DE4431480C1 - Leitungsstruktur zum Übertragen hochfrequenter elektromagnetischer Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Leitungsstruktur zum Über­ tragen hochfrequenter elektromagnetischer Wellen, ins­ besondere TEM-Wellen. Eine derartige Leitungsstruktur findet vorzugsweise Anwendung bei einer Vorrichtung zur EMV-Prüfung elektrischer bzw. elektronischer Geräte.

Bei einer Vielzahl von Leitungsstrukturen, in denen sich hochfrequente transversal elektromagnetische Fel­ der ausbilden, ist entscheidend, daß die Leitungsstruk­ tur möglichst reflexionsarm abgeschlossen ist, und zwar über eine Bandbreite von 0 Hz bis in den GHz-Bereich. Ein Anwendungsbereich sind die sogenannten TEM-Zellen, bei denen es sich um Vorrichtungen zur Prüfung der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV, im Englischen mit electromagnetic interference - EMI - bezeichnet) von insbesondere elektrischen bzw. elektronischen Gerä­ ten handelt. TEM-Zellen dienen der definierten Erzeu­ gung eines transversal elektromagnetischen Feldes zur Nachbildung realer Störgrößen. Die als aufgeweitete Leitungsstruktur mit einem elektrisch leitenden Innen­ leiter und einem diesen umgebenden elektrisch leitenden Außenleiter zu verstehende Zellenstruktur weist einen Nutzbereich und ein oder mehrere Übergangsbereiche zur Anbindung von Signalgenerator und Leitungsabschluß auf. Das auf seine EMV-Eigenschaften zu prüfende Gerät wird im Nutzbereich angeordnet. Der bzw. die Übergangsbe­ reiche und der Leitungs- bzw. Zellenabschluß haben er­ heblichen Einfluß auf die Feldqualität im Nutzbereich, in dem sich ein transversal elektromagnetisches Feld ausbilden soll, dessen E- und H-Komponenten im gesamten Nutzbereich rechtwinklig zur Ausbreitungsrichtung des Feldes gerichtet sind. Aufgrund der kritischen Be­ reiche, nämlich des bzw. der Übergangsbereiche und des Zellenabschlusses sind die bekannten Zellenkonstruk­ tionen lediglich eingeschränkt zu nutzen, was den Frequenzbereich betrifft.

In "Generation of Standard EM Fields Using TEM Trans­ mission Cells", Crawford, M.L., IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Vol. EMC-16, No. 4, Nov. 1974, ist die klassische Konstruktion einer TEM-Zelle (sogenannte Crawford-Zelle) beschrieben. Diese Zelle weist einen hochsymmetrischen Aufbau mit einem mitt­ leren Nutzbereich, in dem der Außenleiter und der Innenleiter einen gleichbleibenden Querschnitt auf­ weisen, und zwei beidseitig an den Nutzbereich angren­ zende Übergangsbereiche auf, die pyramidenförmig ausge­ bildet sind. In den Übergangsbereichen verjüngt sich die Crawford-Zelle zu ihren Enden beidseitig des Nutz­ bereichs hin. An dem schmalen Ende des einen Übergangs­ bereichs erfolgt die Signaleinspeisung, während an dem schmalen Ende des anderen Übergangsbereichs der Zellen­ abschluß angeordnet ist. Die Crawford-Zelle weist schmalbandige Resonanzerscheinungen höherer Wellenfor­ men auf, die im Nutzbereich Feldstärkeüberhöhungen um einen Faktor von bis über 40 verursachen. Folglich wird eine Beschränkung auf Frequenzen unterhalb der unter­ sten Resonanzfrequenz vorgenommen, die bei üblichen Zellendimensionen bei etwa 50 bis 300 MHz liegt.

Aus EP-0 246 544 B1 ist eine TEM-Zelle bekannt, die als Nutzbereich eine sich pyramidenförmig aufweitende Leitungsstruktur aufweist, welche an ihrem aufgeweite­ ten Ende durch eine sphärische Absorberwand abgeschlos­ sen ist. Dieser TEM-Zellentyp (auch GTEM-Zelle genannt) ist auch in "A Broadband Alternative EMC Test Chamber Based on a TEM-Cell Anechoic-Chamber Hybrid Concept", Hansen, D., Wilson, P., Koenigstein, D. und Schaer H., Proceedings of the 1989 International Symposium on Electromagnetic Compatibility, Nagoya, Japan, 8. bis 10. September 1989, Vol. 1, Seiten 133 bis 137, be­ schrieben. Grundprinzip der GTEM-Zelle ist die Vermei­ dung unerwünschter Diskontinuitäten, wie sie der Über­ gang zwischen Aufweitung und Nutzbereich konventionel­ ler TEM-Zellen darstellt. Diese unerwünschten Diskonti­ nuitäten werden vermieden, indem die Leitungsstruktur in Feldausbreitungsrichtung betrachtet geradlinig ver­ läuft, nämlich ausschließlich aus dem sich pyramiden­ förmig aufweitenden Übergangsbereich konventioneller TEM-Zellen besteht. Die pyramidenartige Aufweitung stellt also den Nutzbereich der GTEM-Zelle dar. In die­ sem Nutzbereich ist die Feldstärke konstruktionsbedingt ortsabhängig. Neben der sphärischen Absorberwand, deren Mittelpunkt in der Spitze des pyramidenartigen Nutzbe­ reichs liegt, werden als Zellenabschluß konzentrierte Widerstandselemente eingesetzt, die zwischen den Innen­ leiter und die Absorberwand geschaltet sind. Infolge ungünstiger geometrischer Verhältnisse und Reflexionen an der Absorberwand ist die GTEM-Zelle im unteren Frequenzbereich (0 bis 200 MHz) nur beschränkt einsetz­ bar.

Schließlich ist in "Expanding the bandwidth of a TEM- cell with a planar terminator", Jendernalik, L., Peier, D., Proceedings of 10th International Zurich Symposium and Technical Exhibition on Electromagnetic Compatibi­ lity, 9. bis 11. März 1993, Seiten 579 bis 582, ein TEM-Zellentyp mit flächigem Abschluß beschrieben. Die­ ser TEM-Zellentyp weist einen pyramidenförmig aufgewei­ teten Übergangsbereich und einen sich daran an­ schließenden Nutzbereich auf, der an seinem dem Über­ gangsbereich abgewandten Ende mit einer Wand aus re­ sistivem Material oder aus einer Wand mit einer Innen­ beschichtung aus resistivem Material verschlossen ist. Das resistive Material weist einen Flächenwiderstand von 377 Ω auf, was dem Feldwellenwiderstand des freien Raums entspricht. Neben einem kompakten Aufbau wird mit diesem bekannten TEM-Zellentyp eine deutliche Verminde­ rung der Resonanzen erreicht. Eine mit der Frequenz steigende Abstrahlung des flächigen Zellenendes jedoch bedingt die Begrenzung der nutzbaren Bandbreite auf 50 bis 300 MHz und stellt außerdem eine nicht optimale Entkopplung zwischen dem Innern der Zelle und der Um­ gebung dar.

In dem zuvor genannten Artikel ist auch eine Leitungs­ struktur für eine TEM-Zelle beschrieben, bei der der Innenleiter an seinem zum Flächenabschluß hin angrenzenden Ende eine Einschnürung aufweist. Diese Einschnürung des Innenleiters wird jedoch nicht als Entkopplungsinduktivi­ tät verwendet (weder explizit im Text noch indirekt in den Bildern erwähnt). Vielmehr soll die derart eingebrachte Induktivität in Form der Einschnürung eine Veränderung der Strahlungsimpedanz bewirken.

Die Wirkung einer Induktivität zur Entkopplung des flächi­ gen Abschlusses wird erstmals in der Dissertation von Wittler (Dortmund 1992, S. 36 ff) beschrieben, auf die in dem zuvor genannten Artikel als Zitatstelle [5] Bezug ge­ nommen wird. Es wird explizit die Wirkung einer Innen­ leitereinschnürung beschrieben, wobei deutlich auf eine parallel liegende Kapazität hingewiesen wird, die bei hohen Frequenzen den erhofften Effekt einer Entkopplung wieder aufhebt. Die Kapazität ist zwischen der dem flächi­ gen Abschluß zugewandten Stirnseite des Innenleiters und dem flächigen Abschluß angeordnet. Im Ersatzschaltbild liegt diese Kapazität also paralle zur gewünschten Induk­ tivität. Es ist offensichtlich, daß diese Maßnahme (Ein­ schnürung) nicht ausschließlich zu einer Induktivität füh­ ren kann, sondern immer eine LC-Parallelschaltung bewirken muß, was ebenfalls deutlich in der Dissertation von Witt­ ler ausgeführt wird.

In SCHÜTTE, A.: Nanosenkunden für die EMV-Prüftechnik. In: etz Bd. 114 (1993), Heft 4, S. 270-275 wird eine Induktivi­ tät diskutiert, die einen anderen Verwendungszweck hat. Es wird zwar von einer Entkopplungsinduktivität vor dem Ab­ schluß gesprochen (S. 274 oben, Zeile 9, 1. Absatz), je­ doch wird ihr im nächsten Halbsatz eine kompensierende Wirkung zugeschrieben. Die Induktivität ist im Ersatz­ schaltbild deshalb eher im Pfad der Strahlungsimpedanz als im Pfad der ohmschen Komponente des flächigen Abschlusses anzuordnen. Deshalb ist der Begriff "Entkopplungsindukti­ vität" in diesem Zusammenhang irreführend. Zudem wird die genaue Lage und Ausführung der Induktivität nicht näher beschrieben.

Aus DE 31 30 487 A1 ist eine Leitungsstruktur mit einem Ferritabsorber zur Reduktion von Reflexionen bekannt.

Aus der obigen Diskussion wird deutlich, daß im Stand der Technik bisher noch keine konstruktiven Lösungen für eine induktive Entkopplung des Abschlusses einer TEM-Zelle ge­ funden worden ist, die ausschließlich induktiven Charakter und insbesondere keinen kapazitiven Anteil aufweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lei­ tungsstruktur zu schaffen, die innerhalb einer Bandbreite von 0 Hz bis in den GHz-Bereich einen im wesentlichen reflexionsfreien Abschluß aufweist und insbesondere als TEM-Wellenleiter für Vorrichtungen zur EMV-Prüfung elektrischer bzw. elektronischer Geräte verwendet werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird mit der Erfindung eine Leitungsstruktur mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2-15 angegeben.

Die erfindungsgemäße Leitungsstruktur weist an ihrem dem Einspeisungsende abgewandten Ende ein insbesondere flächiges Abschlußelement auf, das mechanisch (und damit auch elektrisch) mit sowohl dem Innenleiter als auch dem Außenleiter verbunden ist. Das Abschlußelement weist resistives Material auf, das einen Flächenwider­ stand von 377 Ω hat und einen Gleichstromwiderstand darstellt, der gleich dem Leitungswellenwiderstand der Leitungsstruktur ist. Anders ausgedrückt ist das Ab­ schlußelement derart dimensioniert, daß Leistungsanpas­ sung und Reflexionsfreiheit bzw. kaum Reflexion vor­ liegen. Um bei einem leistungsangepaßten und einen dem Feldwellenwiderstand des freien Raums gleichenden Flächenwiderstand aufweisenden Abschlußelement auch im oberen MHz- sowie im GHz-Bereich einen nahezu re­ flexionsfreien Abschluß einer Leitungsstruktur erhalten zu können, ist erfindungsgemäß eine frequenzabhängig aktivierte Entkopplungsvorrichtung vorgesehen, die bei hochfrequenten elektromagnetischen Wellen (MHz/GHz-Be­ reich) Innen- und Außenleiter voneinander entkoppelt.

Damit verhält sich die Leitungsstruktur in diesem hoch­ frequenten Bereich wie eine unendlich ausgedehnte Lei­ tung, weshalb Reflexionen nicht auftreten. Die erfin­ dungsgemäße Leitungsstruktur läßt sich also bis in den GHz-Bereich hinein betreiben. Das flächige Abschluß­ element sorgt darüber hinaus für eine Unterdrückung von Resonanzen höherer Moden, d. h. von elektromagnetischen Wellen, deren E- und/oder H-Komponenten nicht transver­ sal zur Ausbreitungsrichtung gerichtet sind.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Entkopplungsvorrichtung kann als zusätzliches Element am abzuschließenden Ende der Leitungsstruktur ausgebildet sein. Es ist aber auch möglich, die Entkopplungsvorrichtung durch geeignete Ausgestaltung des abzuschließenden Endes der Leitungs­ struktur zu realisieren.

Die erfindungsgemäß vorgesehene Entkopplungsvorrichtung ist eine Induktivität, die bei höheren Frequenzen (MHz/GHz-Bereich) eine derart hohe Reaktanz aufweist, daß der von dem Abschlußelement repräsen­ tierte Gleichstromwiderstand (induktiv) abgekoppelt ist. Die induktive Entkopplung von Außen- und Innenlei­ ter wird zweckmäßigerweise durch ein Induktivitätsmate­ rial bzw. eine Induktivitätsmaterialschicht realisiert, die am reflexionsarm abzuschließenden Ende der Lei­ tungsstruktur vorgesehen wird. Als Induktivitätsmate­ rial eignet sich insbesondere ein Ferritmaterial, d. h. ein Material hoher relativer Permeabilität. Insbeson­ dere wird ein Ferritmaterial mit einer relativen Per­ meabilitätszahl bei Frequenzen ab etwa 10 KHz bzw. ab etwa 100 KHz, insbesondere im Hochfrequenzbereich (MHz/ GHz-Bereich) von 20 bis 100, vorzugsweise 30 bis 50, eingesetzt. Das Induktivitätsmaterial wird am Innenlei­ ter und/oder am Außenleiter angebracht, und zwar vor­ zugsweise derart, daß neben der mechanischen (und damit auch elektrischen) Verbindung der Außen- und Innenlei­ ter mit dem Abschlußelement auch die Induktivitätsmate­ rialschicht des Innen- und/oder Außenleiters das Ab­ schlußelement kontaktiert. Das Induktivitätsmaterial kann sich auch (oder auch zusätzlich) an dem Abschluß­ element befinden und reicht dann bis zum Innenleiter bzw. Außenleiter. In jedem Fall ist es so, daß die In­ duktivitätsmaterialschicht sozusagen parallel zur Kon­ taktierung zwischen Außenleiter und Abschlußelement oder zwischen Innenleiter und Abschlußelement angeord­ net ist und sich über den gesamten Innenleiter bzw. Außenleiter im Kontaktierungsbereich zum Abschluß­ element erstreckt. Zweckmäßigerweise ist also stets der gesamte Übergangsbereich zwischen Innenleiter und Ab­ schlußelement bzw. Außenleiter und Abschlußelement mit dem Induktivitätsmaterial belegt. Die Induktivitäts­ materialschicht ist nach Art eines um den Innenleiter umlaufenden Material rings mit einer gewissen Schichtdicke ausgebildet, wobei der Induktivitätsmaterialring zweckmäßig an das Abschluß­ element angrenzt.

Für die induktive Entkopplung ist zunächst einmal aus­ schlaggebend, daß sich das Induktivitätsmaterial (irgendwo) an dem Innenleiter und/oder dem Abschluß­ element und/oder dem Außenleiter befindet. Insbesondere ist es möglich, daß das Induktivitätsmaterial an/auf dem Innenleiter angeordnet und von dem Abschlußelement beabstandet ist. Auch die flächige Erstreckung, d. h. die Ausdehnung der Belegung einer oder mehrerer der vorher genannten Komponenten der Leitungsstruktur mit Induktivitätsmaterial ist grundsätzlich nicht entschei­ dend. Es muß lediglich im Hochfrequenzbereich (MHz/GHz- Bereich) zu einer Entkopplung von Außen- und Innenlei­ ter kommen.

Zur Entkopplung des Innern der Leitungsstruktur und der Umgebung der Leitungsstruktur wird gemäß einer vorteil­ haften Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, in Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Wellen betrachtet hinter dem Abschlußelement eine Absorptions­ vorrichtung zum Absorbieren der sich bei entkoppeltem Innen- und Außenleiter ausbreitenden elektromagneti­ schen Wellen an dem mit dem Abschlußelement versehenen Ende der Leitungsstruktur anzuordnen. Die Absorptions­ vorrichtung ist mit dem Außenleiter verbunden und ist insbesondere von dem Abschlußelement beabstandet posi­ tioniert. Zweckmäßigerweise ist das Abschlußelement in Bezug auf den Außenleiter zurückspringend angeordnet, d. h. der Außenleiter ragt noch über das Abschlußelement hinaus. Auf diese Weise entsteht in Ausbreitungsrich­ tung der elektromagnetischen Wellen bzw. des elektro­ magnetischen Feldes betrachtet hinter dem Abschluß­ element ein weiterer Raum, der durch die Absorptions­ vorrichtung verschlossen ist. Die Aufgabe der Absorp­ tionsvorrichtung ist es, im Hochfrequenzbereich (MHz/ GHz-Bereich) durch das Abschlußelement hindurchtretende elektromagnetischen Wellen (wegen der Entkopplung durch die Entkopplungsvorrichtung "sieht" das sich ausbrei­ tende elektromagnetische Feld das Abschlußelement nicht mehr) zu absorbieren und auf diese Weise einerseits eine Reflexion zu verhindern und andererseits für eine Abschirmung des Innern der Leitungsstruktur gegenüber der Umgebung zu sorgen.

Als Absorptionsvorrichtungen eignen sich sämtliche für derartige Zwecke eingesetzte Elemente bzw. Anordnungen gleichermaßen. Insbesondere kann die Absorptionsvor­ richtung ein Induktionsmaterial bzw. eine Induktions­ materialschicht aufweisen, bei dem bzw. bei der es sich um ein Ferritmaterial handelt. Das Induktionsmaterial ist zweckmäßigerweise als Auskleidung des Bereichs hin­ ter dem Abschlußelement ausgebildet.

Alternativ und/oder zusätzlich kann die Absorptionsvor­ richtung pyramidenförmige Hochfrequenz-Spitzenabsorber aufweisen, wie sie beispielsweise in der bereits oben erwähnten EP-0 246 544 B1 beschrieben sind.

Die erfindungsgemäße Leitungsstruktur ist insbesondere geeignet für TEM-Zellen mit einem sich pyramidenartig aufweitenden Übergangsbereich und einem sich daran an­ schließenden im Querschnitt konstanten Nutzbereich, der mit dem erfindungsgemäßen Abschluß (Abschlußelement mit Entkopplungsvorrichtung und, in zweckmäßiger Weiterbil­ dung davon, mit nachgeschalteter Absorptionsvorrich­ tung) versehen ist. Hauptaspekt der erfindungsgemäßen Leitungsstruktur ist deren Hybridabschluß (Abschluß­ element mit insbesondere induktiver Entkopplung durch die Entkopplungsvorrichtung und in zweckmäßiger Weiter­ bildung davon mit nachgeschalteter Absorptionsvorrich­ tung), für den unabhängig von der Leitungsstruktur Schutz beansprucht wird.

Nachfolgend wird anhand der Figuren ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zei­ gen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine TEM-Zelle mit Hybridabschluß,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 1,

Fig. 3 die TEM-Zelle gemäß Fig. 1 im Horizontalschnitt oberhalb des Innenleiters,

Fig. 4 das Ersatzschaltbild der TEM-Zelle gemäß den Fig. 1 bis 3 für Wellenlängen des elektromag­ netischen Feldes, die größer als oder im wesentlichen gleich den Geometrieabmessungen der TEM-Zelle sind, und

Fig. 5 das Ersatzschaltbild der TEM-Zelle gemäß den Fig. 1 bis 3 bei Wellenlängen des elektromag­ netischen Feldes, die kleiner und insbesondere wesentlich kleiner als die Geometrieabmessungen der TEM-Zelle sind.

In Fig. 1 ist in Seitenansicht und teilweise im Längs­ schnitt eine TEM-Zelle 10 gezeigt, die ein Beispiel für die hier in Rede stehende Leitungsstruktur ist. Die TEM-Zelle 10 weist einen sich pyramidenartig aufweiten­ den Übergangsbereich 12 auf, der sich ausgehend von einem spitzen bzw. kleinformatigen Ende 14 bis zu einem im Querschnitt großflächigen Ende 16 erstreckt. An das im Querschnitt großflächige (aufgeweitete) Ende 16 des Übergangsbereichs 12 schließt sich ein Nutzungsbereich 18 an, der an seinem dem Übergangsbereich 12 abgewand­ ten freien Ende durch eine Abschlußvorrichtung 20 abge­ schlossen, d. h. mechanisch verschlossen ist.

Die TEM-Zelle 10 weist einen metallischen Außenleiter 22 und einen metallischen Innenleiter 24 auf, der von dem Außenleiter 22 umgeben ist. Der Innenleiter 24 ist bandförmig ausgebildet. Der Außenleiter 22 ist im Über­ gangsbereich 12 der TEM-Zelle 10 pyramidenartig ausge­ staltet, während der mittig angeordnete Innenleiter im Übergangsbereich 12 nach Art eines Dreiecks ausgebildet ist (s. die Draufsicht gemäß Fig. 3). An dem spitz zu­ laufenden Ende 14 ist an der TEM-Zelle 10 ein Anschluß 26 vorgesehen, über den die Signaleinspeisung erfolgt. Im Nutzbereich 18 weist der Außenleiter 22 im Quer­ schnitt eine quadratische Gestalt auf, während der Innenleiter 24 eine konstante Breite aufweist. Der Innenleiter 24 ist durch Halteelemente 28 aus dielek­ trischem Material, beispielsweise Polyethylen, in der Mittelhorizontalebene innerhalb des Außenleiters 22 gehalten.

In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel ist der Innenleiter 24 als Bandmaterial und massiv ausgebildet. Je nach der Dimensionierung der TEM-Zelle 10, insbeson­ dere bei großvolumigen TEM-Zellen mit Querschnitten im Nutzungsbereich 18 von beispielsweise < 1,5 m² setzt man zweckmäßigerweise einen Innenleiter ein, der hohl ausgebildet ist. Je nach Stärke des elektromagnetischen Feldes sollte der Innenleiter gerundete Kanten aufwei­ sen.

Der Aufbau der Abschlußvorrichtung 20 mit induktiver Entkopplung von Innenleiter 24 und Außenleiter 22 im Hochfrequenzbereich (MHz/GHz-Bereich) ist im Längs­ schnitt in Fig. 1 dargestellt. Am dem spitz zulaufenden Ende 14 des Übergangsbereichs 12 abgewandten freien Ende 30 des Nutzbereichs 18 sind der Außenleiter 22 und der Innenleiter 24 über ein Abschlußelement 32 mitein­ ander verbunden. Das Abschlußelement 32 weist eine resistive Materialschicht auf, die als (Widerstands-) Folie 34 auf eine Trägerwand 36 aufgebracht ist. Bei dem resistiven Material handelt es sich beispielsweise um sogenanntes "space paper", das einen Flächenwider­ stand aufweist, der gleich dem Feldwellenwiderstand des freien Raums, also etwa 377 Ω ist. Als resistives Mate­ rial können aber auch Polycarbonat-Folien eingesetzt werden, die, sofern sie einen Flächenwiderstand größer als 377 Ω aufweisen, durch geeignete Maßnahmen (Aus­ stanzungen o. dgl.) derart bearbeitet werden, daß sich ein Flächenwiderstand von 377 Ω ergibt. Sowohl der Außenleiter 22 als auch der Innenleiter 24 grenzen an die Folie 34 an. Die Folie 34 entspricht im Ersatz­ schaltbild der TEM-Zelle 10 einem Gleichstrom-Abschluß­ widerstand, der gleich dem ohmschen Leitungswiderstand ist. Auf das den Nutzbereich 18 abschließende Abschluß­ element 32 ist von außen eine Absorptionsvorrichtung 38 aufgebracht, die konstruktiv die Form eines metalli­ schen Deckels 40 mit einem Absorptionsmaterial 42 als Innenverkleidung aufweist. Auf die Absorptionsvorrich­ tung 38 wird weiter unten noch eingegangen werden.

An seinem die Folie 34 aus resistivem Material kontak­ tierenden Endabschnitt 44 ist der Innenleiter 24 über seine gesamte Fläche mit einem induktiven Material 46 belegt, das als Ring den Innenleiter 24 umgibt. Die Induktivitätsmaterialschicht 46 grenzt an die Folie 34 an und kontaktiert diese. Die Induktivitätsmaterial­ schicht 46 besteht aus einem Ferritmaterial, das für Frequenzen oberhalb etwa 10 (100) Hz eine relative Per­ meabilitätszahl von 30 und mehr aufweist, und koppelt den von dem Abschlußelement 32 repräsentierten Gleich­ stromwiderstand induktiv an den Innenleiter 24 an. Das den Innenleiter 24 umschließende Induktionsmaterial 46 stellt eine (induktive) Entkopplungsvorrichtung 48 zum Entkoppeln von Innenleiter 24 und Außenleiter 22 bei Frequenzen im MHz/GHz-Bereich dar.

Auch die Absorbermaterialauskleidung 42 des Deckels 40 der Absorptionsvorrichtung 38 besteht aus einem Ferrit­ material mit einer relativen Permeabilitätszahl von 30 und mehr.

Bei der zuvor beschriebenen und in den Zeichnungen dar­ gestellten TEM-Zelle 10 können über den gesamten Frequenzbereich von 0 Hz bis in den GHz-Bereich zwei verschiedene Betriebszustände unterschieden werden. Beim Betrieb der TEM-Zelle mit Wellenlängen, die größer oder gleich den Geometrieabmessungen der TEM-Zelle 10 sind, kann als Ersatzschaltbild die Schaltung gemäß Fig. 4 angesetzt werden. Der durch den Innenleiter 24 und den Außenleiter 22 bestimmte Leitungswiderstand der TEM-Zelle wird mit Z₀ angegeben. Die Folie 34 aus re­ sistivem Material des Abschlußelements 32 stellt im Ersatzschaltbild den Gleichstromwiderstand Z₀ dar, der wegen der induktiven Kopplung über das Induktionsmate­ rial 46 mit einer Induktivität L in Reihe geschaltet ist und den Außenleiter 22 mit dem Innenleiter 24 ver­ bindet. Im Frequenzbereich von 0 Hz bis einige 100 MHz verhält sich die TEM-Zelle 10 wie die in der Beschrei­ bungseinleitung erwähnte bekannte TEM-Zelle mit flächi­ gem Abschluß. Reflexionen am Abschlußelement 32 ent­ stehen nicht oder kaum, so daß in erster Näherung von einem reflexionsfreien Abschluß in diesem Frequenzbe­ reich gesprochen werden kann. Für Frequenzen im MHz/ GHz-Bereich wird der Gleichstromwiderstand Z₀ des Ab­ schlußelements 32 von dem Innenleiter 24 entkoppelt, da sich in diesem Bereich die induktive Entkopplungsvor­ richtung 48 bemerkbar macht. Es stellt sich demzufolge das Ersatzschaltbild gemäß Fig. 5 ein (TEM-Wellenlängen kleiner, insbesondere wesentlich kleiner als die Geo­ metrieabmessungen der TEM-Zelle 10). Die TEM-Zelle 10 verhält sich wegen des "offenen" Abschlußelements 32 wie eine unendlich ausgedehnte Leitung, da das das Ab­ schlußelement 32 passierende elektromagnetische Feld von der Absorptionsvorrichtung 38 absorbiert wird, Reflexionen also nicht auftreten. In dem Ersatzschalt­ bild gemäß Fig. 5 kann dieser Zustand dadurch schal­ tungstechnisch nachempfunden werden, daß die Außenlei­ tung 22 mit der Innenleitung 24 über einen Gleichstrom­ widerstand Z₀ verbunden werden, der die Absorptionsvor­ richtung 38 schaltungstechnisch repräsentiert. Im Frequenzbereich oberhalb einiger 100 MHz bis in den gesamten GHz-Bereich hinein ist damit die TEM-Zelle 10 einerseits reflexionsfrei oder beinahe reflexionsfrei abgeschlossen und andererseits wird auch dafür gesorgt, daß das elektromagnetische Feld aus dem Innern der TEM- Zelle nicht in die Umgebung übertragen wird; es liegt also eine Entkopplung von Innenraum und Umgebung durch Abschirmung vermittels der Absorptionsvorrichtung 38 vor (für Frequenzen im MHz/GHz-Bereich, da unterhalb dieser Frequenzen das Abschlußelement 32 auch als Ab­ schirmung fungiert).

Die hier beschriebene TEM-Zelle 10 ist sowohl für den continuos wave mode (CW-mode) als auch für den Impuls­ betrieb geeignet. Theoretische Untersuchungen und Mes­ sungen an gemäß obiger Vorschrift ausgebildeten TEM- Zellen haben gezeigt, daß sich über den gesamten interessierenden Frequenzbereich (0 Hz bis weit in den GHz-Bereich hinein) Rückflußdämpfungen von kleiner als -20 dB ergeben (bei Abmessungen des Außenleiters von etwa 30 cm × 30 cm).

Die vorstehend beschriebene Abschlußvorrichtung 20 (Hybridabschluß) der TEM-Zelle 10 weist zusammengefaßt die folgenden Eigenschaften auf:

• - Der Gleichstromwiderstand Z₀ wird durch das re­ sistive Material (Folie 34) eingestellt.
• - Die Ferritummantelung des Innenleiters 24 (Induk­ tionsmaterial 46) koppelt den Gleichstromwider­ stand Z₀ bei höheren Frequenzen (MHz/GHz-Bereich) induktiv ab. Der Abschluß der Leitungsstruktur wird durch die Abstrahlung des flächigen Abschluß­ elements 32 erreicht.
• - Zur Entkopplung von Innen- und Außenraum wird das Zellenende mit einem metallischen Halbraum abge­ schlossen (Deckel 40 mit Innenauskleidung 42). Die Auskleidung mit Ferritabsorbern erlaubt eine aus­ reichende Dämpfung des Zellenabstrahlung. Eine bei Ferritabsorbern zu beachtende untere Grenzfrequenz im Bereich weniger 10 MHz ist zu vernachlässigen, da die Abstrahlung des Zellenendes bei üblichen Zellendimensionen erst oberhalb dieses Frequenzbe­ reichs einsetzt. Deshalb sind im mittleren Fre­ quenzbereich (30 bis 300 MHz) keine Übergangs­ probleme zu erwarten.
• - Der Nutzbereich 18 der TEM-Zelle 10 ist parallel­ eben ausgeführt (gleichbleibender Querschnitt), wie dies auch bei der Standard-Crawford-Zelle der Fall ist. Dies gewährleistet eine ortsunabhängige Feldstärke sowie zwei identische Prüfvolumina (oberhalb und unterhalb des Innenleiters, der in der Horizontalebene beabstandet zum Außenleiter angeordnet ist). Somit kann die ungestörte Feld­ stärke online bei Prüfungen gemessen werden, was insbesondere im Impulsbetrieb ein wichtiges Krite­ rium darstellt. Weiterhin ist auch bei sehr nied­ rigen Frequenzen keine Feldverzerrung zu beobach­ ten. Folglich kann dieser Zellentyp ohne Ein­ schränkungen auch im Impulsbetrieb eingesetzt wer­ den.
• - Resonanzen höherer Moden werden durch den Hybrid­ abschluß nahezu vollständig unterdrückt. Im Gegen­ satz zu konventionellen TEM-Zellen gelangen höhere Moden direkt bis zum Abschlußwiderstand und werden gedämpft. Zudem stellt der in Zellenlängsrichtung unsymmetrische Zellenaufbau (lediglich ein sich pyramidenförmig aufweitender Übergangsbereich 12 mit einem sich daran anschließenden im Querschnitt gleichbleibenden Nutzbereich 18 und flächigem Ab­ schluß) wesentlich schlechtere Bedingungen dar, was die Auswirkung von Resonanzen betrifft.

Claims (15)

1. Leitungsstruktur zum Übertragen elektromagnetischer Wellen, insbesondere TEM-Wellenleiter für Vorrichtungen zur EMV-Prüfung insbesondere elektrischer und/oder elektronischer Geräte, mit

• - einem elektrischen Innenleiter (24),
• - einem elektrischen Außenleiter (22), der den Innenleiter (24) umgibt,
• - einem Abschlußelement (32), das mit dem Innen­ leiter (24) und dem Außenleiter (22) verbunden ist, und
• - einer zwischen dem Innenleiter (24) und dem Ab­ schlußelement (32) angeordneten frequenzabhängigen Entkopplungsvorrichtung (48) zum Entkoppeln von Innenleiter (24) und Außen­ leiter (22) bei hochfrequenten elektromagneti­ schen Wellen,
• - wobei die Entkopplungsvorrichtung (48) min­ destens eine als Induktivität (L) wirkende Induktivitätsmaterialanordnung (46) aufweist, die sich an/auf dem Innenleiter (24) befindet, und
• - wobei die Induktivitätsmaterialanordnung (46) nach Art eines um den Innenleiter (24) um­ laufenden und an das Abschluß­ element (32) angrenzenden Rings aus einem Ferritmaterial ausgebildet ist.

2. Leitungsstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in Ausbreitungsrichtung der elektro­ magnetischen Wellen betrachtet hinter dem Ab­ schlußelement (32) eine Absorptionsvorrichtung (38) zum Absorbieren hochfrequenter elektromagnetischer Wellen angeordnet ist.

3. Leitungsstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Induktivi­ tätsmaterialanordnung im Übergangsbereich (44) zwi­ schen dem Innenleiter (24) und dem Abschlußelement (32) auf dem Innenleiter (24) und/oder dem Ab­ schlußelement (32) und/oder im Übergangsbereich zwischen dem Außenleiter (22) und dem Abschluß­ element (32) an dem Außenleiter (22) und/oder dem Abschlußelement (32) positioniert ist.

4. Leitungsstruktur nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsvorrichtung (38) eine mit dem Außenleiter (22) verbundene Absorber­ wand (40, 42) aufweist.

5. Leitungsstruktur nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Absorberwand (40, 42) von dem Ab­ schlußelement (32) beabstandet ist.

6. Leitungsstruktur nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Absorptionsvor­ richtung (38) eine dem Abschlußelement (32) zuge­ wandte Induktionsmaterialschicht (42) aufweist.

7. Leitungsstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Außenleiter (22) im Bereich zwi­ schen dem Abschlußelement (32) und der Absorp­ tionsvorrichtung (38) mit einer Induktionsmate­ rialschicht (42) ausgekleidet ist.

8. Leitungsstruktur nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Induktionsmaterialschicht (42) ein Ferritmaterial aufweist.

9. Leitungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenleiter (22) und der Innenleiter (24) einen an das Abschluß­ element (32) angrenzenden ersten Längenabschnitt (Nutzbereich 18) jeweils konstanten Querschnitts mit gleichbleibendem Abstand von Außenleiter (22) und Innenleiter (24) aufweisen.

10. Leitungsstruktur nach Anspruch 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß angrenzend an den ersten Längenab­ schnitt (Nutzbereich 18) ein zweiter Längenab­ schnitt (Übergangsbereich 12) vorgesehen ist, in dem sich der Außenleiter (22) von einem dem ersten Längenabschnitt (Nutzbereich 18) abgewandten Ein­ speisungsende (14) zum Einspeisen elektromagneti­ scher Wellen bis zu einem an den ersten Längenab­ schnitt (Nutzbereich 18) angrenzenden Ende insbe­ sondere pyramidenartig aufweitet.

11. Leitungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (24) als massiver Materialstreifen ausgebildet ist.

12. Leitungsstruktur nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß sich der massive Material­ streifen des Innenleiters (24) innerhalb des zwei­ ten Längenabschnitts (Übergangsbereich 12) aus­ gehend von einem dem ersten Längenabschnitt abge­ wandten Ende (Einspeisungsende 14) insbesondere konisch verbreitert.

13. Leitungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (24) hohl ausgebildet ist.

14. Leitungsstruktur nach Anspruch 10 und 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Innenleiter (24) in dem zweiten Längenabschnitt (Übergangsbereich 12) aufweitet.

15. Leitungsstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenleiter (24) und der Außenleiter (22) elektrisch gut leitendes Material, insbesondere Metall, aufweisen.