Analytische Beschreibung der Kopplung elektromagnetischer Felder durch Aperturen in Resonatoren

Abstract

Die vorliegende Arbeit baut auf den Grundlagen der elektromagnetischen Feldtheorie eine neue Systematik zur Beschreibung der Kopplung elektromagnetischer Felder zwischen verschiedenen Umgebungen auf. Es wird der Halbraum und der quaderförmige Hohlraumresonator, ein Modell für typische Gerätegehäuse, diskutiert. Dabei wird eine analytische Lösung unter der Einschränkung elektrisch kleiner Aperturen hergeleitet und anhand numerischer Verfahren verifiziert. Anschließend wird das Verfahren für eine einfache elektrisch große Apertur verallgemeinert. Als Ausgangspunkt dient hierbei die Modellierung des eingekoppelten Stromes auf einem elektrisch dünnen, langen und geraden Draht. Die Integralgleichung für das elektrische Feld wird auf eine neuartige Weise durch ein Diskretisierungsverfahren gelöst. Eine der Besonderheiten der sich durch die Diskretisierung ergebenden Matrixgleichung gegenüber üblichen Lösungsverfahren ist die analytische und damit sehr schnelle Bestimmung aller Matrixelemente. Anschließend wird das Verfahren auf einen langen dünnen Schlitz in einem Hohlraumresonator übertragen. Weiterhin wird die Gesamtmatrix in Nah- und Fernwechselwirkungen separiert. Somit können verschiedene Abstrahlungsumgebungen vergleichsweise einfach berücksichtigt werden. Untersuchungen des Fernfeldes des Schlitzes zeigen, dass es möglich ist, den Einfluss der inneren Hohlraumresonanzen auf das äußere Feld effizient zu berechnen.

In this thesis a new systematic formalism of the coupling of electromagnetic fields between different radiation environments is derived from the basics of electromagnetic field theory. Here, the case of the coupling between a half space and a rectangular cavity is treated, which is a model for typical housings of electrical devices. An analytical solution is derived under the condition of electrically small apertures and then validated with numerical methods. Then the developed method is generalized for an simple electrical large aperture. It is made use of the duality of the Maxwell equations by the modeling of the generated current in an electrical large, thin, straight and finite wire in free space. The respective integral equation for the electrical field is solved in a new way by a combination of the methods of regularization and discretization. One of the unique properties of the derived matrix equation is the possibility to calculate all matrix elements analytically and therefore quite fast. Subsequently, the method is applied to the electrical large, thin, straight and finite slot in a rectangular cavity. The complete matrix is separated in a near and far interaction part. This way, different radiation conditions can be considered easily. The analysis of the far field of such a slot shows, the influence of the inner cavity resonances on the external fields can be calculated efficiently.