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Juni 2016
Alexander Küllmer
Kalibrierung von Magnetfeldantennen mittels kontaktloser vektorieller Netzwerkanalyse
Der Qualifizierung leitungsgebundener und gestrahlter Störgrößenemissionen im Frequenzbereich bis 80 MHz kommt durch den vermehrten Einsatz leistungselektronischer Schaltungen mit immer schneller schaltenden Bauelementen eine immer größere Bedeutung zu. Eine Erfassung der gestrahlten Störgrößenemission wird in diesem Frequenzbereich größtenteils unter Nahfeldbedingungen durchgeführt. Da unter diesen Bedingungen die Feldkopplung maßgeblich durch das Magnetfeld verursacht wird, werden in diesem Frequenzbereich zur Messung der Störgrößen üblicherweise Magnetfeldantennen verwendet. Die von [CHS11] und [IF14] durchgeführten Untersuchungen der bisher zur Kalibrierung von Magnetfeldantennen genutzten Kalibrierverfahren in Form der Standardfeld-, Standardantennen- und Dreiantennenmethode zeigten, dass diese Verfahren teilweise zu deutlich unterschiedlichen Antennenfaktoren führen. Eine genauere Untersuchung dieser Kalibrierverfahren führt zu dem Ergebnis, dass diese Kalibrierverfahren alle auf der Generierung eines analytisch beschreibbaren Magnetfeldes basieren. Durch die ausschließlich analytische Beschreibung besteht keine Rückführbarkeit der Messkette, da keine Messung in Bezug auf einen nationalen Standard durchgeführt wird. Gerade bei der Realisierung geeigneter, im Prinzip analytisch beschreibbarer Kalibrierfelder kommt es durch unvermeidliche Randbedingungen immer zu schlecht quantifizierbaren Störeinflüssen.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines rückführbaren Kalibrierverfahrens für Magnetfeldantennen unter Anwendung eines Verfahrens zur kontaktlosen vektoriellen Netzwerkanalyse. Das Prinzip der kontaktlosen vektoriellen Netzwerkanalyse basiert auf der von Junge in [Jun09] entwickelten In-situ-Kalibrierung von Stromzangen, welche mittels eines analytischen Fehlermodells die Aufnahme und Korrektur der vollständigen Systemeigenschaften einer Stromzange ermöglicht. Die Magnetfeldantenne selbst wird bei diesem Kalibrierverfahren als Zweitor interpretiert, bei welchem das erste Tor durch den Port am Antennenfußpunkt und das zweite Tor durch die den Antennenschlitz umfassende Stromzange realisiert wird. Mittels eines vektoriellen Netzwerkanalysators wird der Streuparametersatz des gesamten Messkreises aufgenommen, welcher in der nachgelagerten Datenverarbeitung um den Einfluss der Stromzange korrigiert wird. Dieser „echte“ Streuparametersatz der Magnetfeldantenne wird schließlich zur Berechnung des Antennenfaktors verwendet. Ein großer Vorteil dieser Art der Kalibrierung ist, dass die Magnetfeldantenne mit relativ wenig Aufwand direkt am Ort der Messung inklusive des Anschlusskabels an das Messgerät kalibriert werden kann, wodurch alle parasitären Verkopplungen des gesamten Messaufbaus berücksichtigt werden. Der abschließend durchgeführte Vergleich der unter Laborbedingungen mit den unterschiedlichen Kalibrierverfahren ermittelten Antennenfaktoren zeigte sowohl für passive als auch für aktive Magnetfeldantennen gute Übereinstimmung.
Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines rückführbaren Kalibrierverfahrens für Magnetfeldantennen unter Anwendung eines Verfahrens zur kontaktlosen vektoriellen Netzwerkanalyse. Das Prinzip der kontaktlosen vektoriellen Netzwerkanalyse basiert auf der von Junge in [Jun09] entwickelten In-situ-Kalibrierung von Stromzangen, welche mittels eines analytischen Fehlermodells die Aufnahme und Korrektur der vollständigen Systemeigenschaften einer Stromzange ermöglicht. Die Magnetfeldantenne selbst wird bei diesem Kalibrierverfahren als Zweitor interpretiert, bei welchem das erste Tor durch den Port am Antennenfußpunkt und das zweite Tor durch die den Antennenschlitz umfassende Stromzange realisiert wird. Mittels eines vektoriellen Netzwerkanalysators wird der Streuparametersatz des gesamten Messkreises aufgenommen, welcher in der nachgelagerten Datenverarbeitung um den Einfluss der Stromzange korrigiert wird. Dieser „echte“ Streuparametersatz der Magnetfeldantenne wird schließlich zur Berechnung des Antennenfaktors verwendet. Ein großer Vorteil dieser Art der Kalibrierung ist, dass die Magnetfeldantenne mit relativ wenig Aufwand direkt am Ort der Messung inklusive des Anschlusskabels an das Messgerät kalibriert werden kann, wodurch alle parasitären Verkopplungen des gesamten Messaufbaus berücksichtigt werden. Der abschließend durchgeführte Vergleich der unter Laborbedingungen mit den unterschiedlichen Kalibrierverfahren ermittelten Antennenfaktoren zeigte sowohl für passive als auch für aktive Magnetfeldantennen gute Übereinstimmung.
Schlagwörter: EMV; Antenne; Antennenkalibrierung; Magnetfeldmessung; Vektorielle Netzwerkanalyse; Magnetfeld
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