EO

Het mode-stirring mechanisme in nagalmkamers (II)

27 juni 2018 om 14:31 uur

Figuur 1 De Bent Plates stirrer met acht identieke panelen van de Universiteit van York.

In augustus vindt in de Beurs van Berlage in Amsterdam het 'International Symposium and Exhibition on Electromagnetic Compatibility (EMC EUROPE 2018 Conference) plaats. In de aanloop naar deze belangrijkste internationale conferentie op het gebied van EMC publiceert het vakblad Elektronica een paper in drie delen over het mode-stirring mechanisme in nagalmkamers.

 

Dit is deel II. Klik hier voor deel I.

 

Door Ramiro Serra; vertaling Jacqueline van Gool


Het gebruik van nagalmkamers in EMC-tests wordt al sinds de jaren zeventig toegepast. In deze paper wordt enige theorie achter deze speciaal ingerichte testruimtes toegelicht. Een fundamenteel onderdeel van nagalmkamers is het mode-stirring mechanisme. In deel I van deze artikelreeks is de theorie achter mode stirring in nagalmkamers voor EMC-tests uitgelegd. Hieronder wordt één van de twee belangrijkste vormen van mode stirring uitgebreider toegelicht: mechanische stirring.

 

Met mechanische stirring worden alle technieken bedoeld die gebruik maken van bewegingen, verplaatsingen, rotaties, vibraties enzovoorts, van een onderdeel van een nagalmkamer. Er zijn twee soorten mechanische stirring. Ten eerste kan gebruik gemaakt worden van een interne stirrer, die dient als een complexe scatterer, "verstrooier" binnen het volume van de trilholte, een ronddraaiend paneel; en ten tweede kunnen veranderingen in de wanden van de nagalmkamer worden gebruikt.

 

Onuitputtelijke lijst

Het ronddraaiende paneel of scatterer wordt over het algemeen mode stirrer of gewoon stirrer genoemd, maar ook de termen tuner, mixer, paddle wheel of ventilator worden gebruikt. Er is een welhaast onuitputtelijke lijst van verschillende rotating paddles die wereldwijd zijn toegepast. Het is onmogelijk om hier alle verschillende vormen, groottes en strategieën te beschrijven die ooit bedacht zijn om een succesvolle stirrer te ontwerpen. De meest belangrijke zullen we hier de revue laten passeren.

 

Z-fold stirrer

Als eerste lichten we de Z-fold stirrer (een stirrer in de vorm van een z-gevouwen) toe. Dit is waarschijnlijk het meest toegepaste ontwerp in nagalmruimtes. Dit model werd oorspronkelijk in 1997 ontworpen door een samenwerkingsverband tussen Lind­gren RF Enclosures (nu ETS-Lindgren) en het Naval Surface Warfare Center, Dahlgren Division (NSWCDD). Het doel was om een compacte nagalmkamer te ontwerpen, bouwen en testen, die zou werken bij een onderlimiet van de frequentie van 80 MHz, zoals in de International Electrotechnical Commission (IEC) 1000- 4-3 staat beschreven. Het was de bedoeling om significante vooruitgang te boeken in de toepassing van nagalmkamers om elektromagnetische gevoeligheidstests uit te voeren op toekomstige consumentenelektronica en wapensystemen.

 

Na ettelijke configuraties van mogelijke tuner-opstellingen, werd het Z-fold ontwerp gekozen omdat het de benodigde verstoring van de RF-velden veroorzaakte. Tegelijkertijd is de structuur star. Hierdoor is de benodigde mechanische dempingstijd voor de tuner, om zich uit te regelen nadat deze verplaatst is, minimaal. De vereisten aan het aandrijfsysteem zijn bovendien minder streng. Er werd ook ontdekt dat twee tuners die loodrecht op elkaar staan, helpen om de unstirred energie (de elektromagnetische energie die nagenoeg niet wordt beïnvloed door de stirrer) te verkleinen. De Z-fold stirrer is nu het klassieke stirrer model geworden.

 

"Bent-Plates"

De Bent Plates stirrer heeft acht identieke panelen op vier armen (zie Figuur 1, de afbeelding rechtsboven bij dit artikel). Ieder paneel wordt onder een andere hoek ten opzichte van de verticale as ingesteld. Alle acht hoeken kunnen worden veranderd, waardoor deze stirrer steeds opnieuw kan worden ingesteld om het proces te optimaliseren. De straal die de stirrer bereikt en het totale oppervlak van de platen blijft onveranderd. De stirrer in figuur 1 werd ontwikkeld door onderzoekers van de Universiteit van York. Ze gebruikten een Genetisch Algoritme om de stirrer te optimaliseren. Deze optimalisatie werd uitgevoerd, gebruik makend van een door hen zelf bedachte metriek. Het gebruik van deze zogeheten tijd-ruimte transmission-line-matrix (TLM) methode in de vrije ruimte helpt om de rekentijd drastisch terug te brengen. Als de stirrer in de trilholte staat, duurt een berekening wel vier hele dagen, terwijl dit in de vrije ruimte slechts een paar minuten duurt.

 

Irregular Reconfigurable Stirrer

Het moge duidelijk zijn dat de grootte en de vorm van mode stirrers een significant effect hebben op de kwaliteit van de statistische velduniformiteit en het benaderen van de waarschijnlijkheidsverdeling voor statistisch ideale willekeurige velden. De basisvereiste aan nagalmkamers is dat deze schaalbaar moet zijn voor wat betreft de golflengte. Maar een moeilijk te beantwoorden vraag is hoe complex de mode stirrer moet zijn om dat te bereiken. Zelfs ontwerpen die voortkomen uit optimalisatie-algoritmes, zijn absoluut niet intuïtief en kunnen afhangen van de resolutieschaal die wordt toegepast. Er zijn wel enkele numerieke optimalisatieresultaten en algemene ontwerpregels geformuleerd. Maar specifieke en praktische ontwerpen die efficiënte stirring nabij de laagst bruikbare frequentie (lowest useable frequency (LUF)) mogelijk maken, lijken onbereikbaar te blijven. 

2

Figuur 2 De Irregular reconfigurable stirrer in de nagalmkamer van het  NPL, waarbij de aluminium schoepen met klittenband zijn vastgemaakt.

 

Voor het jaar 2000 waren slechts enkele resultaten van het effect van de vorm van de stirrer bekend en 'full-wave' 3D numerieke simulatie van realistische kamers bij korte golflengten was eigenlijk niet mogelijk. Maar de rekenkracht van computers is nu op een zodanig niveau dat simulaties wel mogelijk zijn. Maar dan nog kunnen simulatieresultaten een misleidend goede stirring-prestatie suggereren, door het effect dat de scherpe randen hebben op diffusie, diffractie en de gemiddelde modus dichtheid.

 

Daarom werd er in 2001 een ontwerp gemaakt voor een paddle wheel in de nagalmkamer in het National Physical Laboratory (NPL) in Teddington (Verenigd Koninkrijk), waarbij de schoepen gemakkelijk opnieuw kunnen worden gemonteerd en geconfigureerd. De schoepen werden met klittenband strips aan drie ronde platen vast gemaakt, zodat ze gemakkelijk kunnen worden verwijderd en in een andere richting worden geplaatst (zie figuur 2).  Op deze manier konden gemakkelijk aanpassingen worden gedaan gedurende de experimenten. Het gebruik van aanpasbare schoepen die gemakkelijk vast en los te maken zijn kan ook worden gebruikt in meer fundamentele studies van gebruikelijke configuraties om de prestaties van de stirrer te begrijpen. Terwijl optimalisatie van de geometrie van de stirrer een belangrijk aandachtspunt is geweest, is de rol van de route die de stirrer aflegt overigens evenzo belangrijk.

 

Carousel Stirrer

De stirring efficiency van roterende paddles hangt af van de grootte van de paddles, het volume dat ze bereiken tijdens de rotatie en de excentriciteit van de draaiing. De efficiëntie wordt verhoogd door de paddle zo groot mogelijk te maken, zelfs als dit leidt tot een reductie van het werkvolume voor testen. Het is ook aangetoond dat het buitenste deel van de stirrer-schoepen het vaakst zorgt voor ongecorreleerde monsters. Dat betekent dat de schoepen van de stirrer gereduceerd kunnen worden in gewicht en complexiteit. Deze twee gegevens vormen de basis van het carousel-stirring systeem. Het werkvolume wordt binnen het rotatievolume genesteld, om de rotatie-diameter van de paddle zoveel mogelijk te vergroten en tegelijkertijd ook het werkvolume zo groot mogelijk te maken. Het resultaat is een metalen roterende schoep, die net in de breedte en hoogte van de kamer past. Het binnenste deel van de schoep wordt verwijderd, alleen de buitenste strips blijven behouden. Want de breedte daarvan is bepalend voor het functioneren van de nagalmkamer. Het vrije volume in het midden kan worden gebruikt als werkvolume. Er kunnen uiteraard meerdere strips worden toegevoegd om de prestaties te verbeteren. Hierdoor ontstaat een soort carrousel die rond het werkvolume roteert (zie figuur 3).

3

Figuur 3 Nagalmkamer met een carousel stirrer met acht schoepen. Het werkvolume (de rode gestippelde lijn) heeft een diameter van 2,3 meter en is 1,5 meter hoog. Op deze manier blijven de punten waar het veld wordt berekend op 50 centimeter afstand van de vloer en het plafond van de kamer.

 

In vergelijking met een traditionele Z-fold stirrer in dezelfde nagalmkamer, geeft dit nieuwe systeem betere veld uniformiteit en meer ongecorreleerde hoekposities. We bereiken zeventig ongecorreleerde posities bij een frequentie tot zes keer de eerste resonantiefrequentie met slechts twee strips van 25 centimeter en 130 posities met de acht strips uit figuur 3, terwijl de traditionele Z-fold stirrer (met een rotatiediameter van 1,2 meter) bij eenzelfde frequentie slechts veertig posities behaalt.

4

Figuur 4 Velduniformiteit als functie van het aantal schoepen vergeleken met de limiet volgens IEC 61000-4-21. De bovenste grafiek toont de ruwe data. De onderste het gemiddelde data.

 

Figuur 4 laat de velduniformiteit zien voor het carousselsysteem met 2, 4 en 8 schoepen. Bij de geteste frequentie gaf de traditionele Z-fold stirrer een gemiddelde uniformiteit van 2dB. Het carrouselsysteem ligt daar in alle gevallen onder. Een mechanisch nadeel van dit nieuwe systeem zou kunnen zijn dat er een iets gecompliceerdere motor nodig is om de carrousel te laten bewegen.

 

Wall Stirring technieken

Naast het gebruik van een interne stirrer, kunnen ook specifieke bewegingen van één of meer van de wanden van een nagalmkamer zorgen voor mode stirring. Dit noemen we wall-stirring. Er is de afgelopen jaren een groot aantal verschillende wall stirring technieken ontwikkeld.

 

VIRC

De EMC en akoestische laboratoria van Thales Nederland bevonden zich in de jaren negentig in hetzelfde gebouw. In het akoestische laboratorium was een (akoestische) nagalmkamer aanwezig. Er werd gesuggereerd om een akoestische nagalmkamer te gebruiken als elektromagnetische nagalmkamer door de wanden met metaal te bedekken. Een eerste kamer werd gebouwd door een tent van ongeveer 2 x 1.8 x 1.5 meter te naaien van gemetalliseerd doek (zie figuur 5).

5

Figuur 5 De Vibrating Intrinsic Reverberation Chamber (VIRC) opgehangen aan touwen

 

Hoewel het metalen doek een complexe kromme vorm had, die meteen een verstrooid elektromagnetisch veld op had moeten leveren, werkte dit toch niet helemaal zoals verwacht. Wat werkt voor akoestiek, werkt niet automatisch voor elektromagnetisme. Terwijl akoestiek wordt gekarakteriseerd door scalaire velden met relatief langzame golven (langzame veldopbouw), wordt elektromagnetisme beschreven door vectorvelden met snelle golven (snelle veldopbouw).

 

Maar door de hoeken van de wand-vloer-plafond van het veld te veranderen (met de tent te schudden), werd wèl het statistisch uniforme elektromagnetische veld bereikt. Galmkamers die gebruik maken van dit principe noemen we Vibrating Intrinsic Reverberation Chamber (VIRC). In een VIRC zijn de muren gemaakt van flexibel geleidend materiaal en er is geen interne stirrer. Door één of meer randen of wanden te bewegen wordt het modale gedrag van het veld binnen de kamer veranderd, waardoor de resonantiefrequenties veranderen.

 

Deze stirring techniek zorgt voor een frequentieverandering in zijn modale structuur die veel groter is dan wat er met een klassieke mode stirrer mogelijk is. Dit betekent dat het frequentiebereik waarbij de VIRC werkt, naar lagere frequenties kan worden uitgebreid, vergeleken met traditionele nagalmkamers met gelijke afmetingen. Dikwijls wordt de VIRC vergeleken met een nagalmkamer met bewegende wand. Een bewegende wand verandert de modale structuur wel, maar de invloed bij relatief lage frequenties is klein.

Het belangrijkste element is de beweging van meerdere wanden van de VIRC, waardoor de reflectie van velden in alle richtingen wordt versterkt. Een groot aantal VIRCs zijn in gebruik bij onderzoeksinstituten en de industrie, vanwege de mogelijkheid om apparaten ter plekke te testen. De VIRC kan om het te testen apparaat heen worden geïnstalleerd. De VIRC wordt nu onder andere gebruikt om radarsystemen, vliegtuigonderdelen en complete satellietsystemen te testen (zie figuur 6).

6

Figuur 6 De VIRC gebruikt voor ‘sniff en spray tests' voor satellieten. Dit zijn lektesten op de duizenden golfpijp-verbindingen in high-tech communicatiesatellieten. Deze test duurt met normale testopstellingen vier weken. Met een VIRC kan dit in enkele dagen.

 

Stadium Chamber

Veel nagalmkamers zijn vanuit praktisch oogpunt gebaseerd op rechthoekige trilholtes. Het toepassen van meer complexe oppervlaktes, zoals krommingen, kan de prestaties verbeteren, met name bij lage frequenties. Kromme oppervlakten hebben diffusieve of focaliserende eigenschappen en ze kunnen ook de gemiddelde modusdichtheid bij relatief lage frequenties verhogen. Dit zou kunnen bijdragen aan het verlagen van de LUF. De zogeheten Stadium Chamber werd bij het NPL ontworpen. Ze gebruikten hiertoe een bolvormige trilholte, die werd omgebouwd in de vorm van een 3D stadion, door er een cilindrisch deel in te plaatsen. Voor gebruik bij frequenties boven de 8 GHz, werden twee aluminium halve bollen met een straal van 35 centimeter aan elkaar gemaakt met een cilindrisch tussenstuk van 17,5 centimeter hoogte. Kleinere bolvormige doppen met een tegengestelde (negatieve) kromming werden aangebracht op het binnenoppervlak van de bol, waardoor golfdiffusie plaatsvindt.

7

Figuur 7 Buitenaanzicht van de stadium chamber bij het NPL.

 

Op Figuur 7 is de Stadium Chamber bij het NPL te zien. De onderste bolhelft werd door middel van een riemaandrijving draaibaar gemaakt (tot tenminste 120 omwentelingen per minuut). Het systeem is hoog efficiënt, omdat er geen unstirred energie is. Alle interne reflecties komen een zo groot mogelijke stirrer tegen die niet gemist kan worden. Het werkvolume wordt nooit gereduceerd, in tegenstelling tot de interne roterende paddle wheel, waarbij een grotere paddle het werkvolume verkleint. Vergeleken met de eerder genoemde EM-tenten, blijven het interne volume, het oppervlak, de lokale kromming van de wanden en de randlengten allemaal hetzelfde gedurende de stirring. Hierdoor zijn alle toestanden van de trilholte statistisch equivalent en vormen een zogeheten ensemble, net als in het geval van de rechthoekige kamer met een centrale draaiende stirrer. Deze constantheid maakt berekening van statistische veldgrootheden gemakkelijker.

 

Oscillating Stirrer (Quasi-Wall)

Deze specifieke techniek maakt gebruik van een metalen stirrer die wordt bekeken en ontworpen als een interne bewegende scatterer, analoog aan de traditionele roterende stirrers, maar met als verschil dat deze niet beweegt.

8

Figuur 8. De Oscillating Stirrer in de nagalmkamer van de TU Eindhoven. Vijf scharnieren zorgen ervoor dat de stirrer uitzet en samentrekt als een balg, aangedreven door een lineaire motor.

 

In Figuur 8 is een voorbeeld van een dergelijke stirrer te zien, die in de nagalmkamer van de TU Eindhoven staat. De oscillating stirrer maakt gebruik van een ongelijkmatige wand met verschillende scharnieren. De oscillerende beweging, die opgewekt wordt door een lineaire motor, lijkt op een balg die uitzet en samentrekt. Hoewel de oscillating stirrer geen echte wand van de trilholte is, kunnen we het een quasi-wand noemen, omdat de ruimte tussen de stirrer en de echte wand van de nagalmkamer relatief klein blijft. dit wordt "partial wall stirring" genoemd. Een van de belangrijkste voordelen van deze techniek is de verhouding werkvolume - totaal volume, die groter is dan bij traditionele stirrers. Dat komt omdat de ruimte binnen de trilkamer efficiënt wordt gebruikt. De ruimte-efficiëntie van deze nagalmkamer is vergelijkbaar met die van andere wall-stirring technieken, zoals VIRC en de stadium chamber. Het feit dat deze nagalmkamer rechthoekig is, maakt dit een aantrekkelijk model voor veel EMC-tests.

 

De volgende keer komen de verschillende manieren van elektronische mode stirring aan bod.

 

Video's

Straatlantarens die branden op rijwind (video)

Straatlantarens die branden op rijwind (video)

Een groepje Amerikaanse studenten heeft een vangrail met geïntegreerde windmolens bedacht.…

Festo-vis zwemt als een sepia

Festo-vis zwemt als een sepia

Zeekatten, -platwormen en Nijlbaarzen. Dat zijn de rolmodellen voor de robotvis van Festo. Hij…

Groteske robots beheersen virtueel Strijp-S

Groteske robots beheersen virtueel Strijp-S

In de Eindhovense wijk Strijp-S is nog tot begin oktober een tiental grafische 3D-beelden te zien…

Darpa vervormt wielen tot rupsbanden in 2 seconden (en meer indrukwekkende nieuwe technologie)

In 2 seconden van wiel tot rups (en meer nieuwe snufjes van het VS leger)

Darpa, de technologische afdeling van het Amerikaanse Ministerie van Defensie, heeft een reeks…

Hogere robotkunst: objecten op te pakken in ongestructureerde omgevingen

Hogere robotkunst: objecten op te pakken in ongestructureerde omgevingen

Het oppakken van een object is voor een mens een koud kunstje, maar voor robots al snel een grote…

Meer videos »

Laatste nieuws

Rotterdams bouwt test-snellaadplein voor slim laden elektrische voertuigen

Rotterdams bouwt test-snellaadplein voor slim laden elektrische voertuigen

Het consortium Flex EV heeft 1,9 miljoen euro subsidie ontvangen voor het realiseren van een innovatief snellaadplein aan de zuidkant van Rotterdam. Hier kunnen logistieke bedrijven hun elektrische voertuigen laden voor…

Startmotor raket  levert gewenste 4650 kN

Startmotor raket levert gewenste 4650 kN

In 140 cruciale seconden heeft de nieuwe raketmotor P120C afgelopen maandag zijn nut bewezen voor de Europese ruimtevaart. Tijdens een ESA tests in French Guiana leverde de vaste-stuwstofmotor de gewenste maximale…

Zout nekt Twentse zonneboot in Monaco; Delft heeft eindelijk even geen pech

Zout nekt Twentse zonneboot in Monaco; Delft heeft eindelijk even geen pech

In de jaarlijkse zonnebotenrace in Monaco hebben de hoge golven een bepalende rol gespeeld. In elk geval voor het team van de Universiteit Twente, dat zoveel zout water aan boord kreeg dat de panelen loslieten. De TU…

Meer nieuws »

Gratis nieuwsbrief

EOL

 

Gratis nieuwsbrief

safety update
 

Product van de maand

RSS
Nieuw IoT bord met software en TFT

Het nieuwe Arrow ARIS EDGE S3 bord maakt de ontwikkeling van batterij gevoede IoT applicaties met een klein TFT scherm...

Agenda

1 juni 2018, Arnhem

State of Fashion: Searching for the New Luxury

Tentoonstelling over mode, met aandacht voor technologie en snufjes

27 augustus 2018, Amsterdam

EMC Europe

Internationaal symposium over EMC.

Meer agendapunten »