Geometrische Unsicherheitsbetrachtung von rundkoaxialen TEM-Zellen

Abstract

Ein wesentliches Arbeitsgebiet in der EMV ist neben der Ermittlung der Störaussendung von elektrischen und elektronischen Geräten auch die Bestimmung der Störfestigkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern. Um die Reproduzierbarkeit der EMV-Untersuchungen gewährleisten zu können, sollten die Felder in einem bestimmten Feldtyp vorliegen. Als Feldtyp wird dabei der transversal elektromagnetische Mode (TEM-Mode) gewählt. In der Vergangenheit bestand die Herausforderung darin, den TEM-Mode auf einem Freifeld zu erzeugen. Um Feldtests auch in einer Laborumgebung unter Fernfeldbedingungen gewährleisten zu können, wurde das Feld einer Zweileiteranordnung näher untersucht. In der Arbeit von Schelkunoff [5] wurde gezeigt, dass das Feld bei Leitungsanordnungen mit zweifach berandetem Querschnitt sich zunächst immer im TEM-Mode ausbreitet. Erst bei höheren Frequenzen treten Hohlleitermoden (TM- und TE-Mode) auf. TEM-Zellen haben sich seit Jahren als Mittel zur Darstellung von TEM-Feldern in der EMV-Messtechnik bewährt. Die TEM-Zelle bietet die Möglichkeit, in einer abgeschlossenen Messumgebung die Störfestigkeit oder Störaussendung von elektrischen und elektronischen Mess- oder Prüfkörpern unter Fernfeldbedingungen zu erfassen. Die Frage nach der Messunsicherheit von TEM-Wellenleitern stellt sich in der neueren Zeit wieder, seit mit der Erstellung der Norm zum Thema „Kalibration von Feldsensoren“ (IEC 61000-4-26 – Field Probe Calibration) begonnen wurde. Bei der Nutzung eines Kalibriernormals müssen gemäß GUM [1] auch die Unsicherheiten des Normals angegeben werden. In diesem Beitrag wird der Unsicherheitsbeitrag der Geometrie des TEM-Wellenleiters untersucht. Als mathematischer Ansatz werden die verallgemeinerten Leitungsgleichungen (engl. generalized telegraphist equations, GTEs) verwendet [6]. Die GTEs eignen sich besonders gut für die Untersuchung an TEM-Wellenleitern, da nicht nur das gesamte Feld, sondern auch das Kopplungsverhalten des TEM-Mode zu den höheren Moden beschrieben wird. In vielen Anwendungen ist die tatsächliche Geometrie der Anordnung nicht ideal bzw. nicht genau bekannt. Daher soll die Randkontur des TEM-Wellenleiters gestört werden und der Einfluss auf die Feldverteilung bestimmt werden. Damit der TEM-Wellenleiter für die Kalibrierung von Feldsonden verwendet werden kann, muss zusätzlich das Resonanzverhalten untersucht werden. Die Anregung von höheren Hohlleitermoden führt zu Resonanzeffekten in der TEM-Zelle. An den Resonanzfrequenzen kommt es zu starken Feldstärkeüberhöhungen, welche die TEM-Zelle als Kalibriernormal unbrauchbar machen. Die erste Resonanzfrequenz grenzt somit den nutzbaren Frequenzbereich der TEM-Zelle ein.