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Zeitbereichsspektroskopie zur Untersuchung der elektrischen Eigenschaften ausgedehnter metallischer Flächen

18.02.2005

Zur Prüfung der elektrischen Eigenschaften ausgedehnter metallischer Flächen wurde eine Methode der Zeitbereichsspektroskopie entwickelt. Derartige Flächen treten z.B. als reflektierender Boden mit eingelassener Drehscheibe in Teilabsorberhallen auf, die für Prüfungen der elektromagnetischen Verträglichkeit elektronischer Geräte verwendet werden. Aber auch Freifeldmessplätze zur Kalibrierung von Antennen weisen einen entsprechenden Boden mit metallischer Fläche auf. Lokale Diskontinuitäten auf oder in diesen Flächen sind zu vermeiden, da sie die Messergebnisse beeinträchtigen, die in vielen Anwendungen mit theoretisch berechneten Werten zu vergleichen sind. Die metallischen Flächen mit Abmessungen im Bereich von mehreren 10 m werden z.T. aus einzelnen Platten zusammengeschraubt oder verschweißt. Dabei entstehen Schlitze, Nähte, Übergänge oder gar ein Ebenenversatz zwischen einzelnen Platten. Diese lokalen Diskontinuitäten können mit dem entwickelten Verfahren lokalisiert und quantitativ ausgewertet werden.

Der Messaufbau besteht aus einem vektoriellen Netzwerkanalysator und einer gut angepassten Standard-Gain-Hornantenne, die ein definiertes Strahlungsdiagramm aufweist. Mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator wird der Eingangsreflexionsfaktor S11 der Antenne bestimmt, die dicht über der zu untersuchenden Ebene so angeordnet wird, dass der Poyntingvektor der von der Antenne abgestrahlten Welle parallel zur metallischen Oberfläche der Ebene verläuft. Für die mit den Feldern verbundenen Ladungen und Ströme auf der Oberfläche der Metallplatte bilden die lokalen Diskontinuitäten eine Unstetigkeit in den Randbedingungen. Diese behindern den Energietransport, der mit der Wellenausbreitung verbunden ist und führen zu Reflexionen, die vom Netzwerkanalysator als Frequenzbereichsdaten S11 aufgezeichnet werden. Ein Vergleich der Messdaten mit und ohne zusätzliche Störung zeigt im Frequenzbereich keine wesentlichen Unterschiede. Erst nach anschließender chirp-Z-Transformation und geeigneter Fensterung ist eine Auswertung der nun im Zeitbereich vorliegenden Daten möglich. Unter dem Ansatz einer Wellenausbreitung in Luft lassen sich die Zeitbereichsdaten direkt als vom Ort abhängig betrachten. Da die reflektierte elektromagnetische Welle jedoch den Weg zwischen Antenne und lokaler Diskontinuität doppelt zurücklegt, müssen die Ortsbereichsdaten auf die halbe Laufzeit umgerechnet werden. Damit sind die lokalen Diskontinuitäten auf einem Radius in einem Kreissegment lokalisiert, das dem des azimuthalen Öffnungswinkels der Antenne entspricht. Der auswertbare Öffnungswinkel beträgt bei der verwendeten Antenne in 10 m Messentfernung ca. 2 m.


Messanordnung für Zeitbereichsspektroskopie zur Untersuchung der elektrischen Eigenschaften ausgedehnter metallischer Flächen, z.B. Freifeldmessanlagen zur Kalibrierung von Antennen