Grundlagen und Anwendungen von Modenverwirbelungskammern

307 Pages·2007·24.19 MB·German

Grundlagen und Anwendungen von
Modenverwirbelungskammern
Habilitationsschrift
vonDr.rer.nat.HansGeorgKrauthäuser
geb.am6.Februar1965inKöln
zurVerleihungdesakademischenGrades
Doktorrerumnaturaliumhabilitatus
(Dr.rer.nat.habil.)
genehmigtvonderFakultätfürElektrotechnikundInformationstechnik
derOtto-von-Guericke-UniversitätMagdeburgam6.Juni2007
Gutachter:
Prof.Dr.rer.nat.habil.JürgenNitsch
Prof.Dr.-Ing.MarcoLeone
Prof.Dr.rer.nat.habil.AchimEnders
Prof.Dr.-Ing.HeynoGarbe

WohinDenkenohneExperimentierenführt,hatunsdas
Mittelaltergezeigt;aberdiesesJahrhundertläßtunssehen,
wohinExperimentierenohneDenkenführt.
ArthurSchopenhauer(1788-1860)

Dank
MeinDankgiltallen,diemirbeidenArbeitenderletztenJahregeholfen
haben.
ZunächstbedankeichmichbeiProf.Nitschfürdasmirentgegengebrach-
teVertrauen.EshatmirgroßenSpaßbereitet,denAufbaudesLehrstuhls
vonBeginnanbegleitenzudürfen.Diezahlloseninteressantenundlehr-
reichenDiskussionenwarenunverzichtbarfürdasGelingendieserArbeit
undhabenmich–sodenkeich–positivgeprägt.IchdankeIhnenauchfür
die Freiheit die Sie mir ließen, eigene Forschungsakzente frei zu setzen
undnichtzuletztdafür,dassSiemichaufdieFährtederModenverwirbe-
lungskammerngesetzthaben.Prof.Leone,Prof.GarbeundProf.Enders
dankeichherzlichfürdieBereitschaft,dieseArbeitzubegutachten.Mein
besondererDankgiltauchProf.Wollenbergderdurchseineruhige,klare
ArtnichtseltenRuheundKlarheitinmeineGedankenbrachte.
IchdankemeinenStudienarbeitern,meinerStudienarbeiterin,meinen
DiplomandenundDoktoranden,diemichbeimeinenArbeitenunterstützt
haben:JörgEberhardt,AndreasHartmann,MathiasHerzig,DanielKürsch-
ner,AlexanderLützow,SvenPlate,ThomasReidemeister,AntjeSchafföner,
SteffenSchulze,MarcoSchwerdtfegerundThomasWinzerling.
BesondererDankgiltnatürlichauchdenweiterenKollegenderArbeits-
gruppeMoawiaAl-Hamid,FrankGronwald,HeikoHaase,UweKnauff,
Hans-JürgenScheibe,TorstenSteinmetz,SergeyTkachenkoundWolfgang
Weinert. Ich habe die kollegiale Atmosphäre sehr genossen. Es sei mir
erlaubt Uwe Knauff hervorzuheben, der mich und meinen Schreibtisch
solangeausgehaltenhatundaufdessenBeurteilungenichmichimmer
hundertprozentig verlassen konnte. Ein wenig seiner Ordnung, seiner
GewissenhaftigkeitundGründlichkeitwünscheichmirmanchmalsehr.
BedankenmöchteichmichauchbeidenübrigenMitarbeiterndesIGET
unddesaltenIELE.Ichdenke,ichdarfauchimNamendieserMitarbeiter
besondersPetraKnauffdanken,dafür,dasssieundFrauSchätzingunsso
oftinihrenGärtenzumInstitutsgrillengeduldethaben.
Nicht zuletzt danke ich meinen Kindern Jakob und Konstantin und
meinerFrauKarinfürihreLiebe,dieWärme,denHaltunddieGeduldan
somanchemWochenende.IhrseiddasWichtigsteinmeinemLeben.
Magdeburg,2007
HansGeorgKrauthäuser

Inhaltsverzeichnis
Notationsverzeichnis xiii
ZusammenfassungundAusblick 1
I Grundlagen 5
1 Hohlraumresonator 7
1.1 LeererHohlraumresonator. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.1 BeliebigeGeometrie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.1.2 QuaderförmigeGeometrie . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2 HohlraumresonatormitStromquelle . . . . . . . . . . . . . . 12
1.3 ModenanzahlundModendichte . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.4 ModaleGüte . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.1 DefinitionderGüte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.4.2 OhmscheWandverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4.3 DielektrischeVerluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.4 Antennenverluste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2 Modenverwirbelungskammer 29
2.1 EigenschaftendesFeldes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.1 Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
2.1.2 Wellendarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
2.1.2.1 FernvondenWänden . . . . . . . . . . . . 32
2.1.2.1.1 ErwartungswertevonFeldgrößen. 35
2.1.2.1.2 Energiedichte . . . . . . . . . . . . 36
2.1.2.1.3 Poyntingvektor . . . . . . . . . . . 36
2.1.2.1.4 RäumlicheKorrelation . . . . . . . 37
2.1.2.1.5 AnzahlunabhängigerinnererPunkte 41
2.1.2.1.6 Winkelkorrelation . . . . . . . . . . 42
2.1.2.2 InderNäheeinerWand . . . . . . . . . . . 44
2.1.2.3 InderNäheeinerKante . . . . . . . . . . . 46
2.1.2.4 InderNäheeinerEcke . . . . . . . . . . . . 49
vii
Inhaltsverzeichnis
2.1.2.5 Verteilungsfunktion . . . . . . . . . . . . . . 52
2.2 Güte. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
2.2.1 Wellendarstellung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
2.2.2 ModalerAnsatz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
2.2.3 ThermodynamischerAnsatz . . . . . . . . . . . . . . 60
2.2.4 SpektralerAnsatz. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2.3 Frequenzkorrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.4 Einkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.4.1 Antennen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.4.2 Testsystem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.4.2.1 HöhereMomentederspektralenWinkelver-
teilung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
2.4.2.2 VerteilungdeseingekoppeltenStroms . . . 70
2.4.2.3 VerteilungdeseingekoppeltenStrombetrags
(Spannungsbetrags) . . . . . . . . . . . . . . 71
2.4.2.4 VerteilungdereingekoppeltenLeistung . . 72
2.4.2.5 MaximalwertdereingekoppeltenLeistung 72
2.4.2.5.1 Maximalverteilungdernormierten
Leistung . . . . . . . . . . . . . . . 72
2.4.2.5.2 Verteilung des Verhältnisses von
Maximalwert und Mittelwert der
LeistungfürunabhängigeStichpro-
ben . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
2.4.2.5.3 Verteilung des Verhältnisses von
Maximalwert und Mittelwert der
LeistungfürabhängigeStichproben 75
2.4.2.6 LeistungenanunterschiedlichenPositionen 77
2.4.2.6.1 NutzungvonMaximalwerten . . . 79
2.4.2.6.2 NutzungvonMittelwerten. . . . . 81
2.5 Abstrahlung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.5.1 GesamtabgestrahlteLeistung. . . . . . . . . . . . . . 84
2.6 ErreichbareFeldstärke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.7 Transiente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
2.8 Nicht-lineareStreuer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
2.8.1 AnregungdesunbeladenenResonators . . . . . . . . 90
2.8.1.1 Theorie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
2.8.1.2 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
2.8.1.3 GenaueretheoretischeAnalyse . . . . . . . 94
2.8.2 AnregungdesResonatorsmitnichtlinearemStreuer 95
viii
Inhaltsverzeichnis
2.8.2.1 Experiment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
2.8.2.2 QualitativeErklärungdesExperiments. . . 98
2.8.3 Wertung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
II Anwendungen 101
3 MessverfahrennachIEC61000-4-21 103
3.1 Nomenklatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2 StatistischunabhängigeFeldverteilungen . . . . . . . . . . . 103
3.2.1 Autokorrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.2.1.1 VerfahrennachIEC-61000-4-21 . . . . . . . 105
3.2.2 DiskussiondesVerfahrens . . . . . . . . . . . . . . . 106
3.2.2.1 TechnischeKritik . . . . . . . . . . . . . . . 107
3.2.2.2 PrinzipielleKritik . . . . . . . . . . . . . . . 111
3.3 Gütebestimmung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.3.1 VerfahrennachNorm . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
3.3.2 BandbreitenreduziertesZeitbereichsverfahren . . . . 120
3.3.2.1 AnforderungenandieMessbandbreite . . . 122
3.4 Grundkalibrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
3.5 EUT-Kalibrierung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3.6 Störfestigkeitsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.7 Störemissionsmessung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.7.1 MethodenachIEC61000-4-21 . . . . . . . . . . . . . 130
3.7.2 AlternativeMethode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.7.2.1 Simultane Messung von Güte und Emp-
fangsleistung . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
3.7.2.1.1 Sensitivität . . . . . . . . . . . . . . 135
3.7.2.2 VergleichmitdenIECMethoden . . . . . . 136
3.7.2.2.1 Rauschstrahlungsquelle»CNEIII« 138
3.7.2.2.2 Kammgenerator»RSG2000« . . . . 138
3.7.2.2.3 AbhängigkeitvonderPosition . . 140
3.7.2.2.4 AbhängigkeitvonderBeladung . 141
4 KorrelationmitFreiraum,HalbraumundTEM-Wellenleiter 145
4.1 Emission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.1.1 DipolimFreiraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
4.1.2 DipolimHalbraum . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.1.3 DipolimTEM-Wellenleiter . . . . . . . . . . . . . . . 152
ix
Inhaltsverzeichnis
4.1.4 DipolinderModenverwirbelungskammer . . . . . . 153
4.1.5 Korrelation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.2 ErwartungswertdermaximaleDirektivität . . . . . . . . . . 156
4.3 Einkopplung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
4.3.1 Verbindungsstrukturen . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
III Anhänge 165
A Verteilungsfunktionen 167
A.1 Zufallsvariable. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
A.2 GenerierungkorrelierterZufallszahlen . . . . . . . . . . . . 167
A.3 χ-Verteilung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
A.3.1 χ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
2
A.3.2 χ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4
A.3.3 χ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6
A.4 χ2-Verteilung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
A.4.1 χ2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
2
A.4.2 χ2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 176
6
A.5 VerteilungsfunktionenaufderDezibelskala . . . . . . . . . . 177
A.6 MultivariateVerteilung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
A.7 StatistischeUnabhängigkeitvonZufallsvariablen . . . . . . 180
A.8 VerteilungvonFunktionenvonZufallsvariablen . . . . . . . 180
A.8.1 VerteilungvonSummeundDifferenz . . . . . . . . . 181
A.8.2 VerteilungdesMittelwertes . . . . . . . . . . . . . . . 181
A.8.3 VerteilungderExtremwerte . . . . . . . . . . . . . . . 183
A.8.3.1 ParameterderExtremalwertverteilungen:χ 185
2
A.8.3.2 ParameterderExtremalwertverteilungen:χ 187
4
A.8.3.3 ParameterderExtremalwertverteilungen:χ 189
6
A.8.3.4 ParameterderExtremalwertverteilungen:χ2 191
2
A.8.3.5 ParameterderExtremalwertverteilungen:χ2 193
6
A.8.4 MaximumzuMinimumundMaximumzuMittewert
Quotienten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
A.8.5 Transformationsmethode . . . . . . . . . . . . . . . . 195
A.8.6 Verteilungsfunktionstechnik . . . . . . . . . . . . . . 196
A.9 BewertungvonKorrelationskoeffizienten . . . . . . . . . . . 199
B Hilfsprogramme 205
B.1 ParameterderdB-skaliertenVerteilungen . . . . . . . . . . . 205
x