Entwicklung einer Methode zur effektiven Störeinkopplung in Leitungen hinein (Rohrkoppler): Berichte aus der Elektrotechnik

Der Einsatz von analogen und digitalen Funkdiensten in Kraftfahrzeugen erfordert die Ausdehnung der Untersuchungen zur Einstrahlfestigkeit an elektronischen Baugruppen auf den Frequenzbereich oberhalb f = 1 GHz, wobei bei einigen Fahrzeugherstellern derzeitig eine Obergrenze von f = 3 GHz definiert wurde. Aufgrund der möglichen geringen Abstände zwischen Sendeantenne (z.B. mobiles Handfunkgerät) und Elektronik bzw. deren Zuleitungen sind hier Prüffeldstärken von E = 100 bis 200 V/m gefordert. Das Antennenmessverfahren ist das einzige international genormte Messverfahren zur Prüfung der Einstrahlfestigkeit von Kfz.- Komponenten für Frequenzen f > 400 MHz. Aufgrund von hohem Prüfleistungsbedarf und zwingend notwendigen Absorberräumen beim Antennenmessverfahren wurden alternative Messverfahren entwickelt, die sich zurzeit in einem internationalen Normungsprozess bei ISO befinden. Zu ihnen gehört auch das Rohrkopplermessverfahren. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Darstellung und Analyse der physikalischen Grundlagen und der Wirkungsweise des Rohrkopplermessverfahrens sowie grundsätzlichen Betrachtungen zur Wirkung der elektromagnetischen Feldeinkopplung in typische Prüfanordnungen für elektronische Kfz.- Komponenten. In einer Gegenüberstellung mit der Antennenmessmethode werden die wesentlichen Einflussfaktoren auf die Feldeinkopplung in elektronische Kfz.- Komponenten herausgearbeitet und bewertet, um die Vorteile und Grenzen des Rohrkopplermessverfahrens für die Praxis berücksichtigen zu können. Der messtechnische Ansatz des Rohrkopplermessverfahrens besteht in der Nachbildung der beim Antennenmessverfahren zugrunde liegenden TEM- Feldeinkopplung in die Zuleitungen des Prüflings und in der damit verbundenen Erzeugung der Gleichtaktstörströme sowie der Erzeugung einer gestrahlten Störkomponente für den Prüfling selbst. Den primären Wirkungsmechanismus stellt dabei eine Wellenkopplung in die Zuleitungen des Prüflings dar, welche durch Messungen und MoM- Simulationen an Referenzaufbauten hinsichtlich Ausprägung und Einflussfaktoren umfassend analysiert wird. Theoretische und simulationstechnische Untersuchungen zur elektromagnetischen Feldausbildung im Bereich des Rohrkopplers führen zu einer TEM- Wellenausbreitung im Leitungsteil des Rohrkopplers sowie einem kapazitiven und induktiven Streufeld an den beiden offenen Enden. Damit verbunden sind eine kapazitive und eine induktive Teilkomponente der Wellenkopplung, die durch die Hauptfeldkomponenten Er und H¿ im Leitungsteil des Rohrkopplers verursacht werden. Die Überlagerung der kapazitiven und induktiven Teilkomponente führt in Abhängigkeit von der Frequenz sowie den angeschalteten Abschlussimpedanzen des Testkabelbaumes zu einer ausgeprägten Richtwirkung der Überkopplung am Prüfling. Durch das Vorhandensein einer TEM- Wellenausbreitung im Leitungsteil des Rohrkopplers wird eine Modellbildung auf der Grundlage der Leitungstheorie mit einem elektrischen Ersatzschaltbild vollzogen, welches die Wellenkopplung vom Rohrkoppler in eine Koppelleitung sehr gut beschreibt. Dieses Ersatzschaltbild sowie die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Simulationsmodelle für die Rohrkopplertestanordnung auf der Basis von Momenten- und Finite- Elementen- Methode zeigen die Vorteile und Grenzen des Messverfahrens auf und stellen die Basis für Untersuchungen zur Weiterentwicklung des Rohrkopplers dar. Im Ergebnis der Analysen zu den Koppeleigenschaften des Rohrkopplers in eine Testleitung wurde eine breitbandige Überkoppelfunktion mit einem nutzbaren Frequenzbereich von 300 MHz < f < 3 GHz (entspricht dem UHF- Band) und einer um bis zu 20 dB geringeren Koppeldämpfung im Vergleich zu kommerziellen Doppelsteghornantennen gefunden. Damit steht mit dem Rohrkoppler ein sehr effektives Gerät zur Prüfung der Störfestigkeit von kleinen oder geschirmten elektronischen Baugruppen gegenüber gestrahlten Störungen im UHF- Band zur Verfügung.