Het mode-stirring mechanisme in nagalmkamers (III)

Dit is deel III. Klik hier voor deel I. Hier voor deel II.

Door Ramiro Serra; vertaling Jacqueline van Gool

In de vorige twee edities van dit blad kwamen respectievelijk de theorie achter mode stirring in nagalmkamers en mechanische mode stirring aan bod. Hieronder worden verschillende manieren van elektronische stirring toegelicht. Deze gelden als alternatief voor enkele nadelen die mechanische mode stirring met zich meebrengt.

Met elektronische mode stirring bedoelen we technieken waarbij elektromagnetische velduniformiteit in een nagalmkamer wordt bereikt met behulp van een elektronisch middel.

In tegenstelling tot mechanische stirring, zijn er geen bewegende delen in de nagalmkamer. Er is, net als in het geval van mechanische stirring, een groot aantal elektronische stirring strategieën beschikbaar, variërend van de verandering van de activeringsfrequentie, tot het gebruik van meerdere bronnen. Elektronische stirring is in ontwikkeling gekomen om het hoofd te kunnen bieden aan enkele nadelen van mechanische stirring:

– het volume dat de roterende paddles innemen, is significant vergeleken met de grootte van de nagalmkamer.

– De beweging van de stirrer of de wanden van de nagalmkamer van de ene tot de volgende stir-toestand kost tijd.

– Het kost tijd om de stirrer te stabiliseren als de gewenste positie bereikt is. Stirrers die snel stabiliseren zijn ook stijver, en daardoor duurder en zwaarder.

– De mechanische beweging vereist sterke motors, assen, tandwielen, enzovoorts en ook onderhoud.

Frequency Stirring

Als we aannemen dat de ergodische hypothese geldt (zie ook deel 1 van deze serie over stirring technieken), dan zullen de convergerende statistische eigenschappen van een goedwerkende nagalmkamer onveranderd blijven als gebruik wordt gemaakt van de activeringsfrequentie in plaats van geometrische factoren. Als de nagalmkamer niet geactiveerd wordt door een narrow band golfsignaal met enkele frequentie (continuous-wave; CW), waarvoor modus-overlap nodig is, maar door een brede-band frequentie-gemoduleerd signaal, dan kan mode stirring worden bereikt. Dit gegeven vormt de basis van frequency mode-stirring.

Vroeg werk op het gebied van frequency mode stirring betrof het gebruik van breedband Gaussische ruis om een nagalmkamer te activeren over octaafbandbreedte (1988). Een paar jaar later werd ook de toepassing van frequency stirring in EMC-gevoeligheidstests geanalyseerd waarbij gebruik gemaakt werd van smalle bandbreedtes van witte Gaussische ruis. In figuur 1 is het proces weergegeven waarbij smalle band filters (5, 10, 25 en 50 MHz) gebruikt werden om wit Gaussisch geluid te genereren met bandbreedtes van 10, 20, 50 en 100 MHz.

Het National Institute of Standards and Technology (NIST) rapporteerde in 1996 praktische metingen waarbij zogeheten narrow band witte Gaussische ruis (band-limited white Gaussian noise; BLWGN) activering wordt gebruikt voor EMC gevoeligheidstests.

Een van de grootste voordelen van dit type mode stirring is dat in real-time velduniformiteit wordt bereikt en er niet gewacht hoeft te worden op het gemiddelde na één stirring cyclus. Hierdoor kan de testtijd met een factor 200 worden verlaagd ten opzichte van mechanische stirring. 

Random Multiple-Antenna Stirring

Het lage-frequentie regime van nagalmkamers wordt gekarakteriseerd door een beperkt aantal overlappende resonantiemodi. Deze resulteren in veldverdelingen binnen de nagalmkamer, waarbij de meest resonerende modus dominant is. De bijdrage van de onderliggende modi is niet voldoende om de veldverdeling nog uniformer te maken. 

Deze onbalans tussen de verschillende modi kan worden opgelost door nagalmkamers te activeren met behulp van meerdere antennes. Het idee is om patronen van activeringssignalen te verkrijgen die de activeringsmodi onafhankelijk van elkaar kunnen opwekken, dus ook die geen sterke resonantie hebben. Met andere woorden, op deze manier wordt de gemiddelde bijdrage van iedere beschikbare modus bij de werkingsfrequentie van een nagalmkamer gelijk gesteld.

In eerste instantie werd deze methode bedacht om willekeurige onafhankelijke activeringssignalen op te wekken, maar de multi-antenne activering was nogal teleurstellend. Er waren geen meetbare verbeteringen zichtbaar op het gebied van onder andere velduniformiteit.

Toch kan multi-antenne activering goed werken als een alternatieve benadering wordt gekozen, namelijk zogeheten multi-antenna stirring (MAS). De nagalmkamer wordt geactiveerd door middel van meerdere antennes. Iedere antenne wordt gevoed door een tijd-harmonisch signaal met een bepaalde amplitude. De verschillende combinaties van signalen die de verschillende bronnen activeren zorgen voor verschillende stir toestanden, analoog aan de verschillende posities van een (mechanische) stirrer.

Intuïtief zou men kunnen denken dat goede mode-stirring mogelijk is als de activeringssignalen voldoende willekeurig en statistisch onafhankelijk zouden zijn. Maar het is aangetoond dat optimale mode-stirring gevonden wordt als de activeringssignalen deels met elkaar samenhangen.

De verklaring hiervoor is niet triviaal. We doen hier een poging om dit fenomeen uit te leggen: Neem aan dat het totale elektromagnetische veld, onder multi-antenne activering, een superpositie is van de veldverdeling van iedere aparte antenne. Dus, als het mogelijk zou zijn om de individuele bijdrage van iedere modale structuur op ieder ontvangstpunt in het werkvolume gelijk te stellen (bij deze techniek wordt de amplitude van een bepaald activeringssignaal die een bepaalde antenne aanstuurt, goed afgestemd), dan zou in principe velduniformiteit kunnen worden bereikt. Ideaal ruimtelijk gedrag wordt bereikt wanneer het maximale veld op een punt in het werkvolume niet te veel afwijkt (niet meer dan 3 dB) van het maximale veld op een andere positie en met een andere oriëntatie in het werkvolume. Het meten van de afwijking betekent in wiskundige taal dat de covariantie-matrix (covariantie van de velden tussen verschillende posities in het werkvolume) zo veel mogelijk gelijk is aan de identiteitsmatrix. Als deze overwegingen worden toegepast, blijkt dat de activeringssignalen deels samenhangend moeten zijn. Deze gedeeltelijke samenhang hangt af van de overdrachtsfuncties tussen iedere activeringsantenne en het ontvangende punt.

Het idee is getest in een nagalmkamer van ongeveer 13 m³ waar vijf konische monopool antennes loodrecht op de verticale wanden waren geplaatst. De matrix van overdrachtsfuncties werd gemeten tussen de ingang van de antenne en de 24 scalaire veldproeven uit de IEC-standaard IEC 61000-4-21:2011.

 

Figuur 2 Resultaten van velduniformiteit voor een nagalmkamer waarbij gebruik gemaakt wordt van de klassieke rotating stirrer en de vergelijking van dezelfde kamer met toepassing van de MAS techniek.

De efficiëntie van de MAS techniek wordt duidelijk in figuur 2 waar de LUF (lowest usable frequency) van de mechanische stirrer van 500 MHz wordt vergeleken met de 100 MHz van de MAS.

Om deze prestatie te bereiken zijn meerdere activeringen, waar relatieve amplitude en fase simultaan en accuraat moeten worden gecontroleerd, door middel van multiple signal modulators.

Bovendien vraagt de optimale procedure precieze fase-afhankelijke metingen, die tijdrovend kunnen zijn en fase-gevoelige sondes vereisen.

Reactively-Loaded Antennas Stirring

Dit type mode stirring werd ontwikkeld door het High Frequency Institute van de Universiteit van Dortmund. Het basis-idee is om veel verschillende ontvangende antennes op de wanden van de kamer te plaatsen. Iedere antenne heeft een variabele reactieve afsluitweerstand.

Het effect van een dergelijke configuratie is dat iedere antenne een deel van de beschikbare elektromagnetische energie in de kamer ontvangt en deze daarna weer uitstraalt met een variërende fase. Het is een elektronische manier om de beweging van een deel van de wand van de trilholte te simuleren. Door de reactieve belasting bij iedere antenne-positie te variëren, zullen de randvoorwaarden veranderen en zal mode stirring optreden. De eerste resultaten van deze manier van mode stirring zijn veel belovend. Figuur 3 geeft schematisch een nagalmkamer weer die gebruik maakt van dit type mode stirring. Antenne 1 is de zendende antenne die wordt aangedreven door een signaal-generator. Antennes 2-4 worden belast met de variabele reactanties.

 

Figuur 3 Schematische weergaven van een nagalmkamer waarbij gebruik gemaakt wordt van reactively-loaded antennas stirring. Antenne 1 is de zendende antenne die wordt aangedreven door een signaal-generator. Antennes 2 t/m 4 worden belast met variabele reactanties. Antenne 5 is de ontvangende antenne om in de nagalmkamer het veld te monitoren.

Source Position Stirring

In een source stirred nagalmkamer wordt de bronlocatie binnen de kamer veranderd om mode-stirring te bereiken. De elektromagnetische velden binnen een rechthoekige trilholte worden bepaald door de holteresonanties (cavity modes) en de bron(nen).

Voor de meeste nagalmkamers met mechanische mode-stirring, blijft de bron op een vaste plek, terwijl de holteresonanties en hun weegfactoren veranderen als de stirrer beweegt of roteert. In het geval van een source-stirred nagalmkamer zijn de holteresonanties vast, terwijl de bronlocatie en de weegfactoren veranderen. Het veld verandert hierdoor en er ontstaat een uniform veld over een tijdgemiddelde, net zoals in het geval van een nagalmkamer met mechanische stirring.

Sinds de introductie van de source-stirred nagalmkamer, zijn er veel studies geweest op het gebied van veldstatistieken binnen dergelijke kamers, maar ook hoe een dergelijke kamer te realiseren.

Onderzoek toont aan dat het mogelijk is de statistische eigenschappen van een veld te regelen door middel van source stirring. Verder onderzoek bevestigt dat het mogelijk moet zijn op deze manier mode stirring in een nagalmkamer te verkrijgen.  

Het grootste voordeel van een source-stirred nagalmkamer is dat mechanische stirrers worden geëlimineerd en een groter werkvolume kan worden bereikt. Nagalmkamers zouden hierdoor ook flexibeler en goedkoper kunnen worden.

Er is veel onderzoek geweest naar hoe een efficiënte source-stirred nagalmkamer kan worden gerealiseerd. In plaats van het verplaatsen van één bron naar verschillende locaties, zou ook een rij antennes op de wanden van de trilholte kunnen worden geplaatst om als bron te dienen. Ook zou men rijen antennes in verschillende richtingen kunnen plaatsen en deze kunnen voeden via een elektronisch geschakeld netwerk. Het doel blijft om de verschillende weegfactoren van de verschillende cavity modes te veranderen om een gestirred veld te verkrijgen binnen de nagalmkamer.

Switch Stirred Reverberation Chamber (SSRC)

Het principe van een SSRC is gebaseerd op de verandering van de randvoorwaarden van het interne elektrische veld zonder objecten te verplaatsen of de interne geometrie te veranderen.

 

Figuur 4 Platen geplaatst op de wanden van een afgesloten trilholte.

Er worden hierbij grote metalen platen met verschillende afmetingen op variërende afstanden van elkaar op de wanden van de trilholte geplaatst. Dit is schematisch weergegeven in figuur 4. De platen worden elektrisch verbonden aan de wanden van de trilholte door elektronisch geregelde schakelaars die iedere plaat wel of niet in contact met de trilholte brengen. De plaats van de schakelaar op de plaat is een ontwerp-parameter. De randvoorwaarden kunnen daarom worden veranderd door iedere plaat individueel elektrisch aan te sluiten of niet. Met iedere schakelcombinatie correspondeert een specifieke elektromagnetische veldverdeling in het werkvolume. De hele stirring cyclus van het elektromagnetische veld bestaat daardoor uit een serie van de toestand van de schakelaars. Voor een SSRC met N platen, is het totaal aantal stir-toestanden 2N.

Het eerste voordeel van de SSRC is de afwezigheid van een mechanische stirrer, waardoor het werkvolume groter kan zijn, er geen stabilisatietijd nodig is tussen verschillende stappen (directe switching) en er kosten worden bespaard op stirrer, elektrische motor en elektrische accessoires (stroomvoorziening, sensoren,…).

Deze voordelen bestaan ook bij het gebruik van onafhankelijke elektronisch geregelde schakelaars, waarbij de eindgebruiker alle gewenste opvolgende combinaties, de lengte van de serie en de duur van iedere onafhankelijke stap gemakkelijk kan programmeren en herprogrammeren, afhankelijk van welke stirring prestaties gewenst zijn. Deze stirring techniek kan de schakeltijd tussen de verschillende stappen aanzienlijk verkorten en is goed reproduceerbaar.

Tot slot kan een dergelijke stirring techniek interessant zijn voor toepassing op zeer grote structuren zoals metalen vliegtuighangars, waar het onmogelijk is om een full-size mechanische stirrer te installeren. In dat geval kunnen de platen uit aluminiumfolie worden gemaakt om het gewicht te reduceren.

Het labyrint van mode-stirring keuzes

Het was niet het doel van deze drie opeenvolgende artikelen* om de prestaties van de verschillende mode-stirring technieken met elkaar te vergelijken, maar om een overzicht te geven van de verschillende technieken die in de literatuur aan de orde komen. In een andere paper in het IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine worden de prestaties van de stirring-technieken belicht. (Zie ook : R. Serra, "Reverberation chambers through the magnifying glass: an overview and classification of performance indicators," in IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine, vol. 6, no. 2, pp. 76-88, Second Quarter 2017.    doi:10.1109/MEMC.0.7990003).

Het grote aantal beschikbare mogelijkheden voor stirring geeft overigens niet aan dat technologie voor nagalmkamers nog niet volwassen is of alleen wordt toegepast in onderzoek.

Terwijl andere EMC meetomgevingen zoals open ruimtes of anechoïsche kamers een duidelijk, uniek en standaard ontwerp hebben, zijn nagalmkamers niet zo eenduidig van ontwerp. Dit is niet omdat we het ‘enige echte’ ontwerp nog niet gevonden hebben, maar dat is dankzij de ergodische hypothese. Al deze schijnbaar verschillende stirring processen zijn terug te leiden op slechts één fysisch proces, mits ze allemaal voldoen aan de ergodische hypothese.

Deze uitgebreide lijst van verschillende stirring technieken zou gebruikers van nagalmkamers waardevolle informatie moeten geven om goede ontwerpkeuzes te maken. Iedere stirring techniek heeft zijn eigen voor- en nadelen en het hangt af van de toepassing, het budget, de beschikbare ruimte, vereisten enzovoorts welke het beste is.

Het feit dat bij het ontwerp van nagalmkamers vaak een compromis moet worden gezocht tussen verschillende factoren zoals grootte van de kamer, gewenste frequentieband, grootte van het werkvolume, complexiteit van de stirringtechniek enzovoorts, is waarschijnlijk de verklaring voor het feit dat dit gebied van onderzoek zo actief in ontwikkeling is.

Hoe kan men nu een weg vinden in dit labyrint van stirring techniek keuzes? Want niet alleen het aantal verschillende stirring technieken is groot, iedere techniek levert een warboel aan mogelijkheden en keuzes op. Want waar moet je een stirrer plaatsen? In welke richting? Hoeveel bronnen moet ik gebruiken? Hoe kan ik goed een tent schudden? Men zou zelfs aan hybride vormen van stirring kunnen denken waarbij twee of meer technieken gecombineerd worden.

Het kan inderdaad een moeilijke taak lijken om de beste stirring techniek te kiezen uit zo’n grote lijst. Het is wel te vergelijken met de menukaart in een restaurant, waarop ieder gerecht aantrekkelijk lijkt.

Nagalmkamers à la carte, dit is het menu, geniet ervan!

*Eerder verschenen als paper in IEEE Electromagnetic Compatibility Magazine – Volume 6 – Quarter 1, p.63-78 – Reverberation Chambers à La Carte: An Overview of the Different Mode-Stirring Techniques, R. Serra et al.