Die Signaldämpfung ξ unterschiedlicher Schleifentypen

¯

¯

¯ s_E+H

s_H −1

¯

¯

¯

¯

. (5.19)

Für eine Signaldämpfung ξ _{→ −}∞ sind die Lastsignale s_E+H und s_H bzw. die entsprechenden Stromamplituden entlang der Schleife identisch. In diesem Fall ist das Meßsignal s unabhängig von der Ausrichtung der Schleife gegen die Einfallsrichtung der Welle. Mit steigender Frequenz beeinflußt der Dipolmode das Meßsignal und führt zu dem im folgenden bestimmten Verlauf der Signaldämpfungξ der einzelnen Schleifensonden.

Voraussetzung für diese Art der Signalauswertung ist die Information über die Phasenlage der beiden Spannungen. Wird mit den Beträgen dieser Signale gerechnet, ist das Ergebnis von der Lastimpedanz abhängig [48], [79]. Darauf wird hier nicht weiter eingegangen, da in der Literatur die Bedingungen für eine korrekte Signalauswertung beschrieben sind und dies kei-nen Einfluß auf die hier untersuchte systematische unbekannte Meßabweichung der Sonde hat.

5.3.2 Die Signaldämpfung ξ unterschiedlicher Schleifentypen

Die Signaldämpfung ξ dient der quantitativen Beurteilung, wie stark die elektrische Feldkom-ponente einer ebenen homogenen Welle zu einer Meßabweichung führen kann. Whiteside [9]

wählte eine maximale Abweichung von -20 dB, die hier übernommen wird, um den Vergleich mit den in der Literatur genannten Werten zu ermöglichen. Dies führt zu einer oberen Grenz-frequenz, was die Bewertung der einzelnen Schleifentypen erlaubt. Schließlich werden auch die Einflüsse konstruktiver Parameter (Lage der Lastimpedanz, Spaltbreite etc.) behandelt.

Doppelt belastete Schleife: In Abbildung 5.12 sind die Signaldämpfung ξ für die einfach und doppelt belastete Schleife gegenübergestellt: Wird eine Dämpfung von ξ =−20 dB gefor-dert, so ergibt sich eine obere Grenzfrequenz von 96 MHz für die einfach belastete Schleife und 732 MHz für die doppelt belastete Schleife. Bezogen auf den Durchmesser der Schleife führt dies zu einer nutzbaren Bandbreite bis≈0,01λ ^bzw._≈^0,1λ^.

-60

-40 1.

2.

-20 0 20

0 500 1000 1500 2000 2500 3000

f / MHz ξ ^{/ dB}

96 MHz

732 MHz

1.

2.

Abbildung 5.12: Signaldämpfung von einfach und doppelt belasteter Schleife (d = 5 cm, a=1 mm, Z_L=50Ω).

Schleifenform: Neben der Art des Signalabgriffs wird auch durch die Formgebung der Schlei-fe die Strombelegung und damit die nutzbare Bandbreite beeinflußt. In Abbildung 5.13 ist die Signaldämpfung ξ für unterschiedliche Formen der einfach und doppelt belasteten Schleife dar-gestellt. Verglichen werden eine quadratische und eine runde Schleife. Weiterhin wird eine abgeflachte Schleife in Form einer Ellipse verwendet. Dabei weisen alle drei Typen den gleichen Abstand d=5 cm zwischen den Schleifensegmenten mit den Lastimpedanzen auf.

Unabhängig davon, ob einfach oder doppelt belastet, weist die quadratische Schleife die gering-ste Bandbreite auf. Danach folgt die runde und schließlich die abgeflachte Schleife mit dem größten Frequenzbereich. Diese Eigenschaften sind auf den Einfluß des Dipolmodes zurück-zuführen: Die Schleifenhälften parallel zum elektrischen Feldvektor sind als zwei Dipole anzu-sehen. Deren Empfindlichkeit gegenüber dem elektrischen Feld wird durch ihre effektive An-tennenlänge proportional zur geometrischen Länge beschrieben. Die quadratische Schleife mit der größten effektiven Länge weist demzufolge die geringste Signaldämpfung des elektrischen Feldes auf.

Auf diese Weise kann die Nutzbandbreite der einfach belasteten Schleife ohne zusätzliche Si-gnalverarbeitung um den Faktor 2 von 72 auf 134 MHz gesteigert werden. Bei der Formgebung der Schleifen muß jedoch beachtet werden, daß mit einer geringeren Schleifenfläche auch die Empfindlichkeit der Sonde gegenüber dem magnetischen Feld zurückgeht. Eine Übersicht der

-60

Abbildung 5.13: Signaldämpfung von unterschiedlich geformten Schleifen: a) einfach belastet, b) doppelt belastet (d=5 cm, a=1 mm, Z_L =50Ω).

erzielbaren Bandbreiten im Vergleich zur Empfindlichkeit der Schleifentypen ist Tabelle 5.1 zu entnehmen.

Brückenschleifen: Der Einfluß einer in der Symmetrieebene eingefügten Kurzschlußbrücke kann mit Hilfe der Strombelegung einer Brückenschleife in Abbildung 5.14 erklärt werden.

Liegt die Brücke symmetrisch zu den zwei Lastimpedanzen der doppelt belasteten Schleife, so wird der Dipolmode der Schleifenstrombelegung nicht verändert, da der zugehörige Strom an den Knotenpunkten gleich Null ist. Auch der Schleifenmode wird durch die Brücke nicht

Tabelle 5.1: Vergleich der untersuchten Schleifensonden: Maximale Nutzfrequenz bei Annah-me einer Dämpfung von ξ = −20 dB und Empfindlichkeit der Schleifentypen. Lastimpedanz Z_L=50Ω, Stabradius a = 1 mm, Höhe, Breite bzw. Durchmesser aller Schleifen d = 5 cm (Ausnahme elliptische Schleife mit einer Breite von 3 cm).

Sondentyp Anzahl Z_L Max. Nutzfrequenz Empfindlichkeit

MHz d/λ ^V/(A/m)

Quadratische Schleife 1 72 0,0120 1,24

Runde Schleife 1 96 0,0160 1,16

Elliptische Schleife 1 134 0,0223 0,90

Quadratische Schleife 2 561 0,0935 1,24

Runde Schleife 2 732 0,1220 1,16

Elliptische Schleife 2 871 0,1452 0,90

Kompensationsrahmen 1 280 0,0466 0,75

Brückenschleifen 2 Verhalten wie doppelt belastete Schleifen Widerstandsbeschichtung 1, 2 Keine Verbesserung!

beeinflußt, die Ströme der linken und rechten Schleifenhälfte summieren sich zu Null. Die resultierende Signaldämpfung der doppelt belasteten Schleifen aus Abbildung 5.13 unterscheidet sich theoretisch nicht von der der entsprechenden mit einer Kurzschlußbrücke.

~E

~H

mit resultierendem Dipolmode

Anregung durch das elektrische Feld Anregung durch das magnetische Feld mit resultierendem Schleifenmode

~k

~E

~k ~H

Abbildung 5.14: Strombelegung einer Brückenschleife bei Anregung durch das elektrische bzw.

das magnetische Feld.

Die über die Zuleitung eingeprägten Kabelmantelströme können eine Kurzschlußbrücke trotz-dem notwendig machen: Bei der Berechnung des elektrischen Feldes wird deren Einfluß rech-nerisch nicht unterdrückt und führt zu einem von der Länge und der Lage der Signalkabel abhängigen Ergebnis. Um auch bei der Messung des elektrischen Feldes den Einfluß der Ka-belmantelströme zu vermeiden, müssen Brückenschleifen mit einer senkrechten Signalableitung

verwendet werden. Diese orthogonale Ableitung verbessert auch die Empfindlichkeit gegenüber kleinen Signalen des magnetischen Feldes. Bei Lastspannungen, die in erster Linie auf den Einfluß von Kabelmantelströme zurückzuführen sind, können sonst vergleichsweise kleine Signale des Schleifenmodes aufgrund der begrenzten Richtwirkung des Kopplers nicht mehr bestimmt wer-den.

Schleifen mit einer Widerstandsbeschichtung: Ähnlich wie bei elektrischen Sensoren wurde versucht, durch eine Widerstandsbeschichtung der Sondenstruktur eine Optimierung im Verhalten zu erzielen [60], [43]. Auf diese Weise wird der resonante Verlauf der Signalspan-nung gedämpft, der auf den Einfluß des elektrischen Feldes und des resultierenden Dipolmodes zurückzuführen ist. Gleichzeitig wird auch der Schleifenstrom reduziert und führt so zu ei-nem erheblichen Verlust an Empfindlichkeit gegenüber den magnetischen Feldkomponenten.

Schon bei kleinen Frequenzen wird die Signaldämpfung geringer und führt zu einer Abflachung der Kurven mit einer Verringerung der oberen Frequenzgrenze. Eine Erhöhung des nutzbaren Frequenzbereiches ist auf diese Weise nicht zu erzielen.