Untersuchungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit von Radiofrequenz-Ionentriebwerken am Beispiel eines RIT4

Abstract

In dieser Arbeit werden Untersuchungen zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) von Radiofrequenz-Ionenantrieben vorgestellt. Ein solches Antriebssystem besteht aus mehreren elektronischen Komponenten die zum Betrieb des eigentlichen Triebwerks notwendig sind. Aus Sicht der EMV stellen diese Komponenten Störquellen dar, die an ihren Ausgängen Signale mit hochfrequenten Oberwellen erzeugen, welche die Elektronik anderer Teilsysteme des Antriebssystems beeinflussen können. Da das Triebwerk im Fokus der Untersuchungen steht, werden die direkt daran angeschlossenen elektronischen Komponenten Radiofrequenzgenerator (RFG) und Hochspannungsnetzteile als Störquellen charakterisiert. Anhand vorgenommener Messungen zeigt sich, dass vor allem der RFG ein signifikantes Störpotenzial aufweist.Das Triebwerk stellt in diesem Zusammenhang einen kapazitiven Koppelpfad für die systeminterne Störausbreitung dar. Um diesen Koppelpfad zu charakterisieren wurden 3DFeldsimulationen eines RIT4-Triebwerks durchgeführt, welche die Betrachtung der internen EM-Feldverteilungen zulassen und somit Aufschluss über die Kopplungs-Vorgänge im Triebwerk geben. Anhand einer Kopplung der 3D-Feldsimulation des Triebwerks mit einer Schaltungssimulation der Peripheriekomponenten kann zudem gezeigt werden, dass die Höhe der auftretenden Störstromamplituden, die vom RFG auf die Hochspannungsnetzteile einkoppeln, durch Resonanzen dominiert werden, die sich aus dem schaltungstechnischen Aufbau der Peripheriekomponenten ergeben.Neben der Störwirkung der beschriebenen Oberwellen innerhalb des Antriebssystems können diese auch über antennenähnliche Strukturen in den Raum abgestrahlt werden (feldgebundene Emission) und somit weitere Satellitensysteme beeinflussen. Solche Antennenstrukturen können die Verbindungskabel zwischen dem Triebwerk und den Peripheriekomponenten oder auch das Triebwerk an sich bilden. Durch entsprechende Messungen unter Verwendung einer GTEM-Zelle und einer Feldsonde zeigt sich, dass sowohl in dem Teilsystem Radiofrequenzgenerierung , als auch im Teilsystem Hochspannungsgenerierung Gleichtaktströme auftreten, welche die Ursache für die feldgebundenen Emission der Kabel darstellen. Das Triebwerk wird mithilfe des 3D-Simulationsmodells im Hinblick auf dessen Abstrahlungsverhalten charakterisiert. Hierbei wird deutlich, dass das Gittersystem eine resonante Struktur darstellt, die bei Anregung durch die Oberwellen im System zu erhöhter Emission führt.Ausgehend von den gewonnenen Erkenntnissen werden Maßnahmen zur Reduktion der internen Störkopplung und der Kabel-Emission vorgeschlagen.