Resultados iniciales en el estudio de una celda GTEM mediante el uso de software de calculo computacional
This paper presents the first results of a simulation project of a GTEM CELL with two different softwares. This project aims to increase knowledge in the use of these tools and to be the first stage in the cell building, because it is a important device in everything related to training in Electromagnetic Compatibility. Resumen El presente trabajo muestra los primeros resultados obtenidos en un proyecto de simulacion, con dos softwares distintos, de una celda GTEM. Este proyecto pretende incrementar el conocimiento en el uso de estas herramientas y ser el paso previo a la construccion de la celda, por ser un dispositivo fundamental en todo lo relacionado con la formacion en Compatibilidad Electromagnetica. I. INTRODUCCION La Compatibilidad Electromagnetica (EMC, con su sigla en ingles) es una disciplina que acompana a una gran mayoria de proyectos de desarrollo en las diferentes areas de posible aplicacion. Es una disciplina que esta presente, o deberia estarlo, en todo ambito en el cual coexistan diferentes dispositivos electricos y/o electronicos y que sea necesario evaluar las posibles interacciones entre ellos. En esas interacciones deben diferenciarse las de origen conducido y las de origen radiado. El presente trabajo aborda precisamente una problematica relacionada con esto ultimo. Para demostrar que un cierto dispositivo cumple con normas de EMC, es necesario disponer de una norma definida a cumplir y de una infraestructura de ensayo acorde a esa normativa. Esas normas pueden ser generales (como p.ej. la EN 61000) apropiadas a la aplicacion a considerar (p. ej. Normas MIL) o adecuadas a algun producto en particular. En estos procesos surgen dos instancias de ensayo: los de pre certificacion (que se iteran durante el proceso de desarrollo) y los de certificacion, que son los ensayos finales. Las normas generalmente indican con certeza tanto los ensayos de certificacion a realizar como la infraestructura necesaria, mientras que para la pre certificacion puede usarse instrumental ligeramente diferente o mas adecuado al proceso de desarrollo y a quien lo realiza. De estas ultimas consideraciones se desprende que el desarrollador debe contar con un acceso casi permanente a infraestructura de ensayo, para que el proceso de realimentacion ante resultados obtenidos pueda corregirse y vuelto a medir, hasta que se obtengan los niveles estipulados de los parametros en cuestion. Debido a la importancia de esta disciplina, la Facultad de Ingenieria del Ejercito, a traves de un proyecto de investigacion, ha decidido ahondar en los conocimientos del uso de uno de los elementos mas conocidos que es la celda GTEM. II. DESARROLLO TEORICO A. Descripcion fisica de una celda GTEM Para realizar mediciones de compatibilidad electromagnetica en un entorno aislado se utilizan tipicamente camaras semi anecoicas, pero estas necesitan de una gran cantidad de material absorbente de muy alto costo y requieren de una gran potencia de entrada para realizar los ensayos. Para solventar el problema de la camaras semi anecoicas se puede utilizar una celda TEM (Transverse ElectroMagnetic) que es una linea de transmision plana y expandida funcionando en el modo TEM, para que se asemeje a una onda plana en el espacio libre. Esta permite realizar pruebas de EMC con un dispositivo de bajo costo y movil, ya que no es una infraestructura fija y de menor tamano, con una limitacion maxima en frecuencia de alrededor de 500MHz, dependiendo de las dimensiones de la celda. Para resolver el inconveniente de la limitacion en frecuencia se ha desarrollado la celda GTEM (Gigahertz Transverse Electromagnetic) que es una celda hibrida con caracteristicas de la camara anecoica y de una TEM. Asi una celda GTEM logra extender el rango de frecuencia al orden del GHz, y cumpliendo con las capacidades de una celda TEM de producir un campo homogeneo y repetible sobre un determinado volumen, permitiendo realizar ensayos de compatibilidad electromagnetica (EMC) en un ambiente controlado como los regulados en la norma IEC 61000. Fig. 1. Esquema de una celda GTEM Una celda GTEM fisicamente esta formada por un conductor externo de forma piramidal, que hace de linea de transmision y permite el apantallamiento del campo electromagnetico al exterior. Internamente posee un conductor central plano llamado "septum" que termina en una red de cargas de 50 O conectadas al conductor externo. El puerto de entrada se encuentra en la parte mas pequena de la misma, que se utiliza para introducir una senal de RF o para medir una senal producto de las emisiones del objeto a ensayar. En el otro extremo posee material absorbente para atenuar las reflexiones dentro de la celda. Para realizar las pruebas de compatibilidad, la muestra se coloca por debajo del septum en una zona limitada, de forma tal de conseguir un area dentro de la celda que asegure confiabilidad y repetibilidad en las mediciones, es por esto que la muestra a estudiar debe tener las dimensiones adecuadas a la celda. En la Fig. 1 se puede observar un esquema de una celda GTEM. Las dimensiones de una celda GTEM es muy variable, pero en general son estructuras relativamente grandes, en general suelen medir desde 1m hasta 9m de largo y desde 0.5m hasta 3m de alto, por ende resultan ser estructuras bastantes mas grandes que un celda TEM tradicional. La frecuencia de trabajo puede llegar hasta los 20GHz, lo que resulta alrededor de 0.015m de longitud de onda. B. Descripcion teorica de una celda GTEM Como se describe en [1] [2] y [5] la intensidad de campo dentro de la celda disminuye de forma inversa a la distancia longitudinal de la celda, esto se debe al hecho de que la celda es un sector del angulo solido de una esfera, con lo cual el comportamiento es consistente con una onda esferica. La intensidad de campo en el area de prueba es aproximadamente el cociente de la diferencia de potencial entre el conductor central y el exterior inferior, y la altura entre estos, segun (1) Interior Exterior U U E h (1) La potencia respectiva esta dada por (2) 2 U P Z (2) Entonces la potencia de entrada necesaria en funcion del campo electrico en la posicion del DUT esta dada por (3) E h P Z (3) De esta forma el campo electrico en la posicion del DUT resulta como se indica en (4)