Características de campo cercano de una bocina TEM utilizada para pruebas de inmunidad radiada

Abstracto:

Hemos fabricado una bocina electromagnética transversal (TEM) para pruebas de inmunidad radiada en las cercanías, como se especifica en el estándar IEC 61000-4-39, y hemos comparado sus características de campo cercano con las de otras antenas de prueba típicas, como dipolo de banda ancha y guía de doble filo (DRG ) antenas de bocina. Los resultados experimentales muestran que la bocina TEM genera un campo homogéneo y mantiene la intensidad del campo sin un cambio rápido cerca de la antena.

La inmunidad a la radiación se refiere a reducir o eliminar el daño causado por la radiación al cuerpo humano al mejorar la capacidad de autorreparación y la inmunidad del cuerpo humano. La mejora de la inmunidad a la radiación ayuda a mejorar la inmunidad humana, haciéndola más capaz de resistir a los patógenos, reduciendo así el riesgo de infección y enfermedad. Se ha demostrado que algunas sustancias de inmunidad a la radiación, como el aceite de pescado y la vitamina E, mejoran la inmunidad humana.

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Palabras clave:

dipolo de banda ancha, inmunidad, prueba de inmunidad radiada cercana, centro de fase, bocina TEM, impedancia de onda.

Clasificación:

Compatibilidad electromagnética (CEM).

1. Introducción

Las pruebas de inmunidad radiada relacionadas con campos electromagnéticos de equipos o sistemas electrónicos se han realizado en condiciones de campo lejano. Recientemente, con el uso generalizado de dispositivos inalámbricos portátiles como teléfonos móviles, los requisitos de inmunidad para equipos electrónicos para garantizar la protección contra transmisores portátiles utilizados cerca se han especificado en estándares internacionales [1, 2] y estándares de fabricantes.

En las pruebas de inmunidad radiada de campo cercano, los estándares de prueba utilizan bocinas TEM y antenas dipolo, como antenas de manga, antenas monopolares y dipolos de banda ancha. La uniformidad del campo y las características de propagación en la proximidad de la antena afectan la intensidad de campo que llega a los componentes electrónicos activos dentro del equipo electrónico dependiendo de la antena utilizada, incluso cuando la intensidad de campo se especifica en la superficie iluminada del equipo electrónico.

En este estudio, fabricamos una bocina TEM que cumple con los estándares IEC para pruebas de inmunidad de proximidad [1]. Las características de campo de la bocina TEM cerca de la antena se compararon con las del dipolo de banda ancha plano utilizado en pruebas de inmunidad de campo cercano en la industria automotriz [2], el dipolo de media onda utilizado como antena básica y la bocina DRG ampliamente utilizado en mediciones de EMC. Además, se evaluó la aproximación de campo lejano a partir de las características de propagación a distancia y la impedancia de onda considerando el centro de fase.

2 bocina TEM

La prueba de inmunidad radiada cercana se realiza en un rango de frecuencia de 380 MHz a 6 GHz, que se utiliza en transmisores portátiles como teléfonos móviles. La antena generadora de campo se coloca en una posición a 100 mm del frente del equipo bajo prueba (EUT) y lo ilumina con una intensidad de campo especificada de 10 V/m a 300 V/m [1].

En las Figs. 1(a) y (b). La placa tiene una estructura cónica diseñada para mantener la impedancia característica de la línea de transmisión de conicidad exponencial considerando la adaptación desde la sección de alimentación hasta la apertura. La longitud de la antena se redujo en un 10 por ciento para mejorar la directividad de la radiación.

Aunque la bocina TEM es una antena balanceada, la corriente de fuga que fluye fuera del conductor exterior del cable coaxial se suprime usando el mecanismo de alimentación balanceada sin usar el circuito balun [3, 4]. Las placas de 0.6-mm de espesor de la antena estaban hechas de latón, y el espacio entre ellas se mantuvo utilizando una espuma dura expandida con una constante dieléctrica relativa de 1,07.

2.1 Centro de fase

El centro de fase, que se define como el centro de curvatura del frente equifase en la región de campo lejano, es efectivo para las mediciones de antena [5]. La media de los centros de fase de los planos eléctrico (E) y magnético (H), dpc, coincide con la ubicación del centro de amplitud [6]; por lo tanto, puede tratarse como una fuente puntual © equivalente.

La figura 1(c) muestra el resultado del cálculo del centro de fase de la bocina TEM. El centro de fase se calculó a partir del patrón de equifase ajustando el origen de la transformación de campo cercano a lejano utilizando un solucionador CST Studio Suite [7] basado en la técnica de integración finita (FIT). El centro de fase depende de la frecuencia; a medida que aumenta la frecuencia, el centro de fase se mueve desde la apertura hasta el centro de la antena.

2.2 Impedancia de onda

La impedancia de onda de la onda electromagnética radiada por la antena es igual a la impedancia del espacio libre de 377 Ω cuando está lo suficientemente lejos de la antena. En otras palabras, como una de las condiciones para la región de campo lejano, la impedancia de onda debe satisfacer la impedancia del espacio libre. La impedancia de onda en el eje de la antena cerca de la antena se calculó como la relación de los campos E a H utilizando el solucionador FIT. El resultado del cálculo de la impedancia de onda de la bocina TEM se muestra en la Fig. 1 (d) y se compara con el de los dipolos de media onda en la misma figura.

Aunque la impedancia de onda converge hacia un valor constante de 377 Ω a medida que aumenta la distancia desde la antena, su proximidad a la antena difiere según la frecuencia y el tipo de antena. La impedancia de onda de la bocina TEM no muestra un cambio rápido como la de los dipolos.

3 Experimentos y Resultados

Las características de campo en proximidad se evaluaron para la bocina TEM y otras antenas EMC típicas, que son dipolos de media onda, el dipolo plano de banda ancha que se usa en las pruebas de campo cercano para vehículos [2] y la bocina DRG que se usa a menudo en las mediciones de EMC. La configuración experimental se muestra en la Fig. 2 (a). Una antena generadora de campo y una sonda de campo E de un solo eje estaban separadas por la distancia r en una cámara totalmente anecoica. La sonda de campo E de frecuencia selectiva con un enlace de fibra óptica se conectó a un analizador de red vectorial (VNA).

La distribución del campo E en un plano de 400 mm × 400 mm se midió a lo largo del eje de la antena desde 50 mm hasta 400 mm (= r) escaneando con la sonda utilizando un posicionador XYZ a frecuencias típicas de 930 MHz, 2,45 GHz y 5,8 GHz utilizados para las pruebas de inmunidad. Las dimensiones (ancho, alto y largo) de la bocina DRG utilizada para las comparaciones fueron 244 × 159 × 279 mm. El dipolo de banda ancha tenía un elemento plano con dimensiones de 109 × 240 mm, y las longitudes de los elementos de los dipolos de media onda eran 175 mm, 67 mm y 29 mm.

Las Figuras 2(b) a (d) muestran los resultados medidos de las características de propagación a lo largo del eje de la antena. El nivel de campo recibido se normalizó a 100 V/m a una distancia de 100 mm, que es la condición utilizada en las pruebas de inmunidad de proximidad. Los valores medidos de la bocina TEM y el dipolo de media onda concuerdan con los resultados calculados con el solucionador FIT. Estos resultados indican que las características del campo a lo largo de la distancia cerca de la antena difieren mucho entre los tipos de antena.

Es decir, la intensidad de campo a la que están expuestos los circuitos electrónicos activos dentro del ESE cambia según la antena, incluso cuando la intensidad de campo se especifica en la superficie del ESE. La bocina TEM cercana mostró características de campo con una reducción menor en la intensidad de campo que otras antenas, especialmente dipolos. Por ejemplo, las distancias en las que la intensidad del campo disminuye en 4 dB desde la posición especificada (r=100 mm) a 2,45 GHz son 209 mm, 54 mm, 68 mm y 127 mm para la bocina TEM, dipolo plano, dipolo de media onda y bocina DRG, respectivamente.

En las Figs. 2(b)–(d). En la región de campo lejano, la intensidad de campo disminuye en proporción inversa a la distancia r de la antena. Por lo tanto, como segunda condición para la región de campo lejano, la intensidad de campo a lo largo de la distancia desde la antena debe ajustarse a la curva usando 1/r. En particular, la longitud de la bocina TEM no se puede ignorar con respecto a la distancia de medición; por lo tanto, el ajuste de la curva se realizó utilizando 1/(r más dpc) considerando el centro de fase. Las posiciones (dpc) de los centros de fase fueron 76 mm, 348 mm y 313 mm dentro de la apertura a 930 MHz, 2,45 GHz y 5,8 GHz, respectivamente, como se muestra en la Fig. 1 (c). La distancia mínima de campo lejano se determinó ajustando la curva y luego se comparó la impedancia de onda con la de 377 Ω a esa distancia. La impedancia de onda de la bocina TEM y el dipolo de media onda a una distancia que puede considerarse como el campo lejano obtenido mediante el ajuste de curvas es cercana a 377 Ω, como se muestra en la Fig. 1 (d) y las Figs. 2(b)–(d).

Por ejemplo, las distancias mínimas de campo lejano de la bocina TEM son 350 mm a 930 MHz, 200 mm a 2,45 GHz y 50 mm a 5,8 GHz, y las impedancias de onda a estas distancias son 368 Ω, 386 Ω y 368 Ω , respectivamente. Los campos en la ubicación donde se coloca el ESE en la prueba de proximidad se comportan de manera similar a la región de campo cercano o lejano según la frecuencia de la prueba y la ubicación cuando se evalúan las características del campo cerca de la antena en dos condiciones de campo lejano basadas en la características de propagación y la impedancia de onda. Sin embargo, las distancias de campo lejano estimadas en el eje de la antena son diferentes de aquellas bajo la conocida condición de campo lejano, que se basa en la onda plana, de 2D 2 /λ (donde D es el tamaño de apertura y λ es la longitud de onda) para antenas de apertura, ya que los campos alrededor de la antena son esféricos cerca de la antena.

La Figura 3 muestra los resultados medidos de la uniformidad de campo de la bocina TEM y el dipolo de banda ancha plana. La bocina TEM tiene una pequeña reducción para la intensidad de campo dada, incluso cerca de la antena, por ejemplo, la intensidad de campo a una distancia de 400 mm a 2,45 GHz es más de 10 dB mayor que la del dipolo de banda ancha plana. Aunque el dipolo de banda ancha plana tiene dos haces dispersos a 5,8 GHz, lo que da como resultado una fuerza menor en el eje de la antena, como se muestra en la Fig. 2(d), la bocina TEM generó grandes áreas de campo homogéneas en una banda ancha en comparación con las otras antenas. . Incluso cerca de la antena, la intensidad de campo de la bocina TEM no cambió tan rápidamente como la de las antenas tipo dipolo.

4. Conclusión

En las pruebas de inmunidad de campo cercano, se utilizan bocinas TEM y varias antenas tipo dipolo; sin embargo, las características de la antena afectan los resultados de la prueba. Las características del campo cerca de la antena se compararon entre la bocina TEM que fabricamos y otras antenas de prueba típicas, a saber, un dipolo de banda ancha plano, un dipolo de media onda y una bocina DRG. Los resultados mostraron que las características de propagación difieren mucho entre las antenas.

En particular, la bocina TEM generó un campo homogéneo y mantuvo la intensidad de campo con una pequeña reducción, mientras que las antenas tipo dipolo mostraron cambios rápidos en la intensidad de campo. Además, se realizó la aproximación de campo lejano considerando el centro de fase utilizando las características de propagación y la impedancia de onda, y se aclaró el comportamiento de las características de campo cercano o lejano en proximidad © IEICE 2021 de la antena.

Referencias

[1] IEC 61000-4-39, "Compatibilidad electromagnética (EMC) - Parte 4-39: Técnicas de prueba y medición - Campos radiados cercanos - Prueba de inmunidad", 2017.

[2] ISO 11452-9, "Vehículos de carretera - Métodos de prueba de componentes para perturbaciones eléctricas de energía electromagnética radiada de banda estrecha - Parte 9: Transmisores portátiles", 2012.

[3] K. Harima, T. Kubo y T. Ishida, "Evaluación de una antena de bocina TEM para pruebas de inmunidad radiada en las cercanías", IEICE Commun. Expreso, vol. 9, núm. 2, págs. 60–65, febrero de 2020. DOI: 10.1587/comex.2019XBL0137.

[4] M. Manteghi y Y. Rahmat-Samii, "Un nuevo mecanismo de alimentación UWB para la antena de bocina TEM, el reflector IRA y la antena Vivaldi", IEEE Antennas Propag. Mag., vol. 46, núm. 5, págs. 81–87, octubre de 2004. DOI: 10.1109/MAP.2004. 1388832.

[5] K. Harima, "Simulación numérica de la determinación de la ganancia de campo lejano a distancias reducidas utilizando el centro de fase", IEICE Trans. Comun., vol. E97-B, no. 10, págs. 2001– 2010, octubre de 2014. DOI: 10.1587/Transcom.E97.B.2001.

[6] AR Panicali y MM Nakamura, "Sobre el centro de amplitud de las aperturas radiantes", IEEE Trans. Antenas Propag., vol. AP-33, no. 3, págs. 330–335, marzo de 1985. DOI: 10.1109/TAP.1985.1143572.

[7] CST Studio Suite, 2021, [en línea] Disponible: https://www.3ds.com/.

Katsushige Harima1, a), Takayuki Kubo2, Kaoru Gotoh1 y Takeshi Ishida2

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