Discussie

Vele jaren was er op het gebied van elektrisch veldsterkte sensoren weinig nieuws onder de zon. Lange tijd was de industriestandaard gebaseerd op kubusvormige sensoren voor frequenties tot 1 GHz en stokvormige sensoren voor frequenties tot 40 GHz. Beide sensoren hadden relatief grote afmetingen en waren batterij gevoed. Met de komst van de eerste RadiSense Laser gevoede e-field sensor in 1999 werden de eerste problemen duidelijk. De afmeting en vorm van de sensor hadden grote invloed op de meetresultaten. In algemene zin werd duidelijk dat kleinere afmetingen en een ronde vorm leidden tot betere en nauwkeurigere meetresultaten ten opzichte van groot en vierkant.
Een ander belangrijk aspect bleek het positioneren van de sensor in het veld.
Metingen bij het Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Berlijn lieten zien dat met name de stok-sensoren, waarbij het meetelement (antennes) door middel van een ‘stok’ is gescheiden van de elektronica (ingebouwd in een vierkante box), afwijkingen liet zien tot wel 100%. Dit afhankelijk van hoe de sensor in het veld werd geplaatst. Dit leidde ertoe dat veel kalibratie-instellingen tijdens de kalibratie van een stoksensor de elektronica (onterecht) buiten de opstellingen hielden. Dit is substantieel anders dan hoe de sensor tijdens een EMC-meting wordt toegepast. De afgelopen jaren heeft onder andere ook het Comité Français d'Accréditation (COFRAC) aandacht besteed aan het aantal elementen van de sensor en de manier hoe een e-veld sensor gekalibreerd moet worden. Tegelijkertijd was het gebruikers al opgevallen dat er aanzienlijke verschillen tussen verschillende modellen sensoren in dezelfde ruimte optreden.
Een aantal leveranciers, waaronder DARE!! Instruments, hebben het ontwerp van de sensor aangepast naar 6 antenne-elementen, die symmetrisch ten opzichte van elkaar zijn gepositioneerd. Ofschoon deze aanpassingen tot substantiële verbeteringen leidden, werd ook duidelijk dat er meer aan de hand is.

Bouw speciale onderzoeksruimte

Naar aanleiding van deze discussies besloot DARE!! Products eind 2017 een onderzoek te starten met het doel meer inzicht te verkrijgen in de verschillende foutbijdragen. De eerste stap was de bouw van een speciale anechoische kalibratieruimte in het pand van DARE!! Products. In deze ruimte kunnen de eigenschappen van veldsterktesensoren nauwkeurig en efficiënt worden gemeten. Door gebruik van speciaal 3D geprinte onderdelen werd een volledig geautomatiseerde opstelling gebouwd om het isotropisch gedrag van veldsterkte sensoren uiterst nauwkeurig te kunnen meten. De opstelling maakt het mogelijk om sensoren onder verschillende hoeken en met een halve graad nauwkeurigheid in het veld te positioneren.

  Anechoische meetkamer voor e-veld sensoren

Definities

Voordat een onderzoek of discussie gestart kan worden, is het vooral belangrijk uit te gaan van goede definities. Drie belangrijke parameters zijn voor het onderzoek als volgt gedefinieerd:

Isotropische response: De mate waarin een e-veld sensor in staat is de correcte veldsterkte weer te geven, onafhankelijk van de oriëntatie van de sensor ten opzichte van het gegenereerde veld.

Rotatiesymmetrie: De mate waarin een e-veld sensor in staat is de correcte veldsterkte weer te geven, onafhankelijk van de rotatie om de orthogonale as van de sensor ten opzichte van het gegenereerde veld. Bij kalibratie van de rotatie symmetrie wordt de sensor onder een hoek van 54,7 graden (dit is de orthogonale as) over 360 graden geroteerd. Hierdoor komt elke 120 graden één as loodrecht op het gegenereerde veld te staan.

Veldhomogeniteit: Een maat voor de kwaliteit van een anechoische kamer. In een goede kamer zal de veldintensiteit over een bepaald volume gelijk zijn. De veldhomogeniteit wordt vaak bepaald door middel van een 16-punts kalibratie conform bijvoorbeeld de EN61000-4-3.
De eerste twee definities gelden dus voor de sensor, de derde definitie voor de kamer.

Metingen

In de kalibratieruimte zijn een groot aantal nauwkeurige metingen uitgevoerd met behulp van de geautomatiseerde meetopstelling en de RadiMation software. Daarnaast zijn meetresultaten van diverse andere partijen in het onderzoek meegenomen.

Resultaten

De metingen laten een aantal opvallende resultaten zien. De onderstaande grafiek toont meetresultaten van verschillende typen e-veld sensoren in exact dezelfde anechoische kamer met dezelfde meetopstelling die gekalibreerd was op een veldsterkte van 50 V/m. De grafiek laat zien dat voor frequenties boven de 3 GHz er grote onderlinge verschillen ontstaan tussen de verschillende sensoren. Bijvoorbeeld bij een frequentie van 4 GHz is het verschil tussen de hoogste (72 V/m) en laagste meting (25 V/m) opgelopen tot 47 V/m (5,5 dB). Het is nu nog maar de vraag wat het opgewekte veld daadwerkelijk geweest is, aangezien er verschillen optreden die groter dan 12 dB zijn!

Oorzaak

In een ideale situatie meet een e-veldsensor alleen de veldsterkte via het directe pad van antenne naar sensor. In een anechoische kamer zullen echter altijd reflecties optreden. Deze reflecties bereiken de sensor via de wanden van de kamer en eventuele ander objecten (o.a. EUT). De amplituden en de hoek waaronder deze reflecties de sensor bereiken is afhankelijk van een groot aantal parameters zoals de grootte van de kamer, de plaats van de antenne en de frequentie (golflengte) van het opgewekte signaal. Daarmee moet de amplitude en de hoek van de reflecties als onbekend worden beschouwd. De toegestane grootte van deze fout kan uit de EN61000-4-3 worden afgeleid. Deze norm stelt immers dat de velduniformiteit in een kooi aan de eisen voldoet indien 75% van de 16 punten in een verticaal vlak van 1.5 m x 1.5 m binnen een veldsterkte van 0 - +6 dB vallen. Een afwijking van 6 dB betekent in de praktijk dat de reflectie even sterk als het directe pad kan zijn! Daarbij kan nog worden opgemerkt dat de veldsterkte van de reflectie voor de overige 25% van de punten zelfs sterker zal zijn dan die van het directe pad!

Eerdere metingen toonden aan dat E-veldsensoren een grote isotropische afwijking kunnen hebben die kan oplopen tot boven de 10 dB. Sterke gereflecteerde signalen zullen door deze grote isotropische afwijkingen dus met een grote meetfout geregistreerd worden en daardoor zeker niet verwaarloosbaar zijn.

Een veel gemaakte gedachtefout is dat er geen meetfouten optreden als de probe met één van zijn assen recht in het veld geplaatst wordt. Hierbij wordt voorbijgegaan aan het feit dat (zeer relevante) reflecties de sensor bereiken onder volkomen willekeurige en dus onbekende hoeken.

Totale meetonzekerheid

De formule voor het berekenen van de totale onzekerheid voor veldsterkte metingen is:

De meeste van deze foutbijdragen zijn goed bekend en relatief klein. Bovendien kunnen systematische fouten worden gecorrigeerd. Zo kan de frequentieresponse vaak gecorrigeerd worden en is de temperatuur in een laboratorium redelijk constant. De grootste bijdrage aan de totale onzekerheid is het niet isotropisch gedrag van de sensor. Bij de toegepaste methode van de wortel uit de som der kwadraten volgt dat de parameter met de grootste waarde dominant is in de totale meetonzekerheid.

Isotropie is dominante parameter

Ongewenste afwijkingen in de meetwaarden van de veldsterkte (door slechte isotropie) tijdens een 16-punts kalibratie kunnen ertoe leiden dat anechoische kamers onterecht worden afgekeurd en tegen hoge kosten moeten worden “verbeterd”.
Daarnaast leidt een slechte isotropie van de sensor er tijdens immuniteitstesten over het algemeen toe dat er sprake zal zijn van het “ondertesten” van de EUT “.

Conclusies

Het blijkt dat de foutbijdragen ten gevolge van het niet-isotropisch gedrag van elektrisch veldsterkte sensoren nog niet goed onderkend en begrepen wordt. Wel is duidelijk dat er wel degelijk grote fouten veroorzaakt worden door het niet-isotropisch gedrag van de e-veld sensoren en dat deze fouten veel groter zijn dan op voorhand gedacht. De fouten treden voornamelijk op bij frequenties boven de 1 GHz. Daarentegen specificeren leveranciers van veldsterktesensoren over het algemeen geen waarden voor de isotropie boven de 1 GHz.

Aangezien de isotropiefouten grote gevolgen voor de nauwkeurigheid van EMC-immuniteitstesten in anechoische kamers en mode-stir ruimten hebben, is het essentieel dat het isotropisch gedrag van een e-veldsterkte sensor over de gehele frequentieband wordt gespecificeerd.

Verder onderzoek

Ofschoon dit onderzoek (nog) niet is uitgevoerd in zogenoemde “mode stir” of reverberation kamers, is het heel goed mogelijk dat het werkelijk opgewekte veld in een dergelijke kamer lager is dan het voor een bepaalde test gewenste opgewekte veld. Dit met name omdat dergelijke kamers juist van reflecties van de wanden gebruik maken en deze reflecties dus onevenredig zwaar worden gemeten door sensoren met een grote isotropische afwijking. Dit zou ertoe kunnen leiden dat er in deze kamers sprake zal zijn van “ondertesten”. Verder onderzoek is nodig om deze afwijkingen nauwkeurig in kaart te brengen en deze hypothese te ontkrachten of aan te tonen.

Informatie?

Meer informatie kunt u vinden op: DARE!!/RadiSense

Terug naar overzicht