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10-2012

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HF-Praxis 10-2012

EMV Die Interpretation

EMV Die Interpretation von Antennen-Leistungs- Parametern für EMC-Anwendungen Teil 2: Strahlungscharakteristik, Gewinn, Richtwirkung und Antennen-Faktor Im ersten Teil dieses Artikels erörterten wir den Strahlungswirkungsgrad- und die Eingangsimpedanz-Übereinstimmung. Dieser zweite Teil befasst sich mit den einzelnen Regionen des Antennenfeldes, dem Richtungsverstärkungsfaktor und den Auswirkungen auf EMC- Messungen. Geometrische Überlegungen Um quantitativ Strahlung von Antennen zu erörtern, ist es notwendig, zuerst ein Koordinatensystem für die Beschreibung der Antenne und der zugehörigen elektromagnetischen Felder zu spezifizieren. Das natürlichste Koordinatensystem für diese Aufgabe ist das sphärische, weil in einem ausreichenden Abstand von einer Antenne die elektromagnetischen Felder umgekehrt proportional mit dem radialen Abstand von der Antenne abnehmen (Ref. 1 und 2) müssen. Traditionelle sphärische Koordinaten bestehen aus einem radialen Abstand, einem Elevationswinkel und einem Azimutwinkel, wie in Bild 1 gezeigt. Der Elevationswinkel ist der Winkel zwischen einer vom Ursprung zum Punkt gezogenen Linie und der Z-Achse. Der Azimutwinkel ist der Winkel zwischen der Projektion dieser Linie in der x-y- Ebene und der x-Achse. Diese Autoren: Unter auszugsweiser Verwendung der Artikelserie: „Interpreting Antenna Performance Parameters for EMC Applications, Teil 1, Teil 2 und 3 von: James McLean Robert Sutton Rob Hofman TDK RF Solutions Inc. Bild 1: Sphärisches Koordinatensystem sphärischen Koordinaten sind zu den vertrauten Koordinaten auf einer Kugel analog: Der Azimutwinkel ist äquialent zur Länge, der Elevationswinkel entspricht der Breite. Der Elevationswinkel wird meist mit Θ, der Azimutwinkel mit Φ bezeichnet. Antennenmuster und Strahlungscharakteristik Das Antennenmuster ist im IEEE Standard als „The spatial distribtion of a quantity which characterizes the electromagnetic field generated by an antenna“ definiert. Die Verteilung der Energie lässt sich mit Hilfe der sphärischen Koordinaten eindeutig definieren. Interessant sind vor allem die folgenden Antennengrößen in Bezug auf Φ, Θ und für festen Abstand R: • Leistungsflussdichte • Strahlungsintensität • Richtwirkung • Gewinn • Phase • Polarisation • Feldstärke (elektrisch oder magnetisch.) Vor allem die Strahlungscharakteristik ist eine Repräsentation der Winkelverteilung der Strahlungsleistungsdichte im Fernfeld. Das heißt, für sinusförmige Dauerfelder ist sie eine Darstellung des Realteils der radialen Komponente des Poynting-Vektors. Sowohl der Gewinn als auch die Richtwirkung lassen sich mit Kenntnis der Strahlungscharakteristik einer Antenne berechnen. Zuvor müssen wir uns jedoch mit den Feldregionen, die eine Antenne umgeben, befassen. Der Raum, der eine Antenne umgibt, wird gedanklich in zwei oder drei deutlich verschiedene Regionen unterteilt, abhängig von der Art des von der Antenne produzierten elektromagnetischen Felds. In einem ausreichenden Abstand von jeder Antenne existieren nur die abgestrahlten Felder; diese Region ist als Fernfeld bekannt. In Kommunikationssystemen, wo Antennen im Allgemeinen immer ziemlich weit voneinander entfernt sind, genügt es, sich nur mit dem Fernfeld einer Antenne zu beschäftigen. Jedoch ist das Konzept verschiedener Feldregionen wegen des äußerst breiten Frequenzbereichs, in dem die Geräte geprüft werden, im EMC-Testbetrieb ziemlich wichtig. Am unteren Ende dieses Frequenzbereichs bedingen Standardtestabstände von ein bis drei Meter manchmal, dass Testgeräte in die nahen Feldregionen der Testantennen gestellt werden müssen. Daher ist ein Verständnis für die Nahfeldphysik sinnvoll. Die Abgrenzungen zwischen den Feldregionen ist notwendigerweise etwas unscharf. In diesem Artikel sind die Feldregionen in Fernfeld, reaktives Nahfeld und strahlendes Nahfeld eingeteilt. • Fernfeld Das Fernfeld einer Antenne ist die Region, die weit genug entfernt von der Antenne ist, so dass nur die strahlenden Feldkomponenten bedeutsam sind. Diese Feldregion wird manchmal als Fraunhofer-Region bezeichnet. Im Fernfeld stehen die Feldkomponenten orthogonal zueinander, und es existiert Gleichverteilung zwischen elektrischer und magnetischer gespeicherter Energie. Die elektrischen und magnetischen Felder nehmen invers mit dem Abstand von der Antenne ab, während die Leistungsdichte invers quadratisch abnimmt. 14 hf-praxis 10/2012

EMV das Fernfeld über. Um ein strahlendes Nahfeld zu erzeugen, muss eine Antenne groß genug sein, damit die Interferenz zwischen Strahlung von verschiedenen Punkten der Antenne signifikant ist. Bild 2: Hochleistungs-Doppelkonusantenne für maximal 3500 W (Photo: TDK RF Solutions) • Reaktives Nahfeld Im reaktiven Nahfeldbereich einer Antenne dominieren die nichtstrahlenden Feldkomponenten. Diese Blindleistung ist verbunden mit den sich nicht ausbreitenden, statischen Quasifeldbestandteilen, die im reaktiven nahen Feld dominieren. Daher ist für dipolähnliche Antennen die Energie in diesem Bereich bevorzugt entweder elektrisch oder magnetisch. Für elektrisch kleine Antennen breitet sich das reaktive Nahfeld ungefähr bis zu einer Entfernung von aus. Natürlich ist diese Abgrenzung etwas vage; die Grenze des reaktiven nahen Felds hängt sehr von der Form und den Details der Antenne ab. Zwar ist es schwierig ist, eine allgemeine Richtlinie für die Grenze der reaktiven Nahfeldregion zu geben. Meist kann die Grenze für Antennen mit annehmbarer elektrischer Größe durch folgende Näherungsformel bestimmt werden: Für einen elektrischen Dipol dominieren die elektrischen Feldbestandteile, und die gespeicherte Energie ist überwiegend elektrisch. Für einen magnetischen Dipol, wie z.B. eine Schleife, dominieren die Magnetfeldbestandteile. Zwei Antennen können den gleiche maximalen Fernfeldgewinn haben und für eine gegebene Eingangsleistung an einem Punkt im Fernfeld genau die gleiche elektrische Feldstärke haben, jedoch im reaktiven große Differenzen zwischen den elektrischen und magnetischen Feldstärken aufweisen. Als Beispiel liegt bei 30 MHz und 10 m Wellenlänge eine 1-m-Testdistanz gut innerhalb der Grenzen des reaktiven Nahfelds. • Strahlendes Nahfeld (Fresnel Region.) Im strahlenden Nahfeld herrschen die Strahlungsfelder vor, aber die winkelförmige Feldverteilung ist vom Abstand von der Antenne abhängig. Beträchtliche radiale, nichtstrahlende Felder, können in der strahlenden Nahfeldregion existieren. Wenn die Antenne groß ist im Vergleich zu einer Wellenlänge, ergibt sich die äußere Grenze des strahlenden Nahfelds zu: Elektrisch kleine Antennen haben meist keine strahlenden Nahfeldregionen; vielmehr geht das reaktive Nahfeld direkt in Polarisation Leider verkompliziert die Vektornatur elektromagnetischer Felder die Studie des Antennenverhaltens bedeutend. Im Gegensatz zu einem Skalarfeld, z.B. einem akustischen Druckfeld, sind das elektromagnetische Feld und daher die Strahlungsfelder einer Antenne Vektormengen. Das heißt, das elektromagnetische Feld ist eine Vektorfunktion von Zeit und Raum. Im Bereich EMC werden fast alle Antennen vom Design her linear polarisiert, jedoch zeigen die meisten Antennen leichte Abwei- Darin ist D die größte mechanische Abmessung der Antenne. Bild 3: Log Periodic Dipol Array (Photo: TDK RF Solutions) hf-praxis 10/2012 15

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