Bd. 99 (2024): Middelstädt, Felix: Electromagnetic field coupling to thin wires above the ground

Leitungen spielen in vielen elektrischen und elektronischen Geräten eine große Rolle. Sie werden zur Übertragung von Informationen oder Leistung zwischen unterschiedlichen Komponenten verwendet. Sie können jedoch auch ungewollt als Antenne wirken und somit ein Einfallstor für elektromagnetische Störungen durch externe elektromagnetische Felder sein. Außerdem können über die Leitungen elektromagnetische Felder abgestrahlt werden, die wiederum andere benachbarte Geräte stören. Daher ist es speziell im Bere-ich der elektromagnetischen Verträglichkeit wichtig die physikalischen Mechanismen der Feldeinkopplung in und Datenübertragung auf Leitungen zu untersuchen. Es gibt verschiedene Leitungstypen, z.B. Mikrostreifenleitungen auf Leiterplatten oder dünnen Drähte über einer Masseebene. Das Ziel dieser Dissertation ist die analytische und semi-analytische Untersuchung der Ströme auf dünnen Drähten über einer großen Masseebene im Frequenzbereich. Das allgemeine Verständnis der Ausbreitung von Wellen auf Leitungen soll hiermit verbessert werden. Die untersuchten dünnen Drähte werden durch ebene Wellen angeregt. Verglichen mit der Wellenlänge sind die Leitungen lang und besitzen einen gleichförmigen Abschnitt entlang der Trajektorie. Bis auf den gleichförmigen Abschnitt ist die Trajektorie der Leitung beliebig und Abschlussimpedanzen werden berücksichtigt. Mehrere parallele Drähte werden ebenfalls untersucht. Für diese Leitungen ist der sogenannte asymptotischen Ansatz anwendbar. Der Ansatz liefert einen analytischen Ausdruck für den Strom im gleichförmigen Abschnitt des Drahtes. Er spielt eine zentrale Rolle bei der analytischen und semi-analytischen Untersuchung des Stromes. Es wird angenommen, dass der Strom eine Superposition aus mehrere transversal elektromagnetischen Moden und einer erzwungenen Antwort ist. Die Amplituden der Moden hängen von sogenannten Streu- und Reflexionskoeffizienten an den Leitungstoren ab. Diese Koeffizienten sind im Allgemeinen komplex, frequenzabhängig und von der Trajektorie am Leitungsende abhängig. Daher beinhalten die Koeffizienten Hochfrequenzeffekte, wie z.B. Feldabstrahlung an Ungleichförmigkeiten entlang der Leitung. Dies ist ein entscheidender Unterschied zur klassischen Leitungstheorie. Daher ist der asymptotische Ansatz für deutlich höhere Frequenzen anwendbar als die klassischen Theorie. Die Streu- und Reflexionskoeffizienten können durch numerische und analytische Methoden approximiert werden. Das Hauptaugenmerk liegt in dieser Arbeit auf der analytischen Näherung. Eine iterative Methode wird verwendet, um die Koeffizienten ausgehend von den “Mixed Potential Integral Equations” für dünne Drähte analytisch zu approximieren. Die Iteration wird mit der Lösung der klassischen Leitungstheorie initialisiert. Jeder weitere Iterationsschritt nutzt die vorheriege Lösung als Quelle, um eine bessere Approximation zu finden. Die analytische Lösung wird mit einer numerischen (Momentenmethode) verglichen. Es ist eine sehr gute Übereinstimmung zu beobachten. Außerdem zeigen die Beispiele, dass die iterative Lösung signifikant genauer ist als die klassische Lösung aus der Leitungstheorie. Darüber hinaus werden die analytischen und numerischen Approximationen mit Messergebnissen verglichen. Der komplexe Radarrückstreuquerschnitt von dünnen Drähten wird dazu gemessen und die komplexen Resonanzfrequenzen, die sogenannten natürlichen Frequenzen, werden extrahiert. Die analytischen natürlichen Frequenzen werden mithilfe des asymptotischen Ansatzes und der iterativen Methode bestimmt. Eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den Messergebnissen, der analytischen Näherung und der numerischen Lösung ist für alle gewählte Beispiele zu beobachten.

ISBN: 978-3-948749-45-3

DOI: https://doi.org/10.24352/UB.OVGU-2024-082