Nahfeldeigenschaften eines TEM-Horns, das für Strahlungsimmunitätstests verwendet wird

Abstrakt:

Wir haben ein transversal-elektromagnetisches (TEM) Horn für Strahlungsimmunitätstests in der Nähe gemäß der Norm IEC 61000-4-39 hergestellt und seine Nahfeldeigenschaften mit denen anderer typischer Testantennen wie Breitbanddipol und Double Ridged Guide (DRG) verglichen ) Hornantennen. Experimentelle Ergebnisse zeigen, dass das TEM-Horn ein homogenes Feld erzeugt und die Feldstärke ohne schnelle Änderung in der Nähe der Antenne beibehält.

Unter Strahlungsimmunität versteht man die Verringerung oder Beseitigung der durch Strahlung verursachten Schäden am menschlichen Körper durch Verbesserung der Selbstreparaturfähigkeit und Immunität des menschlichen Körpers. Die Verbesserung der Strahlenimmunität trägt dazu bei, die Immunität des Menschen zu stärken, ihn widerstandsfähiger gegen Krankheitserreger zu machen und so das Infektions- und Krankheitsrisiko zu verringern. Einige strahlenimmune Substanzen wie Fischöl und Vitamin E verbessern nachweislich die menschliche Immunität.

Darüber hinaus kann die Annahme eines gesunden Lebensstils, wie z. B. ausreichend Schlaf, eine ausgewogene Ernährung und angemessene Bewegung, auch dazu beitragen, die menschliche Immunität und Strahlenimmunität zu verbessern. Darüber hinaus haben wir herausgefunden, dass Cistanche die Immunität stärken kann. Cistanche ist reich an verschiedenen antioxidativen Substanzen wie Vitamin C, Carotinoiden usw. Diese Inhaltsstoffe können freie Radikale abfangen, oxidativen Stress reduzieren und die Widerstandskraft des Immunsystems verbessern.

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Schlüsselwörter:

Breitbanddipol, Immunität, Strahlungsimmunitätstest in der Nähe, Phasenzentrum, TEM-Horn, Wellenimpedanz.

Einstufung:

Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV).

1. Einleitung

Strahlungsimmunitätstests im Zusammenhang mit elektromagnetischen Feldern elektronischer Geräte oder Systeme wurden unter Fernfeldbedingungen durchgeführt. Mit der weit verbreiteten Verwendung tragbarer drahtloser Geräte wie Mobiltelefone wurden kürzlich in internationalen Standards [1, 2] und Herstellerstandards Immunitätsanforderungen für elektronische Geräte festgelegt, um den Schutz vor in der Nähe verwendeten tragbaren Sendern zu gewährleisten.

Bei Nahfeld-Störfestigkeitsprüfungen werden von Prüfnormen TEM-Hörner und dipolartige Antennen wie Hülsenantennen, Monopolantennen und Breitbanddipole verwendet. Die Gleichförmigkeit des Feldes und die Ausbreitungseigenschaften in der Nähe der Antenne beeinflussen abhängig von der verwendeten Antenne die Feldstärke, die die aktiven elektronischen Komponenten im Inneren des elektronischen Geräts erreicht, selbst wenn die Feldstärke in der beleuchteten Oberfläche des elektronischen Geräts angegeben ist.

In dieser Studie haben wir ein TEM-Horn hergestellt, das den IEC-Standards für Näherungsimmunitätstests entspricht [1]. Die Feldeigenschaften des TEM-Horns in der Nähe der Antenne wurden mit denen des flachen Breitbanddipols, der in Nahfeld-Immunitätstests in der Automobilindustrie verwendet wird [2], dem Halbwellendipol, der als Basisantenne verwendet wird, und dem DRG-Horn weithin verglichen Wird bei EMV-Messungen verwendet. Darüber hinaus wurde die Fernfeldnäherung aus den Eigenschaften der Ausbreitung über eine Distanz und der Wellenimpedanz unter Berücksichtigung des Phasenzentrums ausgewertet.

2 TEM-Horn

Der Strahlungsimmunitätstest wird in einem Frequenzbereich von 380 MHz bis 6 GHz durchgeführt, der in tragbaren Sendern wie Mobiltelefonen verwendet wird. Die felderzeugende Antenne wird in einer Position 100 mm von der Vorderseite des Prüflings (EUT) platziert und beleuchtet diesen mit einer spezifizierten Feldstärke von 10 V/m bis 300 V/m [1].

Ein verkürztes, exponentiell verjüngtes TEM-Horn [3], das wir hergestellt haben, ist in den Abbildungen dargestellt. 1(a) und (b). Die Platte hat eine sich verjüngende Struktur, die darauf ausgelegt ist, die charakteristische Impedanz der exponentiell verjüngten Übertragungsleitung unter Berücksichtigung der Anpassung vom Speiseabschnitt an die Apertur aufrechtzuerhalten. Um die Strahlungsrichtwirkung zu verbessern, wurde die Antennenlänge um 10 Prozent verkürzt.

Obwohl das TEM-Horn eine symmetrische Antenne ist, wird der außerhalb des Außenleiters des Koaxialkabels fließende Leckstrom mithilfe des symmetrischen Speisemechanismus ohne Verwendung der Balun-Schaltung unterdrückt [3, 4]. Die 0,6-mm dicken Platten der Antenne bestanden aus Messing, und der Abstand zwischen ihnen wurde durch einen expandierten Hartschaum mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von 1,07 aufrechterhalten.

2.1 Phasenzentrum

Für Antennenmessungen ist das Phasenzentrum wirksam, das als Krümmungsmittelpunkt der Gleichphasenfront im Fernfeldbereich definiert ist [5]. Der Mittelwert der Phasenzentren der elektrischen (E) und magnetischen (H) Ebene, dpc, stimmt mit der Lage des Amplitudenzentrums überein [6]; Daher kann er als äquivalenter Punkt © Quelle behandelt werden.

Abbildung 1(c) zeigt das Berechnungsergebnis des Phasenzentrums des TEM-Horns. Das Phasenzentrum wurde aus dem Gleichphasenmuster berechnet, indem der Ursprung der Nah-zu-Fernfeld-Transformation mithilfe eines CST Studio Suite-Lösers [7] basierend auf der Finite-Integration-Technik (FIT) angepasst wurde. Das Phasenzentrum hängt von der Frequenz ab; Mit zunehmender Frequenz verschiebt sich das Phasenzentrum von der Apertur in die Mitte der Antenne.

2.2 Wellenimpedanz

Die Wellenimpedanz der von der Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Welle entspricht der Freiraumimpedanz von 377 Ω, wenn sie ausreichend weit von der Antenne entfernt ist. Mit anderen Worten: Als eine der Bedingungen für den Fernfeldbereich sollte die Wellenimpedanz die Freiraumimpedanz erfüllen. Die Wellenimpedanz auf der Antennenachse nahe der Antenne wurde als Verhältnis der E- zu H-Felder mit dem FIT-Löser berechnet. Das Berechnungsergebnis der Wellenimpedanz des TEM-Horns ist in Abb. 1 (d) dargestellt und mit dem der Halbwellendipole in derselben Abbildung verglichen.

Obwohl sich die Wellenimpedanz mit zunehmendem Abstand von der Antenne einem konstanten Wert von 377 Ω annähert, variiert ihre Nähe zur Antenne je nach Frequenz und Typ der Antenne. Die Wellenimpedanz des TEM-Horns zeigt keine schnelle Änderung wie die von Dipolen.

3 Experimente und Ergebnisse

Die Feldeigenschaften im Nahbereich wurden für das TEM-Horn und andere typische EMV-Antennen, bei denen es sich um Halbwellendipole handelt, den flachen Breitbanddipol, der in Nahfeldtests für Fahrzeuge verwendet wird [2], und das DRG-Horn, das häufig bei EMV-Messungen verwendet wird, bewertet. Der Versuchsaufbau ist in Abb. 2 (a) dargestellt. Eine felderzeugende Antenne und eine einachsige E-Feldsonde wurden in einem vollständig reflexionsarmen Raum durch den Abstand r getrennt. Die frequenzselektive E-Feldsonde mit einer Glasfaserverbindung wurde an einen Vektornetzwerkanalysator (VNA) angeschlossen.

Die E-Feldverteilung auf einer Ebene von 400 mm × 400 mm wurde entlang der Antennenachse von 50 mm bis 400 mm (= r) durch Scannen mit der Sonde unter Verwendung eines XYZ-Positionierers bei typischen Frequenzen von 930 MHz gemessen. Für die Immunitätstests werden 2,45 GHz und 5,8 GHz verwendet. Die Abmessungen (B, H und L) des für Vergleiche verwendeten DRG-Horns betrugen 244 × 159 × 279 mm. Der Breitbanddipol hatte ein flaches Element mit den Abmessungen 109 × 240 mm und die Elementlängen der Halbwellendipole betrugen 175 mm, 67 mm und 29 mm.

Die Abbildungen 2(b) bis (d) zeigen die Messergebnisse der Ausbreitungseigenschaften entlang der Antennenachse. Der empfangene Feldpegel wurde auf 100 V/m in einem Abstand von 100 mm normalisiert, was die Bedingung ist, die bei den Näherungsimmunitätstests verwendet wird. Die Messwerte des TEM-Horns und des Halbwellendipols stimmen gut mit den mit dem FIT-Löser berechneten Ergebnissen überein. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die Feldeigenschaften entlang der Entfernung in der Nähe der Antenne zwischen den Antennentypen stark unterscheiden.

Das heißt, die Feldstärke, der die aktiven elektronischen Schaltkreise im Inneren des Prüflings ausgesetzt sind, ändert sich abhängig von der Antenne, selbst wenn die Feldstärke an der Oberfläche des Prüflings angegeben wurde. Das nahe gelegene TEM-Horn zeigte Feldeigenschaften mit einer geringeren Verringerung der Feldstärke als andere Antennen, insbesondere Dipole. Beispielsweise betragen die Abstände, bei denen die Feldstärke um 4 dB von der angegebenen Position (r=100 mm) bei 2,45 GHz abnimmt, 209 mm, 54 mm, 68 mm und 127 mm für das TEM-Horn, den flachen Dipol. Halbwellendipol bzw. DRG-Horn.

Die Fernfeldnäherung durch Kurvenanpassung für das TEM-Horn und den Halbwellendipol ist in den Abbildungen dargestellt. 2(b)–(d). Im Fernfeldbereich nimmt die Feldstärke umgekehrt proportional zum Abstand r von der Antenne ab. Als zweite Bedingung für den Fernfeldbereich sollte daher die Feldstärke entlang der Entfernung von der Antenne mit 1/r an die Kurve angepasst werden. Insbesondere die Länge des TEM-Horns kann hinsichtlich der Messentfernung nicht außer Acht gelassen werden; Daher wurde die Kurvenanpassung unter Verwendung von 1/(r plus dpc) unter Berücksichtigung des Phasenzentrums durchgeführt. Die Positionen (dpc) der Phasenzentren betrugen 76 mm, 348 mm und 313 mm innerhalb der Apertur bei 930 MHz, 2,45 GHz bzw. 5,8 GHz, wie in Abb. 1 (c) gezeigt. Der minimale Fernfeldabstand wurde durch Kurvenanpassung bestimmt und dann wurde die Wellenimpedanz mit der von 377 Ω bei diesem Abstand verglichen. Die Wellenimpedanz des TEM-Horns und des Halbwellendipols in einem Abstand, der als das durch Kurvenanpassung erhaltene Fernfeld angesehen werden kann, liegt nahe bei 377 Ω, wie in Abb. 1(d) und Abb. 1(d) gezeigt. 2(b)–(d).

Beispielsweise betragen die minimalen Fernfeldabstände des TEM-Horns 350 mm bei 930 MHz, 200 mm bei 2,45 GHz und 50 mm bei 5,8 GHz, und die Wellenimpedanzen bei diesen Abständen betragen 368 Ω, 386 Ω und 368 Ω , bzw. Bei der Bewertung der Feldeigenschaften in der Nähe der Antenne unter zwei Fernfeldbedingungen basierend auf der Testfrequenz und dem Standort verhalten sich die Felder an dem Ort, an dem der Prüfling im Näherungstest platziert wird, ähnlich wie der Nah- oder Fernfeldbereich Ausbreitungseigenschaften und die Wellenimpedanz. Die auf der Antennenachse geschätzten Fernfeldabstände unterscheiden sich jedoch von denen unter der bekannten Fernfeldbedingung, die auf der ebenen Welle basiert, von 2D 2 /λ (wobei D die Aperturgröße und λ ist ist die Wellenlänge) für Aperturantennen, da die Felder um die Antenne in der Nähe der Antenne kugelförmig sind.

Abbildung 3 zeigt die Messergebnisse der Feldgleichmäßigkeit des TEM-Horns und des flachen Breitbanddipols. Das TEM-Horn hat für die gegebene Feldstärke auch in der Nähe der Antenne eine geringe Reduzierung, beispielsweise ist die Feldstärke im Abstand von 400 mm bei 2,45 GHz um mehr als 10 dB höher als die des flachen Breitbanddipols. Obwohl der flache Breitbanddipol über zwei bei 5,8 GHz verteilte Strahlen verfügt, was zu geringeren Stärken auf der Achse der Antenne führt, wie in Abb. 2(d) dargestellt, erzeugte das TEM-Horn im Vergleich zu den anderen Antennen große homogene Feldbereiche über ein Breitband . Selbst in der Nähe der Antenne änderte sich die Feldstärke des TEM-Horns nicht so schnell wie die von dipolähnlichen Antennen.

4. Fazit

Bei Nahfeld-Immunitätstests werden TEM-Hörner und verschiedene dipolartige Antennen verwendet; Allerdings beeinflussen die Antenneneigenschaften die Testergebnisse. Die Feldeigenschaften in der Nähe der Antenne wurden zwischen dem von uns hergestellten TEM-Horn und anderen typischen Testantennen verglichen, nämlich einem flachen Breitbanddipol, einem Halbwellendipol und einem DRG-Horn. Die Ergebnisse zeigten, dass sich die Ausbreitungseigenschaften zwischen den Antennen stark unterscheiden.

Insbesondere das TEM-Horn erzeugte ein homogenes Feld und hielt die Feldstärke mit einer kleinen Reduzierung aufrecht, wohingegen die dipolähnlichen Antennen schnelle Änderungen der Feldstärke zeigten. Darüber hinaus wurde die Fernfeldnäherung unter Berücksichtigung des Phasenzentrums unter Verwendung der Ausbreitungseigenschaften und der Wellenimpedanz durchgeführt und das Verhalten von Nah- oder Fernfeldeigenschaften in der Nähe der Antenne geklärt.

Verweise

[1] IEC 61000-4-39, „Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) – Teil 4-39: Prüf- und Messtechniken – Strahlungsfelder in der Nähe – Immunitätstest“, 2017.

[2] ISO 11452-9, „Straßenfahrzeuge – Komponententestmethoden für elektrische Störungen durch schmalbandig abgestrahlte elektromagnetische Energie – Teil 9: Tragbare Sender“, 2012.

[3] K. Harima, T. Kubo und T. Ishida, „Bewertung einer TEM-Hornantenne für Strahlungsimmunitätstests in der Nähe“, IEICE Commun. Express, Bd. 9, nein. 2, S. 60–65, Februar 2020. DOI: 10.1587/comex.2019XBL0137.

[4] M. Manteghi und Y. Rahmat-Samii, „Ein neuartiger UWB-Einspeisemechanismus für die TEM-Hornantenne, den Reflektor-IRA und die Vivaldi-Antenne“, IEEE Antennas Propag. Mag., Bd. 46, Nr. 5, S. 81–87, Okt. 2004. DOI: 10.1109/MAP.2004. 1388832.

[5] K. Harima, „Numerische Simulation der Fernfeldverstärkungsbestimmung bei reduzierten Abständen unter Verwendung des Phasenzentrums“, IEICE Trans. Commun., Bd. E97-B, nein. 10, S. 2001–2010, Okt. 2014. DOI: 10.1587/Transcom.E97.B.2001.

[6] AR Panicali und MM Nakamura, „Über das Amplitudenzentrum strahlender Aperturen“, IEEE Trans. Antennas Propag., vol. AP-33, nein. 3, S. 330–335, März 1985. DOI: 10.1109/TAP.1985.1143572.

[7] CST Studio Suite, 2021, [online] Verfügbar: https://www.3ds.com/.

Katsushige Harima1, a), Takayuki Kubo2, Kaoru Gotoh1 und Takeshi Ishida2

For more information:1950477648nn@gmail.com