Transiente Analyse von nichtlinear beladenen metallischen Gehäusen in Zeit- und Frequenzbereich

Der Einbau von elektronischen Systemen innerhalb von Metallgehäusen ist bezüglich der EMV mit Vor- und Nachteilen behaftet. Ein offensichtlicher Vorteil sind die Schirmwirkungen von Metallgehäusen, welche umschlossene elektronische Systeme vor externen elektromagnetischen Störfeldern schützen können. Andererseits können Metallgehäuse aber auch als Resonatoren wirken, so dass umschlossene elektronische Systeme möglichen Resonanzeffekten ausgesetzt sind. Das Testen der Störfestigkeit von Systemen im Resonanzbereich hat daher innerhalb der EMV schon immer eine überragende Rolle gespielt. Dabei ist es zunächst natürlich, entsprechende Tests im Frequenzbereich durchzuführen und Transferfunktionen im Frequenzbereich zu bestimmen, um dominante Resonanzeffekte identifizieren zu können. Für lineare Systeme kann auf Basis der Fourieranalyse durch Störfestigkeitstests im Zeitbereich die gleiche Information erhalten werden, zumindest prinzipiell. Praktische Erwägungen, wie etwa die Notwendigkeit hoher Leistungsdichten bei bestimmten Frequenzen oder das Abbilden realer Störbeeinflussungen, mögen dann den Ausschlag für entweder Frequenzoder Zeitbereichsmessverfahren geben. Die Durchführung und Interpretation von Störfestigkeitstests im Resonanzbereich verkompliziert sich beträchtlich, wenn nichtlineare elektromagnetische Effekte auftreten und in die Analyse miteinbezogen werden müssen. Anregungen, die einem eingeschwungenen Zustand entsprechen und im Frequenzbereich durch eine oder gegebenenfalls auch mehrere singuläre Frequenzen gekennzeichnet sind, generieren dann beispielsweise weitere Frequenzanteile, die sich als Konversionsprodukte klassifizieren lassen. Wird der eingeschwungene Zustand auf beliebige zeitliche Anregungen mit transienten Anteilen erweitert, treten weitere Phänomene auf, die durch nichtlineare Dynamiken zu beschreiben sind und über standardisierte Modellierungen der EMV hinausgehen. Dahingehend liegt der Schwerpunkt dieses Beitrags in der transienten Analyse von nichtlinear beladenen metallischen Gehäusen, die als Resonatoren wirken. Mit Hilfe von Zeitund Frequenzbereichsverfahren werden Phänomene erfasst und analysiert, die durch die Einkopplung transienter elektromagnetischer Felder hervorgerufen werden. Analytische Betrachtungen zu erwartenden Effekten können aus [1] entnommen werden. Für den Fall des eingeschwungenen Zustands sind weitere Untersuchungen auf sowohl analytischer als auch messtechnischer Basis durchgeführt worden, siehe hierzu beispielsweise [2, 3] und die darin zitierte Literatur. Für den transienten Fall sind ähnlich umfassende analytische und messtechnische Beschreibungen wünschenswert. Der Fokus dieses Beitrages liegt auf der Bereitstellung geeigneter messtechnischer Umgebungen. Zu Beginn wird im nächsten Abschnitt zunächst ein generisches metallisches Gehäuse mit einer speziellen nichtlinearen Beladung vorgestellt. Es werden Messergebnisse an dieser Konfiguration gezeigt, bei denen im eingeschwungenen Zustand in deutlicher Weise nichtlineare Phänomene als Systemantwort zu einer Zweiton-Anregung nachgewiesen werden können. Die Konfiguration wird anschließend im transienten Fall betrachtet, wobei zur Anregung ein genäherter doppelt-exponentieller Puls verwendet wird. Nichtlineare Effekte werden für diesen Fall sowohl im Zeitals auch im Frequenzbereich identifiziert

Ergebnisse einer neuen Untersuchungsmethode zur Messung der Störempfindlichkeit von Ethernetverbindungen

Zur Analyse der Störung von Ethernetverbindungen wurde eine neue Untersuchungsmethode angewandt, die das Verhalten von höheren Netzwerk-Protokollen mit berücksichtigt. Diese hat gezeigt, dass Effekte und Fehlermechanismen auftauchen, die durch einfache Tests mittels Durchsatzmessung mit Hilfe bekannter Anwendungen wie einem FTP-Client/Server nicht aufgedeckt werden können. In keinem untersuchten Fall kam es zu einem nachhaltigen Abbruch der Ethernetverbindung. Dies lässt den Schluss zu, dass in anderen Untersuchungen beobachtete Verbindungsabbrüche nicht durch physikalische Fehler verursacht werden, sondern auf übergeordneten Netzwerk-Schichten entstehen. Dieses konnte beispielhaft durch die Variation der IP-Paketgröße, bei der es sich um einen Software-Parameter handelt, gezielt hervorgerufen werden. Die Ethernetverbindung bleibt jedoch weiterhin bestehen. Der eigentliche Störungsgrad der Verbindung hängt dabei maßgeblich von der Pulswiederholrate (PRF) ab. Hier konnte gezeigt werden, dass es bei einer reinen Störung des Übertragungsweges eine lineare Abhängigkeit der auftretenden Paketfehler zur PRF gibt. Selbst bei 800 Hz ist die Anzahl der Fehler gegenüber der Gesamtzahl an Datenpaketen jedoch so gering, dass sich kein signifikanter Effekt in der Datenübertragungsrate ergeben hat. Hieraus lässt sich schließen, dass die Auswirkungen eines einzelnen Störimpulses auch nur von kurzer Dauer sind, mit einer höheren PRF im kHz-Bereich aber deutlichere Störungen zu erwarten sind. Ein anderes Fehlerbild ergibt sich bei der Störbeaufschlagung von Computern während einer Datenübertragung. Hier konnte mit Hilfe der neuen Untersuchungsmethode festgestellt werden, dass es einen sehr starken Einfluss auf die erzielbare Datenübertragungsgeschwindigkeit gibt. Dieser geht jedoch nicht mit einer höheren Zahl an Paketfehlern einher, sondern liegt in einem verzögerten Senden von Daten durch den Computer begründet, was sogar zu einer Verringerung an gestörten Paketen führt

Störunempfindlichkeit von Ethernet in der Luftfahrt

In der Luftfahrzeugtechnik wurden früher viele einzelne Signalleitungen als Punkt-zuPunkt Verbindung verwendet. In der Regel hatten diese Signale eine gemeinsame Referenzmasse. Um die EMV zu verbessern, wurde eine Routentrennung eingeführt: Einzelne Leitungen werden nach Empfindlichkeit und Störpotential zusammengefasst und getrennt verlegt. Routentrennung ist auch außerhalb der Luftfahrt z. B. im Schiffbau eine bewährte EMV Maßnahme zusätzlich zur Gerätequalifikation. Das heißt die separate Führung einzelner Signalleitungen führt nicht systematisch zu einer Lockerung der Spezifikation angeschlossener Geräte. In modernen Luftfahrzeugen befindet sich eine steigende Anzahl elektronischer Systeme. Diese sind in zunehmend untereinander vernetzt. Mit erhöhter Anzahl und Komplexität der Flugzeugsysteme sind einzelne Signalleitungen nicht mehr Stand der Technik denn der Installationsraum ist begrenzt, und Gewichtsanforderungen sprechen dagegen. Aus diesem Grund werden Datenbusse und Netzwerke verlegt. Aus EMV Sicht hat der Übergang zu modernen Bussystemen den großen Vorteil einer erheblich gesteigerten Störfestigkeit der Signalübertragung. Die gesamte Anzahl der Leitungen in einem modernen Luftfahrzeug ist dennoch sehr hoch. Dementsprechend erfordert eine Routentrennung eine sehr aufwändige Leitungsarchitektur. Angesichts einer möglichst störfesten Auslegung moderner Bussysteme stellt sich die Frage, inwieweit Routentrennung als zur Absicherung der Störfestigkeit von Datenübertragungsleitungen überhaupt noch notwendig ist. Um zu belegen, dass für ein bestimmtes Übertragungsverfahren keine besondere Routenführung zur Sicherstellung der EMV erforderlich ist, muss gezeigt werden, dass die übertragenen Signale unter dem Einfluss der Flugzeugumgebung und benachbarter Störsignale hinreichend stabil sind und nicht signifikant beeinträchtigt werden. Die Grundlage dafür ist die tatsächliche elektromagnetische Flugzeugumgebung (EM environment). Diese Umgebung ist in der Form standardisierter EMV-Prüfungen und maximaler Störgrößen bekannt. Per Definition arbeitet qualifiziertes Gerät in dieser Umgebung störungsfrei. Wenn Daten in dieser Umgebung ebenfalls störungsfrei übertragen werden, ist eine Routentrennung für dieses Übertragungsverfahren überflüssig. Eine allgemeine Regel zur Routenführung eines gegebenen Standards erfordert die Betrachtung der eingekoppelten Störgrößen im Verhältnis zur Signalgröße. In diesem Paper wird exemplarisch Fast Ethernet nach dem IEEE 802.3 Standard auf Störfestigkeit gegen Leitungskopplung geprüft und zwar niederfrequentes Nebensprechen und HIRF (high intensity radiated fields). Es zeigt sich, dass die Gerätequalifikation ausreicht, um die Störfestigkeit der Ethernet Verbindung unabhängig von der Route nachzuweisen. In gleicher Weise können alle Bussysteme analysiert werden, um die Kabelverlegung massiv zu vereinfachen. Die vorliegende Arbeit beschränkt sich auf die EMV. Es ist zu beachten, dass es außerhalb der EMV andere Zwänge für die Routentrennung geben kann, z.B. Redundanz

Design and analysis of ultra-wideband antennas for transient field excitations

This work addresses the design of two ultrawideband antennas for the application of transient field measurements that are characterized by frequency spectra that typically range from a few MHz to several GHz. The motivation for their design is the excitation of high power transient pulses, such as double exponential or damped sinusoidal pulses, within highly resonant metallic enclosures. The antenna design is based on two independent numerical full-wave solvers and it is aimed to achieve a low return loss over a wide range of frequencies together with a high pulse fidelity. It turns out that antennas of the conical and discone type do achieve satisfactory broadband characteristics while limitations towards low frequencies persist. Also the concept of fidelity factor turns out as advantageous to determine whether the proposed antennas allow transmitting certain broadband pulse forms

Von der Messung zur Netzwerkbeschreibung: Modellierung der Anregung nichtlinear belasteter Störsenken durch HPEM-Pulse

In diesem Beitrag wurden messtechnische, numerische und netzwerktheoretische Verfahren zur Analyse des Antwortverhaltens nichtlinear belasteter Antennen in resonierenden Umgebungen vorgestellt und miteinander korreliert. Als wichtiger nichtlinearer Effekt ergibt sich ein Gleichanteil innerhalb der Systemantwort, der durch die Speicherung elektrischer Energie in der als Schottky-Diode verwendeten Nichtlinearität hervorgerufen wird

Die Reaktion nichtlinear geladener Antennen auf sich wiederholende HPEM-Anregungen, wie sie aus Ersatzschaltbildmodellen erhalten werden

Finanziert aus dem DFG-geförderten Open-Access-Publikationsfonds der Universität Siegen für ZeitschriftenartikelIn this contribution the effects of repetitive pulse excitations on linearly and nonlinearly loaded antennas are studied on the basis of equivalent circuit models. In the known linear case, repetitive pulses can lead to an increase of the amplitudes of oscillations. These oscillations decay, if realistic quality factors are assumed, comparatively quickly. In the considered nonlinear case the effects of repetitive pulses can add up and persist along much larger time scales. This remarkable effect has no equivalent in the linear case