05 Fakultät Informatik, Elektrotechnik und Informationstechnik
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Item Open Access Berechnungsverfahren und auf Abtastung basierende Messverfahren zur Bestimmung elektrischer HF-Störfelder und der damit verbundenen Störeinkopplungen in Leitersysteme(2006) Geisbusch, Lothar; Landstorfer, Friedrich (Prof. Dr.-Ing.)Ein wichtiger Aspekt der EMV ist die Einstrahlung hochfrequenter elektromagnetischer Felder in Leitersysteme. Zur Quantisierung derartiger Verkopplungen entwickelt die vorliegende Arbeit sowohl messtechnische als auch numerische Verfahren. Für die Berechnung der Störeinkopplung in Herzschrittmacher-Systeme wird ein hybrides Berechnungsverfahren, zusammengesetzt aus der Mehrfach-Multipol-Methode und der Methode der Momente, weiterentwickelt und es wird seine Anwendbarkeit verbessert. Neben dem Berechnungsverfahren wird in der vorliegenden Arbeit ein neues Feldsensor-Verfahren zur Betrags- und Phasenmessung hochfrequenter elektrischer Felder entwickelt. Dieses Verfahren macht sich das subharmonische Abtasten zunutze, indem ein schneller Abtaster in eine elektrisch kurze Dipolantenne untergebracht wird. Die Triggerung des Abtasters erfolgt über einen optischen Leiter, welcher Verzerrungen des zu messenden Feldes vermeidet. Es wird eine sehr hohe Messgeschwindigkeit erreicht, so dass auch Feldverteilungen innerhalb kurzer Zeit gemessen werden können. Neben dem Feldsensor wird ein hierzu abgewandeltes Sensorsystem zur Messung von Störspannungen entwickelt, welches z.B. die Messung von Einkoppelspannungen an Herzschrittmacherelektroden erlaubt. Die Arbeit schließt zum einen mit der Untersuchung der Störeinkopplung in Herzschrittmachersysteme und zum anderen mit experimentellen Arbeiten zur Feldverteilung im Kraftfahrzeug bei Mobilfunkbetrieb ab.Item Open Access Antennas with adaptively varying impedance matching(2023) Fischer-Kennedy, Serafin B.; Hesselbarth, Jan (Prof. Dr. sc. techn.)Gesucht sind Antennenkonzepte, die adaptiv auf ihre Umgebung reagieren in dem Sinne, dass komplex-konjugierte Impedanzanpassung an den Speisepunkten erhalten bleibt. Vier Ansätze werden vorgestellt: Die resonante Modenanpassung, das Leistungsteilernetzwerk, die geschalteten Speisepunkte und die geschalteten Lastadmittanzen.Item Open Access Anwendung der Methode der Parabolischen Gleichung in Strahlenkoordinaten zur Analyse dielektrischer Linsenantennen(2007) Maier, Marcus; Landstorfer, Friedrich (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die Arbeit behandelt ein neuartiges Verfahren zur Analyse von Linsenantennen, d.h. zur Berechnung der Eigenschaften der Linse als dielektrischer Streukörper mit dem Ziel, die Richtcharakteristik der gesamten Antenne zu bestimmen. Für die Analyse von dielektrischen Linsen sind bisher zwei grundsätzlich verschiedene Verfahren gebräuchlich, die Geometrische Optik und asymptotisch exakte Methoden. Bei Linsen, die sehr groß gegenüber der Wellenlänge sind, kommt das strahlenbasierte Verfahren der Geometrischen Optik in Betracht. Dieses setzt aber voraus, dass ein einziger Strahl eine lokal ebene Welle repräsentiert und Strukturen, auf die ein Strahl trifft, groß gegenüber der Wellenlänge sind. Die Folge ist eine zunehmende Ungenauigkeit der Geometrischen Optik, je kleiner die Linse wird. Eine unabhängig von der Linsengröße genaue Möglichkeit zur Analyse von dielektrischen Linsen besteht in der Verwendung von sogenannten asymptotisch exakten Verfahren wie der Momentenmethode (MoM) oder Finiten Differenzen im Zeitbereich (FDTD). Für deren effiziente Anwendung ist die Linse mit ihrem Durchmesser von mehreren Wellenlängen bis einigen zehn Wellenlängen jedoch i.Allg. zu groß, d.h. die Analyse erfordert eine beträchtliche Rechenzeit und hat einen erheblichen Bedarf an Speicherplatz. Die Tatsache, dass die Linse für die Anwendung der Geometrischen Optik eher zu klein und für die Verwendung asymptotisch exakter Methoden eher zu groß ist, erfordert das Beschreiten eines Mittelwegs. Ein solcher ist aus dem Gebiet der Wellenausbreitung bekannt, und zwar die Methode der Parabolischen Gleichung (PE). Es wird diskutiert und anhand von Beispielen gezeigt, inwiefern diese Methode zur Analyse von dielektrischen Linsen, die eine nicht näher festgelegte Form aufweisen, verwendet werden kann. Dabei ist es erforderlich, die Parabolische Gleichung in orthogonalen Strahlenkoordinaten zu lösen. Da es sich um Grundsatzuntersuchungen handelt, erfolgt eine Beschränkung auf das Zweidimensionale. Der Ausgangspunkt für das Aufstellen der Parabolischen Gleichung liegt in der elliptischen Wellengleichung für ein Skalar, der Helmholtzgleichung. In Kapitel 2 werden elektrische und magnetische Vektorpotentiale eingeführt, deren Wellengleichungen angegeben, und es wird aufgezeigt, wie Potentiale und Feldstärken ineinander umgerechnet werden können. Kapitel 3 zeigt den Zusammenhang zwischen Strahlenkoordinaten und kartesischen Koordinaten. Es erfolgt eine Herleitung der Vektoroperatoren, die erforderlich sind, um die skalare Wellengleichung in Strahlenkoordinaten zu formulieren. Kapitel 4 behandelt die Herleitung der Parabolischen Gleichung aus der Helmholtzgleichung. Es wird gezeigt, wie die Parabolische Gleichung mittels finiter Differenzen in Strahlenkoordinaten gelöst werden kann. Gaußsche Strahlen werden kurz gestreift, da die Summation gaußscher Strahlen mit der bei der Linsenanalyse häufig anzutreffenden Überlagerung von Elementarquellen verwandt ist. Die gebräuchlichen Methoden zur Analyse dielektrischer Streukörper werden in Kapitel 5 genannt. Neben der Geometrischen Optik und der Verwendung asymptotisch exakter Methoden wird auf die die Fresnel-Integral-Methode eingegangen. Kapitel 6 widmet sich den Besonderheiten bei der Anwendung der Methode der Parabolischen Gleichung auf die Analyse von Linsenantennen. Der Schwerpunkt liegt in einer Erörterung, auf welche Art und Weise der Verlauf der Ausbreitungswege festzulegen ist, entlang derer die Parabolische Gleichung schrittweise gelöst wird. Bei der Analyse von Linsenantennen ist es zweckmäßig, die Parabolische Gleichung ausgehend von der Linseneintrittsfläche zu lösen. Es wird ein Verfahren aufgezeigt, wie die Parabolische Gleichung in Bereichen gelöst werden kann, in denen die Ausbreitungswege nicht im rechten Winkel zur Anfangsfront stehen. Dadurch ist es möglich, im Verlauf einer Rechnung zwischen zwei Koordinatensystemen umzuschalten, z.B. um sich schneidende Strahlen zu vermeiden oder die Richtung der Ausbreitungswege an die tatsächliche Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle anzupassen. Anwendungsbeispiele sind in Kapitel 7 zu finden. Zunächst wird gezeigt, wie sich schräg von einer Anfangsfront abgehende Ausbreitungswege in der Praxis bewähren und wie das Ergebnis durch eine während der Berechnung zweifach erfolgte Anpassung des Verlaufs der Ausbreitungswege an die zu erwartende Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle verbessert werden kann. Anschließend wird eine aus der Literatur bekannte Linsenantenne analysiert und das Ergebnis mit der Berechnung nach einer asymptotisch exakten Methode verglichen. Dadurch kann gezeigt werden, dass die Methode der Parabolischen Gleichung die Probleme der Geometrischen Optik bei kleinen Streukörpern zu überwinden hilft, ohne dass ein Rechenzeit- und Speicherplatzaufwand entsteht, wie er bei den asymptotisch exakten Methoden anzutreffen ist.Item Open Access Innovative Verfahren zur Erweiterung der Mess- und Prüftechnik von MMICs(2003) Berger, Niels Helge; Landstorfer, Friedrich M. (Prof. Dr.-Ing.)Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit steht die Erweiterung der Mess- und Prüftechnik von MMICs hinsichtlich der Lokalisierung von Design- oder Schaltungsfehlern während der Prototypen-Phase. Besondere Aufmerksamkeit wird auf die Vermeidung von Störeinflüssen (auf das Testobjekt) durch die Messung selbst sowie auf eine Berücksichtigung der Schaltungsstruktur zur bestmöglichen Ortsauflösung in Hinblick auf die Fehler-Lokalisierung gelegt. Ein Hindernis für zeitnahe Entwicklungszyklen im Bereich der Mikrowellen- und Hochfrequenz-Komponenten ist das Fehlen innovativer Hilfsmittel zur umfassenden Analyse neuer Schaltungs-Komponenten auf potenzielle Fehlfunktionen. Bisherige Messtechniken sind entweder kontaktgebunden (an zuvor festgelegte Messpunkte) und damit sowohl wenig flexibel als auch unzuverlässig, da die gesuchten Schaltungsfehler von dem (durch die Messkontaktierung) verursachten Fehlverhalten nicht immer eindeutig zu unterscheiden sind oder erlauben es nur eine Fehlfunktion festzustellen, ohne diese lokalisieren zu können. Die vorgestellte Erweiterung der Messmöglichkeiten bei MMICs erstreckt sich auf eine Ortsauflösung, die im µm-Bereich liegt, auf die Verminderung bzw. Kontrollierbarkeit des Störeinflusses der Messung auf das Testobjekt sowie auf den "Informationsgehalt" der Messdaten, die mittels inverser Feldtransformation einen Rückschluss auf Betrag, Phase und Richtung des Signalflusses zulassen. Zentrale Idee dieses Ansatzes ist die Kombination aus einem nahfeldoptischen Mikrokop (zur Berücksichtigung feiner Oberflächenstrukturen) und elektromagnetischer Nahfeldmesstechnik relativ niedriger Auflösung mit dem Ziel einer hochauflösenden Nahfeldmessung. Die feldtheoretische Verarbeitung der Messdaten zur Bestimmung und "Bildschärfung" der Signalflussverteilung ermöglicht in einem zweiten Schritt eine Lokalisierung von Störstellen. Beginnend mit den Grundlagen im Bereich der elektromagnetischen Feldtheorie soll in Kapitel 2 der Weg, zur Bestimmung einer Signalflussverteilung auf einer Schaltung aus den Feldstärkeverteilungen im Nahfeld dicht über dieser Schaltung unter Berücksichtigung der Materialeigenschaften, aufgezeigt werden. Die Kenngrößen von Nahfeldsonden werden behandelt, um später die Qualität der realisierten Nahfeldsonden quantifizieren und bewerten zu können. Im Anschluss an diese feldtheoretischen Grundlagen erfolgt eine grundlegende Einführung in die Schaltungstechnik im Bereich der Mikrowellen- und Mikrostreifenleitungs-Technik, um die Alternativen beim Entwurf und bei der Realisierung von Anpassungsverstärkern für die Feldsonden aufzuzeigen. Ein Einblick in die Regelungstechnik zur Beschreibung des Verfahrens zur Nahfeld-optischen Berücksichtigung der Oberfächenstruktur schließt dieses Kapitel ab. Die "erweiterte Messtechnik", die im Mittelpunkt dieser Arbeit steht, wird anschließend in Kapitel 3 konkret an Hand des realiserten Prototyps in ihrem Aufbau, ihren Komponenten und deren Funktionen im Zusammenspiel ausführlich behandelt. Die numerischen Methoden fokusieren sich in Kapitel 4 zum Einen auf die analytisch nicht lösbare Rücktransformation von beliebigen Funktionen aus dem Fourier-Bessel-Oberbereich und zum Anderen auf die inverse Feldtransformation zur Bestimmung einer äquivalenten Signalflussverteilung aus gemessenen (und damit verrauschten) Feldstärkeverteilungs-Messdaten unter Berücksichtigung der Substrat-Parameter. Die Berechnungs- und Realisierungsmöglichkeiten sowie die Ergebnisse der Modellierung und des Aufbaus der Feldsonden bzw. deren Anpassungsverstärker werden in Kapitel 5 beschrieben. Die Entwurf-Kriterien und die Dimensionierung der Mikrowellen-Schaltungen werden ebenso behandelt, wie die Verfahren und Messgrößen zur quantitativen Charakterisierung der Feldsonden mittels Kalibration. Zur Berücksichtigung der Oberflächenstruktur der zu charakterisierenden Schaltungen dienen Verfahren aus dem Bereich der Regelungstechnik und der Nahfeld-Optik. Die Beschreibung eines hier genutzten physikalischen Effektes aus der Nahfeld-Optik steht im Mittelpunkt der Betrachtung von Kapitel 6, wie auch die Konzeption und digitale Realisierung eines Fuzzy-Regelkreises zur Abtastung des Höhenprofils mit Hilfe eines digitalen Signalprozessors. Die Ergebnisse von Messungen und deren Bewertung sowie die Perspektiven der vorgestellten Messtechnik werden anhand ausgewählter Anwendungen in Kapitel 7 zusammengefasst. Hierbei steht die Vorstellung der erreichbaren Auflösung, Genauigkeit, Dynamik sowie des Störeinflusses auf die untersuchte Schaltung ebenso im Mittelpunkt, wie die Untersuchung einer aktiven integrierten Schaltung. Erstere erfolgt durch den Vergleich zwischen Messung und Berechnung -- basierend auf der Untersuchung einer einfachen passiven Schaltung. Kapitel 8 fasst die Erkenntnisse und Erfahrungen zusammen und schließt diese Arbeit mit einem Ausblick auf mögliche künftige Entwicklungen ab.Item Open Access Messsysteme zur Untersuchung einer möglichen Beeinflussung des Menschen durch elektromagnetische Felder(2003) Waldmann, Jan; Landstorfer, Friedrich (Prof. Dr.-Ing. habil.)Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Charakterisierung von Mess-systemen zur Bestimmung einer möglichen Beeinflussung des menschlichen Körpers durch elektromagnetische Felder. Exemplarisch werden anhand von drei Beispielen Messsysteme vorgestellt, mit deren Hilfe diese mögliche Beeinflussung untersucht werden kann. Dabei werden neben thermischen Wirkungen elektromagnetischer Wellen, also der Erwärmung des Gewebes auf Grund absorbierter Feldenergie, auch nicht-thermische Wirkungen, d.h. direkte Wirkungen elektromagnetischer Felder auf den menschlichen Organismus, und Wirkungen auf medizinische Hilfsgeräte (z.B. implantierte Herzschrittmacher) untersucht. Nach einer Einführung in Kapitel 1 wird im Kapitel 2 eine grundsätzliche Beschreibung elektromagnetischer Felder und Wellen entwickelt, aus der die für diese Arbeit relevanten Eigenschaften elektromagnetischer Felder abgeleitet werden. Es werden die Zusammenhänge zwischen Nah- und Fernfeldern dargestellt sowie die Beschreibungen dieser Felder für messtechnische Zwecke. Mit dieser für Messungen geeigneten Beschreibung elektromagnetischer Felder und Wellen im Hochfrequenzbereich (in dieser Arbeit werden nur Frequenzen oberhalb von 1 MHz betrachtet) werden in Kapitel 3 nationale und internationale Vorschriften und Normen zusammengefasst, die für die weitere Betrachtung von Wirkungen elektromagnetischer Wellen auf den Menschen von Bedeutung sind. Ebenso wird die Methode der Ersatzfeldstärken erläutert und im Zusammenhang mit normativen Vorgaben diskutiert. Ausgehend von der grundsätzlichen Beschreibung elektromagnetische Felder und Wellen und den Forderungen, die sich aus den entsprechenden Normen und Vorschriften ergeben, werden in den sich anschliessenden Kapiteln Messsysteme und Messungen vorgestellt, mit denen eine mögliche Beeinflussung des Menschen durch elektromagnetische Felder bestimmt werden sollen. Gemäß der Unterteilung möglicher Wirkungen in thermische und nicht-thermische sowie Wirkungen auf Medizingeräte, die wiederum direkt den Menschen beeinflussen, wird in den Kapiteln 4 und 5 ein Messsystem entwickelt, mit dessen Hilfe einfach und genau elektrische und magnetische Feldstärken gemessen werden können. Mit diesem Messsystem können genaue Informationen über die Art und v.a. die Stärke der möglicherweise gefährdenden elektromagnetischen Felder gewonnen werden und damit die thermische Wirkungen auf den Menschen ermittelt und gegebenenfalls vermieden werden. Besonderes Augenmerk wird neben der technischen Realisierung eines normgemäßen Messvorgangs auch auf eine mögliche Beeinflussung des Messvorgangs und des Messergebnisses durch den Anwender und das zu messende Signal selbst gelegt. Als Beispiel eines Messsystems zur Bestimmung des Einflusses elektromagnetischer Felder auf Medizingeräte wird in Kapitel 6 ein im Menschen implantierter Herzschrittmacher untersucht. Dabei steht der Vorgang der Störeinkopplung eines äußeren Feldes in den im Menschen implantierten Herzschrittmacher im Vordergrund. Die tatsächliche Störbeeinflussung der Herzschrittmacher-Steuerung und die daraus resultierende mögliche Beeinflussung oder gar die Gefährdung des Herzschrittmacherpatienten muss jedoch auch von medizinischer Seite bewertet werden und wird in dieser Arbeit nicht untersucht. Abschliessend wird in Kapitel 7 ein Messsystem bzw. ein Messaufbau vorgestellt, mit dem versucht wird, nicht-thermische Wirkungen von höchstfrequenten Signalen (77 GHz) auf den Menschen und speziell das vegetative Nervensystem zu untersuchen. Neben den eingesetzten Messsystemen werden auch die Ergebnisse der durchgeführten Untersuchungen präsentiert und diskutiert.Item Open Access Functional spherical dielectric resonators at microwave and millimeter-wave frequency(2024) Sterzl, Georg; Hesselbarth, Jan (Prof. Dr.)Es werden die empfindlichsten elektromagnetischen Sensoren zur Bestimmung der komplexen Dielektrizitätskonstante für Mikrowellen und mm-Wellen vorgestellt, bewertet und verglichen. Es werden eigene Definitionen der Empfindlichkeit präsentiert, um den Stand der Technik vergleichen zu können. Die kugelförmigen dielektrischen Resonatoren-Sensoren sind die empfindlichsten Sensoren bei mm-Wellen Frequenzen und skalierbar bis zu THz-Frequenzen. Flüssigkeiten werden im Durchfluss gemessen und ihre Permittivität bei Mikrowellen, mm-Wellen und Sub-THz-Frequenzen bestimmt. Das benötigte Volumen von den Flüssigkeiten konnte bis auf 0.35 nl reduziert werden. Auch Partikel in Flüssigkeiten konnten bei Mikrowellen- und mm-Wellen im Durchfluss im Sub-Wellenlängenbereich detektiert werden. Es werden Lösungen zur Temperaturkontrolle bzw. zum Herausrechnen des Temperatureinflusses mit Hilfe einer zusätzlichen elektromagnetischen Resonanzmode vorgestellt. Die Probleme bei der Verwendung eines metallischen Hohlleiters mit einem Loch und einem Rohr dadurch im Inneren zur breitbandigen Bestimmung der Permittivität von Materialien werden erläutert. Silizium- und insbesondere BiCMOS-SiGe-Chips-Anwendungen wie Antennen, Filter und Oszillatoren, die mit der IHP-Technologie SG13G2 hergestellt wurden, werden vorgestellt und mit dem Stand der Technik verglichen. Die Vorteile sowie Details zur Verbesserung der spherischen dielektrischen Resonator-Antennen auf Siliziumchips werden für passive und aktive Multi-Port-Fälle hervorgehoben. Der vorgestellte Resonator oder auch Filter mit einer Keramikkugel hat den höchsten Qualitäts-Faktor aller bisher vorgestellten On-Silizium-Chips. Auch eine spannungsabstimmbare Version des Resonators wird vorgestellt und in einem Spannungsgesteuertem Oszillator zum Frequenzverstimmmen des Oszillators verwendet. Der Oszillator erzeugt ein Signal bei ca. 100GHz und ist 100MHz abstimmbar. Die Oszillation ist extrem stoß- und druckempfindlich und bietet daher Raum für Verbesserungen.Item Open Access Millimeter-wave near-field imaging using multi-mode probes(2025) Hoffmann, Dennis; Hesselbarth, Jan (Prof. Dr. sc. techn.)A mmWave near-field imaging concept is presented, which, in addition to purely transversal field components, uses a longitudinal field component to illuminate an object. A prototype at 31 GHz demonstrates, how the additional use of higher-order modes improve the quality of images generated in mmWave near-field imaging.