Simulazioni Numeriche e Verifiche Sperimentali per la Generazione di un Campo Elettromagnetico di Riferimento

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1 Simulazioni Numeriche e Verifiche Sperimentali per la Generazione di un Campo Elettromagnetico di Riferimento Carlo Carobbi +, *, Luigi Millanta +, Carlo Panconi + * Esaote S.p.A. + Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni, Università degli Studi di Firenze ESAOTE S.p.A.

2 Sorgente di Riferimento Confronto Interlaboratorio di Campi Elettromagnetici Antenna Biconica 2 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

3 Agenda Generazione di un campo elettromagnetico (EM) di riferimento Cosa si intende Qual è l utilità Cosa esiste in commercio Antenna biconica calcolabile Criteri di scelta Il ruolo delle simulazioni Verifiche e misure sperimentali Analisi elettromagnetica dell esperimento del confronto interlaboratorio L incertezza del modello elettromagnetico Conclusioni Sviluppi futuri 3 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

4 Agenda Generazione di un campo elettromagnetico (EM) di riferimento Cosa si intende Qual è l utilità Cosa esiste in commercio Antenna biconica calcolabile Criteri di scelta Il ruolo delle simulazioni Verifiche e misure sperimentali Analisi elettromagnetica dell esperimento del confronto interlaboratorio L incertezza del modello elettromagnetico Conclusioni Sviluppi futuri 4 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

5 Generazione di un campo elettromagnetico di riferimento: cosa si intende Campo EM calcolato (approccio fisico): Sorgente stabile ed elementare Calcolo con un software per una generica configurazione Incertezza valutata mediante confronto misura Vs. calcolo Campo EM misurato (approccio applicativo): Sorgente stabile Misura in una configurazione convenzionale Incertezza valutata in base alle specifiche della strumentazione e al metodo di misura impiegati 5 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

6 Generazione di un campo elettromagnetico di riferimento: qual è l utilità Verifiche di taratura (antenne, misuratori di campo, siti di prova, ecc) E sufficiente una sorgente stabile Dilatazione dei controlli di taratura ufficiali Verifiche delle prestazioni (antenne, misuratori di campo, siti di prova, ecc) E necessario conoscere il valore del campo generato E necessario conoscere l incertezza del campo generato 6 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

7 Cosa esiste in commercio Disponibilità di prodotti commerciali è molto limitata Costo generalmente elevato Campo EM calcolato (approccio fisico): Dipoli calcolabili (progettati da NPL, Distribuiti da Schaffner) Campo EM misurato (approccio applicativo): Sorgenti di riferimento Laplace, Schaffner, Seibersdorf 7 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

8 Dipoli calcolabili: caratteristiche Struttura radiante semplice Incertezza del campo generato molto contenuta (±0.1dB) Antenna a banda stretta (set di 4 dipoli per la banda 30MHz 1GHz) Il dipolo di bassa frequenza è ingombrante l=λ/2=2.5m) Costo elevato: oltre Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

9 Sorgenti di riferimento: caratteristiche Struttura radiante complessa Informazioni limitate sulla incertezza del campo generato Emettitore a banda larga Dimensioni contenute Costo contenuto: circa Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

10 E quello che cerchiamo? Dipoli calcolabili Si, ma il costo è elevato (non sostenibile) Sorgenti di riferimento Si, ai fini del confronto interlaboratorio No, ai fini del progetto del confronto interlaboratorio Necessità di sorgente stabile della quale fosse possibile predire il campo EM 10 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

11 Generatore di riferimento utilizzato Monopolo Generatore a Pettine Chassis metallico facilmente simulabile Elemento radiante piuttosto semplice da simulare Impedenza di uscita del radiatore controllata (misurabile) Potenza erogata su 50Ω misurabile 11 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

12 Generatore di riferimento: impedenza di uscita Parte reale (nero) e immaginaria (rosso) impedenza di uscita del Comb-Generator 12 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

13 Generatore di riferimento: potenza su 50Ω Potenza media: -33dBm, Righe spaziate: 5MHz 13 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

14 Agenda Generazione di un campo elettromagnetico (EM) di riferimento Cosa si intende Qual è l utilità Cosa esiste in commercio Antenna biconica calcolabile Criteri di scelta Il ruolo delle simulazioni Verifiche e misure sperimentali Analisi elettromagnetica dell esperimento del confronto interlaboratorio L incertezza del modello elettromagnetico Conclusioni Sviluppi futuri 14 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

15 Antenna biconica: criteri di scelta Firenze, 12 Dicembre 2007 Biconica Schwarzbeck balun VHA9103 elementi radianti BBA9106 Selezionata in base: Esperienza Documentata in letteratura scientifica utilizzata in precedenti confronti interlaboratorio balun documentato già dal 1986 Verifiche autonome test inversione prove al banco sui balun Struttura elementi radianti conosciuta presenza sbarra smorzamento della risonanza 15 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

16 Antenna biconica: verifica di inversione 0.5dB Tecnicamente si considera bilanciata una antenna tale che il massimo scarto della verifica di inversione è inferiore a 1dB 16 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

17 Antenna biconica: il ruolo delle simulazioni Verifica attendibilità dati forniti dal costruttore Confronto dati simulati con quelli sperimentali ottenuti in configurazioni semplici Capacità di predire il comportamento per situazioni complesse Interazioni a breve distanza Mutui accoppiamenti Campi di prossimità Presunzione di estendere le informazioni (p.es. incertezza) dedotte per situazioni semplici a situazioni complesse 17 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

18 Antenna biconica: cosa è stato fatto? Analisi e caratterizzazione del balun Individuazione degli elementi essenziali della struttura radiante Trasposizione nel modello elettromagnetico della reale struttura fisica degli elementi radianti Scelta del metodo di analisi elettromagnetica (Metodo dei Momenti, Elementi Finiti, ecc) Simulazione elettromagnetica del sistema radiante Analisi e discussione dei risultati 18 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

19 Struttura del balun VHA9103 (1) 19 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

20 Struttura del balun VHA9103 (2) RG 58C/U Da interazioni dirette con Schwarzbeck il balun della antenna biconica presenta: Numero avvolgimenti per foro 2 al posto di 1 come in figura (microcoassiale RG178B/U) Nucleo in ferrite doppia apertura Neosid, tipo FT8, materiale F10b, no. identificativo Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

21 Impedenza equivalente vista dai terminali bilanciati del balun VHA9103 Firenze, 12 Dicembre 2007 l 178 l 58 Zb Z RG178 U RG58 C/U 50Ω Parte reale (nero) e immaginaria (rosso) impedenza Z b Z = Z Z Z b 0 = 50Ω 0 21 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

22 Modello elettromagnetico (Metodo dei Momenti, MoM) Firenze, 12 Dicembre 2007 ACF E = V ric Modello di insieme Particolare: il centro di fase 22 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

23 Antenna biconica: verifiche e misure sperimentali ACF simulato Vs. ACF costruttore Simulazione Vs. esperimento Perdita inserzione tra due antenne biconiche affacciate a breve distanza Campo elettrico nella regione di prossimità Campo magnetico nella regione di prossimità Perdita di inserzione tra generatore di riferimento e antenna biconica affacciati a breve distanza 23 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

24 ACF simulato Vs. ACF costruttore Firenze, 12 Dicembre 2007 σ = s Max 0.69dB = 1.57dB Punti: ACF dichiarato dal costruttore, Linea rossa: ACF predetto L accordo tra simulazioni e dato del costruttore è entro 1.6dB 24 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

25 Antenne biconiche affacciate a breve distanza Firenze, 12 Dicembre 2007 Simulazione estremamente impegnativa per la presenza di campi di prossimità e mutui accoppiamenti tra le due antenne 25 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

26 Antenne biconiche affacciate: Insertion Loss simulato Vs. misurato Firenze, 12 Dicembre 2007 σ = 0.61dB d=80cm Linea blu: Insertion Loss misurato, Linea magenta: Insertion Loss predetto Scarto Massimo: smax=1.0db ( MHz), 3.2dB (30-300MHz) 26 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

27 Antenna biconica e Sensore di campo elettrico: misure di campo vicino Firenze, 12 Dicembre 2007 Misura nella direzione di massima radiazione Misura a breve distanza Misura nel campo di prossimità della antenna Misura del solo campo elettrico 27 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

28 Antenna biconica e Sensore di campo elettrico: Misure Vs. Simulazioni (1) Firenze, 12 Dicembre 2007 f=30mhz f=70mhz σ = 5.55dB σ 0.57 d < = db 0.7m σ = 0.82dB Punti: misure con sensore di campo, Linea blu: simulazioni MoM, Linea nera: approssimazione di campo lontano, Linea rossa: livello di rumore 28 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

29 Antenna biconica e Sensore di campo elettrico: Misure Vs. Simulazioni (2) Firenze, 12 Dicembre 2007 f=100mhz f=200mhz σ = 0.88dB σ = 1.30dB Punti: misure con sensore di campo, Linea blu: simulazioni MoM, Linea nera: approssimazione di campo lontano, Linea rossa: livello di rumore 29 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

30 Antenna biconica e Sensore di campo magnetico: misure di campo vicino Firenze, 12 Dicembre 2007 Misura nella direzione di massima radiazione Misura a breve distanza Misura nel campo di prossimità della antenna Misura del solo campo magnetico 30 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

31 Antenna biconica e Sensore di campo magnetico: Misure Vs. Simulazioni (1) Firenze, 12 Dicembre 2007 f=30mhz f=70mhz σ = 1.40dB σ = 1.34dB Punti: misure con sensore di campo magnetico, Linea blu: simulazioni MoM, Linea nera: approssimazione di campo lontano 31 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

32 Antenna biconica e Sensore di campo magnetico: Misure Vs. Simulazioni (2) Firenze, 12 Dicembre 2007 f=100mhz f=200mhz σ =1.06dB Punti: misure con sensore di campo magnetico, Linea blu: simulazioni MoM, Linea nera: approssimazione di campo lontano 32 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

33 Generatore di riferimento e antenna biconica affacciati a breve distanza (1) Firenze, 12 Dicembre Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

34 Generatore di riferimento e antenna biconica affacciati a breve distanza (2) Firenze, 12 Dicembre 2007 Scarto massimo: 1.3 db Banda FM Punti: misure, Linea rossa: simulazioni MoM Distanza di misura: 30cm 34 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

35 Antenna biconica calcolabile: Misure Vs. Simulazioni Le predizioni elettromagnetiche sono in buon accordo con le misure sperimentali ACF simulato Vs. ACF costruttore: σ=0.69db, smax=1.57db Biconiche affacciate: σ=0.61db, smax=1.0db ( MHz), 3.2dB (30-300MHz) Biconica e Sensore di campo elettrico: σ=0.90db, smax=1.50db Biconica e Sensore di campo magnetico: σ=1.26db, smax=1.60db Biconica e Generatore di riferimento σ=1.00db, smax=1.30db Concludendo: lo scarto tra predizioni e risultati sperimentali si attesta mediamente attorno ad 1.0dB 35 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

36 Agenda Generazione di un campo elettromagnetico (EM) di riferimento Cosa si intende Qual è l utilità Cosa esiste in commercio Antenna biconica calcolabile Criteri di scelta Il ruolo delle simulazioni Verifiche e misure sperimentali Analisi elettromagnetica dell esperimento del confronto interlaboratorio L incertezza del modello elettromagnetico Conclusioni Sviluppi futuri 36 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

37 Analisi elettromagnetica dell esperimento del confronto interlaboratorio Ideale potenza (dbm) Media 14 siti Livello medio rumore AS f (MHz) Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

38 Agenda Generazione di un campo elettromagnetico (EM) di riferimento Cosa si intende Qual è l utilità Cosa esiste in commercio Antenna biconica calcolabile Criteri di scelta Il ruolo delle simulazioni Verifiche e misure sperimentali Analisi elettromagnetica dell esperimento del confronto interlaboratorio L incertezza del modello elettromagnetico Conclusioni Sviluppi futuri 38 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

39 Incertezza del modello elettromagnetico La simulazione non è un risultato privo di incertezza in quanto ingloba: l incertezza sulle misure di impedenza del balun l incertezza sul generatore Incertezza sulle misure meccaniche degli elementi radianti Incertezza del metodo dei momenti (MoM) Imperfetta trasposizione nel modello elettromagnetico della reale struttura fisica degli elementi radianti Com è possibile stimarla? Analisi della propagazione delle incertezze per tramite della matrice a parametri Z 39 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

40 Agenda Generazione di un campo elettromagnetico (EM) di riferimento Cosa si intende Qual è l utilità Cosa esiste in commercio Antenna biconica calcolabile Criteri di scelta Il ruolo delle simulazioni Verifiche e misure sperimentali Analisi elettromagnetica dell esperimento del confronto interlaboratorio L incertezza del modello elettromagnetico Conclusioni Sviluppi futuri 40 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

41 Conclusioni Lo scarto tra predizioni e risultati sperimentali si attesta mediamente attorno ad 1.0dB I db di incertezza sul campo elettrico generato, i costi e l impegno profuso sono inversamente proporzionali Simulazioni e misure sono complementari Strumentazione impegnata: Tre Analizzatori di Reti Vettoriali Un Impedenzimetro Vettoriale Un Analizzatore di Spettro Un Misuratore di Potenza Bolometrico Un Misuratore di Campo Antenna a Loop Schermati Coppia di Antenne Biconiche Identiche 41 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

42 Agenda Generazione di un campo elettromagnetico (EM) di riferimento Cosa si intende Qual è l utilità Cosa esiste in commercio Antenna biconica calcolabile Criteri di scelta Il ruolo delle simulazioni Verifiche e misure sperimentali Analisi elettromagnetica dell esperimento del confronto interlaboratorio L incertezza del modello elettromagnetico Conclusioni Sviluppi futuri 42 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

43 e sopra a 300MHz? E stato progettato un generatore impulsivo capace di coprire una banda di frequenza da 30MHz fino ad oltre 2GHz. E attualmente in corso lo studio elettromagnetico di una antenna log-periodica capace di coprire la banda di frequenza 200MHz 2GHz I risultati preliminari appaiono molto incoraggianti 43 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

44 Prototipo del nuovo Comb-Generator 44 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

45 Antenna Log-Periodica Calcolabile (1) 45 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

46 Antenna Log-Periodica Calcolabile (2) Punti: ACF dichiarato dal costruttore, Linea rossa: ACF predetto 46 Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

47 Riferimenti Bibliografici [1], Incertezze nelle Prove di Compatibilità Elettromagnetica e Impatto sull Affidabilità dei Sistemi Complessi, Tesi Dottorato di Ricerca, Aprile 2004, Università degli Studi di Firenze. [2] Carlo Carobbi,, Luigi Millanta, Carlo Panconi, Confronto Interlaboratorio fra Camere Anecoiche Compatte, XXIII Congresso Nazionale Gruppo Misure Elettriche ed Elettroniche, settembre 2006, Aquila [3] Carlo Carobbi,, Luigi Millanta, Carlo Panconi, Generatore a Pettine per Confronti di Campo Elettromagnetico Radiato: Contenuto Spettrale, Stabilità, XXIII Congresso Nazionale Gruppo Misure Elettriche ed Elettroniche, settembre 2006, Aquila [4] Carlo Carobbi,, Luigi Millanta, Tarature di Antenne per la CEM: Limiti Fisici delle Antenne, Atti del XX Congresso del Gruppo Nazionale di Misure Elettriche ed Elettroniche GMEE 2003, pp , Villasimius, Settembre [5] Carlo Carobbi,, Luigi Millanta, Imperfetto Bilanciamento delle Antenne per la Compatibilità Elettromagnetica, Atti del IV Congresso Metrologia e Qualità 2005, Milano, Febbraio [6] Carlo Carobbi,, Luigi Millanta, Carlo Panconi, Confronti Interlaboratotio di Misure di Campi Elettromagnetici: l Esperienza dell Unità GMEE di Firenze, Atti del XX Congresso del Gruppo Nazionale di Misure Elettriche ed Elettroniche GMEE 2007, Torino, 5-8 Settembre Verifiche, Misure e Simulazioni nella Generazione di Campi EM in RF

48 Simulazioni Numeriche e Verifiche Sperimentali per la Generazione di un Campo Elettromagnetico di Riferimento Carlo Carobbi +, *, Luigi Millanta +, Carlo Panconi + * Esaote S.p.A. + Dipartimento di Elettronica e Telecomunicazioni, Università degli Studi di Firenze ESAOTE S.p.A.