zelle ein py­ ramidenförmiges Leitungsteilstück einer reckteckigen Übertragungslei­ tung mit 50 Ω. Die Zelle beginnt mit einer Spitze, in der der Übergang von einem Standard-Koaxialleiter mit 50 Ω in einen asymmetrischen, rechteckigen Wellenleiter stattfindet. Das Teilstück mit verteilter Last verwendet für die Dämpfung der elektromagnetischen Wellen ein ab­ sorbierendes Material 14 (wie in einer "achenoischen Kammer") sowie für die Dämpfung des Stroms eine verteilte Last 13, die beispielsweise eine Reihe von Widerständen 19 enthält.

Die Erfindung besteht darin, die Geometrie einer solchen EMGT-Zelle zu modifizieren, um die Qualität des erhaltenen Feldes zu verbessern.

In der Einrichtung der Erfindung ist die Form der Platte 12 oder des Septums modifiziert, wie in Fig. 1 gezeigt ist, um ein homogeneres elektrisches Feld zu erhalten und dennoch die relativ einfache indu­ strielle Herstellbarkeit beizubehalten. Die anderen Elemente der Zelle 10 sind beibehalten.

Diese Platte 12 weist in Transversalrichtung einen ebenen Mittelteil 22 sowie Seitenteile 23 auf, die in bezug auf den ebenen Mittelteil 22 um einen Winkel α in der Größenordnung von 135° nach unten geneigt sind, so daß die Impedanz aus Sicht der Quelle bei 50 Ω bleibt, wobei der Spitzenwinkel der Pyramide kleiner als 20° ist.

In Fig. 1 sind der Mittelteil 22 und die Seitenteile 23 durch gekrümmte Zwischenzonen 24 voneinander getrennt.

Um den Durchgang von Hochspannungen zu ermöglichen, sind an den jeweiligen Enden der Seitenteile 23 abgerundete Antikoronaelemente 25, beispielsweise Zylinder oder Kegel, angeordnet.

Die Werte in Volt/Meter der Äquipotentiallinien des elektrischen Fel­ des sind in dieser Figur auf das Potential von 1 Volt auf dem Septum bezogen. Es wird eine Zone eines homogenen Feldes erhalten, die durch das Rechteck 17 dargestellt ist, für die die maximale Differenz 0,09 Volt/Meter beträgt (Zone, die im Bereich von 1,09 Volt/Meter bis 1,18 Volt/Meter liegt). Bei Abwesenheit eines Gegenstandes wird eine charakteristische Impedanz von 50 Ω erreicht.

Damit das Feld nicht gestört wird und durch die Form des Septums nicht behindert wird, ist die Zugangstür für die Einführung von Ge­ genständen in die Zelle im Boden der Zelle angeordnet, während in den Einrichtungen des Standes der Technik diese Tür an einer Seite ange­ ordnet war. Dadurch können die Kanten des Septums niedriger sein, ohne daß dies auf Kosten der Zugänglichkeit der Prüfzone ginge.

Die Einrichtung der Erfindung ist außerdem von der Art, daß die Mit­ telebene zwischen der Zwischenplatte 12 oder dem Septum und der unteren Wand 18 der Pyramide 10 in einer horizontalen Ebene liegt, während in den Einrichtungen des Standes der Technik diese Wand 18 in einer horizontalen Ebene lag, was eine unterschiedliche Amplitude des elektrischen Feldes zwischen dem oberen Ende und dem unteren Ende einer vertikalen Wand desselben Gegenstandes zur Folge hatte.

In der Erfindung ist ein Gegenstand, der auf dieser Wand 18 angeord­ net ist, zur Ausbreitungsrichtung senkrecht, wobei das elektrische Feld in derselben vertikalen Ebene homogen bleibt.

In einem Ausführungsbeispiel für eine pyramidenförmige Zelle mit ei­ ner Länge von 8 m gelten an einer Stelle, an der die Pyramide einen Querschnitt mit einer Breite von 2 m bildet, die folgenden Werte:

Breite des Querschnitts|2 m
Dicke des Septums	5 mm
Höhe des Querschnitts	1,36 m
Höhe über dem Septum	45,5 cm
Höhe unter dem Septum	90 cm
Breite des Mittelteils 22	30 cm
Breite des Septums	159,6 cm
Krümmungsradius einer jeden gekrümmten Zwischenzone	66,4 cm
Radius der Antikoronaelemente 25	4 cm
Winkel α	135°

Auf diese Weise kann ein Feld von ungefähr von 50 kV/m erhalten werden.

Die Fig. 4 bis 6 zeigen verschiedene Ausführungsvarianten des Sep­ tums 22 in Querschnittsansichten, in denen die Äquipotentiallinien des elektrischen Feldes dargestellt sind. Die abgerundeten Antikoronaele­ mente können selbstverständlich diesem Septum 22 wie in Fig. 1 hin­ zugefügt sein. Wie in den Fig. 4 und 5 gezeigt, können außerdem die unteren Ecken der Zelle abgeschrägt sein.

Die Einrichtung der Erfindung, wie sie in den Fig. 1, 4, 5 und 6 ge­ zeigt ist, ist verwirklicht worden, um auf die folgenden Optimierungs­ kriterien eine Antwort zu geben:

• - die charakteristische Impedanz der Vakuumzelle beträgt 50 Ω. Es wird eine Toleranz von ± 1 Ω angenommen, was dennoch einer ausgezeichneten Anpassung entspricht;
• - die Homogenitätszone des Feldes ist so groß wie möglich. Wenn nichts anderes angegeben ist, entspricht diese Zone in der Folge der Zone, in der der Betrag des elektrischen Feldes im Bereich von -2dB und +2dB seines Wertes auf halber Höhe unter dem Septum liegt;
• - das Feld besitzt innerhalb der Prüfzone eine vertikale Polarisation;
• - die Anzahl von Feldspitzen, die bei einer Verwendung der Zelle mit gepulstem Feld mit sehr hohem Pegel ein Durchschlagen zur Folge haben können, ist minimal;
• - die einfache mechanische Ausführbarkeit sowie weitere praktische Aspekte (Gewicht des Septums, Zugänglichkeit der Prüfzone . . . ) sind berücksichtigt worden.

Claims (9)

1. Einrichtung zur Simulation eines starken elektromagnetischen Feldes im leeren Raum des EMGT-Zellentyps, mit
einer Zelle (10) in Pyramidenform mit rechteckigem Quer­ schnitt und metallischen, mit Masse verbundenen Seitenwänden, die auf einer ihrer Seitenwände (18) aufliegt,
einer metallischen Platte (12) oder einem Septum, das sich in einer Zwischenebene befindet, die durch die Spitze der Pyramide ver­ läuft und an ihrem Ende mit einer Last von 50 Ω belastet ist,
einer absorbierenden Wand (14, 15), die diese Zelle ver­ schließt, und
einer Quelle (11), die sich an der Spitze der Pyramide befin­ det und mit der Zwischenplatte (12) verbunden ist und die Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes zwischen der Zwischenplatte (14) und den Seitenwänden der Pyramide erlaubt,
dadurch gekennzeichnet, daß
die Zwischenplatte (12) in transversaler Richtung einen ebe­ nen Mittelteil (22) sowie Seitenteile (23) aufweist, die in bezug auf die­ sen Mittelteil (22) um einen Winkel α nach unten geneigt sind, derart, daß die Impedanz aus Sicht der Quelle einen Wert von im wesentlichen 50 Ω besitzt.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α in der Größenordnung von 135° liegt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spitzenwinkel der Pyramide R die folgende Bedingung erfüllt: R20°.

4. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Mittelteil (22) und die Seitenteile (23) der Zwi­ schenplatte voneinander durch gekrümmte Zwischenzonen (24) getrennt sind.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die freien Enden der Seitenteile in abgerundeten Elementen (25) enden.

6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß diese abgerundeten Elemente (25) Zylinder oder Kegel sind.

7. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Spannungsquelle (11) ein konstantes Signal oder ein Impulssignal ausgibt.

8. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die Mittelebene zwischen der Zwischenplat­ te (22) und der unteren Wand (18) der Zelle eine horizontale Ebene ist.

9. Einrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß sich die Zugangstür der Zelle im Boden der Zelle befindet.