Charakterisierung der Modenverwirbelungskammer der TU Dresden und Untersuchung von Verfahren zur Bestimmung der unabhängigen Rührerstellungen

Die Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) betrachtet die Fähigkeit eines elektrischen Gerätes, in seiner elektromagnetischen Umgebung störungsfrei zu funktionieren, ohne diese dabei unzulässig zu stören. Zur Prüfung der Elektromagnetischen Verträglichkeit werden verschiedene Messumgebungen verwendet. Die Messung der strahlungsgebundenen Störfestigkeit und Störaussendung kann zum Beispiel in einer Modenverwirbelungskammer (MVK) erfolgen. Bei der Störfestigkeitsmessung wird der Prüfling einem externen Prüffeld ausgesetzt und untersucht, ob dieser die definierten Kriterien für einen störungsfreien Betrieb erfüllt. Für das Prüffeld muss vor der Messung nachgewiesen werden, dass die Anforderungen an dessen Homogenität eingehalten werden. Einen entscheidenden Einfluss auf die Homogenität des Prüffeldes hat der sogenannte Rührer. Bei einer MVK handelt es sich prinzipiell um einen Hohlraumresonator, in den ein mechanischer Rührer, d.h. ein elektrisch großer, drehbarer Streukörper integriert wird. Durch die Drehung des Rührers verändert sich die Feldverteilung in der MVK, was auch als Verwirbelung bezeichnet wird. Prinzipiell ergibt sich für jede Stellung des Rührers ein inhomogenes Feld mit lokalen Minima und Maxima. Ein Ziel bei der Verwendung von Modenverwirbelungskammern ist es, mit Hilfe geeigneter Verfahren Rührerstellungen zu finden, deren Feldverteilungen in Überlagerung ein möglichst homogenes Prüffeld erzeugen. Zum Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik und Elektromagnetische Verträglichkeit der Technischen Universität Dresden gehört seit 2010 eine Modenverwirbelungskammer. Die Charakterisierung dieser MVK sowie eine weiterführende Untersuchung zur Wahl der Rührerstellungen bilden die Schwerpunkte der vorliegenden Arbeit.In 2010 the Chair of Electromagnetic Theory and Compatibility of Technical University Dresden could extend its laboratories by a reverberation chamber with the dimensions 5.3 m, 3.7m and 3.0 m. Since then, a detailed characterisation of the chamber as well as further investigations have been the main emphasis of the authors research. The submitted doctoral thesis presents the obtained results. With the design, the fundamentals of operation and further characterisation of the reverberation chamber, given in Chapter 1 and 2, it aims to give an introduction and better understanding of reverberation chambers. On this basis, the authors research focused on methods for determining the independent stirrer positions in reverberations chambers. The results of the investigations are presented and summarised in chapter 3. One scope of Electromagnetic Compatibility are radiated immunity measurements. Besides the GTEM cell and the anechoic chamber the reverberation chamber gains in importance as an alternative measurement environment. A reverberation chamber is a shielded room with reflecting walls and one or more integrated mechanical stirrers. By rotating the stirrer the spatial boundary conditions for the electromagnetic field quantities are altered. The resulting change of the spatial field distribution depends on the location within the chamber and the geometry of the stirrer. Each stirrer position yields an inhomogeneous field distribution created by interfering waves. A general aim is to find a set of stirrer positions, whose superimposed field distributions create a more uniform test field. In practice, the given requirements for the homogeneity of the test field shall, with regards to an optimisation of measurement time, be realized with a minimum number of stirrer positions. In this context the term ’independent stirrer positions’ was established and describes stirrer positions, whose field distributions are linearly uncorrelated and therefore assumed to be practical for creating a more homogeneous test field using only a minimal number of stirrer positions. A general method for determining the number of independent stirrer positions in reverberation chambers is presented. The method uses a certain number of measurement positions in a defined test volume in order to characterize the spatial field distribution inside the chamber. Using the Pearson correlation coefficient the field distributions of the stirrer positions are tested for linear correlation and pairs of independent stirrer positions are determined. On this basis, cliques of pairwise independent stirrer positions are identified using appropriate algorithms. It is shown that the general method yields detailed information about the number and distribution of the independent stirrer positions and is therefore particularly suitable to evaluate other methods. Finally, the standard method according to IEC 61000-4-21 as well as selected alternative methods, that have been proposed in the past, are evaluated and compared based on the results of the general method

Untersuchung der Feldqualität kleiner Modenverwirbelungskammern bei elektronischer Feldhomogenisierung

Das resonante Funktionsprinzip einer Modenverwirbelungskammer ermöglicht gerade im Bereich der Störfestigkeit hohe Prüffeldstärken bei niedrigen Eingangsleistungen. Abgesehen von ökonomischen Vorteilen im Hinblick auf die benötigte Verstärkertechnik, lassen sich hierdurch effizient die Störschwellen elektrischer Betriebsmittel ausloten. Der Quotient aus Prüffeldstärke und benötigter HF-Eingangsleistung steigt theoretisch mit sinkender Kammergröße an. Daher wird im Folgenden die Feldqualität innerhalb einer kleinen Modenverwirbelungskammer untersucht. Hierzu wird ein Hohlraumresonator mit den Kantenabmessungen a = 0,5 m, b = 0,74 m und d = 1,04 m aus verzinktem Stahlblech angefertigt, der im multimodalen Bereich betrieben wird. Theoretisch lassen sich elektrische Feldstärken im zweistelligen V/m-Bereich bei mW-Eingangsleistungen generieren. Die zu erwartende untere Grenzfrequenz der Kammer liegt zwischen 1 GHz und 1,1 GHz. Da das zur Verfügung stehende Volumen sehr begrenzt ist, werden ausschließlich elektronische Verwirbelungsverfahren eingesetzt, die zusätzlich eine deutliche Reduktion der üblichen Prüfzeiten bewirken. Die Güte wird mittels einer breitbandigen Postprocessing-Mittelung bestimmt. Da naturgemäß die Güte einer kleinen Kammer relativ niedrig im Vergleich zu großen Versionen ist, werden die Veränderungen bei stark absorbierender Beladung ausgewertet und mit einem theoretischen Grenzfall in Verbindung gebracht. Ebenfalls werden die theoretischen Zusammenhänge zur maßstabsgetreuen Nachbildung der Güte und Modenanzahl einer großen rechteckigen Kammer durch eine kleine Variante ermittelt. Das Verfahren sieht vor, einen Skalierfaktor zu wählen, aus dem sich dann die benötigte Leitfähigkeit, der Betriebsfrequenzbereich und die Abmessungen der skalierten Kammer ergeben. Da bei kleinen Modenverwirbelungskammern die Sende- und Empfangsantenne einen geringen Abstand zueinander aufweisen, ist die Ausbildung direkter Signalpfade wahrscheinlich. Diese ungewollte Verkopplung ist kontraproduktiv für die Reproduzierbarkeit des Prüffeldes. Unklar ist auch, ob eine Abhängigkeit zum eingesetzten Antennentyp besteht. Daher werden statistische Analysen zur Identifikation eines direkten Übersprechens für eine LogPer- Antennenübertragungsstrecke und zwei kelchförmige Monopolantennen in der kleinen Modenverwirbelungskammer durchgeführt. Zur praktischen Generierung eines Prüffeldes werden, angelehnt an das breitbandige „frequency stirring“, frequenzmodulierte Signale in die Kammer eingespeist und die Feldhomogenität qualitativ beurteilt. Als variabler Parameter steht hierbei der Modulationshub zur Verfügung. Zur Reduktion des Modulationshubs und einer Absenkung der unteren Grenzfrequenz werden Kugelsegmentdiffusoren entwickelt und in die Kammer eingebracht. Hierdurch wird die Modenanzahl angehoben, wodurch sich eine Verbesserung der Feldqualität gerade in den unteren Frequenzbereichen ergibt

Erfahrungen beim Aufbau und der messtechnischen Charakterisierung der Dresdener Modenverwirbelungskammer

Der Lehrstuhl für Theoretische Elektrotechnik und Elektromagnetische Verträglichkeit der TU Dresden verfügt seit 2010 über eine Modenverwirbelungskammer (MVK) mit einem vertikalen Modenrührer und den Abmessungen 5.3 m/3.7 m/3.0 m. Als Sende- und Empfangsantennen werden in der MVK ein Paar log.-per. Antennen und ein Paar Hornantennen verwendet, die zusammen den Frequenzbereich von 200MHz bis 18GHz abdecken. Weiterhin steht eine lasergespeiste Feldsonde zur Messung der elektrischen Feldstärke zur Verfügung. Ziel des Konferenzbeitrages ist es anhand ausgewählter Messergebnisse einen ersten Einblick in die aktuellen Forschungsthemen zu geben. Zum Nachweis der Schirmwirkung der MVK erfolgte nach deren Aufbau zunächst eine Schirmdämpfungsmessung nach IEEE Std. 299-2006 an fünf Messpositionen. Die weiteren Ausführungen sind thematisch wie folgt gegliedert: Resonanzfrequenzen der Modenverwirbelungskammer (Abb.: Vorwärtstransmissionsfaktor in Abhängigkeit der Frequenz); Zeitverhalten des Feldes in der Kammer (hierzu 3 Abb.: Zeitlicher Verlauf des Leistungspegels an der Empfangsantenne in Abhängigkeit der Frequenz und der Rührerstellung, Zeitlicher Verlauf des Leistungspegels in Abhängigkeit der Frequenz sowie Zeitlicher Verlauf des Leistungspegels an der Empfangsantenne in Abhängigkeit der Rührerstellung); Güte der Kammer (Abb.: Mittlere Güte in Abhängigkeit der Frequenz); Bestimmung der Antenneneffektivitäten (2 Abb.: Bestimmung der Antenneneffektivität in der MVK, Ergebnisse für die log.-per. Antennen und die Hornantennen und Bestimmung der Antenneneffektivität im Antennenmessraum, Ergebnisse für die Hornantennen); Homogenität des Feldes (Abb.: Feldhomogenität im definierten Testvolumen)

Vereinfachung des Allgemeinen Verfahrens zur Bestimmung der unabhängigen Rührerstellungen in Modenverwirbelungskammern durch Reduktion der Anzahl der Messpunkte im Prüfvolumen

Ein Verfahren zur Abschätzung der Anzahl der unabhängigen Rührerstellungen in Modenverwirbelungskammern (MVK‘n) wird in DINEN61000-4-21 [1] beschrieben. Das Standardverfahren verwendet einen einzigen Messpunkt im Prüfvolumen der MVK und hat daher Nachteile, die z.B. bereits in [2] diskutiert wurden. Es erfordert jedoch nur einen geringen Aufwand und liefert eine erste Abschatzung für die Anzahl der unabhängigen Rührerstellungen. Ein neues ‚Allgemeines Verfahren‘ zur Bestimmung der unabhängigen Rührerstellungen wurde bereits in [3, 4] vorgestellt und in [5, 6, 7] weiterführend bewertet. Für das Allgemeine Verfahren wird ein Prüfvolumen mit einer definierten Anzahl von Messpunkten verwendet, d. h. im Gegensatz zum Standardverfahren basiert das Allgemeine Verfahren auf einer echten Auswertung der Feldverteilungen im Prüfvolumen. Da die Aufnahme der Messdaten sehr zeitaufwendig ist, wird im vorliegenden Konferenzbeitrag eine Vereinfachung des Verfahrens untersucht werden, bei der die Anzahl der Messpunkte reduziert und die Auswertung der Messdaten entsprechend angepasst wird. Eine Reduktion der Anzahl der Messpunkte auf die 8 Eckpunkte des Prüfvolumens wird bereits in DINEN61000-4-21 zur Bewertung der Feldhomogenität im Prüfvolumen verwendet und ist prinzipiell kein neuer Ansatz, jedoch wurde soweit dem Autor bekannt bisher nicht nachgewiesen, dass dieser Ansatz zur Bewertung der Feldhomogenität überhaupt zulässig ist. Daher ist es das Ziel dieses Beitrages, den Ansatz durch eine entsprechende Auswertung von Messdaten zu bewerten

Grundlagen und Anwendungen von Modenverwirbelungskammern

Ziel dieser Arbeit ist es, zunächst den theoretischen Erkenntnisstand zu Modenverwirbelungskammern in einer geschlossenen Form zusammenzufassen. Dies ist nötig, da das Wissen über die Grundlagen der Modenverwirbelungskammern über eine Fülle von Publikationen verteilt ist und sich eine Reihe von Fehlern, Vorurteilen und pauschalen Aussagen bereits tradiert hat. Der Grundlagenteil dieser Arbeit kann zusammen mit der ausführlichen Bibliographie als solide Basis für zukünftige Arbeiten dienen. Die Bibliographie ist hierbei zweigeteilt: Neben den Referenzen der Arbeit findet sich eine ausführliches Verzeichnis ergänzender Literatur. Der Anwendungsteil beschäftigt sich zunächst mit der IEC Norm 61000-4-21. Darüber hinaus werden für den Bereich der Qualifizierung des Modenrührers sowie für die Messungen der Güte und der Emissionen neue Verfahren vorgeschlagen. Sehr aktuell ist der Abschnitt zum Vergleich verschiedener Messumgebungen: Zurzeit beziehen sich alle Grenzwerte (aus historischen Gründen) ausschließlich auf Messungen auf Freifeldern oder (Halb-) Absorberhallen. Damit zukünftig Modenverwirbelungskammern angewendet werden können benötigen die Produktnormungskomitees eine solide Grundlage zur Umrechnung der Grenzwerte bzw. Testfeldstärken. Die genaue Analyse verschiedener Verfahren offenbart dabei zusätzlich spezifische Schwächen und Stärken, die jedes der konkurrierenden Verfahren aufweist. Aus der Sicht des Autors gibt es nicht das eine Verfahren, das allen anderen überlegen ist. Es zeigt sich vielmehr, dass die Verfahren aufgrund ihrer physikalischen Spezifika nur für bestimmte Messungen, für bestimmte Prüflinge oder für bestimmte Frequenzbereiche überlegen sind. In den Anhängen findet sich Material zu den relevanten statistischen Verteilungsfunktionen sowie eine Reihe von Hilfsprogrammen, die dem Anwender den Einstieg in die statistische Analyse erleichtern sollen

Transient responses in reverberation chambers during testing with pulsed sinus signals

Die Dissertation beschäftigt sich mit transienten Einschwingvorgängen in Modenverwirbelungskammern, welche auf Basis verschiedener Messreihen in zwei Modenverwirbelungskammern unterschiedlicher Baugröße untersucht werden. Hierzu werden pulsmodulierte Sinussignale in beide Kammern eingespeist und durch Änderung der Rührer-, sowie Antennenpositionen zwei große Datensätze erzeugt. Auf dieser Grundlage werden die transienten Einschwingvorgänge zunächst für Einschalt- und Ausschaltvorgänge der Signalquelle unter Berücksichtigung der statistischen Eigenschaften einer allgemeinen Modenverwirbelungskammer eingehend untersucht. Aufgrund der hohen Güte einer Modenverwirbelungskammer kommt es im Mittel zu langen Einschwingzeiten nach Schaltvorgängen der Signalquelle. Dies erschwert den Betrieb für EMV-Messungen mit gepulsten Signalen geringer Pulsbreite. Es wird eine Vorkonditionierung der Eingangssignale erarbeitet, mit dem die Flankensteilheit der Pulse innerhalb der Kammer erhöht wird, ohne die Güte oder die statistischen Eigenschaften der Modenverwirbelungskammer ändern zu müssen. Der Vergleich mit dem herkömmlichen Verfahren, Absorber in die Kammer einzufügen, zeigt, dass die Vorkonditionierung weniger Eingangsleistung benötigt und zusätzlich das Problem der maximal zulässigen Beladung umgeht.This dissertation is about the transient responses to pulsed signals in reverberation chambers based on measurements in two reverberation chambers of different sizes. Pulse-modulated sinus signals are coupled into both chambers and two large measurement-databases are generated through variation of stirrer and antenna positions. With this foundation first the transient responses to the turn-on and turn-off sequences of the signal source are analyzed considering the statistical characteristics of common reverberation chambers. Due to the high quality factor of reverberation chambers the rise- and fall-times following the switching of the signal source are long. This makes EMC-measurements with pulsed signals of short pulse-width difficult. A pre-conditioning of the input signals coupled to the reverberation chamber is developed, increasing the slew rate of the pulses inside the chamber without changing the quality factor or the statistical characteristics of the reverberation chamber. The comparison to the usual practice of adding absorbers to the chamber shows, that the pre-conditioning requires significantly less power and circumvents issues with the maximum loading of reverberation chambers

Jahresbericht 2022: Jahresbericht der Lehrstühle für Elektrische Antriebssysteme, Elektrische Netze und Erneuerbare Energie, Elektromagnetische Verträglichkeit, Leistungselektronik

Auch 2022 möchten wir Ihnen wieder unseren Jahresbericht überreichen, mit dem wir in gewohnter Weise über die neuesten Entwicklungen, Lehrveranstaltungen und Forschungsaktivitäten an den Lehrstühlen für „Elektrische Antriebssysteme“, „Elektrische Netze und Erneuerbare Energie“, „Leistungselektronik“ und „Elektromagnetische Verträglichkeit“ informieren

Statistische Ermittlung der Direktivität eines elektrisch großen Prüflings mittels analytischer und numerischer Verfahren

Die direkte Messung der maximalen elektrischen Feldstärke eines elektrisch großen Prüflings (engl. equipment under test, EUT) mit hoher Frequenz ist komplex und zeitaufwendig. Im Frequenzbereich oberhalb von 1GHz ist die Modenverwirbelungskammer (MVK) eine geeignete alternative Testumgebung, weil das konkrete Abstrahldiagramm irrelevant ist. Mit Hilfe der Direktivität kann die gemessene abgestrahlte Leistung aus der Messung in der MVK in die entsprechende elektrische Feldstärke konvertiert werden [6]. Dieser Beitrag untersucht den Einfluss verschiedener elektrisch großer Kabelkonfigurationen des EUT auf die Schätzung der Direktivität. Ziel dieser Arbeit ist die Vorstellung der Ergebnisse der abgestrahlten Feldstärke und der Direktivität dieses neuen Simulationsmodells, welches ein Kombination aus dem eigentlichen Prüfling und der Anschlussleitung darstellt. Die Interpretation der Ergebnisse führt zu einer verlässlichen Möglichkeit, die gemessene Gesamtstrahlungsleistung in einer MVK in die äquivalente elektrische Feldstärke in einem bestimmten Abstand zu transformieren. Ein quaderförmiges Metallgehäuse in der Größe eines Computergehäuses mit einem Schlitz und einer Anschlussleitung wird als Prüfling für den Frequenzbereich von 1 GHz bis 6 GHz berücksichtigt (siehe Abbildung 1). Die Anschlussleitung läuft zunächst im Inneren des Gehäuses und wird durch eine kleine Öffnung nach außen geführt. Als Anregung wird eine diskrete Quelle mit einer Leistung von 1W zwischen der Innenwand des Gehäuses und der Leitung betrachtet. Eine neuartige statistische Untersuchung betrachtet die zufällige Verlegung der Anschlussleitung, die von der Prüflingsoberfläche ausgeht. Die Leitungslänge und die Größe des Gehäuses werden beliebig variiert. Danach werden die abgestrahlte Feldstärke des Kabels und des Prüflings berechnet. Diese Prozedur wird mehrfach wiederholt und statistisch ausgewertet. Für unterschiedliche Konfigurationen wird die maximale Richtwirkung mittels numerischer Simulation (CST MWS Studio) bestimmt. Die Simulationsergebnisse werden mit analytischen Verfahren [3] verglichen. Anschließend werden die Wahrscheinlichkeitsdichtefunktion und die Verteilungsfunktion berechnet, um den Modalwert der Direktivität (das Maximum der Dichtefunktion) besser darzustellen