Wesentlicher Anteil moderner Informations-oder Kommu- nikationssysteme sind elektronische Bauteile und Schal- tungen, die aber auch in nahezu allen gewerblichen Bereichen wie elektronischen Steuer-und Regel'systemen in allen denkbaren Anwendungsgebieten eingesetzt werden und beispielsweise auch in der modernen Luftfahrttech- nik, bei der sich immer stärker lediglich elektrische bzw. elektronisch gesteuertes Fluggerät (fly-by-wire) durchsetzt. Dieses gilt gleichermaßen auch für die verschiedensten wehrtechnischen Bereiche. Alle diese Sy- steme sind mehr oder weniger in bezug auf Funktions- störungen aufgrund von außen einwirkender elektrischer Störungen gemäß bestehender EMV-Normen mehr oder weniger gesichert, soweit diese Störungen, beispielsweise elektromagnetische Spannungsimpulse, im Folgenden kurz Pulse genannt, niedrigfrequent sind, eine kleine Span- nungsamplitude aufweisen und große Pulsanstiegszeiten, d. h. geringe Pulssteilheiten, aufweisen.

Die bisherigen elektronischen Systeme der eingangs beispielhaft beschriebenen Art sind aber mehr oder weniger schutzlos sogenannten transienten Störungen bestimmter Art ausgesetzt. Die besagten transienten Störungen stellen im Rahmen der elektromagnetischen Verträglichkeit EMV eine besondere Klasse von Störungen dar und können bei Elektronikkomponenten der besagten Systeme je nach Energieinhalt zu kurzfristigen Störungen aber auch zu einer vollständigen Zerstörung und auch zum Ausfall des Systems in seiner Gesamtheit führen. Transi- ente Störungen weisen zudem vielfach nicht nur einen unipolaren sondern auch einen bipolaren Verlauf auf, was ihre Beherrschbarkeit noch stärker erschwert. Neben einmalig auftretenden Störungen zählen im Allgemeinen auch sogenannte"bursts", bei denen es sich um peri- odische wiederkehrende Puls-oder Schwingungspakete handelt, dazu. Typisch bipolare Transiente sind zum Beispiel exponentiell abklingende harmonische Funkti- onen. Transiente elektromagnetische Störungen werden auch elektromagnetische Pulse EMP genannt.

Typische in der elektromagnetischen Verträglichkeit relevante Quellen für transiente Störungen sind neben Blitzen (LEMP : Ligthning electromagnetic Pulse) und nuklearen elektromagnetischen Pulsen (NEMP : Nuclear electromagnetic Pulse) elektrostatische Entladungen (ESD) und Schalthandlungen in Anlagen der elektrischen Energietechnik und Leistungselektronik. Ebenfalls können im Kurzschlußfall entsprechende Schmelzsicherungen zu nicht unerheblichen transienten Störungen auf Leitungen führen. Neben den erwähnten klassischen elektromagne- tischen Pulsen (EMP) ist auch die Klasse der sogenannten Ultra-wide-band-pulse von besonderer Bedeutung im Hinblick auf die schädigende bzw. zerstörende Wirkung elektronischer Systeme. Dennoch stellen die UWB-Pulse für Systeme, deren Einkopplungspfade über typische Längen von einigen Zentimetern bis wenige Meter betra- gen, eine deutlich höhere Bedrohung dar als ein NEM-Puls gleicher Feldstärke. Da es sich beim NEMP um einen waffentechnisch hergestellten Puls handelt, spricht man im Zusammenhang mit UWB-Pulsen auch von NNEMP (Non- nuclear-EMP), um diese Verwandtheit zu zeigen.

Der UWB-Puls hat typischerweise eine Anstiegzeit von deutlich kleiner 1 ns und eine Dauer von 2,5 ns. Als UWB-Pulse werden dementsprechend Pulse mit extrem kurzen Anstiegszeiten und entsprechend breitbandigen Spektren bezeichnet. Die Steilheit dieser Pulse, die auch syn- thetisch als waffentechnisch generierte Pulse vorliegen können, liegen um Größenordnungen über denen anderer Pulse wie den besagten Blitz-Pulsen bzw. LEMPs oder sogenannten Electrical Fast Transiences, die bei Schalt- handlungen über Versorgungsleitungen eingekoppelt werden können und als klassische zivile Bedrohung vorliegen.

Bisher lassen sich mit Hilfe von nichtlinearen Schutz- schaltungen leitungsgeführte Transiente (LEMP und NEMP) wirksam unterdrücken bzw. ausreichend dämpfen.

Aufgrund des möglichen, sehr unterschiedlichen Charak- ters transienter Störungen ist eine für alle möglichen Fälle geeignete universelle Schutzschaltung bisher nicht realisierbar. Da aber eine Realisierbarkeit derartiger Schutzschaltungen von außerordentlicher Bedeutung ist, die sogar zukünftig einen noch größeren Stellenwert haben wird, ist es zwingend erforderlich, Mittel zur Verfügung zu haben, mit denen das. transiente Ansprech- verhalten einer Schutzschaltung erfaßt bzw. gemessen werden kann. Dazu muß beispielsweise eine transiente Überspannung in das System eingespeist werden, die Messung der Spannung des transienten Pulses vor und hinter der Schutzschaltung durchgeführt werden und gegebenenfalls in der Schutzschaltung selbst.

Bisher wurden beispielsweise leitungsgeführte transiente Pulse mit sogenannten Hochspannungstastköpfen, soge- nannten Stromzangen (Stromzangen sind aufgrund ihrer speziellen Bauweise bzw. ihres Funktionsprinzips derart genannte Stromsensoren ; engl. : current probe) oder Dämpfungsgliedern bzw. Spannungsteilern durchgeführt.

Hochspannungstastköpfe und Stromzangen haben aber den grundsätzlichen Nachteil, daß ihr Einsatz, bedingt durch ihre Bauweise, auf einen Frequenzbereich von < 500 MHz bzw. < 3 GHz beschränkt ist. Sollen jedoch Anstiegzeiten im Bereich von 100 pico-Sekunden unverfälscht gemessen werden können, sind Bandbreiten von ca. 8 GHz erforder- lich und somit deutlich höhere Bandbreiten als sie Hochspannungstastköpfe und Stromzangen aufweisen können.

Bei Stromzangen kommt es zusätzlich zu einer Fehlanpas- sung durch den Sensor an sich und somit zu einer Verfäl- schung des zu messenden Pulses.

Grundsätzlich stehen auch Dämpfungsglieder und Span- nungsteiler zur Verfügung, sie weisen jedoch ebenfalls Nachteile auf. So verfügen Dämpfungsglieder nur über bestimmte maximale Energieabsorptionen, d. h. es muß vor der Messung ganz genau bekannt sein, in welcher Größen- ordnung die zu messende Größe liegen wird. Eine galva- nische Entkopplung ist nicht möglich. Dadurch kann im Zuge der Pulsmessung eine empfindliche und hochwertige Messelektronik selbst zerstört werden. Die Herstellung von Dämpfungsgliedern, die auch noch im Bereich von einigen GHz linear sind, ist zudem äußerst aufwendig.

Zusätzlich haben Dämpfungsglieder eine Anstiegzeit in der Größenordnung von 10 ps (pico-Sekunden). Bei der gegebenenfalls notwendigen Kaskadierung ist eine Ge- samtanstiegszeit in der Größenordnung der Anstiegszeiten der zu messenden Signale erwartbar, so daß Dämpfungs- glieder zur Erfassung der fraglichen Pulse ausscheiden.

Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Erfassung elektromagnetischer Pulse der Eingangs genannten Art zu schaffen, die die Nachteile der bisher für diese Zwecke bekannten, voraufgeführten Systeme nicht hat, mittels der eine geringe Beeinflus- sung des zu erfassenden Pulses bzw. des zu messenden Signals, auch für Zwecke der Messung und Überprüfung im Zusammenhang mit der Einhaltung von EMV-Normen bei Anlagen und Schaltungen, möglich ist, die eine schnelle Ansprechzeit und eine hohe Dynamik bei gleichzeitig hoher Empfindlichkeit und hoher Bandbreite gewährleistet und eine galvanische Isolierung gegenüber dem zu mes- senden System gewährleistet, wobei die Vorrichtung einfach, kompakt und effektiv auch bei der Erfassung allerhöchster Amplituden der Pulse ist.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß der Erfindung durch ein die Vorrichtung im wesentlichen durchquerendes Lei- tungselement und ein das Leitungselement umgebendes Ge- häuse, wobei das Leitungselement und das Gehäuse einen Wellenleiter bilden und wobei im Bereich zwischen Gehäuse und Leitungselement ein Sensorelement angeordnet ist, das die im Wellenleiter geführte, den Puls charak- terisierende Größe (Zeit, Amplitude) in Form einer vom Wellenleiter in eine elektromagnetische Feldgröße umgewandelte Größe erfaßt.

Die erfindungsgemäße Lösung schafft eine koaxiale TEM- Zelle, auf die die zu untersuchende transiente Störung in Form eines leitungsgeführten elektromagnetischen Pulses geführt wird. Im Inneren der Vorrichtung wird dann die elektromagnetische Feldgröße erfaßt. Dadurch kommt es faktisch zu keiner Beeinflussung des zu mes- senden Pulses und eine galvanische Isolierung zwischen den Leitungselement der Vorrichtung und dem Sensorele- ment der Vorrichtung ist gewährleistet. Das Sensor- element wird dabei vorteilhalfterweise derart gewählt, daß es äußerst breitbandig ist, mit der Folge, daß die Bandbreite der Vorrichtung Pulsanstiegzeiten, wie angestrebt, im pico-Sekundenbereich zu erfassen ermög- licht. Die Konzeption der Vorrichtung gemäß der erfin- dungsgemäßen Lösung macht es möglich, daß der erfin- dungsgemäße TEM-Wellenleiter beispielsweise als 50 Ohm-System ausgelegt werden kann. Ein 50 Ohm-System wird regelmäßig dann gewählt, wenn der gesamte Meßaufbau (Generator, Kabel etc. ) auch auf einem 50 Ohm-System basiert. Grundsätzlich ist aber auch z. B. ein 75 Ohm- oder 100 Ohm-System möglich.

Ein erfindungsgemäßer Vorteil ist auch, daß mit der gleichen Vorrichtung auch wesentlich kleinere Span- nungen, also auch über mehrere Dekaden, gemessen werden können, beispielsweise von einer Spannungsamplitude von ca. 5-10 V an, ohne daß der Aufbau der Vorrichtung geändert werden muß, was gleichermaßen auch für den Meßaufbau unter Einschluß der Vorrichtung gilt.

Vorteilhafterweise kann als Feldgröße die elektrische Feldgröße des Pulses erfaßt werden, es ist aber auch möglich, vorzugsweise als Feldgröße die magnetische Feldgröße des Pulses zu erfassen. Das heißt mit anderen Worten, daß die Sensorelemente E-Feldsensoren sein können, es ist aber auch möglich, H-Feldsensoren als Sensorelemente einzusetzen oder aber auch in der Vor- richtung sowohl einen E-Feldsensor als auch einen H-Feldsensor einzusetzen.

Um eine äußerst kompakte Bauweise der Vorrichtung zu schaffen, ist es vorteilhaft, das Gehäuse mit einem Dielektrikum zu füllen, d. h. einen TEM-Wellenleiter mit Dielektrikum auszubilden.

Äußerst vorteilhaft ist es, das Innere des Gehäuses mit einem Dielektrikum Er 1 zu wählen, d. h. zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit beispielsweise > 2, so daß das Dielektrikum in diesem Falle nicht einfach Isolator ist, sondern vielmehr die Meßgröße"enthält".

Vorzugsweise ist das Sensorelement für die Erfassung einer elektrischen Feldgröße in Form eines konischen Monopols ausgebildet. Diese Art des Sensorelementes weist eine extreme Bandbreite von typischerweise 10 GHz auf.

Um die Vorrichtung schnell vor bzw. hinter die bei- spielhaft zu untersuchende Schutzschaltung bzw. gegebe- nenfalls auch schnell in die zu untersuchende Schutz- schaltung selbst einfügen zu können, ist es vorteilhaft, die Vorrichtung mit einem Eingangsverbindungselement und einem Ausgangsverbindungselement zu versehen, wobei diese Verbindungselemente die an sich in der HF-Technik bekannten N-Stecker oder 7/16-Stecker bzw. Stecker- bindungen sein können.

Um die Vorrichtung so kompakt wie möglich auszubilden, ist es vorteilhaft, das Gehäuse derart konisch auszu- bilden, daß es sich zu den Verbindungselementen hin verjüngt. Die konische Ausgestaltung hat auch den Vorteil, daß damit ein reflexionsfreies 50-Ohm-System geschaffen werden kann, denn jeder Sprung oder Knick (Diskontinuität) würde Reflexion verursachen. Deshalb werden die Übergangsbereiche bzw. Knicke zwischen konischem Teil und nicht-konischem Teil vorzugsweise auch abgerundet.

Es sei aber darauf hingewiesen, daß alternativ oder zusätzlich zu den vorangehend aufgeführten Maßnahmen zur Kompensation von Diskontinuitäten der Vorrichtung auch andere Techniken möglich sind, beispielsweise eine Kompensation von Sprungstellen durch zusätzliche, bauformbedingte Induktivitäten. Auch diese Maßnahmen können dem Ziel der Verwirklichung einer reflexionsarmen Vorrichtung dienen, um das zu messende Signal möglichst gering zu beeinflussen.

Aus dem-gleichen Grunde ist es vorteilhaft, daß das Lei- tungselement selbst sich zu dessen beidseitigen An- schlüssen hin konisch verjüngt ausgebildet ist.

Schließlich ist es aus Gründen der vereinfachten Ferti- gung der Vorrichtung und aus Gründen der Montage bzw.

Demontage für Wartungs-und Reparaturzwecke und auch gegebenenfalls zum vereinfachten Austausch des einen Dielektrikums gegen ein anderes Dielektrikum vorteilhaft das Gehäuse mehrteilig auszubilden, beispielsweise zwei- oder dreiteilig, so daß, wie angestrebt, eine Demontage bzw. Montage auf einfache Weise möglich ist.

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die nach- folgenden schematischen Zeichnungen anhand eines Aus- führungsbeispieles im Einzelnen beschrieben. Darin zeigen : Fig. 1 in der Seitenansicht die Vorrichtung gemäß der Erfindung in Form eines schematisierten Block- schaltbildes, angeschlossen an eine UWB-Puls- quelle und mit einem 50 Ohm-Abschluß, wobei der Sensor mit einem Pulsnachweisgerät, beisp-iels- weise einem Oszillographen, verbunden ist, Fig. 2 in perspektivischer Darstellung die Vorrichtung in teilweise auseinandergebauten Zustand, Fig. 3 den Verlauf verschiedener Anstiegzeiten von Pulsen unterschiedlicher transienter Störungen, Fig. 4 eine Darstellung des Vergleiches verschiedener Pulse gemäß Fig. 3 im Frequenzbereich, Fig. 5 den zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals des Sensorelements in Form eines E-Feldsensors bei Beaufschlagung der Vorrichtung mit einem UWB-Puls und Fig. 6 das elektrische Feld in der Vorrichtung für einen UWB-Puls mit einer Anstiegszeit von 100 ps.

Zunächst wird Bezug genommen auf die Darstellungen der Vorrichtung 10 gemäß den Figuren 1 und 2. Die Vorrichtung 10 besteht aus einem im Wesentlichen axial ausgebildeten Leitungselement 12, das die Vorrichtung 10 im wesentlichen vorzugsweise axial durchquert. Das Leitungselement 12 kann, wie insbesondere aus Fig. 2 ersichtlich ist, zu den beiderseitigen Anschlußseiten, an denen ein Eingangsverbindungs. element 18 bzw. ein Ausgangsverbindungselement 19 angeordnet sein kann, ko- nisch hin verjüngend ausgebildet sein. Das axiale Leitungselement 10 ist mit einem dieses vorzugsweise koaxial umgebenden Gehäuse 13 versehen, das ebenfalls konisch zu den Eingangs-bzw. Ausgangsverbindungsele- menten 18,19 hin ausgebildet sein kann. Das Gehäuse 13 kann mehrteilig, beispielsweise zweiteilig 130,131, ausgebildet sein, so daß es leicht in seine Einzelteile demontierbar ist, was insbesondere aus Fig. 2 ersicht- lich ist. Im Bereich 15 zwischen Gehäuse 13 und Lei- tungselement 12 ist ein Sensorelement 16 angeordnet. Das Sensorelement 16 ist hier als Monopol herausgebildet und ist bestimmt, eine elektrische Feldgröße des transienten Signals zu erfassen. An Stelle des Monopols zur Ermitt- lung der elektrischen Feldgröße kann auch alternativ oder zusätzlich ein Sensorelement 16 vorgesehen sein, das in Form eines Oberflächensensors zur Ermittlung des magnetischen Feldes des Transienten Pulses bestimmt ist.

Es kann sich auch eine jeweilige Mehrzahl von elek- trischen und/oder magnetischen (Feld-) Sensorelementen 16 vorgesehen werden.

Grundsätzlich kann die Vorrichtung 10 auch jede andere koaxiale Form annehmen, beispielsweise in Form eines axialsymmetrischen Vielecks (Quadrat, Sechseck, Achteck usw.) Der Innenleiter, d. h. das Leitungselement 12, muß auch nicht zwangsläufig mittig angeordnet sein, d. h. nicht in der axialen Symmetrieachse des Gehäuses 12.

In Fig. 1 ist das Sensorelement. 16 zum einen aus der Vorrichtung 10 herausgelöst dargestellt und zum anderen in die Vorrichtung 10 eingesetzt bzw. im Bereich 15 zwischen Gehäuse 13 und Leitungselement 12 angeordnet.

Das Gehäuse 13 ist mit einem Dielektrikum 17 gefüllt, wobei das Dielektrikum ein ç r von 2 1 aufweist. Bei dem schematisch in Fig. 1 dargestellten Versuchsaufbau ist die Vorrichtung 10 eingangsseitig mit einem vorrich- tungseigenen Verbindungselement 18 ausgebildet, bei- spielsweise in Form klassischer HF-Buchsenelemente, und mit einem Impulsgenerator 23 verbunden, der transiente Pulse 11 auf die Vorrichtung 10 liefert. Die Vorrichtung 10 ist auch mit einem Ausgangsverbindungselement 19 versehen, das ebenfalls als klassisches HF-Buchsen- element ausgebildet sein kann. Das Ausgangsverbin- dungselement 19 bzw. der entsprechende Anschluß 21 ist mit einem 50 Ohm Widerstand zur Bildung eines 50 Ohm- Systems abgeschlossen. Wenn nun während des Betriebes der Vorrichtung 10 ein transienter Puls, ob nun natür- lichen Ursprungs oder durch einen Impulsgenerator 23 erzeugt, auf das Eingangsverbindungselement 18, das einerseits mit dem Leitungselement 12 verbunden ist und mit seinem anderen Pol mit dem Gehäuse 13 verbunden ist, geleitet wird, bilden das Leitungselement 12 und das umgebende Gehäuse 13 einen Wellenleiter 14.

Das im Gehäuse 13 angeordnete Sensorelement 16 erfaßt dabei die im Wellenleiter 14 geführte, den Puls 11 charakterisierende Größe (Zeit, Amplitude) in Form einer vom Wellenleiter 14 in eine elektrische und/oder magne- tische Feldgröße umgewandelte Größe, die dann auf den Oszillographen 22 zur entsprechenden optischen Darstel- lung, jedenfalls im Meßaufbau, gegeben wird. Der Si- gnalausgang des Sensorelements 16 kann aber auch, wenn die Vorrichtung 10 Teil einer Schutzschaltung gegen transiente Störungen ist, auf entsprechende Schutz- und/oder Steuermittel gegeben werden, um nach erfaßtem transienten Puls steuerungstechnisch Gegenmaßnahmen einzuleiten. Insofern ist das stark schematisierte Blockschaltbild gemäß Fig. 1 lediglich als eine die Erfindung nicht beschränkende Verständnishilfe anzuse- hen.

In Fig. 3 sind bezüglich des Zeit-Spannungsverlaufes transiente Störungen bzw. Pulse verschiedenen Ursprungs dargestellt, d. h. ein LEMP-Puls (Lightning Electro- magnetic Pulse), ein UWB-Puls (Ultra-Wide-Band-Pulse) und ein EFT-Puls (Electrical Fast Transient).

Fig. 4 zeigt einen Vergleich der Amplitudendichtespek- tren von UWB-, EFT-und LEMP-Pulsen, woraus ersichtlich ist, das von den transienten Störungen die UWB-Pulse noch bis in den höchsten Frequenzbereich hinein signi- fikant in Erscheinung treten.

Fig. 5 zeigt das Ausgangssignal des in der Erfindung verwendeten als E-Feldsensor ausgebildeten Sensorele- ments 16 bei einem Aufbau, wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Ein Impulsgenerator 23 liefert einen doppelt-expo- nentiellen UWB-Puls 11 mit einer Amplitude von 25 kV.

Das Sensorelement 16 zeigt differenzierendes Verhalten.

Die Umrechnung von der gemessenen Ausgangsspannung des Sensorelementes 16 auf die tatsächlich am Sensorelement 16 anliegende elektrische Feldstärke, vgl. Fig. 6, erfolgt dabei gemäß U=j###0E#AE#RL mit w : Kreisfrequenz E0 : Permittivitätskonstante AE : effektive Sensorfläche RL : Wellenwiderstand der angeschlossenen Messleitung.

Fig. 6 zeigt die vom Sensorelement 16 gemessene elek- trische Feldstärke in der Vorrichtung 10 (TEM-Wellen- leiter) bei einer Konfiguration, wie sie für Fig. 5 beschrieben worden ist. Bei bekanntem Abstand zwischen Außen-und Innenleiter des TEM-Wellenleiters, d. h. zwischen Gehäuse 13 und Leitungselement 12, kann nun eine Umrechnung auf die in diesem Fall vom Impulsgene- rator 23 gelieferte doppelt-exponentielle Kurvenform erfolgen. Wie aus Fig. 6 ersichtlich ist, kann eine Anstiegszeit im Bereich von 100 ps aufgelöst werden.

Bezugszeichenliste 10 Vorrichtung 11 Puls/Impuls 12 Leitungselement 120 konischer Bereich 13 Gehäuse 130 Gehäuseteil 131 Gehäuseteil 14 Wellenleiter 15 Bereich 16 Sensorelement 17 Dielektrikum 18 Eingangsverbindungselement 19 Ausgangsverbindungselement 20 Anschluß 21 Anschluß 22 Oszillograph 23 Impulsgenerator