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Aug 31, 2023

Diamantjubiläum: Der 60. Jahrestag des Einsatzes der 41-Zoll-Stabantenne bei militärischen EMI-Tests

Dieses Jahr markiert nicht nur das Jubiläum des Titels, sondern wohl auch den Beginn der modernen Ära der Prüfung elektromagnetischer Interferenzen (EMI) von Fahrzeugen. Die Strahlungsemissionsprüfung (RE) von Geräten, die in eigenständigen Fahrzeugen verwendet werden sollen, wird in einem Abstand von einem Meter oder weniger durchgeführt, im Gegensatz zu Tests in einer Entfernung von drei Metern oder mehr für Geräte, die für den Einsatz in Wohnungen, Büros und Fabriken konzipiert sind.

Mit der modernen Ära ist die Erkenntnis gemeint, dass, damit solche Nahfeld-RE-Messungen nützlich sind, der Sensor/Aufnehmer/die Antenne das tatsächliche Opfer, das durch den betreffenden EMI-Standard geschützt wird, in Bezug auf sein Aussehen, seine Ausrichtung und seinen Abstand zum Opfer genau nachbilden muss.

Vor 1953 wurden verschiedene Sensoren eher wahllos verwendet, wobei der Wiederholbarkeit und Korrelation zwischen RE-Messungen auf Geräteebene und der im Fahrzeug installierten elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) wenig Aufmerksamkeit geschenkt wurde.

Die 104-cm-Stabantenne (41 Zoll) ist konzeptionell eines der einfachsten Geräte in unserem Arsenal an Messwerkzeugen, aber es ist eine traurige Tatsache, dass sie heute kaum verstanden wird.

Die meisten EMC-Ingenieure verstehen intuitiv, dass die Stabantenne die elektrischen Feldkomponenten parallel zu ihrer Länge summiert und das an der Basis verfügbare Hochfrequenzpotential (HF) die Hälfte der Potentialdifferenz zwischen der Stabbasis und der Spitze beträgt. Weniger bekannt ist, dass das Potenzial an der Stabbasis nicht absolut gemessen wird, sondern wie bei jeder Potenzialmessung eine Potenzialdifferenz gemessen wird – in diesem Fall besteht die Potenzialdifferenz zwischen der Stabbasis und dem lokalen Potenzial Boden in der Nähe der Basis, also das Gegengewicht. Das Gegengewichtspotential wird oft als Nullpotential betrachtet, ist es aber tatsächlich nicht, da es dem gleichen Feld wie der Stab ausgesetzt ist. Dieser letztgenannten Tatsache wird unter anderem durch die Änderung der MIL-STD-461F-Stabantennenkonfiguration und den laufenden Bemühungen zur Entwicklung von MIL-STD-461G Rechnung getragen.

Nach einem historischen Rückblick werden Fehlinterpretationen und Irrtümer bis hin zu einer unglücklichen Beschreibung im diesjährigen EMC Symposium Record überprüft und erläutert.

Die historische Diskussion ist größtenteils einer Monographie zum gleichen Thema entnommen, die im Abschnitt „Geschichte“ unter www.emccompliance.com verfügbar ist, sowie einem Artikel des Autors mit dem Titel „On the Nature and Use of the 1,04 m Electric Field Probe“ [ 1] – ab sofort Javor 2011. Javor 2011 geht eingehend auf die Physik und Mathematik der elektrischen Feldkopplung an einen 104-cm-Stab ein, während dieser Artikel qualitativer Natur ist und sich lediglich auf die Analyse- und Testergebnisse aus dem Jahr 2011 bezieht. Sofern nicht anders angegeben, gilt der Die in diesem Artikel verwendeten Testdaten und Testaufbaufotos stammen aus der Arbeit, die bei der Entwicklung von Javor 2011 durchgeführt wurde.

Der Anfang

Der 29. Mai 1953 war das Veröffentlichungsdatum von MIL-I-6181B, „Interferenzgrenzen, Tests und Konstruktionsanforderungen, elektrische und elektronische Ausrüstung von Flugzeugen“, das erste, das die Verwendung der 104-cm-Stabantenne einführte. Der erste Einsatz der 104-cm-Stabantenne wird in NADC-EL-5515 vom 10. August 1955, „Final Report, Evaluation Of Radio Interference Pick-Up Devices And Explanation Of The Methods And Limits Of Specification No. MIL-I-“ erläutert. 6181B.“ Dieser Bericht war im Wesentlichen ein Begründungsanhang für MIL-I-6181B.

Vor, während und nach dem Zweiten Weltkrieg, bis 1953, bestand die Standardpraxis für den Anschluss eines Kommunikationsradios an eine Antenne aus ungeschirmten Kabeln, die im Wesentlichen eine Fortsetzung der externen Antenne darstellten (Abbildung 1). Der Antennenanschluss reagierte genauso hochfrequenzempfindlich wie die Antenne selbst und war im Fahrzeug zahlreichen Quellen von Hochfrequenzstörungen (RFI) ausgesetzt.

Abbildung 1: Antennenverbindungskabel im Inneren eines Bombers aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs (National Air & Space Museum, Washington DC). Der blanke Draht ist mit Steatitperlen bedeckt, die beim Senden der Antenne für die erforderliche Isolierung sorgen. Im Sendebetrieb lag auf dieser Leitung bei mittleren und hohen Frequenzen ein Potenzial von bis zu 5 kV!

Die Eingangsimpedanz der Radiomischröhren dieser Zeit war sehr hoch und es war notwendig, das Antennenkabel von der Flugzeugstruktur zu trennen, um die kapazitive Belastung zu begrenzen. Dies ist die Funktion des in Abbildung 1 hervorgehobenen Porzellanabstandshalters. Der hochohmige Draht war sehr anfällig für kapazitives Übersprechen, und es wurde darauf geachtet, ihn von anderen Kabeln getrennt zu halten. Beachten Sie die Trennung der Verkabelung entlang der Oberseite von Abbildung 2, die am Porzellanabstandshalter von anderen Kabelbaugruppen hängt.

Abbildung 2: Trennung zwischen ungeschirmtem Antennenkabel und dem nächsten angrenzenden Kabelbündel (National Air & Space Museum, Washington DC). Die Kabeltrennung war in der heutigen Zeit mit offenen Kabeln und winzigen Signalen im Empfangsmodus und extrem gefährlichen Potenzialen im Sendemodus die einzige verfügbare Kontrolle über Übersprechen.

Das RFI-Problem war gut verstanden, wie die Zeichnung in Abbildung 3 zeigt, die einem Auszug aus einer technischen Anordnung des Kriegsministeriums aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs entnommen ist.

Abbildung 3: Zeichnung, die die Kopplung von flugzeuginternen HF-Quellen mit einer internen Antennenzuführung zeigt und wie man Übersprechen minimiert. Es ist ganz klar, dass RFI im Inneren des Flugzeugs auftritt und dass die Kopplung mit der Antenne selbst nicht einmal ein nachträglicher Gedanke ist! – aus dem „Handbook of Elimination of Radio Noise in Aircraft“ von 1945, das wiederum eine Aktualisierung einer ähnlichen Veröffentlichung von 1942 war (United States War Department und Air Council of the United Kingdom).

Die langfristige Lösung für die daraus resultierende RFI bestand darin, die ungeschirmte Antenneneinführung bei künftigen Beschaffungen zu eliminieren. MIL-I-6181B verbot solche Beschaffungen und ersetzte sie durch Funkgeräte, die mit Koaxialkabeln kompatibel sind. Es gab jedoch einen sehr großen Bestand an älteren Funkgeräten und den Flugzeugen, in denen sie installiert waren, und so musste MIL-I-6181B diese Installationen immer noch (großvater) schützen. William Jarva, der Autor von NADC-EL-5515, wählte die 104-cm-Stabantenne, wie sie mit dem AN/PRM-1-Messgerät der Stoddart Aircraft Radio Company (damals neu) geliefert wurde, als sinnvolle Simulation der ungeschirmten Antenneneinführung bei Frequenzen unter 20 MHz. Oberhalb von 20 MHz wurde ein horizontal polarisierter abstimmbarer Dipol verwendet.

NADC-EL-5515 beschreibt eine von Herrn Jarva durchgeführte Messung zur Entwicklung einer Strahlungsemissionsgrenze zum Schutz der Funkanlage BC-348Q. Abbildung 4 ist eine Nachstellung dieses Aufbaus.

Abbildung 4: Nachstellung des NADC-EL-5515-Aufbaus, der 1953 zur Festlegung des RE-Grenzwerts in MIL-I-6181B verwendet wurde. Bei diesem Aufbau gab es eine nahezu eins-zu-eins-Korrelation zwischen dem Versagen und dem EMI-Anforderung und Verursachung eines EMV-Problems in einem Fahrzeug. Nachdem das Problem der offenen Kabeleinführungen gelöst war, war die Korrelation viel geringer. Tatsächlich warnt MIL-E-6051D, ein 1967 veröffentlichter EMV-Standard auf Systemebene, folgendermaßen: „Sofern im Vertrag nicht anders angegeben, müssen Subsysteme/Geräte so konzipiert sein, dass sie die Anforderungen von MIL-STD-461 und MIL-STD-461 erfüllen.“ 462. Da einige der Grenzwerte in diesen Standards sehr streng sind, müssen die Auswirkungen dieser Grenzwerte auf die Wirksamkeit, die Kosten und das Gewicht des Systems berücksichtigt werden.“

Eine vollständige Beschreibung der Messung finden Sie in den oben genannten Artikeln. Für den Zweck dieser Retrospektive reicht es zu beachten, dass der AN/PRM-1 EMI-Empfänger im Vordergrund batteriebetrieben war und die einzige Verbindung zum Empfänger ein kurzes Verbindungsband zur Tischgrundplatte war. Darüber hinaus geht der 104 cm lange Stab direkt vom EMI-Empfänger aus; es gibt kein dazwischenliegendes Kabel. Auf diese Weise simulierte der EMI-Empfänger sehr genau das historische Radiogerät BC-348Q, das auf der Bodenplatte platziert war und das durch die RE-Grenze geschützte Opfer war. Impulsrauschen (dargestellt durch den Impulsgenerator), gleichmäßig an das ungeschirmte Antennenkabel gekoppelt, das mit dem BC-348Q und der 104-cm-Stabantenne verbunden ist. Die Impulsrauschquelle wurde im gleichen Abstand vom BC-348Q-Antennenkabel und der 104-cm-Stabantenne platziert, und der Abstand betrug einen Fuß, im Gegensatz zu heute einem Meter. Dies spiegelte die in den damaligen Flugzeugen erreichbare Trennung zwischen Täter- und Opferverkabelung wider. Wenn beim Hören mit dem BC-348Q-Headset Hochfrequenzstörungen erkannt wurden, wurde die Auslenkung des Messgeräts auf dem AN/PRM-1-Messgerät notiert und ein Grenzwert in Bezug auf das vom Messgerät gemessene HF-Potential gebildet (Abbildung 5). die moderne Praxis der Messung einer Feldintensität. Eine solche Grenze wird als „antenneninduzierte“ (dBuV) im Gegensatz zur Feldintensität (dBuV/m) bezeichnet. Eine antennenbedingte Begrenzung erfordert zwangsläufig eine strenge Spezifikation der Antenne. Moderne militärische 1-Meter-EE begrenzen die Intensität des Kontrollfelds, behalten aber dennoch die Kontrolle über den Antennentyp, im Gegensatz zu EE-Messungen, die auf drei Meter oder mehr festgelegt sind und bei denen dies nicht der Fall ist. Dies spiegelt noch einmal den Unterschied zwischen Nah- und Fernfeldmessungen wider.

Abbildung 5: Grenzwertbestimmung für abgestrahlte Emissionen unter 20 MHz in NADC-EL-5515 und MIL-I-6181B (beachten Sie inhärent breitbandige Einheiten – alle verwendeten Quellen waren breitbandig, was die damaligen elektrischen Übeltäter widerspiegelt)

Der folgende Auszug aus NADC-EL-5515 (verfügbar auf der Geschichtsseite von emccompliance.com) erklärt die Physik der Situation in Herrn Jarvas eigenen Worten:

„ANTENNENSYSTEME FÜR FUNKSTÖRUNGSMESSUNGENIm Frequenzbereich von 0,15 bis 20 mc sind die Strahlungselemente, Aufnahmeantennen und Abstände, die im Allgemeinen für Messungen von abgestrahlten Funkstörungen verwendet werden, im Vergleich zur Wellenlänge klein. Die vom Feld zur Antenne übertragene Energiemenge hängt davon ab die Art der Signalquelle und der Typ der verwendeten Empfangsantenne. Wenn es sich bei der strahlenden Störquelle beispielsweise um eine einzelne, kleine geschlossene Drahtschleife handelt, kann viel Strom fließen, ohne dass sich in der Schleife eine große Spannung entwickelt. Folglich a Im Induktionsfeld entsteht in Verbindung mit einer vergleichsweise kleinen elektrischen Komponente eine große magnetische Komponente. Um aus einem solchen Feld eine große Energiemenge zu extrahieren, sollte eine ähnliche Rahmenantenne, die korrekt an einen Empfänger angepasst ist, als Aufnahmegerät verwendet werden um etwas zu liefern, das mit einer guten Impedanzanpassung in der gewöhnlichen Schaltungstheorie verglichen werden kann. Wenn als Aufnahmegerät eine kurze Stabantenne verwendet würde, die empfindlich auf die elektrische Komponente des Feldes reagiert, würde sich eine sehr geringe Energieübertragung ergeben und eine vergleichbare Situation entstehen Es würde ein Zustand einer Impedanzfehlanpassung vorliegen. Wenn eine kurze Stabantenne als Signalquelle dient, kann am Stab eine große Spannung entstehen, jedoch mit sehr geringem Stromfluss. Folglich besteht das entwickelte Feld aus einer großen elektrischen Komponente und einer kleinen magnetischen Komponente. In diesem Fall würde ein anderer Stab, der als Aufnahmegerät verwendet wird, das Vorhandensein eines intensiven Feldes anzeigen, wohingegen eine Rahmenantenne nur sehr geringe Hinweise geben würde. Typische Funkstörquellen in Flugzeugen sind die beschriebenen Extremfälle und alle weiteren Varianten. Im Allgemeinen variiert das Verhältnis der elektrischen zu den magnetischen Komponenten rund um eine ungeschirmte Leitung direkt mit der Impedanz der Last, die die Leitung abschließt, und die scheinbare Impedanz, die den verschiedenen Aufnahmeantennen präsentiert wird, variiert in gleicher Weise. Diese Aussage gilt für radiale und tangentiale Feldkomponenten im Gegensatz zum üblicheren Konzept der Wellenimpedanz in der Abschirmungstheorie, das nur für die Komponenten gilt, die tangential zur Ausbreitungslinie liegen.

Obwohl es wünschenswert wäre, die Messung sowohl der elektrischen als auch der magnetischen Komponenten des Störfelds zu fordern, wird derzeit angenommen, dass solche Anforderungen die Spezifikationsprüfung übermäßig komplex machen würden. Die Erfahrung hat gezeigt, dass elektronische Geräte in Flugzeugen, die in den niedrigeren Frequenzbereichen (0,15 bis 20 mc) arbeiten, aufgrund der allgemein verwendeten ungeschirmten Antennenzuführung mit hoher Impedanz empfindlicher auf das elektrische Feld reagieren. Derzeitige Praxis besteht darin, das elektrische Feld durch Funkinterferenzmessungen zu kontrollieren. Dies geschieht durch die Verwendung einer 41-Zoll-Stabantenne und die Behandlung aller Schwierigkeiten, die sich aus Geräten ergeben, die starke Magnetfelder erzeugen, als Sonderfälle, die besondere Aufmerksamkeit erfordern, wenn die Geräte im Flugzeug installiert werden. Referenz (e) verlangt, dass alle mit Antennen verwendeten Geräte für die Verwendung mit einem abgeschirmten Antennenkabel ausgelegt sind. Wenn das ungeschirmte Antennenkabel in Flugzeugen vollständig aus dem Verkehr gezogen wird, ist eine Überprüfung der derzeitigen Methoden und Grenzwerte im Frequenzbereich von 0,15 bis 20 mc erforderlich. Funkstörmessgeräte mit der 41-Zoll-Stabantenne sind so konstruiert und kalibriert, dass sie direkt die Mikrovolt messen, die durch das Störfeld in der Antenne induziert werden.“

Hinweis: Die zitierte Referenz (e) ist MIL-I-6181B.

Der obige Auszug ist bemerkenswert klar und zeigt, wie gut das Problem und die Lösung verstanden wurden. Der Leser kann die elektrische Feldbeschaffenheit des Stabes demonstrieren. Richten Sie einen oberirdischen Draht gemäß MIL-STD-461E/F ein, der an einem Ende von einem 50-Ohm-Signalgenerator angetrieben wird. Belasten Sie das andere Ende des Kabels mit 50 Ohm und platzieren Sie ein Signal mit 100 kHz und 100 dBuV Amplitude auf dem Kabel. Notieren Sie die gemessene Feldintensität (~1 mV/m, 60 dBuV/m). Entfernen Sie nun die 50-Ohm-Last vom anderen Ende des Kabels. Durch die Entlastung erhöht sich das Drahtpotential um 6 dB. Verringern Sie daher die Einstellung des Signalgenerators um 6 dB, um das Drahtpotential konstant zu halten. Die Stabantennenmessung wird genau die gleiche Feldstärke anzeigen wie zuvor – obwohl in der zweiten Konfiguration rund 80 dB weniger Strom fließen! Eine klarere Demonstration der Erfassung elektrischer Felder und der Unterdrückung magnetischer Felder ist nicht möglich.

Vor dem Hintergrund, wie die 104-cm-Stabantenne zum Einsatz bei EMI-Tests kam, machen wir mit der Implementierung in der EMI-Testkammer weiter. Abbildung 6 ist ein Diagramm und eine Nachbildung eines Stabantennenaufbaus gemäß MIL-I-6181.

Abbildung 6: MIL-I-6181-Stabantennendiagramm und Nachbildung des Aufbaus. Wie im Text erwähnt, handelt es sich dabei um ein so nahes Feld, dass es sich nicht einmal um den Versuch handelt, eine Feldintensität zu messen; Stattdessen wird das im Stab induzierte Potenzial gemessen und stellt eine Übersprechkontrolle dar, oder kommt dieser sehr nahe.

In Abbildung 6 ist der Stab direkt mit dem EMI-Messgerät verbunden. Bei der Auswahl der Bänder wurde die Antenne intern richtig auf den Mischereingang abgestimmt. Das Mischrohr wies eine hohe Eingangsimpedanz auf, so dass der 104-cm-Stab nicht belastet wurde, wie dies bei einem modernen Mischpult mit einer Eingangsimpedanz von fast fünfzig Ohm der Fall wäre.

Beachten Sie auch das sehr kurze Verbindungsband zwischen EMI-Messgerät und Masseplatte. Die Stabantenne befand sich nur 12 Zoll von der Vorderseite des Testmusters entfernt. Dies spiegelte die erreichbare Drahttrennung in Flugzeugen dieser Zeit wider. Der Zweck des Verbindungsbandes bestand darin, die Masseebene als Referenz für das Aufnahmepotential der Stabantenne zu machen. Das EMI-Messgerät war batteriebetrieben -in dieser Anwendung mit Strom versorgt; die Erdungsebene ist die einzige Erdungsreferenz.

Im Laufe der Zeit kamen Beschwerden über die Schwierigkeit auf, das AN/PRM-1-Messgerät in unmittelbarer Nähe der Testprobe zu verwenden. Während das AN/PRM-1 über ein Fernmessgerät verfügte, mussten die Bedienelemente dennoch auf der Vorderseite des Messgeräts selbst angepasst werden. Die Stoddart Aircraft Radio Company lieferte daraufhin eine modernere Version der Stabantenne mit eigener, passiv abgestimmter Basis. Dies ermöglichte die Fernnutzung des EMI-Messgeräts selbst. Abbildung 7 zeigt einen Aufbau mit der Stabantenne mit eigenem Sockel in einem Bild eines EMI-Tests aus den 1950er oder frühen 60er Jahren.

Abbildung 7: Bild des MIL-I-6181 RE-Tests mit einer Stabantenne vor 1963. Jetzt konnte der Ingenieur aus dem Aufbau entfernt werden. Bei dem Verbindungskabel handelte es sich um eine abgeschirmte zweiachsige Übertragungsleitung, die bei Bedarf durch eine Schottdurchführung geführt werden konnte, um die Abschirmung zu erden, ohne eine Erdungsschleife in die Instrumentierung einzuführen!

MIL-I-6181B spezifizierte die Stabantenne nur für 20 MHz, wobei Dipole bei höheren Frequenzen verwendet wurden. Spätere Überarbeitungen erhöhten den Haltepunkt auf 25 MHz (nämlich 25 oder 30 MHz für MIL-STD-461/-462, alle Versionen).

Tri-Service-Standardisierung

Bis 1967 verfügten Heer, Marine und Luftwaffe über eigene dienstspezifische Standards. Der Zweck von MIL-STD-461/-462 bestand darin, einen einzigen Tri-Service-Standard mit entsprechenden Skaleneffekten bereitzustellen.

MIL-STD-462 platzierte die Stabantenne in einem Meter Abstand von der Testprobe und ließ das Gegengewicht von der Bodenebene schweben (Abbildung 8). Dies beruhte auf der NADC-EL-5515-Beobachtung (bereits zitiert), dass die Testmethode unter Verwendung der Stabantenne bei 12 Zoll mit der schrittweisen Außerbetriebnahme der Open-Wire-Einführungsradios und deren Ersetzung durch 50-Ohm-Koaxial-Eingangsradios hätte geändert werden müssen überarbeitet werden. Durch die Verwendung moderner koaxialer, abgeschirmter Zuleitungen wurde das empfindliche, hochohmige, ungeschirmte Opfer an die Außenseite des Flugzeugs verlagert, wo die Antenne montiert war. Die Vergrößerung des Abstands zwischen Antenne und Testprobe war eine Reaktion auf die neue Funk-zu-Antennen-Verbindung Technik. Das Gegengewicht wurde nur über seine koaxiale Verbindung zum EMI-Empfänger geerdet, was sehr wichtig war, da bei 14 kHz, dem unteren Ende des RE02-Bandes, eine Einzelpunkterdung für die Messintegrität erforderlich war, wenn ein passives (auf das Oktavband abgestimmtes) Gerät verwendet wurde ) Stabantenne.

Abbildung 8: Stabantennenverwendung gemäß MIL-STD-462-Grundversion (1967). Viele der damals zugelassenen EMI-Messgeräte konnten mit Batteriestrom betrieben werden, so dass dieser Aufbau das isolierte Gegengewicht nicht zwangsläufig erdete.

Eine weitere Änderung im Zusammenhang mit der Entfernung der empfindlichen Verkabelung des Opfers aus dem Flugzeug bestand darin, dass konsequent darauf geachtet wurde, die Antenne vor HF-Störungen zu schützen. Dies führte zu einem Wechsel von der antenneninduzierten Grenze zu einer modernen Feldstärkegrenze.

Eine graue Wolke erschien mit dem Silberstreif am Horizont, das hochempfindliche, ungeschirmte Kabel aus dem Fahrzeuginneren zu entfernen. Die leicht modellierbare und universelle interne Interaktion entwickelte sich zu einer fahrzeugspezifischen Geometrie, bei der die meisten intern erzeugten Felder ihren Weg aus dem Metallfahrzeug finden mussten, um mit einer externen Antenne zu interagieren. Die Nichteinhaltung des RE102-Grenzwerts ist kein Grund für eine sofortige Ablehnung, sondern muss durch den Einbau des Geräts in das entsprechende Fahrzeug und die Überprüfung der Kompatibilität bewertet werden. Dies wird in MIL-STD-464 Absatz 5.2.4 anerkannt, der eine quantitative Messung der von der Fahrzeugelektronik an Fahrzeugantennen gekoppelten HF-Störungen erfordert. Solche Messungen wurden bereits vor der Veröffentlichung von MIL-STD-464 Basic im Jahr 1997 durchgeführt, aber MIL-STD-464C machte dies 2010 zu einer strengen Anforderung.

MIL-STD-462 ersetzte auch abstimmbare Dipole durch die 1,37 m lange bikonische Spitze-zu-Spitze-Antenne über dem Stabband. Während MIL-I-6181 und ähnliche Spezifikationen einen Dipol erforderten, der auf nur 28 oder 35 MHz (in der Größenordnung von 5 Metern von Ende zu Ende) abgestimmt war, kann der kürzere Bikonus geneigt werden, um sowohl vertikal als auch horizontal verwendet zu werden. Die EMI-Standards vor MIL-STD-461 erforderten nur die Steuerung horizontal polarisierter Kopplung oder Felder über 20–30 MHz, MIL-STD-461/-462 kontrollierte jedoch beide Polarisationen über 30 MHz (oberhalb der bikonischen Antennen wurden logarithmische Spiralantennen verwendet). Band, das sowohl horizontale als auch vertikal polarisierte Felder gleichzeitig erfasste).

Und schließlich wurden zu dieser Zeit auch aktive Stabantennen allgemein verfügbar. Dabei handelte es sich um eine Technologieentwicklung, nicht um eine Spezifikation oder Standardanforderung. Anstatt eine Stabantenne über Oktavbänder abzustimmen, die denen des Fernempfängers folgten, trieb die Stabantenne ein FET-Gate an, das nahezu als Leerlauflast fungierte. Dies bedeutet, dass die inhärente effektive Leerlaufhöhe der 104-cm-Stabantenne von 0,5 Metern (oder 6 dB/m Antennenfaktor) erreichbar war. Im Vergleich zum Ausschalten der 10-pF-Quellenimpedanz des Stabes mit einer Induktivität pro Oktave lag die Verbesserung des Antennenfaktors bei 10 kHz in der Größenordnung von 50 dB. Diese Entwicklung erleichterte den Einsatz von Spektrumanalysatoren für EMI-Tests, als sie verfügbar wurden. Die Empfindlichkeit des Analysators war nicht so gut wie die des EMI-Empfängers, musste aber bei Verwendung einer aktiven Stabantenne nicht so gut sein. Der Nachteil bestand darin, dass die aktiven Schaltkreise den Dynamikbereich für Signale mit hohem Pegel begrenzten, sowohl für die Stab- als auch für die Spektrumanalysatorelektronik. Die Reaktion auf ein Breitbandsignal könnte recht begrenzt sein, und wenn ein starkes Out-of-Band-Signal vorhanden wäre, könnte dies die Fähigkeit zum Empfang eines Signals mit niedrigem Pegel beeinträchtigen. Letzteres Problem war in einer abgeschirmten Testkammer nicht so wichtig.

Ein Problem schleicht sich ein

In den Jahren 1970 und 1971 wurden die Bekanntmachungen 2 (Luftwaffe) und 3 (Armee) veröffentlicht. Eine Gemeinsamkeit zwischen den Bekanntmachungen 2 und 3 war eine Änderung der Stabantennenkonfiguration: Während das Gegengewicht zuvor von der Grundebene schwebend gehalten wurde, war es jetzt mit dieser verbunden. Diese Änderung fand ungehindert Eingang in MIL-STD-462D (1993) und den konsolidierten MIL-STD-461E (bestehend aus Anforderungen und Verfahren) (1999). Der Wortlaut der Bekanntmachung 2 lautet wie folgt: „4. Absatz 4.2.3.2 Fügen Sie diesen Satz hinzu: Wenn ein Gegengewicht mit einer Stabantenne verwendet wird, muss es mit einem mindestens 30 cm breiten Band an der Grundplatte befestigt werden.“ Beachten Sie, dass der Aufbau von 1967 dem der Stabantenne MIL-STD-461F RE102 von 2007 ähnelt, mit Ausnahme des Fehlens der verlustbehafteten Ferritperle, die die Impedanz des Verbindungspfads erhöht. Die Veränderungen von 1970/1971 waren ein Fehler, aber es dauerte drei Jahrzehnte, bis man ihn erkannte.

Denken Sie daran, dass es vor MIL-STD-462 je nach Spezifikation und Jahrgang eine Änderung des Antennentyps und der Polarisation zwischen 20 und 30 MHz gab. Die Effizienz des vertikalen Stabs und des horizontalen Dipols bei 30 MHz war ziemlich unterschiedlich, so dass die durch die Antenne in Abbildung 9a induzierte Grenze des HF-Potentials am Knickpunkt diskontinuierlich war und die Signaturen ebenfalls diskontinuierlich waren. Da MIL-STD-461 jedoch eine Feldstärkengrenze erreicht und MIL-STD-462 sowohl eine horizontale als auch eine vertikale Polarisation der bikonischen Antenne erfordert, ist es vernünftig, ein gewisses Maß an Kontinuität am Antennenwechsel-Haltepunkt für die vertikale bikonische Polarisation zu erwarten. Tatsächlich sind die RE02- und RE102-Grenzwerte aller Versionen von MIL-STD-461 am Haltepunkt kontinuierlich (Abbildung 9b). Die Steigung kann sich ändern, die Grenzamplitude ist jedoch kontinuierlich. Aber nach der Veröffentlichung der Bekanntmachungen 2 und 3 war es selbst bei vertikaler bikonischer Polarisation nicht immer so, dass die Signaturen an den Antennenhaltepunkten kontinuierlich waren. Dies wird noch deutlicher, wenn eine Datenüberlappung zwischen 20 und 30 MHz erfasst wird, bei der beide Antennen für den Betrieb kalibriert sind. Ein weiteres damit zusammenhängendes Problem ist, dass überraschend viele völlig unterschiedliche Testobjekte alle einen breiten Spitzenwert zwischen 20 und 30 MHz zu haben scheinen.

Abbildungen 9a und b: MIL-I-6181-Antennen-induzierter Emissionsgrenzwert links, zeigt Diskontinuität zwischen vertikalem Stab und horizontalem Dipol-HF-Ausgang bei 25 MHz im Vergleich zum ersetzenden MIL-STD-461 RE02-Grenzwert (1967). Beachten Sie, dass entsprechende Teile beider Grenzwerte ähnliche Steigungen aufweisen, was die effektiven Höhen des vertikalen Stabs und des abstimmbaren Dipols widerspiegelt. Eine weitere Änderung, die 1967 hätte erfolgen sollen, aber erst 1993 erfolgte (MIL-STD-461D), besteht darin, dass es mit der Außenantenne als Schwerpunkt der Strahlungsemissionskontrolle separate Grenzwerte für Geräteinstallationen geben sollte, je nachdem, ob diese vorhanden sind sich innerhalb oder außerhalb eines metallischen Fahrzeugs befanden.

Problemerkennung

Die Herren Steve Jensen und Luke Turnbull identifizierten jeweils im Jahr 2000 und 2007 Mängel bei Stabantennenmessungen in der letzten Nutzungsoktave. Hierbei handelte es sich um Kritiken gegen MIL-STD-461E RE102, unter 30 MHz und ähnliche Automobilteststandards. Das Problem war eine große Diskrepanz zwischen den gemessenen Feldern am 30-MHz-Trennpunkt zwischen der Stabantenne und der bikonischen Antenne, vertikal polarisiert. Während man aufgrund deutlich unterschiedlicher physikalischer Aperturen keine genaue Übereinstimmung erwarten würde, ist der Unterschied von 20 dB in den folgenden Daten problematisch. Herr Jensen zeigte durch Überlappung der bikonischen Antenne und der Stabantenne von 20–30 MHz, dass die bikonische Antenne immer viel niedrigere Pegel zurückgab.

Herr Jensen wies auf dieses Problem in einer Kritik am Entwurf MIL-STD-461F vom 23. März 2007 hin. Das EMI-Personal der Air Force hatte neben anderen auch erhöhte Lärmpegel im Frequenzband von 20 bis 30 MHz festgestellt. In Zusammenarbeit mit der Tri-Service Working Group (TSWG) führte das EMI-Labor der Wright-Patterson Air Force Base (WPAFB) eine detaillierte Untersuchung des Aufbaus der Stabantenne durch. John Zentner und Steve Coffman führten das Werk unter Beteiligung des Autors auf. John Zentner war maßgeblich an der Entwicklung der „D“-Revisionen von MIL-STD-461/462 beteiligt und war Vorsitzender der MIL-STD-461E TSWG. Steve Coffman war EMV-Ingenieur der Air Force für Spezialflugzeuge mit 30 Jahren Erfahrung im EMV-Bereich. Das Ergebnis der Bemühungen wurde zur Grundlage der Setup-Änderungen für die Stabantenne, die in der endgültigen Version von MIL-STD-461F eingeführt wurden.

Abbildung 10: Daten von Jensen, Steve. „Messanomalien im Zusammenhang mit der 41-Zoll-Stabantenne bei Verwendung in abgeschirmten Gehäusen“, vom 17. Juli 2000. Sobald Sie wissen, dass Sie danach suchen müssen, werden Sie es immer wieder sehen – es sei denn, Sie arbeiten nach MIL-STD-461F oder später. Während moderne Versionen von RTCA/DO-160 die Stabantenne nicht mehr verwenden, unterschied sich die Verwendung von DO-160C-Stäben nicht von der in MIL-STD-462. Der moderne DO-160 ersetzt RE-Messungen durch eine Gleichtaktstromregelung unter 100 MHz. Erinnern Sie sich an die elektrische Feldantwort und die magnetische Feldunterdrückung der Stabantenne. Kontrolliert DO-160F/G wirklich elektrische Felder unter 30 MHz von einem hochohmigen Kabel?

Problemlösung

Auf der Wright Patterson AFB wurden verschiedene Konfigurationen mit unterschiedlich großen Gegengewichten und Erdungs-/Verbindungstechniken untersucht. Es wurde festgestellt, dass eine Resonanzbedingung mit der MIL-STD-461E/462-Konfiguration dazu führte, dass das Potenzial des Gegengewichts auf ein Niveau anstieg, das das in der Stabantenne selbst induzierte Potenzial übertraf. Messungen verschiedener Konfigurationen wurden verglichen. Die Konfiguration, die die besten Ergebnisse lieferte, war ein Gegengewicht in herkömmlicher Größe, das nicht mit der Erdungsebene der Tischplatte verbunden war, näher am Boden lag als die Erdungsebene der Tischplatte und über ein kurzes Koaxialkabel verfügte, das elektrisch mit dem abgeschirmten Raumboden geerdet war. Aufgrund einer verbleibenden Resonanz zwischen der Gegenkapazität zum Boden und der Induktivität des Koaxialkabels wurde eine verlustbehaftete Ferrithülse auf das Koaxialkabel aufgebracht, um die Resonanz zu dämpfen. Die erforderliche Impedanz der Ferrithülse wurde im Hauptteil von MIL-STD-461F definiert und im Anhang der Norm wurde eine Erklärung aufgenommen, dass eine Ferrithülse „verlustbehaftet mit minimaler Induktivität“ verwendet werden sollte. Die Ergebnisse der Studie wurden in öffentlichen Foren auf dem IEEE EMC Symposium 2007 und auf der Programmüberprüfung der elektromagnetischen Umwelteffekte (E3) des US-Verteidigungsministeriums (DoD) 2008 vorgestellt.

Die parallele LC-Falle vor 461F, die aus dem Gegengewicht über dem Boden und dem Koaxialkabel bestand, das an einem Ende mit der Stabantennenbasis und am anderen Ende mit der Kammerwand verbunden war, führte dazu, dass die Impedanz zwischen Gegengewicht und Kammer stark anstieg; Daher konnte das gleiche Feld, das an den 104-cm-Stab gekoppelt war, auch das Potenzial des Gegengewichts erhöhen. Die Impedanz zwischen Gegengewicht und Kammer ohne jegliche Verstimmung bei WPAFB ist in Abbildung 11 dargestellt.

Abbildung 11: Klassische parallele L-C-Falle-Impedanz (gelb ist Amplitude, blau ist Phase). Hin und wieder stimmen Theorie und Praxis so perfekt überein, dass der Begriff „Lehrbuch“ geradezu danach schreit, verwendet zu werden.

Javor 2011 zeigte das Ergebnis der Verstimmung dieser Resonanz (Abbildung 12). Bei diesem Versuch wurde als elektrische Feldquelle ein ein Meter langer Draht verwendet, der 5 cm über dem Boden hängt und mit 50 Ohm belastet ist. Die Spannung an diesem Draht war konstant gegenüber der Frequenz, und der Artikel liefert die quasistatische Physik und Mathematik, um zu zeigen, dass das resultierende elektrische Feld, wie von der Stabantenne gemessen, ebenfalls flach gegenüber der Frequenz sein sollte, sodass jede Abweichung von der Flachheit gleich ist ein Messfehler.

Abbildung 12: Resonanz vor MIL-STD-461F links; MIL-STD-461F-Resonanz mit niedrigerem Q auf der Unterseite (beide Diagramme haben den gleichen Referenzpegel, betragen 10 dB/Teilung und decken 2–32 MHz ab). Die Messtechnik wird in Javor 2011 vollständig beschrieben. Die niedrige Frequenzspitze oben ist auf die Verwendung eines extrem langen Koaxialkabels zurückzuführen – verschiedene Längen wurden ausprobiert, um den Effekt zu sehen, bevor Ihr Autor herausfand, was passierte.

Vorausschauen

Es ist klar, dass die MIL-STD-461F-Technik einen großen Beitrag zur Eliminierung einer großen Fehlerquelle geleistet hat. Es ist auch klar, dass es nicht perfekt ist. Javor 2011 zeigte das Ergebnis eines vollständigen Schwebens des Gegengewichts (Beseitigung, nicht Verstimmung der Resonanz), und das ergab ein nahezu flaches Ergebnis und, was noch wichtiger ist, fast genau das gleiche Ergebnis, als ob sowohl das Testmuster als auch die Stabantenne auf das referenziert würden Kammerboden wie in Abbildung 13. Anstelle der Ferrithülse wurde ein Mini-Circuits-Trenntransformator für 50 US-Dollar verwendet.

Abbildung 13: Sowohl das Strahlungselement (Draht über dem Boden links) als auch die Messantenne sind auf den Boden des Abschirmraums bezogen, wodurch ein gemeinsames Potenzial für die Messung und das Fehlen jeglicher Resonanzbedingungen gewährleistet wird. Oberirdische Stabantennenmessungen wie MIL-STD-461, RTCA/DO-160 (veraltete Versionen), CISPR 25 et al. sollten alle Ergebnisse liefern, die einer gemeinsamen Grundebenenmessung entsprechen. Es ist der Goldstandard.

Abbildung 14 zeigt Messergebnisse, wenn sowohl die Quelle als auch die Stabantenne wie in Abbildung 13 auf den Boden des Abschirmraums ausgerichtet sind. Die Ebenheit der Messung liegt nahezu perfekt. Abbildung 15 vergleicht das -461F-Ergebnis (obere Kurve) mit der Verwendung eines Trenntransformators (untere Kurve) anstelle einer Ferrithülse im -461F-Aufbau. Die Reaktion der unteren Spur des Trenntransformators in Abbildung 15 kommt der bodenbasierten Messung in Abbildung 14 sehr nahe.

Abbildung 14: Ergebnisse der Feldintensitätsmessung bei strahlender Draht- und Stabantenne beziehen sich beide auf den Boden der Prüfkammer gemäß Abbildung 13

Abbildung 15: Obere Kurve ist das Ergebnis von -461F; Die untere Spur ergibt sich bei Verwendung eines Trenntransformators in einer ansonsten -461F-Konfiguration

Es sollte klar sein, dass die Isolationstechnik zur Eliminierung der Resonanz der Verstimmungstechnik möglicherweise überlegen ist, es bleiben jedoch noch einige Hürden. Dazu gehören Übertragungsleitungstransformatoren im Vergleich zu echten Trenntransformatoren und der mit dem Transformator verbundene Wirkungsgrad (Verlust). Bei einem Grenzwert von 24 dBuV/m über 2 MHz ist kein großer Verlust akzeptabel. Mitglieder der MIL-STD-461 Tri-Service Working Group beschäftigen sich seit 2011 mit diesem Problem. Es gibt eine separate praktische Motivation für die Verwendung von Isolation anstelle von Verstimmung. Bei der -461F-Technik muss die Koaxialabschirmung direkt unter der Stabantenne geerdet werden. Viele Testeinrichtungen verfügen nicht überall über einen leicht zugänglichen Bodenerdungspunkt, da auf dem Metallboden manchmal verschiedene Beläge wie Fliesen oder Beton verwendet werden. Eine Isolationstechnik macht eine Erdung überflüssig. Dieser Vorteil hat für viele Menschen, die sich für diesen Ansatz interessieren, völlig unabhängig von dem Wunsch nach besseren Testdaten.

Ein Problem mit Fehlinformationen

Ohne Kenntnis der Gesamtheit der Arbeiten, die zu MIL-STD-461F führten, und der fortlaufenden Arbeit der TSWG auf der Grundlage von Javor 2011, veröffentlichte und präsentierte Herr Harry Gaul von General Dynamics auf dem EMC-Symposium 2013 in Denver einen Artikel zum gleichen Thema (Gaul, Harry. Elektromagnetische Modellierung und Messungen des 104-cm-Stabs und der bikonischen Antenne für Strahlungsemissionstests unter 30 MHz. 2013 IEEE EMC Symposium Record. Denver, CO). Gaul 2013 kommt zum gleichen Ergebnis wie Javor 2011; nämlich, dass die Gegengewichtsisolierung der Verstimmung eines Resonanzkreises überlegen ist. Der Ansatz von Gaul 2013 war völlig anders als der von Javor 2011, und es ist beruhigend, dass die beiden völlig unterschiedlichen Techniken am Ende zum gleichen Ergebnis kamen. Herr Gaul verwendete eine Methode des Momentencodes namens FEKO, während Javor 2011 eine Analyse in geschlossener Form durchführte, bei der die Kopplung des elektrischen Feldes von einem Draht über einer Bodenebene an eine 104-cm-Stabantenne auf der Grundlage erster Prinzipien – quasistatischer Elektrizität – berechnet wurde Feldformulierung basierend auf dem Gaußschen Gesetz. Beide Bemühungen verglichen die Vorhersagen mit gemessenen Testdaten, aber hier endet die Ähnlichkeit.

Sowohl Javor 2011 als auch Gaul 2013 bewerteten verschiedene Antennenkonfigurationen zwischen 20 und 30 MHz. Dazu gehören die vollständige Isolierung des Gegengewichts (-461F, -461E, -462) und die Bodenmontage der Stabantenne sowie die Verwendung einer vertikalen bikonischen Antenne.

Ihr Autor, ein Mitglied der Tri-Service-Arbeitsgruppe zu MIL-STD-461F, war sich des in der Norm beschriebenen genauen Dämpfungsferrits bewusst, und die Testergebnisse in Abbildung 12 bestätigen, wie gut es funktioniert. MIL-STD-461 kann kein kommerzielles Produkt oder keine kommerzielle Dienstleistung anhand des Handelsnamens identifizieren, sondern muss ein Gerät stattdessen anhand seiner hervorstechenden Merkmale spezifizieren. Herr Gaul hat unabsichtlich einen (nichttechnischen) Fehler in MIL-STD-461F festgestellt: Ein Teil der Ferritbeschreibung befindet sich nicht im Hauptteil der Norm, sondern im Anhang, der vertraglich nicht verpflichtend ist. Im Hauptteil wird angegeben, dass der Ferrit eine Impedanz von 20 – 30 Ohm bei 20 MHz hat, und im Anhang wird folgende Aussage gemacht: „Schwimmendes Gegengewicht mit dem Koaxialkabel, elektrisch am Boden mit einer schwachen Ferrithülse verbunden.“ (verlustbehaftet bei minimaler Induktivität) am Kabel ergab insgesamt die besten Ergebnisse.“ Ein Ferrit, der diese Anforderung erfüllt, ist der Leadertech (früher Ferrishield) CS28B1642 mit 28-Material. Die gemessene Impedanz (mit freundlicher Genehmigung von Herrn John Zentner von WPAFB) ist in Tabelle 1 aufgeführt.

Tabelle 1: Ferritperlenimpedanz CS28B1642 von Leadertech. Die hervorgehobene Zeile zeigt den kritischen Parameter bei der durch MIL-STD-461F festgelegten Frequenz: Die ohmsche Impedanz ist höher als die induktive Reaktanz. Beachten Sie, dass bei diesem Modell die beiden Impedanzkomponenten in Reihe geschaltet sind, was in der Branche Standard ist, und nicht parallel wie bei Gaul 2013.

Beachten Sie, dass die Impedanz bei 20 MHz höher ist als die MIL-STD-461F-Anforderung; Die Anforderung basierte auf den Daten des Herstellers, nicht auf gemessenen Daten. Allerdings ist der Widerstand (reale Ohm) je nach Bedarf höher als der induktive Blindwiderstand (imaginäre Ohm) und sorgt so für die nötige Dämpfungsleistung.

Im Gegensatz dazu verwendet Gaul 2013 das folgende Analysemodell für die Ferrithülse, die keinerlei Dämpfung bietet:

„Die Ferritperle (bei Verwendung für die MIL-STD-461F-Konfiguration) ist als Parallelschaltung mit 480 Ohm, 0,255 pF und 250 nH modelliert, um den Eigenschaften der tatsächlich verwendeten Perle zu entsprechen.“

Bei 20 MHz sorgen 250 nH für eine induktive Reaktanz von etwa 30 Ohm, aber wie bereits erwähnt, sorgen die parallelen 480 Ohm überhaupt für keine Dämpfung. Die effektive Impedanz beträgt immer noch 30 Ohm induktiv. Aufgrund seines Missverständnisses des MIL-STD-461F-Ansatzes stellt Gaul 2013 leider Folgendes fest:

„Der MIL-STD-461F-Testaufbau hatte mit etwa 18 dB Unterschied die schlechteste Übereinstimmung.“

Diese abwertende Schlussfolgerung ist angesichts der Annahme einer rein induktiven Perlenimpedanz nicht überraschend: Es bedarf keines hochentwickelten Computerprogramms, um festzustellen, dass das Hinzufügen von Induktivität zum induktiven Zweig einer LC-Falle lediglich die Tankfrequenz verringert, ohne den „Q“ der Schaltung zu verringern.

Das Missverständnis über den Zweck der Ferrithülse ist beunruhigend. Basierend auf dem Gesamtwortlaut in MIL-STD-461F ging die TSWG davon aus, dass klar wäre, dass der Zweck der Hülse der Dämpfung dient. Wenn die Dämpfung gegenüber der Isolierung beibehalten wird, werden zukünftige Versionen von MIL-STD-461 dieses Problem sicherlich im Detail klären.

Abschluss

In der heutigen Welt wird erwartet, dass sich die Technologie mit der Zeit verbessert. Was die Stabantennenmessungen der letzten sechzig Jahre betrifft, wären wir vielleicht eher geneigt, Jerry Garcia zu zitieren und zu sagen: „Was für eine lange, seltsame Reise das war.“

Das Problem der Strahlungsemissionen war bereits vor sechs Jahrzehnten gut verstanden und man hatte sowohl eine Test- als auch eine Designlösung in der Hand. Doch als sich die Designlösung durchsetzte, veränderte sich die Testlösung und wurde problematisch. Wir haben die letzten Jahrzehnte in einer Art Mini-Dunklen Zeitalter verbracht, in dem es uns nicht mehr so ​​gut ging wie zu Beginn, und wir waren uns dessen nicht einmal bewusst. Aber dank Steve Jensen, Luke Turnbull und der DoD TSWG haben wir eine Mini-Renaissance geschafft und verfügen nun (in MIL-STD-461F) über einen viel besseren Test, und seit einigen Jahren verfolgen wir einen noch besserer Ansatz für -461G (Gegengewichtsisolierung).

Abgesehen vom Aspekt des 60-jährigen Jubiläums liegt die Motivation zum Schreiben dieses Artikels in der mehrfachen Interaktion mit Menschen, die auf die MIL-STD-461F-Änderung reagieren, ohne den Hintergrund ausreichend zu verstehen. Ein Einwand war, dass die -461F-Konfiguration die gemessenen Emissionen gegenüber früheren Konfigurationen senkt. Das stimmt (besonders im Resonanzband), aber das ist auch der Punkt – genauere Messungen zeigen, dass das wahre Feld niedriger ist als zuvor gemessen. Sorgfältige Messungen am WPAFB ergaben, dass beim Entfernen der Resonanz über -461F ein zuvor maskierter Ausfall sichtbar ist, der jedoch auf einen destruktiven Interferenzknoten aufgrund der Raumabmessungen und einer unzureichenden Absorberleistung zurückzuführen ist. Die MIL-STD-461F Tabelle I-Absorberanforderung ist ein wohlüberlegter Kompromiss zwischen HF-Leistung und wirtschaftlichen Auswirkungen. Wenn der Ausfall ein Problem darstellt, ist die Lösung ein besserer Absorber (Hybrid auf Basis einer Ferritplattenbasis), der keine Gegengewichtsresonanz aufrechterhält, um eine durch die Kammer verursachte destruktive Interferenz auszugleichen. Und natürlich funktioniert die Frequenzkoinzidenz dieser beiden Resonanzen nur für bestimmte Raumdimensionen, nicht allgemein.

Der Autor möchte den folgenden EMC-Ingenieuren für die überdurchschnittliche Durchsicht dieses Artikels danken. John Zentner und Steve Jensen, die beide im Artikel erwähnt und identifiziert wurden, nahmen sich ebenfalls die Zeit, diese Bemühungen zu überprüfen. Mark Nave von Mark Nave Consultants, Inc., Vince Sutter von Raytheon und Tim Travis von ASRI haben alle dazu beigetragen, diesen Artikel zu einem benutzerfreundlicheren Leseerlebnis zu machen. Sollte dies nicht der Fall sein, liegt die Schuld allein beim Autor.

Referenz

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Der Anfang Abbildung 1: Antennenverbindungskabel im Inneren eines Bombers aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs (National Air & Space Museum, Washington DC). Der blanke Draht ist mit Steatitperlen bedeckt, die beim Senden der Antenne für die erforderliche Isolierung sorgen. Im Sendebetrieb lag auf dieser Leitung bei mittleren und hohen Frequenzen ein Potenzial von bis zu 5 kV! Abbildung 2: Trennung zwischen ungeschirmtem Antennenkabel und dem nächsten angrenzenden Kabelbündel (National Air & Space Museum, Washington DC). Die Kabeltrennung war in der heutigen Zeit mit offenen Kabeln und winzigen Signalen im Empfangsmodus und extrem gefährlichen Potenzialen im Sendemodus die einzige verfügbare Kontrolle über Übersprechen. Abbildung 3: Zeichnung, die die Kopplung von flugzeuginternen HF-Quellen mit einer internen Antennenzuführung zeigt und wie man Übersprechen minimiert. Es ist ganz klar, dass RFI im Inneren des Flugzeugs auftritt und dass die Kopplung mit der Antenne selbst nicht einmal ein nachträglicher Gedanke ist! – aus dem „Handbook of Elimination of Radio Noise in Aircraft“ von 1945, das wiederum eine Aktualisierung einer ähnlichen Veröffentlichung von 1942 war (United States War Department und Air Council of the United Kingdom). Abbildung 4: Nachstellung des NADC-EL-5515-Aufbaus, der 1953 zur Festlegung des RE-Grenzwerts in MIL-I-6181B verwendet wurde. Bei diesem Aufbau gab es eine nahezu eins-zu-eins-Korrelation zwischen dem Versagen und dem EMI-Anforderung und Verursachung eines EMV-Problems in einem Fahrzeug. Nachdem das Problem der offenen Kabeleinführungen gelöst war, war die Korrelation viel geringer. Tatsächlich warnt MIL-E-6051D, ein 1967 veröffentlichter EMV-Standard auf Systemebene, folgendermaßen: „Sofern im Vertrag nicht anders angegeben, müssen Subsysteme/Geräte so konzipiert sein, dass sie die Anforderungen von MIL-STD-461 und MIL-STD-461 erfüllen.“ 462. Da einige der Grenzwerte in diesen Standards sehr streng sind, müssen die Auswirkungen dieser Grenzwerte auf die Wirksamkeit, die Kosten und das Gewicht des Systems berücksichtigt werden.“ Abbildung 5: Grenzwertbestimmung für abgestrahlte Emissionen unter 20 MHz in NADC-EL-5515 und MIL-I-6181B (beachten Sie inhärent breitbandige Einheiten – alle verwendeten Quellen waren breitbandig, was die damaligen elektrischen Übeltäter widerspiegelt) Abbildung 6: MIL-I- 6181 Stabantenne-Diagramm und Aufbau-Nachbildung. Wie im Text erwähnt, handelt es sich dabei um ein so nahes Feld, dass es sich nicht einmal um den Versuch handelt, eine Feldintensität zu messen; Stattdessen wird das im Stab induzierte Potenzial gemessen und stellt eine Übersprechkontrolle dar, oder kommt dieser sehr nahe. Abbildung 7: Bild des MIL-I-6181 RE-Tests mit einer Stabantenne vor 1963. Jetzt konnte der Ingenieur aus dem Aufbau entfernt werden. Bei dem Verbindungskabel handelte es sich um eine abgeschirmte zweiachsige Übertragungsleitung, sodass es bei Bedarf durch eine Schottdurchführung geführt werden konnte, um die Abschirmung zu erden, ohne eine Erdungsschleife in die Instrumentierung einzuführen! Tri-Service-Standardisierung Abbildung 8: Verwendung von Stabantennen gemäß MIL-STD-462-Basisversion (1967). Viele der damals zugelassenen EMI-Messgeräte konnten mit Batteriestrom betrieben werden, so dass dieser Aufbau das isolierte Gegengewicht nicht zwangsläufig erdete. In den Abbildungen 9a und b schleicht sich ein Problem ein: MIL-I-6181-Antennen-induzierter Emissionsgrenzwert links, der die Diskontinuität zwischen vertikalem Stab und horizontalem Dipol-HF-Ausgang bei 25 MHz im Vergleich zum ersetzenden MIL-STD-461 RE02-Grenzwert (1967) zeigt. Beachten Sie, dass entsprechende Teile beider Grenzwerte ähnliche Steigungen aufweisen, was die effektiven Höhen des vertikalen Stabs und des abstimmbaren Dipols widerspiegelt. Eine weitere Änderung, die 1967 hätte erfolgen sollen, aber erst 1993 erfolgte (MIL-STD-461D), besteht darin, dass es mit der Außenantenne als Schwerpunkt der Strahlungsemissionskontrolle separate Grenzwerte für Geräteinstallationen geben sollte, je nachdem, ob diese vorhanden sind sich innerhalb oder außerhalb eines metallischen Fahrzeugs befanden. Problemerkennung Abbildung 10: Daten von Jensen, Steve. „Messanomalien im Zusammenhang mit der 41-Zoll-Stabantenne bei Verwendung in abgeschirmten Gehäusen“, vom 17. Juli 2000. Sobald Sie wissen, dass Sie danach suchen müssen, werden Sie es immer wieder sehen – es sei denn, Sie arbeiten nach MIL-STD-461F oder später. Während moderne Versionen von RTCA/DO-160 die Stabantenne nicht mehr verwenden, unterschied sich die Stabantenne beim DO-160C nicht von der in MIL-STD-462. Der moderne DO-160 ersetzt RE-Messungen durch eine Gleichtaktstromregelung unter 100 MHz. Erinnern Sie sich an die elektrische Feldantwort und die magnetische Feldunterdrückung der Stabantenne. Kontrolliert DO-160F/G wirklich elektrische Felder unter 30 MHz von einem hochohmigen Kabel? Problemlösung Abbildung 11: Klassische parallele L-C-Falle-Impedanz (gelb ist Amplitude, blau ist Phase). Hin und wieder stimmen Theorie und Praxis so perfekt überein, dass der Begriff „Lehrbuch“ geradezu danach schreit, verwendet zu werden. Abbildung 12: Resonanz vor MIL-STD-461F links; MIL-STD-461F-Resonanz mit niedrigerem Q auf der Unterseite (beide Diagramme haben den gleichen Referenzpegel, betragen 10 dB/Teilung und decken 2–32 MHz ab). Die Messtechnik wird in Javor 2011 vollständig beschrieben. Die niedrige Frequenzspitze oben ist auf die Verwendung eines extrem langen Koaxialkabels zurückzuführen – verschiedene Längen wurden ausprobiert, um den Effekt zu sehen, bevor Ihr Autor herausfand, was passierte. Blick in die Zukunft Abbildung 13: Sowohl das Strahlungselement (Draht über dem Boden links) als auch die Messantenne sind auf den Boden des Abschirmraums bezogen, wodurch ein gemeinsames Potenzial für die Messung und das Fehlen jeglicher Resonanzbedingungen gewährleistet wird. Oberirdische Stabantennenmessungen wie MIL-STD-461, RTCA/DO-160 (veraltete Versionen), CISPR 25 et al. sollten alle Ergebnisse liefern, die einer gemeinsamen Grundebenenmessung entsprechen. Es ist der Goldstandard. Abbildung 14: Die Ergebnisse der Feldintensitätsmessung bei strahlender Draht- und Stabantenne beziehen sich beide auf den Boden der Prüfkammer gemäß Abbildung 13. Abbildung 15: Obere Kurve ist ein Ergebnis von -461 F; Die untere Kurve ist das Ergebnis der Verwendung eines Trenntransformators in einem ansonsten -461F-Aufbau. Ein Problem mit Fehlinformationen. Tabelle 1: Impedanz der Ferritperlen Leadertech CS28B1642. Die hervorgehobene Zeile zeigt den kritischen Parameter bei der durch MIL-STD-461F festgelegten Frequenz: Die ohmsche Impedanz ist höher als die induktive Reaktanz. Beachten Sie, dass bei diesem Modell die beiden Impedanzkomponenten in Reihe geschaltet sind, was in der Branche Standard ist, und nicht parallel wie bei Gaul 2013. Fazit Referenz
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