EMV-Verhalten nicht-linear belasteter Empfangsstrukturen in Resonatoren
Elektrische Schaltungen sind in ihrem Betrieb ständig Störkopplungen ausgesetzt. Um einen zuverlässigen Betrieb zu gewährleisten, müssen elektrische Schaltkreise entsprechend geschützt werden, um die geforderte Störfestigkeit zu erfüllen. Die Störungen können dabei über verschiedene Koppelarten (galvanische, kapazitive, induktive oder Strahlungskopplung) auf eine Schaltung wirken. | ||||
Zum Schutz vor Strahlungskopplung befinden sich empfindliche Schaltkreise meistens in metallischen Gehäusen, die je nach Frequenzspektrum der Störkopplung elektrische Felder absorbieren bzw. magnetische Felder umleiten. Kommt es zu Störungen mit Frequenzanteilen im Mikrowellenbereich, wie sie beispielsweise bei breitbandigen Pulsen (HPEM, LEMP oder NEMP) vorkommen, können diese in die Schaltkreise einkoppeln. Das Gehäuse wirkt in dem Fall zusätzlich als Resonator. | ||||
Es soll nun berücksichtigt werden dass sich in den Schaltkreisen Elemente mit nicht-linearen Strom-Spannungskennlinien befinden. Dieser Umstand führt zu bereits bekannten Intermodulationsphänomenen. Nichtlineare Bauteile können somit das Empfangs- oder Störverhalten einer Anordnung maßgeblich beeinflussen. | ||||
Üblicherweise basiert die Beschreibung von Koppelpfaden zwischen einer Störquelle und einer Störsenke auf Begrifflichkeiten, die im Frequenzbereich definiert sind. Dies setzt allerdings lineare Übertragungsfunktionen voraus. Eine Möglichkeit, bestehende Verfahren auf Störsenken mit nicht-linearem Übertragungsverhalten zu verallgemeinern, ist die Annahme, dass das Element mit der nicht-linearen Kennlinie räumlich begrenzt ist. Die Empfangsstruktur wird dann in zwei Anteile aufgespalten: Der erste Anteil hat eine lineare Kennlinie und beinhaltet die gesamte feldtheoretische Information. Es ist dann möglich, ein äquivalentes Netzwerkmodell dieses Anteils zu modellieren und es auch auf Strukturen im Inneren von Resonatoren zu erweitern. Diese Modelle werden dann mit einem nichtlinearen Bauteil belastet. Die Netzwerkmodelle müssen dabei insbesondere die Eingangsimpedanz der betrachteten Empfangsstruktur wiedergeben. | ||||
Netzwerkmodell einer nichtlinear belasteten Loopantenne im Freiraum (rechts) | ||||
Um die Güte der äquivalenten Netzwerke zu prüfen, wird der Spannungsverlauf über der Diode mit einem Schaltungssimulator (LTSpice) ermittelt. Zusätzlich wird eine 3D-Feldsimulation mit der Empfangsstruktur im Zeitbereich durchgeführt (CST MICROWAVE STUDIO®) . Die Spannungsabfälle über den Dioden aus der jeweiligen Simulation werden gegenübergestellt. | ||||
top, left: simulation with antenna in free space | ||||
Bei der Feldsimulation wird die Loopantenne mit dem dargestellten Puls in Form einer elektromagnetischen Welle (rote Fläche links) beaufschlagt. Der Spannungsabfall an der Diode wird ermittelt. Im rechten Bild, befindet sich die Loopantenne in einem Resonator. | ||||
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