Seit jeher kommt im Bereich der Meßtechnik dem Design und der Entwicklung von optimier-ten Meßaufnehmern ein besonderes Gewicht zu. Zu Feldsonden als einer speziellen Klasse der Empfangsantennen wurden schon in den dreißiger Jahren erste Messungen und Untersuchungen durchgeführt. Wesentliche Fortschritte im Bereich der Antennenentwicklung gab es während des Zweiten Weltkriegs, die daraus resultierenden Ergebnisse sind bei Silver [2], Collin/Zucker [15], King [4] und Schelkunoff [3] zu finden. Für grundlegende Artikel zur Messung elektromag-netischer Felder durch Antennen und Sonden sei auf Dyson [20], Kanda [53], [60], Baum [36] und Bassen/Smith [28] verwiesen. Eine Übersicht über den Stand der Sondenentwicklung gibt der PTB-Bericht zu Feldsonden von 1992 [46], der auch heute noch die wesentlichen Schwerpunkte dieses Themengebietes wiederspiegelt.
Im folgenden werden die Eigenschaften von Feldsonden und Stromsonden basierend auf der Wechselwirkung mit metallischen Strukturen untersucht. Alternative Sensoren, die auf elektro-oder magnetooptischen Wirkungsprinzipien beruhen [59], [69], [76], weisen grundsätzlich andere Koppelmechanismen zur Umgebung auf und sind deswegen nicht Thema dieser Arbeit.
Der Einfluß der unterschiedlichen Komponenten eines Feld- bzw. Strom-Meßsystems auf die resultierende Meßabweichung war in der Vergangenheit mehr qualitativ als quantitativ bekannt.
In erster Linie verursachten metallische Kabel, Leitungen, auch Stative, Gehäuse und
Steck-verbinder unerwünschte Feldverzerrungen und eine Verfälschung der Meßergebnisse. Weiterhin führte der Übergang von den Fußpunktklemmen einer Empfangsantenne auf eine unsymme-trische Meßleitung zu störenden Kabelmantelströmen. Schon in den siebziger Jahren wurde deswegen nach alternativen Wegen gesucht, das Signal vom Sensor zur weiteren Auswertungs-einheit zu übertragen. So nennt Crawford [21] für metallische Sondenstrukturen die zwei immer noch üblichen Methoden:
1. Einerseits wird eine nicht metallische hochohmige Ableitung eines resistiven Materials ver-wendet, über die das Gleichspannungssignal eines Detektorelements (Diode oder FET) übertragen wird. Diese Art der Signalübertragung ist heute bei einer Vielzahl von kom-merziell erhältlichen Feldsonden implementiert. Das Verfahren hat die Nachteile, keine frequenzselektiven Messungen und zudem nur Amplitudenmessungen (ohne Phaseninfor-mation) der Feldwerte zu ermöglichen. Neuere Ansätze [80] erlauben durch mehrfache Messung der Feldkomponenten in verschiedenen Richtungen eine nachträgliche Berech-nung der Phaseninformation und dadurch eine eindeutige Bestimmung aller Feldvektoren.
2. Im Gegensatz dazu gibt es Feldsonden, bei der auch die Phaseninformation übertragen wird, indem das Meßsignal nach der Detektion verstärkt und über eine optische Über-tragungsstrecke durch ein Glasfaserkabel zur weiteren Auswertung übertragen wird. Je nach Ausführung des Feldstärkemeßsystems ist hier auch eine frequenzselektive Messung möglich, wie beispielsweise bei den Systemen der PTB [68], von Pfaff [42] oder Nedt-wig/terHaseborg [40].
Neben der Entwicklung einer möglichst rückwirkungsfreien Signalübertragung steht die Erhöhung der nutzbaren Bandbreite der Sonden häufig im Vordergrund des Sensordesigns.
Für breitbandige Messungen ist das resonante Verhalten metallischer Dipole wenig geeignet.
King und Wu haben Optimierungsansätze zur Bandbreitenerhöhung vorgestellt, die durch koni-sche Sensorformen [30] oder durch eine resistive Beschichtung der Sensorstrukur erzielt werden können [11]. Auf der Basis dieser Arbeiten sind zahlreiche Sondenentwicklungen realisiert wor-den [22], [38], [46], [58]. Bei magnetischen Schleifensonwor-den kann eine Erhöhung der Bandbreite durch eine doppelte Belastung erreicht werden [9], [29], [31]. In neuerer Zeit kann bei aktiver Beschaltung der Sensoren nicht nur das Problem der Signalableitung behoben, sondern mit dem richtigen Schaltungsdesign auch eine Verbesserung hinsichtlich Empfindlichkeit, Dynamik und der nutzbaren Bandbreite erzielt werden [47].
Eine Vielzahl von Sondenentwicklungen verfolgt eine gezielte Optimierung des Sensors bezüglich nur einer einzelnen Meßaufgabe. Im Rahmen des Personenschutzes werden Feldsonden in Form eines HF-Dosimeters den gültigen Grenzwerten angepaßt [83]. Bei Messungen von transienten Feldern im Zeitbereich werden passive Sonden verwendet, die neben einer linearen
Amplituden-auch eine lineare Phasencharakteristik aufweisen [46], [64], [73], wesentliche Arbeiten gehen da-bei auf Baum [23], [36] zurück. Im Bereich der Hochspannungstechnik ist von Pfaff [42] eine potentialfreie Kugelsonde entwickelt worden, die eine minimale Rückstreuung gewährleistet, um die Gefahr von Überschlägen zu benachbarten Strukturen zu verringern. Bei den Mes-sungen des Durchschlagverhaltens von SF6-Stoßspannungsanlagen werden in den Meßaufbau integrierte Sensoren verwendet [32], [33],[37]. Die Bestimmung von Emissionsquellen bei der Schirmdämpfungskontrolle oder beim Leiterplattendesign erfolgt mit Schnüffelsonden [63], die jedoch im allgemeinen keine verläßliche Angabe über den exakten Feldwert machen können.
Für eine korrekte Bestimmung der Feldwerte im Nahfeld von Leiterplatten existieren Scanein-richtungen, die durch eine miniaturisierte Schleifensonde die magnetischen Feldkomponenten über der Platine ermitteln und daraus numerisch die Quellverteilung bestimmen [67], [46].
Im Gegensatz zu den vorgenannten Problemen bei der Signalübertragung, der nutzbaren Band-breite, der Empfindlichkeit und der Dynamik ist die Frage der unbekannten Meßabweichung und der damit verbundenen Meßunsicherheit bisher eher stiefmütterlich behandelt worden.Wirk-lich quantitative Untersuchungen zu diesem Thema sind bisher wenig veröffentworden.Wirk-licht worden.
Dies liegt an zwei Gründen: Zum einen geht eine Sondenoptimierung hinsichtlich einer gerin-geren Meßabweichung immer zu Lasten anderer Parameter. Durch eine Miniaturisierung der einzelnen Sensorelemente wird nicht nur die Meßabweichung und die Rückwirkung auf die Um-gebung sondern auch die Empfindlichkeit der Feldsonde deutlich reduziert. Zum anderen ist die gezielte Untersuchung der Meßabweichung meßtechnisch oder analytisch nur schwer möglich.
Quasianalytische Untersuchungen von Meßabweichungen sind bei Smith [24] für den Spezial-fall eines Meßdipols bei Annäherung an eine leitende Spiegelebene zu finden. Ebenso gibt Pfaff [42] bei der Entwicklung der Kugelsonde im Bereich der Hochspannungstechnik eine numerische Analyse möglicher Meßabweichungen für zwei spezielle Feldanregungen an. Die Meßabweichung kommerzieller Sondensysteme ist seitens der PTB bei der Kalibrierung dieser Sonden im ho-mogenen Feld beobachtet und in einer Reihe von Veröffentlichungen beschrieben worden [41], [57].
Alle genannten Untersuchungen beschränken sich auf bestimmte Aspekte, einen einzelnen Son-dentyp oder eine festgelegte Feldanregung. Eine umfassendere Untersuchung ist anzustreben, die aufgrund der Komplexität der verschiedenen Sondenausführungen wie auch der Vielfalt möglicher Umgebungseinflüsse weder auf meßtechnischem noch analytischem Wege erfolgen kann. Hier sind numerische Methoden vorzuziehen, da sie sich besonders in der letzten Dekade mit der Verfügbarkeit leistungsfähigerer Rechner zu einem anerkannten Werkzeug entwickel-ten. Numerische Untersuchungen von Antenneneigenschaften sind bereits vielfach veröffentlicht worden, wobei i.d.R. die Optimierung der Antenneneigenschaften wie Gewinn und Strahlungs-diagramm im Vordergrund stehen. Einzig die Arbeiten von Singer et al. [46], [51], [70], [71], [72], [75] und Zhang/Ye [62] setzen sich mit dem Thema der Meßabweichung direkt
ausein-ander. Darauf aufbauend ist auch Tudziers [78] zu nennen. Aufgrund des Umfangs dieser Thematik erfolgte bisher jedoch keine umfassende Bewertung der Fragen nach Meßabweichung und Meßunsicherheit.
Bei der Untersuchung der Meßabweichung und der Rückwirkung auf die Meßumgebung liegt der Schwerpunkt auf den feldtheoretischen Einflüssen auf das Meßergebnis. Ein Programm zur Simulation elektromagnetischer Felder und Koppelvorgänge, basierend auf der Momentenme-thode, ermöglicht die numerische Simulation auch komplexer Umgebungstrukturen mit den zu untersuchenden Feld- und Stromsonden. Mögliche Meßabweichungen, die durch die Auswerte-elektronik etc. verursacht werden, sind nicht Gegenstand der Arbeit.