Schirmdämpfungs- und Nahfeldmessungen mit einem elektro-optischen Sensorsystem unter Aspekten der elektromagnetischen Verträglichkeit

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Kurzfassung

Die Messung elektromagnetischer Feldstärken im Nahfeldbereich von Antennen ist eine grundlegende Messaufgabe. Ebenso wichtig ist die Messung der Schirmdämpfung von kleinen, zum Teil mit Leiterplatten bestückten Schirmgehäusen. Verwendete Feldsonden müssen dabei einerseits sehr klein sein, um auch bei eingeschränkten Platzverhältnissen Messungen zu ermöglichen. Andererseits müssen sie eine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit aufweisen, um eine ausreichende Messdynamik zu gewährleisten. Gerade auch bei sehr gut geschirmten Gehäusen muss es noch möglich sein, die Feldstärke im Inneren zu bestimmen. Außerdem dürfen die vorliegenden und zu untersuchenden Feldeigenschaften durch einzubringende Sensoren gar nicht oder nur in sehr geringem Maße verändert werden.

Der in dieser Arbeit gezeigte Lithiumniobat-basierte elektro-optische Sensor besitzt sehr kleine Abmessungen und arbeitet vollständig passiv. Der Messaufnehmer besteht bis auf einen kleinen metallischen Dipol als Empfangsstruktur nur aus dielektrischen Materialien. Durch diese Eigenschaften ist er gut geeignet, auch in Gehäusen mit sehr begrenzten Platzverhältnissen eingebracht zu werden.

In der vorliegenden Arbeit werden zunächst die theoretischen und physikalischen Grundlagen erarbeitet. Außerdem werden das verwendete Messsystem und die unterschiedlichen Messumgebungen explizit vorgestellt. Danach wird untersucht, ob der gezeigte Sensor prinzipiell für die Feldstärkemessung im Nahfeld geeignet ist. Dabei wird besonderes Augenmerk auf die Empfindlichkeit, aber auch auf die geringe Rückwirkung auf das ursprüngliche elektrische Feld gelegt. Hierfür werden Nahfeld-Messungen an einer Doppelsteghornantenne gezeigt und mit theoretischen Werten aus der Literatur verglichen. In einem zweiten Schritt werden die Nahfelddaten transformiert und mit Fernfeldmessungen der Hornantenne verglichen. Alle Daten liegen hierbei in sehr guter Übereinstimmung.

Den Schwerpunkt dieser Arbeit stellen die eigentlichen Schirmdämpfungsmessungen dar. Dazu werden zunächst aktuelle Verfahren und Normen vorgestellt. Danach werden als erster Schritt Messungen an einem einfachen Schirmgehäuse gezeigt, um daran die wichtigsten Kopplungsmechanismen zu bestimmen. Diese zeigen sehr gute Übereinstimmung zu Simulationsergebnissen, die mit CST MICROWAVE STUDIO® generiert wurden. Aufbauend auf diesen Ergebnissen werden weitere Messungen an einem reellen Schirmgehäuse für Motorsteuergeräte gezeigt. Dabei werden sowohl das leere, als auch das mit einer Leiterplatte bestückte Gehäuse vermessen. Außerdem wird gezeigt, dass die Empfindlichkeit des Sensors durch einfache Modifikationen signifikant gesteigert werden kann. Weitere Konsequenzen dieser Modifikationen werden ebenfalls bestimmt. Anschließend werden die Auswirkungen unterschiedlicher Beladungen des Gehäuses auf dessen Schirmwirkung ermittelt. Die Arbeit schließt mit einem Ausblick auf mögliche Magnetfeldmessungen mit dem elektro-optischen Sensorsystem und ersten Messergebnissen für diese Anwendung.

Abstract

Near-field measurements of antennas or other radiating structures are a challenging technique for determining their far-field patterns. Shielding effectiveness measurements especially of small enclosures are as well an important task for the electro-magnetic compatibility (EMC) of running systems. These near-field measurements need to be done without influencing the actual field distribution. Thus a small field probe with very little back scattering effect is required.

In this work a lithiumniobate-based electro-optical field sensor with good sensitivity is shown, which is suitable not only for antenna measurements but also for small devices, where testing power is limited. Interferences to the field distribution are minimized, due to the absence of any conductive material for power supply and measurement signal transmission, which are realized with a fiber optic cable. The sensor itself as well consists of only nonmetallic parts except for two thin and short wires constituting an infinitesimal electric dipole as the receiving structure, the received voltage being applied to the electro optical lithiumniobate modulator.

Initially the theoretical and physical background of the realized measurements is given. Especially the used sensor system and the measurement environments are shown in detail. Afterwards the functionality and accuracy of the sensor system is demonstrated with an aperture scan of a large horn antenna. Measurements correspond well to the known theoretical description of the electric field. Additionally, far-field transforms of the measured data show a good agreement with direct far-field measurements performed at an open area test site.

The main topics of this work are the shielding-effectiveness measurements of small enclosures. Therefore relevant standards and techniques are presented. Afterwards a simple metallic rectangular enclosure which provides variable slot sizes is used as a reference object. Measurements with such an enclosure should give insight into basic coupling mechanisms, but also provide fundamental data for EMC-considerations. The results of the measurements are compared with the simulations of the electric field. For the simulation the program MICROWAVE STUDIO® is used. As a second step measurements with a common motorcontrol unit enclosure are provided. Measurements take place in two different measurement environments. Furthermore the sensor is used in various configurations according to the dynamic range and the usability of these modifications is studied and described.

The work closes with an outlook to future measurements scenarios for measuring the magnetic field strength with the provided electro-optical field sensor.