HMM 05 - Budapest 30 May 2005 Caratterizzazione di Antenne in Guida d’Onda per Verifiche di Suscettibilità Radiata Università degli Studi di Perugia Dipartimento di Ingegneria Industriale Polo Scientifico e Didattico di Terni Laboratorio CEM Strada di Pentima 4, 05100 Terni E. Cardelli, A. De Meis, A. Faba, F. Tissi faba@unipg.it – labcem@unipg.it University of Perugia

Laboratorio CEM Qualifiche EMC Attività “Pre-Compliance” HMM 05 - Budapest 30 May 2005 Laboratorio CEM Qualifiche EMC Attività “Pre-Compliance” Realizzazione di set-up “Custom” Verifiche di Efficienza di Schermatura Analisi FEM Verifiche di Sicurezza Elettrica Verifiche esposizioni ai C.E.M. University of Perugia

Laboratorio CEM Qualifica EMC dell’elettronica di AMS-02 ALFA MAGNETIC SPECTROMETER Dal 19 Maggio 2011 sulla ISS 56 Istituzioni 16 Paesi

Laboratorio CEM Qualifica EMC dell’elettronica di AMS-02 Alcune delle fasi di qualifica EMC dell’elettronicadi AMS-02 realizzate presso il laboratorio CEM

Laboratorio CEM Riferimento a Differenti Normative e Specifiche Qualifiche EMC di apparati utilizzati in ambiente: residenziale, commerciale, industriale, avionico, navale, spaziale e militare. MIL-STD-461 CEI-EN ETSI-EN SSP REQUISITI “CUSTOM” RTCA-DO160 IEEE-STD DIRETTIVE EMC

Laboratorio CEM Riferimento a Differenti Normative e Specifiche Evoluzione e ed adeguamento delle procedure Utilizzo di software di tipo “open source” per il controllo automatizzato della strumentazione Progetto e realizzazione di elementi accessori reti di accoppiamento reti di stabilizzazione dell’impedenza di linea sistemi di generazione di transienti ed impulsi antenne ad elevato guadagno

Progetto e realizzazione di antenne horn in guida d’onda Test di Suscettibilità Radiata Necessità di generare Campi Elevati Amplificatore Campi elettrici fino a qualche migliaio di V/m Tipicamente 1 m EUT Antenna Horn in Guida d’onda Generatore di Segnali

Progetto e realizzazione di antenne horn in guida d’onda Dimensioni standard guide d’onda b1 b a a1 lh le l Tipologia Banda di frequenza (GHz) a (mm) b WR650 1.12-1.70 165.10 82.55 WR510 1.45-2.20 129.54 64.77 WR430 1.70-2.60 109.22 54.61 WR340 2.20-3.30 86.36 43.18 WR284 2.60-3.95 72.14 34.04 WR229 3.30-4.90 58.17 29.08 WR187 3.95-5.85 47.549 22.149 WR159 4.90-7.05 40.386 20.193 WR137 5.85-8.20 34.849 15.799 WR112 7.05-10.0 28.499 12.624 WR90 8.20-12.4 22.860 10.16 WR75 10.0-15.0 19.050 9.525 WR62 12.4-18.0 7.899

Progetto e realizzazione di antenne horn in guida d’onda Sono disponibili commercialmente antenne horn in guida di varie dimensioni e caratteristiche. Per il laboratorio CEM si sta sviluppando internamente un set personalizzato di antenne. il guadagno d’antenna viene massimizzato con lunghezza max pari a 1 metro. 1.1-1.7 1.7-2.6 2.6-3.9 3.9-5.8 5.8-8.2 8.2-12.4 12.4-18 f [GHz] 1 m

Approccio analitico [ 1 ] K. T. Selvan, “Accurate Design Method for Optimum Gain Pyramidal Horns”, Electronics Letters, Vol. 35, No. 4, p. 249 – 250, 1999. L’ottimizzazione in termini di guadagno di antenne horn piramidali si ottiene attraverso la risoluzione di un’ equazione di 4° grado Ie b b1 pe I1

Approccio analitico [ 2 ] M. Abramowitz, I. A. Stegun, “Handbook of mathematical functions with formulas, graphs and mathematical tables”, Dover, New York, 9° edn., pp. 17-18. E’ possibile risolvere l’equazione di 4° grado in forma chiusa ottenendo la seguente soluzione

Approccio analitico - Risultati Antenna Banda di frequenza (GHz) a1 (mm) b1 l G* (dB) 1 1.12-1.7 986 777 1000 18.4 2 1.7-2.6 784 622 20.1 3 2.6-3.95 625 498 21.8 4 3.95-5.85 501 401 23.5 5 5.85-8.2 409 327 25.2 6 8.2-12.4 342 275 26.6 7 12.4-18.0 277 224 28.3 * il guadagno G è calcolato per l’estremo inferiore di banda

(Finite Element – Boundary integral) Approccio numerico FEM Solutore FEBI (Finite Element – Boundary integral) Eccitazione Wave Port Condizioni al contorno Radiating Only Processore Intel© Xeon 2.27 GHz RAM 48 Gb Sistema 64 Bit HFSS© - 14.0

Approccio analitico e numerico - Confronto

Diagramma d’irradiazione @ 8.2 GHz (WR90) Antenna a disposizione G = 17.8 dB Apertura 24° @3dB Antenna ottimizzata G = 26.8 dB Apertura 10° @3dB

Campo elettrico a 1 metro (approssimazione far field) E [V/m] 1.1-1.7 1.7-2.6 2.6-3.9 3.9-5.8 5.8-8.2 8.2-12.4 12.4-18 f [GHz] 1 m

Campo elettrico a 1 metro (misure - calcoli previsionali) Misuratore di campo Antenna non ottimizzata Con antenne ottimizzate si prevede la generazione di campi pari a più del doppio degli attuali

Conclusioni Il miglioramento delle prestazioni di un laboratorio di compatibilità elettromagnetica passa anche attraverso il progetto e la realizzazione interna di nuove soluzioni nel caso presentato relativo all’ottimizzazione di antenne horn in guida d’onda si e’ dimostrato come attraverso gli opportuni strumenti di calcolo e’ possibile ottenere miglioramenti con un limitato impiego di risorse