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Feldgeneratoren

Beschreibung der Verfahren und der verfügbaren Apparaturen

Die in der PTB angewendeten Verfahren basieren auf den in der Richtlinie VDI/VDE/DGQ/DKD 2622 Blatt 10: "Kalibieren von Messmitteln für elektrische Größen - Hochfrequenz-Feldstärke-Messgeräte" (siehe auch VDI-Richtlinie) beschriebenen allgemeinen Regeln. Die PTB-Strahlungsmonitor-Kalibrierung liefert einen Korrekturfaktor, der sich als Verhältnis aus dem vorgegebenen Effektivwert der Feldgröße und dem Anzeigewert des Gerätes ergibt. Der Vorgabewert und damit auch das Kalibrierergebnis beziehen sich auf das "Leerfeld" - also auf die Feldgröße, die ohne den Strahlungsmonitor im ungestörten Feld vorhanden wäre. Der Anwender kann die PTB-Kalibrierdaten direkt bei seinen Messungen nutzen: Der beste Schätzwert für die Leerfeld-Messgröße ergibt sich, indem er einfach den Anzeigewert seines Gerätes mit dem Korrekturfaktor multipliziert. Dabei müssen die Messbedingungen (Frequenz, Orientierung usw.) jedoch den Kalibrierbedingungen entsprechen (Siehe auch Messtechnische Eigenschaften von HF-Strahlungsmonitoren). Es ist daher sehr wichtig, dass der Auftraggeber vorab die technischen Details der Kalibrieraufgabe gemäß seinen Anforderungen mit der PTB abstimmt (siehe auch Auftragsabwicklung).

Folgende Apparaturen stehen in der PTB zur Verfügung:

Mikro-TEM-Zelle

Eine TEM-Zelle ist eine aufgeweitete Koaxialleitung, sie ist seit langem bekannt (zahlreiche Literatur, z.B. Crawford, Kanda, Orr, Neibig) und erzeugt berechenbare TEM-Felder. Die in der PTB verwendete sehr kleine Bauform  ist ebenfalls detailliert untersucht (Schrader, Elsner, Münter, Spitzer, Glimm) und bis über 1,1 GHz frei von Hohlleiterwellen, wegen des geringen verfügbaren Volumens jedoch beschränkt auf die Kalibrierung von speziellen Transfer-Feldstärkemessgeräten mit Miniatur-Sensoren (Münter, Pape, Glimm). Diese Geräte dienen danach zur Einstellung der Feldstärke in anderen, größeren Feldgeneratoren wie GTEM-Zellen oder Antennen-Strahlungsfeldern, wodurch diese Einrichtungen dann ebenfalls rückgeführt sind. Die Eigenschaften der Transfer-Sensoren (Detektorkennlinie, Frequenzgang, Temperatureinfluss) werden für jedes Exemplar individuell gemessen. Da eine solche vollständige Kalibrierung wegen des mehrfachen Temperaturausgleichs mehr als 24 h dauert, erfolgen die Messungen komplett rechnergesteuert.

Abb.: Temperaturstabilisierte Mikro-TEM-Zelle mit Transfersensor.

Abb.: Kalibrieraufbau der Normalmesseinrichtung auf Basis der µTEM-Zelle.

Kurzdaten:

Frequenzbereich:

1 MHz bis 1100 MHz

Septumabstand:

34,25 mm

Max. erreichbare elektrische Feldstärke:

150 V/m

Temperaturbereich:

16 °C bis 30 °C

Erreichbare rel. Messunsicherheit für Kalibrierung Transfersensor:

5 % (k=2) bzw.

0,45 dB (k=2)

GTEM-Zelle

Die GTEM-Zelle erzeugt Felder zur Exposition von kompletten Strahlungsmonitoren aus beliebigen Richtungen. Diese Apparatur ist keine Normalmesseinrichtung, denn die Rückführung basiert auf der Einstellung der elektrischen Feldstärke mittels eines Transfer-Feldstärkemessgerätes, das zuvor in der "Mikro-TEM-Zelle" kalibriert wurde.

GTEM-Zelle

Abb.: GTEM-Zelle.

Kurzdaten:

Frequenzbereich:

1 MHz bis 1000 MHz

Septumabstand:

1500 mm

Max. erreichbare elektrische Feldstärke:

150 V/m (1 MHz bis 200 MHz)

 80 V/m (200 MHz bis 400 MHz)

 50 V/m (400 MHz bis 1000 MHz)

Erreichbare rel. Messunsicherheit für Kalibrierung einer Feldsonde

12 % (k=2) bzw.

1,1 dB (k=2)

TEM-Zelle

Die TEM-Zelle ermöglicht aufgrund der Größenverhältnisse nur die Exposition des Messkopfes einer Feldsonde. Die Feldsonde kann von oben oder seitlich in den Feldraum eingebracht werden, so dass bei Feldsonden mit abgesetztem Sensorkopf nur Orientierungen parallel zum elektrischen Feld (PE) und parallel zum magnetischen Feld (PH) möglich sind. Die Feldstärke wird wie bei der µTEM-Zelle direkt über die vorlaufende Leistung rückgeführt. Die TEM-Zelle wird für Linearitätsmessungen von Feldsonden eingesetzt. Für Feldsonden mit separaten, über Lichtwellenleiter angebundenen Anzeigeeinheiten ist auch die Kalibrierung bei niedrigen Frequenzen möglich. Ebenso können Magnetfeldsensoren kalibriert werden, sofern sie eine genügend hohe E-Feldunterdrückung aufweisen.

TEM-Zelle

Abb.: TEM-Zelle.

Kurzdaten:

Frequenzbereich:

9 kHz bis 180 MHz

Septumabstand:

300 mm

Max. erreichbare elektrische Feldstärke:

400 V/m

Erreichbare rel. Messunsicherheit für Kalibrierung einer Feldsonde

7 % (k=2) bzw.

0,6 dB (k=2)

Mikrowellenmesseinrichtung

Die Mikrowellen-Kalibrierapparatur erzeugt Felder mit berechenbarer Energiestromdichte, ebenfalls zur Exposition von kompletten Strahlungsmonitoren aus nahezu beliebigen Richtungen. Diese Apparatur ist eine Normalmesseinrichtung, denn die Rückführung basiert direkt auf der Messung der Sendeleistung, des Abstands zwischen Hornantenne und Feldsensor sowie auf dem (aus Streuparametern abgeleiteten) Antennen-Gewinnfaktor. Da die Fernfeldbedingungen am Ort des Sensors erfüllt sind, lassen sich elektrische bzw. magnetische Feldstärke aus der Energiestromdichte berechnen.

Mikrowellenmesseinrichtung

Abb.: Mikrowellenmesseinrichtung.

Kurzdaten:

Frequenzbereich:

1100 MHz bis 18 GHz

Abstand zur Hornantennenapertur:

1000 mm

Max. erreichbare elektrische Feldstärke:

400 V/m

Erreichbare rel. Messunsicherheit für Kalibrierung einer Feldsonde

17 % (k=2) bzw.

1,6 dB (k=2)