WO2003069361A1 - Vorrichtung zur erfassung elektromagnetischer pulse mit kurzen anstiegzeiten und hohen spannungsamplituden - Google Patents

Vorrichtung zur erfassung elektromagnetischer pulse mit kurzen anstiegzeiten und hohen spannungsamplituden Download PDF

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WO2003069361A1
WO2003069361A1 PCT/DE2003/000228 DE0300228W WO03069361A1 WO 2003069361 A1 WO2003069361 A1 WO 2003069361A1 DE 0300228 W DE0300228 W DE 0300228W WO 03069361 A1 WO03069361 A1 WO 03069361A1
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housing
pulse
pulses
line element
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PCT/DE2003/000228
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Inventor
Thomas Weber
Jan Luiken Ter Haseborg
Original Assignee
Tuhh Technologie Gmbh
Technische Universität Hamburg-Harburg
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    • G01R29/0842—Measurements related to lightning, e.g. measuring electric disturbances, warning systems

Definitions

  • the invention relates to a device for detecting electromagnetic pulses with short rise times in the range of 10 -12 s and with voltage amplitudes in the range of> 10 V.
  • transient disturbances represent a special class within the scope of the electromagnetic compatibility EMC.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • transient disorders often show not only a unipolar but also a bipolar course, which makes their control even more difficult.
  • bursts which are periodic, repeating pulse or vibration packets, generally also count.
  • Typical bipolar transients are, for example, exponentially decaying harmonic functions.
  • Transient electromagnetic interference is also called electromagnetic pulse EMP.
  • Typical sources of transient interference relevant to electromagnetic compatibility are, in addition to lightning (LEMP: Ligthning electromagnetic Pulse) and nuclear electromagnetic pulses (NEMP: Nuclear electromagnetic Pulse), electrostatic discharges (ESD) and switching operations in electrical systems Power engineering and power electronics. In the event of a short circuit, corresponding fuses can also lead to significant transient interference on lines.
  • LMP Ligthning electromagnetic Pulse
  • NEMP Nuclear electromagnetic Pulse
  • ESD electrostatic discharges
  • switching operations in electrical systems Power engineering and power electronics.
  • EMP electrostatic discharges
  • the class of so-called ultra wide-band pulses is of particular importance with regard to the damaging or destructive effects of electronic systems.
  • the UWB pulses represent a significantly higher threat for systems with coupling paths over typical lengths of a few centimeters to a few meters than an NEM pulse of the same field strength.
  • the NEMP is a weapon-made pulse, one speaks in connection with UWB pulses also of 'NNEMP (N
  • the UWB pulse typically has a rise time of significantly less than 1 ns and a duration of 2.5 ns. Accordingly, pulses with extremely short rise times and corresponding broadband spectra are referred to as UWB pulses.
  • the steepness of these pulses which can also be synthetically generated as weapons-generated pulses, are orders of magnitude higher than those of other pulses, such as the aforementioned flash pulses or LEMPs or so-called electrical fast transiences, which can be coupled in during switching operations via supply lines and as a classic civilian threat available.
  • Attenuators and voltage dividers are also available, but they also have disadvantages. Attenuators have only certain maximum energy absorptions, ie it has to the measurement be known exactly in what order the size to be measured will be. Galvanic decoupling is not possible. As a result, sensitive and high-quality measuring electronics can be destroyed in the course of pulse measurement. The manufacture of attenuators, which are still linear in the range of a few GHz, is also extremely complex. In addition, attenuators have a rise time on the order of 10 ps (pico-seconds). With the cascading that may be necessary, an overall rise time of the order of magnitude of the rise times of the signals to be measured can be expected, so that attenuators for detecting the pulses in question are eliminated.
  • a line element essentially crossing the device and a housing surrounding the line element, the line element and the housing forming a waveguide and in the area between Housing and line element, a sensor element is arranged, which detects the quantity (time, amplitude) in the waveguide that characterizes the pulse in the form of a quantity converted into an electromagnetic field size by the waveguide.
  • the solution according to the invention creates a coaxial TEM cell onto which the transient disturbance to be examined is conducted in the form of a line-guided electromagnetic pulse.
  • the electromagnetic field size is then detected in the interior of the device.
  • the sensor element is advantageously selected in such a way that it is extremely broadband, with the result that the bandwidth of the device enables pulse rise times, as desired, to be recorded in the pico-second range.
  • the design of the device according to the solution according to the invention makes it possible for the TEM wave guide according to the invention to be designed, for example, as a 50 ohm system.
  • a 50 ohm system is regularly selected if the entire measurement setup (generator, cable, etc.) is also based on a 50 ohm system. Basically, e.g. a 75 ohm or 100 ohm system possible.
  • An advantage according to the invention is also that much smaller voltages, that is to say also over several decades, can be measured with the same device, for example from a voltage amplitude of approximately 5-10 V, without having to change the structure of the device, what applies equally to the measurement setup including the device.
  • the electrical field size of the pulse can advantageously be recorded as the field size, but it is also possible to preferably record the magnetic field size of the pulse as the field size.
  • the sensor elements can be E-field sensors, but it is also possible to use H-field sensors as sensor elements or to use both an E-field sensor and an H-field sensor in the device.
  • the housing In order to create an extremely compact construction of the device, it is advantageous to fill the housing with a dielectric, i.e. to form a TEM welder with dielectric.
  • the sensor element is preferably designed for the detection of an electrical field size in the form of a conical monopole. This type of sensor element has an extreme bandwidth of typically 10 GHz.
  • connection elements being inherently in themselves HF technology known N plug or 7/16 plug or plug connections can be.
  • the housing conical in such a way that it tapers towards the connecting elements.
  • the conical design also has the advantage that a reflection-free 50-ohm system can be created with it, because any jump or kink (discontinuity) would cause reflection. Therefore, the transition areas or kinks between the conical part and the non-conical part are preferably also rounded off.
  • the line element itself is tapered towards its two-sided connections.
  • FIG. 1 is a side view of the device according to the invention in the form of a schematic block diagram, connected to a UWB pulse source and with a 50 ohm termination, the sensor being connected to a pulse detection device, for example an oscillograph,
  • a pulse detection device for example an oscillograph
  • FIG. 2 is a perspective view of the device in a partially disassembled state
  • Fig. 6 shows the electric field in the device for a UWB pulse with a rise time of 100 ps.
  • the Device 10 consists of a substantially axially formed line element 12, which essentially essentially axially traverses device 10.
  • the line element 12 can be designed to taper conically towards the connection sides on both sides, on which an input connection element 18 or an output connection element 19 can be arranged.
  • the axial line element 10 is provided with a housing 13 which preferably surrounds it coaxially and which can also be conical towards the input or output connecting elements 18, 19.
  • the housing 13 can be constructed in several parts, for example in two parts 130, 131, so that it can be easily dismantled into its individual parts, which can be seen in particular from FIG. 2.
  • a sensor element 16 is arranged in the area 15 between the housing 13 and the line element 12.
  • the sensor element 16 is designed here as a monopoly and is intended to detect an electrical field size of the transient signal.
  • a sensor element 16 can also alternatively or additionally be provided, which is determined in the form of a surface sensor for determining the magnetic field of the transient pulse.
  • a respective plurality of electrical and / or magnetic (field) sensor elements 16 can also be provided.
  • the device 10 can also assume any other coaxial shape, for example in the form of an axially symmetrical polygon (square, hexagon, octagon, etc.)
  • the inner conductor, ie the line element 12 does not necessarily have to be arranged in the center, ie not in the axial axis of symmetry of the housing 12.
  • the sensor element 16 is shown detached from the device 10 and inserted into the device 10 or in the region 15 between the housing 13 and the line element 12 . arranged.
  • the housing 13 is filled with a dielectric 17, the dielectric having a 6 of> 1.
  • the device 10 is formed on the input side with a device-specific connecting element 18, for example in the form of classic HF socket elements, and is connected to a pulse generator 23 which supplies transient pulses 11 to the device 10.
  • the device 10 is also provided with an output connection element 19, which can also be designed as a classic HF socket element.
  • the output connection element 19 or the corresponding connection 21 is terminated with a 50 ohm resistor to form a 50 ohm system.
  • a transient pulse whether of natural origin or generated by a pulse generator 23 is directed to the input connection element 18, which is connected on the one hand to the line element 12 and is connected to the housing 13 with its other pole ,
  • the line element 12 and the surrounding housing 13 form a waveguide 14.
  • the sensor element 16 arranged in the housing 13 detects the quantity (time, amplitude) in the waveguide 14, which characterizes the pulse 11, in the form of a size converted by the waveguide 14 into an electrical and / or magnetic field size, which is then given to the oscillograph 22 for the corresponding optical representation, at least in the measurement setup.
  • the signal output of the sensor element 16 can also be applied to appropriate protective and / or control means in order to initiate countermeasures in terms of control technology after a detected transient pulse.
  • the highly schematic block diagram according to FIG. 1 is only to be regarded as an aid to understanding that does not limit the invention.
  • transient disturbances or pulses of different origins with respect to the time-voltage curve i.e. a LEMP pulse (Lightning Electromagnetic Pulse), a UWB pulse (Ultra wide-band pulse) and an EFT pulse (Electrical Fast Transient).
  • LEMP pulse Lightning Electromagnetic Pulse
  • UWB pulse Ultra wide-band pulse
  • EFT pulse Electro Fast Transient
  • FIG. 4 shows a comparison of the amplitude density spectra of UWB, EFT and LEMP pulses, from which it can be seen that the UWB pulses still appear significantly from the transient interference up to the highest frequency range.
  • FIG. 5 shows the output signal of the sensor element 16 used in the invention as an E-field sensor in a construction as shown in FIG. 2.
  • a pulse generator 23 delivers a double t-exponential UWB pulse 11 with an amplitude of 25 kV.
  • the sensor element 16 shows differentiating behavior. The conversion from the measured output voltage of the sensor element 16 to that actually at the sensor element 16 applied electric field strength, cf. 6 takes place according to
  • FIG. 6 shows the electric field strength measured by the sensor element 16 in the device 10 (TEM waveguide) in a configuration as has been described for FIG. 5. If the distance between the outer and inner conductors is known . TEM-Wel 1 enl ei ters, ie between the housing 13 and the line element 12, a conversion can now be made to the double t-exponenti eil e waveform supplied in this case by the pulse generator 23. As can be seen from Fig. 6, a rise time in the range of 100 ps can be resolved.

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Abstract

Es wird eine Vorrichtung (10) zur Erfassung elektroma­gnetischer Pulse (11) mit kurzen Anstiegszeiten bis in den Bereich von 10-12 s und mit Spannungsamplituden bis in den Bereich von > 104 V, vorgeschlagen. Die Vorrich­tung (10) weist ein im wesentlichen diese durchquerendes Leitungselement (12) und ein das Leitungselement (12) umgebendes Gehäuse (13) auf, wobei das Leitungselement (12) und das Gehäuse (13) einen Wellenleiter (14) bilden und wobei im Bereich (15) zwischen Gehäse (13) und Leitungselement (12) ein Sensorelement (16) angeordnet ist. Das Sensorelement (16) erfasst die im Wellenleiter (14) geführte, den Puls (11) charakterisierende Grösse (Zeit, Amplitude) in Form einer vom Wellenleiter (14) in eine elektromagnetische Feldgrösse umgewandelte Grösse.

Description

Vorrichtung zur Erfassung elektromagnetischer Pulse mit kurzen Anstiegzeiten und hohen Spannungsamplituden
Beschreibung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erfassung elektromagnetischer Pulse mit kurzen Anstiegzeiten bis in den Bereich von 10 -12 s und mit Spannungsamplituden bis in den Bereich von > 10 V.
Wesentlicher Anteil moderner Informations- oder Kommunikationssysteme sind elektronische Bauteile und Schaltungen, die aber auch in nahezu allen gewerblichen Bereichen wie elektronischen Steuer- und Regel Systemen in allen denkbaren Anwendungsgebieten eingesetzt werden und beispielsweise auch in der modernen Luftfahrttechnik, bei der sich immer stärker lediglich elektrische bzw. elektronisch gesteuertes Fluggerät (fly-by-wire) durchsetzt. Dieses gilt gleichermaßen auch für die verschiedensten wehrtechnischen Bereiche. Alle diese Systeme sind mehr oder weniger in bezug auf Funktionsstörungen aufgrund von außen einwirkender elektrischer Störungen gemäß bestehender EMV-Normen mehr oder weniger gesichert, soweit diese Störungen, beispielsweise elektromagnetische Spannungsimpulse, im Folgenden kurz Pulse genannt, niedrigfrequent sind, eine kleine Spannungsamplitude aufweisen und große Pulsanstiegszeiten, d.h. geringe Pulssteilheiten, aufweisen.
Die bisherigen elektronischen Systeme der eingangs beispielhaft beschriebenen Art sind aber mehr oder weniger schutzlos sogenannten transienten Störungen bestimmter Art ausgesetzt. Die besagten transienten Störungen stellen im Rahmen der elektromagnetischen Verträglichkeit EMV eine besondere Klasse.-.Von Störungen dar und können bei Elektronikkomponenten der besagten Systeme je nach Energieinhalt zu kurzfristigen Störungen aber auch zu einer vollständigen Zerstörung und auch zum Ausfall des Systems in seiner Gesamtheit führen. Transi- ente Störungen weisen zudem vielfach nicht nur einen unipolaren sondern auch einen bipolaren Verlauf auf, was ihre Beherrschbarkei t noch stärker erschwert. Neben einmalig auftretenden Störungen zählen im Allgemeinen auch sogenannte "bursts", bei denen es sich um periodische wiederkehrende Puls- oder Schwingungspakete handelt, dazu. Typisch bipolare Transiente sind zum Beispiel exponentiell abklingende harmonische Funktionen. Transiente elektromagnetische Störungen werden auch elektromagnetische Pulse EMP genannt.
Typische in der elektromagnetischen Verträglichkeit relevante Quellen für transiente Störungen sind neben Blitzen (LEMP: Ligthning electromagnetic Pulse) und nuklearen elektromagnetischen Pulsen (NEMP: Nuclear electromagnetic Pulse) elektrostatische Entladungen (ESD) und Schalthandlungen in Anlagen der elektrischen Energietechnik und Leistungselektronik. Ebenfalls können im Kurzschlußfall entsprechende Schmelzsicherungen zu nicht unerheblichen transienten Störungen auf Leitungen führen. Neben den erwähnten klassischen elektromagnetischen Pulsen (EMP) ist auch die Klasse der sogenannten Ul tra-wide-band-pul se von besonderer Bedeutung im Hinblick auf die schädigende bzw. zerstörende Wirkung elektronischer Systeme. Dennoch stellen die UWB-Pulse für Systeme, deren Einkoppl ungspfade über typische Längen von einigen Zentimetern bis wenige Meter betragen, eine deutlich höhere Bedrohung dar als ein NEM-Puls gleicher Feldstärke. Da es sich beim NEMP um einen waffentechnisch hergestellten Puls handelt, spricht man im Zusammenhang mit UWB-Pulsen auch von' NNEMP (Non- nucl ear-EMP) , um diese Verwandtheit zu zeigen.
Der UWB-Puls hat typi scherwei se eine Anstiegzeit von deutlich kleiner 1 ns und eine Dauer von 2,5 ns. Als UWB-Pulse werden dementsprechend Pulse mit extrem kurzen Anstiegszeiten und entsprechend brei tbandigen Spektren bezeichnet. Die Steilheit dieser Pulse, die auch synthetisch als waffentechnisch generierte Pulse vorliegen können, liegen um Größenordnungen über denen anderer Pulse wie den besagten Blitz-Pulsen bzw. LEMPs oder sogenannten Electrical Fast Transiences, die bei Schalthandlungen über Versorgungsleitungen eingekoppelt werden können und als klassische zivile Bedrohung vorliegen.
Bisher lassen sich mit Hilfe von nichtlinearen Schutzschaltungen leitungsgeführte Transiente (LEMP und NEMP) wirksam unterdrücken bzw. ausreichend dämpfen.
Aufgrund des möglichen, sehr unterschiedlichen Charakters transienter Störungen ist eine für alle möglichen Fälle geeignete universelle Schutzschaltung bisher nicht realisierbar. Da aber eine Realisierbarkeit derartiger Schutzschal tungen von außerordentlicher Bedeutung ist, die sogar zukünftig einen noch größeren Stellenwert haben wird, ist es zwingend erforderlich, Mittel zur Verfügung zu haben, mit denen das transiente Ansprechverhalten einer Schutzschaltung erfaßt bzw. gemessen werden kann. Dazu muß beispielsweise eine transiente Überspannung in das System eingespeist werden, die Messung der Spannung des transienten Pulses vor und hinter der Schutzschaltung durchgeführt werden und gegebenenfalls in der Schutzschaltung selbst.
Bisher wurden beispielsweise 1 ei tungsgeführte transiente Pulse mit sogenannten Hochspannungstastköpfen, sogenannten Stromzangen (Stromzangen sind aufgrund ihrer speziellen Bauweise bzw. ihres Funktionsprinzips derart genannte Stromsensoren; engl . : current probe) oder Dämpfungsgliedern bzw. Spannungsteilern durchgeführt. Hochspannungstastköpfe und Stromzangen haben aber den grundsätzlichen Nachteil, daß ihr Einsatz, bedingt durch ihre Bauweise, auf einen Frequenzbereich von < 500 MHz bzw. < 3 GHz beschränkt ist. Sollen jedoch Anstiegzeiten im Bereich von 100 pico-Sekunden unverfälscht gemessen werden können, sind Bandbreiten von ca. 8 GHz erforderlich und somit deutlich höhere Bandbreiten als sie Hochspannungstastköpfe und Stromzangen aufweisen können. Bei Stromzangen kommt es zusätzlich zu einer Fehlanpassung durch den Sensor an sich und somit zu einer Verfälschung des zu messenden Pulses.
Grundsätzlich stehen auch Dämpfungsglieder und Spannungsteiler zur Verfügung, sie weisen jedoch ebenfalls Nachteile auf. So verfügen Dämpfungsglieder nur über bestimmte maximale Energieabsorptionen, d.h. es muß vor der Messung ganz genau bekannt sein, in welcher Größenordnung die zu messende Größe liegen wird. Eine galvanische Entkopplung ist nicht möglich. Dadurch kann im Zuge der Pulsmessung eine empfindliche und hochwertige Messelektronik selbst zerstört werden. Die Herstellung von Dämpfungsgliedern, die auch noch im Bereich von einigen GHz linear sind, ist zudem äußerst aufwendig. Zusätzlich haben Dämpfungsglieder eine Anstiegzeit in der Größenordnung von 10 ps (pico-Sekunden) . Bei der gegebenenfalls notwendigen Kaskadierung ist eine Gesamtanstiegszeit in der Größenordnung der Anstiegszeiten der zu messenden Signale erwartbar, so daß Dämpfungsglieder zur Erfassung der fraglichen Pulse ausscheiden.
Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erfassung elektromagnetischer Pulse der Eingangs genannten Art zu schaffen, die die Nachteile der bisher für diese Zwecke bekannten, voraufgeführten Systeme nicht hat, mittels der eine geringe Beeinflussung des zu erfassenden Pulses bzw. des zu messenden Signals, auch für Zwecke der Messung und Überprüfung im Zusammenhang mit der Einhaltung von EMV-Normen bei Anlagen und Schaltungen, möglich ist, die eine schnelle Ansprechzeit und eine hohe Dynamik bei gleichzeitig hoher Empfindlichkeit und hoher Bandbreite gewährleistet und eine galvanische Isolierung gegenüber dem zu messenden System gewährleistet, wobei die Vorrichtung einfach, kompakt und effektiv auch bei der Erfassung allerhöchster Amplituden der Pulse ist.
Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein die Vorrichtung im wesentlichen durchquerendes Leitungselement und ein das Leitungselement umgebendes Gehäuse, wobei das Leitungselement und das Gehäuse einen Wellenleiter bilden und wobei im Bereich zwischen Gehäuse und Leitungselement ein Sensorelement angeordnet ist, das die im Wellenleiter geführte, den Puls charakterisierende Größe (Zeit, Amplitude) in Form einer vom Wellenleiter in eine elektromagnetische Feldgröße umgewandelte Größe erfaßt.
Die erfindungsgemäße Lösung schafft eine koaxiale TEM- Zelle, auf die die zu untersuchende transiente Störung in Form eines 1 ei tungsgeführten elektromagnetischen Pulses geführt wird. Im Inneren der Vorrichtung wird dann die elektromagnetische Feldgröße erfaßt. Dadurch kommt es faktisch zu keiner Beeinflussung des zu messenden Pulses und eine galvanische Isolierung zwischen den Leitungselement der Vorrichtung und dem Sensorelement der Vorrichtung ist gewährleistet. Das Sensorelement wird dabei vortei 1 hal fterweise derart gewählt, daß es äußerst breitbandig ist, mit der Folge, daß die Bandbreite der Vorrichtung Pulsanstiegzeiten, wie angestrebt, im pico-Sekundenbereich zu erfassen ermöglicht. Die Konzeption der Vorrichtung gemäß der erfindungsgemäßen Lösung macht es möglich, daß der erfindungsgemäße TEM-Wel lenleiter beispielsweise als 50 Ohm-System ausgelegt werden kann. Ein 50 Ohm-System wird regelmäßig dann gewählt, wenn der gesamte Meßaufbau (Generator, Kabel etc.) auch auf einem 50 Ohm-System basiert. Grundsätzlich ist aber auch z.B. ein 75 Ohmoder 100 Ohm-System möglich.
Ein erfindungsgemäßer Vorteil ist auch, daß mit der gleichen Vorrichtung auch wesentlich kleinere Spannungen, also auch über mehrere Dekaden, gemessen werden können, beispielsweise von einer Spannungsamplitude von ca. 5 - 10 V an, ohne daß der Aufbau der Vorrichtung geändert werden muß, was gleichermaßen auch für den Meßaufbau unter Einschluß der Vorrichtung gilt. Vorteilhafterweise kann als Feldgröße die elektrische Feldgröße des Pulses erfaßt werden, es ist aber auch möglich, vorzugsweise als Feldgröße die magnetische Feldgröße des Pulses zu erfassen. Das heißt mit anderen Worten, daß die Sensorelemente E-Feldsensoren sein können, es ist aber auch möglich, H-Feldsensoren als Sensorelemente einzusetzen oder aber auch in der Vorrichtung sowohl einen E-Feldsensor als auch einen H-Feldsensor einzusetzen.
Um eine äußerst kompakte Bauweise der Vorrichtung zu schaffen, ist es vorteilhaft, das Gehäuse mit einem Dielektrikum zu füllen, d.h. einen TEM-Wel 1 enl eiter mit Dielektrikum auszubilden.
Äußerst vorteilhaft ist es, das Innere des Gehäuses mit einem Dielektrikum e > 1 zu wählen, d.h. zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit beispielsweise 6 > 2, so daß das Dielektrikum in diesem Falle nicht einfach Isolator ist, sondern vielmehr die Meßgröße "enthält".
Vorzugsweise ist das Sensorelement für die Erfassung einer elektrischen Feldgröße in Form eines konischen Monopols ausgebildet. Diese Art des Sensorelementes weist eine extreme Bandbreite von typischerweise 10 GHz auf.
Um die Vorrichtung schnell vor bzw. hinter die beispielhaft zu untersuchende Schutzschaltung bzw. gegebenenfalls auch schnell in die zu untersuchende Schutzschaltung selbst einfügen zu können, ist es vorteilhaft, die Vorrichtung mit einem Eingangsverbindungselement und einem Ausgangsverbindungselement zu versehen, wobei diese Verbindungselemente die an sich in der HF-Technik bekannten N-Stecker oder 7/16-Stecker bzw. Steckverbindungen sein können.
Um die Vorrichtung so kompakt wie möglich auszubilden, ist es vorteilhaft, das Gehäuse derart konisch auszubilden, daß es sich zu den Verbindungselementen hin verjüngt. Die konische Ausgestaltung hat auch den Vorteil, daß damit ein reflexionsfreies 50-Ohm-System geschaffen werden kann, denn jeder Sprung oder Knick (Diskontinuität) würde Reflexion verursachen. Deshalb werden die Übergangsbereiche bzw. Knicke zwischen konischem Teil und nicht-konischem Teil vorzugsweise auch abgerundet.
Es sei aber darauf hingewiesen, daß alternativ oder zusätzlich zu den vorangehend aufgeführten Maßnahmen zur Kompensation von Diskontinuitäten der Vorrichtung auch andere Techniken möglich sind, beispielsweise eine Kompensation von Sprungstellen durch zusätzliche, bauformbedingte Indukti itäten. Auch diese Maßnahmen können dem Ziel der Verwirklichung einer reflexionsarmen Vorrichtung dienen, um das zu messende Signal möglichst gering zu beeinflussen.
Aus dem gleichen Grunde ist es vorteilhaft, daß das Leitungselement selbst sich zu dessen beidseitigen Anschlüssen hin konisch verjüngt ausgebildet ist.
Schließlich ist es aus Gründen der vereinfachten Fertigung der Vorrichtung und aus Gründen der Montage bzw. Demontage für Wartungs- und Reparaturzwecke und auch gegebenenfalls zum vereinfachten Austausch des einen Dielektrikums gegen ein anderes Dielektrikum vorteilhaft das' Gehäuse mehrteilig auszubilden, beispielsweise zwei- oder dreiteilig, so daß, wie angestrebt, eine Demontage bzw. Montage auf einfache Weise möglich ist.
Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nachfolgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Ausführungsbeispieles im Einzelnen beschrieben. Darin zeigen :
Fig. 1 in der Seitenansicht die Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines schematisierten Blockschaltbildes, angeschlossen an eine UWB-Puls- quelle und mit einem 50 Ohm-Abschluß, wobei der Sensor mit einem Pulsnachweisgerät, beispielsweise einem Oszillographen, verbunden ist,
Fig. 2 in perspektivischer Darstellung die Vorrichtung in teilweise auseinaηdergebauten Zustand,
Fig. 3 den Verlauf verschiedener Anstiegzeiten von Pulsen unterschiedlicher transienter Störungen,
Fig. 4 eine Darstellung des Vergleiches verschiedener Pulse gemäß Fig. 3 im Frequenzbereich,
Fig. 5 den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals des Sensorelements in Form eines E-Feldsensors bei Beaufschlagung der Vorrichtung mit einem UWB-Puls und
Fig. 6 das elektrische Feld in der Vorrichtung für einen UWB-Puls mit einer Anstiegszeit von 100 ps .
Zunächst wird Bezug genommen auf die Darstellungen der Vorrichtung 10 gemäß den Figuren 1 und 2. Die Vorrichtung 10 besteht aus einem im Wesentlichen axial ausgebildeten Leitungselement 12, das die Vorrichtung 10 im wesentlichen vorzugsweise axial durchquert. Das Leitungselement 12 kann, wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, zu den beiderseitigen Anschlußseiten, an denen ein Eingangsverbindungselement 18 bzw. ein Ausgangsverbindungselement 19 angeordnet sein kann, konisch hin verjüngend ausgebildet sein. Das axiale Leitungselement 10 ist mit einem dieses vorzugsweise koaxial umgebenden Gehäuse 13 versehen, das ebenfalls konisch zu den Eingangs- bzw. Ausgangsverbindungselementen 18, 19 hin ausgebildet sein kann. Das Gehäuse 13 kann mehrteilig, beispielsweise zweiteilig 130, 131, ausgebildet sein, so daß es leicht in seine Einzelteile demontierbar ist, was insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist. Im Bereich 15 zwischen Gehäuse 13 und Leitungselement 12 ist ein Sensorelement 16 angeordnet. Das Sensorelement 16 ist hier als Monopol herausgebildet und ist bestimmt, eine elektrische Feldgröße des transienten Signals zu erfassen. An Stelle des Monopols zur Ermittlung der elektrischen Feldgröße kann auch alternativ oder zusätzlich ein Sensorelement 16 vorgesehen sein, das in Form eines Oberflächensensors zur Ermittlung des magnetischen Feldes des Transienten Pulses bestimmt ist. Es kann sich auch eine jeweilige Mehrzahl von elektrischen und/oder magnetischen (Feld-) Sensorelementen 16 vorgesehen werden.
Grundsätzlich kann die Vorrichtung 10 auch jede andere koaxiale Form annehmen, beispielsweise in Form eines axial symmetrischen Vielecks (Quadrat, Sechseck, Achteck usw. ) Der Innenleiter, d.h. das Leitungselement 12, muß auch nicht zwangsläufig mittig angeordnet sein, d.h. nicht in der axialen Symmetrieachse des Gehäuses 12.
In Fig. 1 ist das Sensorelement 16 zum einen aus der Vorrichtung 10 herausgelöst dargestellt und zum anderen in die Vorrichtung 10 eingesetzt bzw. im Bereich 15 zwischen Gehäuse 13 und Leitungselement 12. angeordnet .
Das Gehäuse 13 ist mit einem Dielektrikum 17 gefüllt, wobei das Dielektrikum ein 6 von > 1 aufweist. Bei dem schematisch in Fig. 1 dargestellten Versuchsaufbau ist die Vorrichtung 10 ei ngangssei tig mit .einem vorrichtungseigenen Verbindungselement 18 ausgebildet, beispielsweise in Form klassischer HF-Buchsenelemente, und mit einem Impulsgenerator 23 verbunden, der transiente Pulse 11 auf die Vorrichtung 10 liefert. Die Vorrichtung 10 ist auch mit einem Ausgangsverbindungselement 19 versehen, das ebenfalls als klassisches HF-Buchsenelement ausgebildet sein kann. Das Ausgangsverbindungselement 19 bzw. der entsprechende Anschluß 21 ist mit einem 50 Ohm Widerstand zur Bildung eines 50 Ohm- Systems abgeschlossen. Wenn nun während des Betriebes der Vorrichtung 10 ein transienter Puls, ob nun natürlichen Ursprungs oder durch einen Impulsgenerator 23 erzeugt, auf das Eingangsverbindungselement 18, das einerseits mit dem Leitungselement 12 verbunden ist und mit seinem anderen Pol mit dem Gehäuse 13 verbunden ist, geleitet wird, bilden das Leitungselement 12 und das umgebende Gehäuse 13 einen Wellenleiter 14.
Das im Gehäuse 13 angeordnete Sensorelement 16 erfaßt dabei die im Wellenleiter 14 geführte, den Puls 11 charakterisierende Größe (Zeit, Amplitude) in Form einer vom Wellenleiter 14 in eine elektrische und/oder magnetische Feldgröße umgewandelte Größe, die dann auf den Oszillographen 22 zur entsprechenden optischen Darstellung, jedenfalls im Meßaufbau, gegeben wird. Der Signalausgang des Sensorelements 16 kann aber auch, wenn die Vorrichtung 10 Teil einer Schutzschaltung gegen transiente Störungen ist, auf entsprechende Schutz- und/oder Steuermittel gegeben werden, um nach erfaßtem transienten Puls steuerungstechnisch Gegenmaßnahmen einzuleiten. Insofern ist das stark schematisierte Blockschaltbild gemäß Fig. 1 lediglich als eine die Erfindung nicht beschränkende Verständnishilfe anzusehen .
In Fig. 3 sind bezüglich des Zeit-Spannungsverlaufes transiente Störungen bzw. Pulse verschiedenen Ursprungs dargestellt, d.h. ein LEMP-Puls (Lightning Electromagnetic Pulse), ein UWB-Puls (Ul tra-Wide-Band-Pul se) und ein EFT-Puls (Electrical Fast Transient).
Fig. 4 zeigt einen Vergleich der Ampl i tudendichtespek- tren von UWB-, EFT- und LEMP-Pulsen, woraus ersichtlich ist, das von den transienten Störungen die UWB-Pulse noch bis in den höchsten Frequenzbereich hinein signifikant in Erscheinung treten.
Fig. 5 zeigt das Ausgangssignal des in der Erfindung verwendeten als E-Feldsensor ausgebildeten Sensorelements 16 bei einem Aufbau, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Ein Impulsgenerator 23 liefert einen doppel t-expo- nentiellen UWB-Puls 11 mit einer Amplitude von 25 kV. Das Sensorelement 16 zeigt differenzierendes Verhalten. Die Umrechnung von der gemessenen Ausgangsspannung des Sensorelementes 16 auf die tatsächlich am Sensorelement 16 anliegende elektrische Feldstärke, vgl. Fig. 6, erfolgt dabei gemäß
U=jω'£0EΑE-RL
mit
ω : Kreisfrequenz εQ: Permitti vitätskonstante Ar: effektive Sensorfläche
R. : Wellenwiderstand der angeschlossenen Messleitung
Fig. 6 zeigt die vom Sensorelement 16 gemessene elektrische Feldstärke in der Vorrichtung 10 (TEM-Wellen- leiter) bei einer Konfiguration, wie sie für Fig. 5 beschrieben worden ist. Bei bekanntem Abstand zwischen Außen- und Innenleiter des. TEM-Wel 1 enl ei ters , d.h. zwischen Gehäuse 13 und Leitungselement 12, kann nun eine Umrechnung auf die in diesem Fall vom Impulsgenerator 23 gelieferte doppel t-exponenti eil e Kurvenform erfolgen. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, kann eine Anstiegszeit im Bereich von 100 ps aufgelöst werden.
Bezugszeichenl iste
10 Vorrichtung
11 Puls/Impuls
12 Leitungselement 120 konischer Bereich
13 Gehäuse
130 Gehäuseteil
131 Gehäuseteil
14 Wellenleiter
15 Bereich
16 Sensorelement
17 Dielektrikum
18 Eingangsverbindungselement
19 Ausgangsverbindungselement
20 Anschluß
21 Anschluß
22 Oszillograph
23 Impulsgenerator

Claims

Vorrichtung zur Erfassung elektromagnetischer Pulse mit kurzen Anstiegzeiten und hohen SpannungsamplitudenPatentansprüche
1. Vorrichtung zur Erfassung elektromagnetischer Pulse mit kurzen Anstiegzeiten bis in den Bereich von 10 -12 s und mit Spannungsamplituden bis in den Bereich von 10 ,4 V, gekennzeichnet durch ein die Vorrichtung (10) im Wesentlichen durchquerendes Leitungselement (12) und ein das Leitungselement (12) umgebendes Gehäuse (13), wobei das Leitungselement (12) und das Gehäuse (13) einen Wellenleiter (14) bilden und wobei im Bereich (15) zwischen Gehäuse (13) und Leitungselement (12) ein Sensorelement (16) angeordnet ist, das die im Wellenleiter (14) geführte, den Puls (11) charakterisierende Größe (Zeit, Amplitude) in Form einer vom Wellenleiter (14) in eine elektromagnetische Feldgröße umgewandelten Größe erfaßt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Feldgröße von Spannungsamplituden von Pulsen im Bereich von 5, insbesondere 10, bis > 10 V erfaßbar ist.
3. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldgröße eine elektrische Feldgröße ist.
4. Vorrichtung nach einem oder beiden der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldgröße eine magnetische ist.
5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, daß das Gehäuse (13) mit einem Dielektrikum (17) gefüllt ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum 6 > 1 ist.
7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement (16) für die Erfassung einer elektrischen Feldgröße in Form eines konischen Monopols ausgebildet ist.
8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß diese ein Eingangsverbindungselement (18) und ein Ausgangsverbindungselement (19) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (13) sich konisch zu den Verbindungselementen (18, 19) hin verjüngend ausgebildet ist.
10. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Leitungselement (12) sich zu dessen beidseitigen Anschlüssen (20, 21) hin konisch verjüngt.
11. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (13) mehrteilig (130, 131) ausgebildet ist.
sc
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