Breitbanderregung Feldvariabler Kammern durch Antennengruppen
Final Report Abstract
In herkömmlichen feldvariablen Kammern bzw. Modenverwirbelungskammern werden zur Feldhomogenisierung mechanische Modenrührer eingesetzt. Bei einer statistischen Mittelung über mehrere Rührerpositionen ergeben sich homogene und isotrope elektromagnetische Felder. Grundlage einer jeden feldvariablen Kammer bildet eine metallische Schirmkabine, die als Hohlraumresonator fungiert. Daher sind die Eigenschaften wie Modenzahl, Modendichte und Gütefaktoren dieser Resonatoren auch für feldvariable Kammer wichtige Kenngrößen. Insbesondere die Güte der feldvariablen Kammer beeinflusst direkt die zu erzielenden Prüffeldstärken. Auf der Grundlage eines Netzwerkersatzschaltbildes wird daher eine Methode angegeben, um aus dem Smith-Leitungsdiagramm der Eingangsreflexion des z. B. mit einer Antenne belasteten Resonators direkt die Leerlaufgüte und den Koppelfaktor dieser Antenne an die Resonatormoden anzugeben. Die Ankopplung der Antennen an die Moden spielt ebenfalls eine entscheidende Rolle. Im Idealfall wäre eine breitbandige kritische Ankopplung wünschenswert, die sich in der Praxis jedoch nicht realisieren lässt. Es zeigt sich jedoch, dass die vorgestellten breitbandigen Rundstrahler in Form von Konusantennen und Kelchantennen den häufig in Modenverwirbelungskammem eingesetzten logarithmisch-periodischen Antennen bezüglich der Ankopplung überlegen sind. Die einfache und kostengünstige Herstellung macht sie zudem prädestiniert für den Einsatz in Antennenfeldern in feldvariablen Kammern. Bei der Verwendung von mechanischen Modenrührern zur Feldhomogenisierung ergeben sich mehrere Probleme. Zum einen können die Eigenschaften der Kammer im Vorhinein nicht berechnet werden; schon der Rührerentwurf an sich basiert häufig nur auf empirischen Regeln. Zum anderen wird durch den Rührer wertvolles Messvolumen beanspmcht und die Messdauer durch das mechanische Ausschwingen verlängert. In dieser Arbeit werden daher zwei neuartige Feldhomogenisiemngsverfahren vorgestellt, die ohne den metallischen Modenrührer auskommen. Bei dem ersten vorgestellten Verfahren wird die Feldhomogenisierung durch ein reaktiv belastetes Antennenfeld erreicht. Durch die Variation der Reaktanzen werden die Resonanzfrequenzen des Resonators geändert und so eine Verwirbelung der Moden erreicht. Die Funktionsweise wird an Hand eines vereinfachten Netzwerkmodells der feldvariablen Kammer begründet. Die Reaktanzen werden dabei durch variable Kurzschlussschieber realisiert. Sie können aber auch durch Hochfrequenzschalter mit unterschiedlich langen, am Ende kurzgeschlossenen Leitungen aufgebaut werden. Bei geeigneter Wahl der Reaktanzen zeigt sich eine gute Homogenität und Isotropie des elektromagnetischen Feldes. Die Messungen zeigen in einer Kammer mit extrem hoher Güte eine nur leichte Überschreitung der in der Norm lEC 61000-4-21:2003 festgelegten Grenzwerte. Eine weitere Verbesserung lässt sich durch die Verwendung einer zweiten Anregungsantennengmppe erreichen. Einer zukünftigen Optimierung bietet dieses Verfahren noch genügend Potential. Zum einen sind bei der Positioniemng, Orientiemng und Polarisation des Antennenfeldes noch viele Freiheitsgrade vorhanden. Zum anderen sollte das Verfahren in einer Kammer mit geringerer Güte getestet werden. In [3] wird zudem gezeigt, dass in Modenverwirbelungskammem mit mechanischem Modenrührer durch den geschickten Einsatz von Diffusoren, die platzsparend an den Wänden angebracht werden können, die Feldhomogenität um ca. 1-2 dB verbessert werden kann. In einer Kammer ohne Modenrührer, der an sich schon einen Diffusor darstellt, sollte dieser feldhomogenisierende Effekt von Diffusoren noch ausgeprägter sein. Die zweite vorgestellte Methode benutzt ebenfalls ein Antennenfeld aus Kelch- oder Kegelantennen anstelle des Modenrührers. Bei diesem Verfahren werden alle Antennen aktiv angeregt, jedoch mit unterschiedlichen Phasen. Die Feldhomogenisiemng erfolgt durch eine entsprechende Steuerung dieser Anregungsphasen. Bei einer nicht deterministischen Wahl der Phasen, die auf Grund der geforderten Breitbandigkeit durch variable Umwegleitungen über verschiedene Signallaufzeiten erzeugt werden, werden selbst in einer Kammer mit sehr hohen Gütefaktoren die Grenzwerte für Homogenität und Isotropie der Felder unterschritten. Auch diese Methode lässt sich mit den bereits oben beschriebenen Verfahren noch weiter optimieren. Insbesondere die Anordnung der Antennen in einer nicht symmetrischen Antennengruppe dürfte die entsprechenden Standardabweichungen weiter senken, wie entsprechende Simulationen mit Greenschen Funktionen gezeigt haben. Die Phasensteuemng der Antennen lässt sich außerdem noch mit einer Amplitudensteuemng kombinieren (siehe Abschnitt 5.1), die einfach über variable Dämpfungsglieder in den Antennenpfaden realisiert werden kann wie sie bereits in der TTD-Schaltung zur Leistungsregelung vorhanden sind. Bei beiden vorgestellten Feldhomogenisierungsmethoden, sowohl mit reaktiv belastetem Antennenfeld als auch mit phasengesteuertem Antennenfeld, können die bei der Verwendung eines mechanischen Modenrührers systemimmanenten Nachteile eliminiert werden. Neben dem größeren zur Verfügung stehenden Prüfvolumen und der erheblichen Einsparung an Prüf- und Kalibrierzeit (wirtschaftlicher Vorteil), ist insbesondere die Möglichkeit die Methoden im Vorhinein mit vertretbarem Aufwand zu berechnen und zu simulieren von Vorteil.
