Grundformen zur Messung einer einzelnen Ortskomponente

Unterschiedliche Ausführungen einfacher Schleifensonden sind in Abbildung 5.5 gegenüberge-stellt. Bei der ungeschirmten Schleife in Abbildung a) wird der Innenleiter des Koaxialsystems zu einer Schleife geformt und parallel zu einer optionalen Lastimpedanz mit dem Außenmantel des Koaxialsystems verbunden. Dieser Sondentyp ist einfach und schnell herzustellen, hat aber den Nachteil, daß durch den Übergang zwischen symmetrischem Schleifensystem und unsym-metrischem Koaxialsystem die Kabelmantelströme in Abhängigkeit von der Ausrichtung zum elektrischen Feldvektor mit in das Meßsignal eingehen.

c) d)

a) b)

Ungeschirmte Schleifentypen

Symmetrisches Leitungssystem Koaxiale Schleifentypen

Unsymmetrisches Leitungssystem

e) f) g)

Z_L=2Z_W

Kurzschluß massiver Koaxial-Leiter Leiter

Z_L=Z_W

Abbildung 5.5: Magnetische Schleifensonden: a) und b) Ungeschirmter Grundtyp, c)-g) Ko-axiale Ausführungen mit symmetrischem Signalabgriff (c und d) bzw. unsymmetrischem Si-gnalabgriff (e bis g).

Durch die koaxiale Ausführung der Schleife können die beiden Arme der Schleife entsprechend Abbildung c) als Leitungssystem ausgeführt werden. Man erhält zwei voneinander unabhängige

unsymmetrische Systeme, die zueinander ein symmetrisches Gesamtsystem bilden. Grundsätz-lich kann der Abgriff deswegen sowohl symmetrisch (Beispiel c und d) wie auch unsymmetrisch (Beispiele e bis g) ausgeführt werden. Bei reflexionsfreier Belastung des Koaxialsystems in Abbildung c) erscheint am Ort des Schlitzes die zweifache Wellenimpedanz des koaxialen Lei-tungssystems als Lastimpedanz. Ein unsymmetrischer Abgriff kann durch die Nutzung nur eines Schleifenarms realisiert werden. Das zweite koaxiale Leitungsstück kann durch eine Last-impedanz abgeschlossen werden, wie dies in Abbildung e) durch einen Kurzschluß angedeutet wird. Dies ist zu vermeiden, da es als transformierte Last am Schlitz zu einer komplexen frequenzabhängigen Lastimpedanz führt. Deswegen ist es üblich, diesen zweiten Arm durch ein massives Leitersegment zu ersetzen, so daß am Schlitz bei reflexionsfreier Belastung nur noch die einfache Wellenimpedanz des Koaxialsystems anliegt. In den Abbildungen g) und b) wird die Lage des Schlitzes variiert. Solche Ausführungen sind zu vermeiden, will man eine vollständige Unterdrückung der Kabelmantelströme erreichen, da diese nur exakt gegenüber dem Kabelansatz gegen Null gehen.

Aus den bisher behandelten einfachen Schleifensonden wurden verschiedene optimierte Typen in Abbildung 5.6 entwickelt. Die doppelt belastete Schleife (Abbildung a) wird ebenfalls als ein koaxiales System ausgeführt, mit Schlitzen an direkt gegenüberliegenden Punkten der Schleife.

Wie in Abschnitt 5.1.2 gezeigt wurde, kann bei identischen Lastimpedanzen aus der Summe der beiden Signale ein Meßwert berechnet werden, der direkt proportional dem Magnetfeld ist (die Differenz ist proportional dem elektrischen Feld).

b) c)

Z_L

d) e)

a)

Z_L=Z_W

Abbildung 5.6: Optimierte Schleifensonden: a) Doppelt belastete Schleife; b) Brückenschleife;

c) Moebiusschleife; d) Kompensationsrahmen; e) Zylinderschleife.

Bei der Grundform einer gebrückten Schleife in Abbildung 5.6 b) wird mittig zwischen den Schlitzen ein Steg eingezogen [5]. Dies kann aus zwei Gründen notwendig sein: Bei der dop-pelt belasteten Schleife gemäß Abbildung a) ist einerseits eine Bestimmung der elektrischen Felder aus der Differenz beider Lastsignale aufgrund der Kabelmantelströme nicht eindeutig möglich. Andererseits können starke Kabelmantelströme zu Anteilen in den Lastspannungen führen, die gegenüber denen des magnetischen Feldes dominieren. Eine Bestimmung des ma-gnetischen Feldes aus der Summe der Lastsignale ist dann wegen der begrenzten Richtwirkung der Koppler nicht mehr möglich. Liegt bei der Brückenschleife die Signalableitung orthogonal zur Schleifenfläche, kann der Einfluß der Kabelmantelströme für beide Fälle vermieden werden.

Eine Weiterentwicklung dieses Typs ist bei Gille [79] zu finden.

Eine um den Faktor zwei erhöhte Empfindlichkeit ergibt sich bei der Moebiusschleife [55] in Abbildung 5.6 c). Bei dieser werden zwei in Reihe liegende Schleifen je aus der Hälfte des Au-ßenmantels und des Innenleiters gebildet, so daß man eine um den Faktor zwei erhöhte Empfindlichkeit erhält. Die einzelne Schleife entspricht dabei der Ausführung mit einem massiven Teilleiter aus Abbildung 5.5 c), bei dem die eine Hälfte des Koaxialsystems nicht genutzt wird.

Diese Art des Abgriffs ist in vielfältiger Weise von Baum [36] realisiert und weiterentwickelt worden.

Durch den Kompensationsrahmen in Abbildung 5.6 d) wird der unerwünschte Einfluß des elektrischen Feldes vermieden, indem die Lastimpedanz zwei parallel liegende Stäbe je einer Schleife miteinander verbindet [1]. Aufgrund der identischen Strombelegung auf den beiden Stäben durch das elektrische Feld ist die Potentialdifferenz nur noch auf den Strom durch das Magnetfeld zurückzuführen.

In Abbildung e) wird durch eine Aufweitung der einfachen eindimensionalen Ringstruktur zu einer zweidimensionalen Flächenstruktur in Form eines Zylinders eine Erhöhung der Empfind-lichkeit erzielt, siehe Degauque [55], Baum [23]. Die einfachere Form sieht einen einfachen ge-schlitzten Zylinder vor, der jedoch zur besseren Anpassung an die Koaxialimpedanz keilförmige Aussparungen aufweist.

b) c)

a)

Z_L=Z_W

Abbildung 5.7: Realisierung der Schleifensonden oberhalb einer leitenden Ebene. a) und b) einfach belastete Schleife; c) doppelt belastete Schleife.

Die bisher geschilderten grundsätzlichen Varianten lassen sich ohne wesentliche Einschränkung auf eine Spiegelebene übertragen. Eine Ausführung wie die in Abbildung 5.7 a) ist zu

vermei-den: Die Empfindlichkeit kann durch die Addition der beiden Lastsignale nicht erhöht werden, da sich das Signal über dem Spalt u_s auf die beiden Koaxialleitungen verteilt. Bei der Schlei-fenversion in b) fällt u_s nur an der Last einer Koaxialleitung ab, ohne daß eine aufwendige Addition notwendig ist. Die doppelt belastete Schleife in Abbildung c) wird ohne das koaxiale Leitungssystem aufgebaut. Unter diesen Umständen ist die Lastimpedanz nicht mehr durch die Wellenimpedanz des Koaxialsystems eingeschränkt, so daß man mit sehr niedrigen Impedanzen eine Übertragungscharakteristik direkt proportional zum magnetischen Feld erhält.

5.2.2 Isotrope Sondentypen

In Abbildung 5.8 sind vier Beispiele isotroper Freiraumsonden zu sehen. Die Typen a) bis c) lassen sich prinzipiell auf die Beispiele aus Abbildung 5.7 zurückführen, bei denen eine Halb-schleife über einer leitenden Ebene angeordnet wird. Die Schleifen werden als Koaxialsystem ausgeführt, wobei die Last oberhalb der Ebene durch den Schlitz im Mantel des Koaxialkabels realisiert wird. Es ergeben sich Kombinationen aus dem würfel- oder kugelförmigen Sonden-rumpf mit verschiedenartig geformten Schleifen (rund oder viereckig).

Die Sonde der Abbildung 5.8 d) kann als eine Brückenversion entsprechend Abbildung 5.6 b) angesehen werden. Die Brücke wird durch den Sondenrumpf hergestellt. Der Lastabgriff erfolgt über die Schlitze des Koaxialmantels zwischen den beiden Polen der Anordnung.

a) b) c) d)

Abbildung 5.8: Verschiedene Beispiele isotroper Freiraumsonden.