Historie

In de beginperiode waren isotropische veldsterkte sensoren voornamelijk vierkant met drie orthogonaal geplaatste antenne-elementen. Deze conventionele aanpak had het nadeel van veel “grillige” reflecties op het vierkante meetgedeelte, dat als het ware als een spiegel voor elektromagnetische straling werkte. Dit probleem werd grotendeels opgelost door sferische sensoren te ontwikkelen. Toen al werd geconstateerd dat er iets aan de hand was met de isotropie ofschoon het onderliggende probleem (en vooral de gevolgen van het non-isotropische gedrag) nog niet goed werden begrepen. De oplossing werd initieel gezocht in het uitbreiden van het aantal antenne elementen van drie naar zes.

 Evolutie E-veld sensoren

Meetmethoden

 In de basis zijn er twee methoden om een veldsterkte sensor te meten:

• Rotatie in één vlak
• Rotatie symmetrie

1: Bij rotatie in één vlak wordt de sensor om één as gedraaid. Hierbij worden de as(sen), welke loodrecht op het veld staan, niet aangestraald en zullen, als de sensor goed isotropisch is, gedurende de meting geen veld meten. De andere as(sen) draaien één voor één in het veld en zullen afwisselend het volledige veld, of niets meten.

In het onderstaande plaatje wordt een polar plot grafiek getoond van een sensor, welke horizontaal gepolariseerd wordt aangestraald. De probe is met de Y-as omhoog (verticaal) geplaatst, waardoor rond de verticaal geplaatste Y-as, wordt gedraaid. Het totale isotropisch gemeten veld is weergegeven als de gele lijn, de X-as en Z-as zijn respectievelijk in blauw en rood weergegeven en de Y-as is in het groen weergegeven. Zoals verwacht detecteert de Y-as bij een horizontaal gepolariseerd veld nauwelijks veld, zoals de polar plot hieronder duidelijk laat zien.

De X-as en Y-as laten keurig symetrische stralingspatronen zien (achtjes), hetgeen verwacht mag worden van een dipool achtige antenne.

  Angle (degrees)

Rotatie in één vlak met de Y-as verticaal, bij horizontale polarisatie

Als vervolgens het aangestraalde veld wordt veranderd naar verticale polarisatie, dan meten de X-as en Z-as nauwlijks veld en zal de Y-as (welke nu evenwijdig met het aangeboden veld staat) juist continue veld meten. In onderstaande plot is duidelijk te zien dat de isotrope waarde (geel) en Y-as (groen) nagenoeg over elkaar heen vallen.

 Angle (degrees)

Rotatie in één vlak met de Y-as verticaal, bij verticale polarisatie

Vanzelfsprekend is het ook mogelijk de sensor met de drie antenne-elementen op een plat vlak te plaatsen en dan om de verticale as te roteren. Dit geeft onderstaande polar plot, waarbij de X-, Y- en Z-as respectievelijk in rood, groen en blauw zijn weergegeven. De resultaten wordt opnieuw in geel getoond.  

Angle (degrees)

                             Rotatie in één vlak met de X-,Y en Z-as op een horizontaal vlak geplaatst, bij horizontale polarisatie

Bij een rotatie symmetrie meting wordt de sensor op een probe positioner (as) onder een “magische hoek” van 54,7 graden in het veld geplaatst. De positioner zorgt ervoor dat probe over deze as wordt rondgedraaid. Ofschoon dit slecht is voor te stellen komen hierbij alle drie de assen een voor een loodrecht op het gepolariseerde veld te staan. Bij een goede (isotropische) sensor resulteert dit in een polar-plot waarin de gemeten waarde bij een volledige 360 graden cirkel volgens een perfecte cirkel verloopt. Een praktijkvoorbeeld bij een frequentie van 10 GHz is hieronder weergegeven.

Rotatie symmetrie onder 54,7 graden bij 3 GHz

Ideale wereld?

Helaas leven we niet in een ideale wereld. Als voorbeeld is een RadiSense 10B, gemeten op een tafel van piepschuim, met de Y-as verticaal geplaatst. Het veld is horizontaal gepolariseerd. In een ideale wereld zouden de X- en Z-as niets weer moeten geven. Zoals onderstaande plots echter laten zien wordt er op deze assen wel degelijk veld gemeten. Het feit dat er veld wordt geregistreerd, is geen afwijking van de sensor, maar wordt veroorzaakt door reflecties in de anechoische kamer.

Dezelfde meting wordt nu uitgevoerd bij een horizontaal gepolariseerd veld. We verwachten nu als resultante van de drie assen een perfecte cirkel (geel). Zoals uit onderstaande plots blijkt, is het resultaat bij 1 GHz nog prima maar bij oplopende frequentie zijn duidelijke afwijkingen ten opzichte van de gewenste cirkel te zien.

In dit geval worden er isotropische fouten tot 2,5 dB waargenomen. Hierbij moet worden opgemerkt dat dit nog één van de betere gemeten sensoren is!

Hieronder een vergelijking tussen verschillende typen veldsterkte sensoren in dezelfde ruimte bij hetzelfde opgewekte veld. De verschillen lopen op tot wel 9dB! 

 Verschillende sensoren in dezelfde ruimte bij hetzelfde veld

Er is vanuit gegaan dat het opgewekte veld 50 V/m was, maar op basis van deze resultaten is dit eigenlijk niet vast te stellen aangezien de verschillen tussen de individuele sensoren boven de 1 GHz dusdanig groot zijn, dat de veldsterkte eigenlijk als “onbekend” moet worden beschouwd.

In het voorgaande artikel werd al duidelijk gemaakt dat met een 6 dB error voor de uniformiteit in een anechoische kamer (norm eis) de reflecties dezelfde sterkte kunnen hebben als het direct aangestraalde veld. Hierbij kan nog worden opgemerkt dat een EMC-kamer op “slechts” 12 van de 16 punten hoeft te voldoen aan de eis van 6dB. Dit betekent dat bij iedere frequentie er nog 4 punten mogen zijn waarbij de homogeniteitsfout zelfs groter is, hetgeen op nog sterkere reflecties kan wijzen.

Deze sterke reflecties kunnen vanzelfsprekend niet worden verwaarloosd. Zeker niet als deze door de non-isotropie van de sensor ook nog eens verkeerd worden gemeten! Dit is de hoofdoorzaak van de enorme verschillen tussen sensoren van verschillende fabrikanten welke in EMC-kamers worden waargenomen.

Conclusies

Op basis van het voorgaande kunnen de volgende verstrekkende conclusies worden getrokken:

• Het isotropisch gedrag van E-veld sensoren levert DE belangrijkste bijdrage aan de totale meetnauwkeurigheid en is zeker niet verwaarloosbaar;
• Waargenomen verschillen tussen veldsterkte sensoren van verschillende fabrikanten worden voornamelijk veroorzaakt door het non-isotropisch gedrag van de sensoren;
• Het isotropische gedrag van E-veld sensoren verslechtert aanzienlijk bij frequenties boven de 1 GHz;
• Het isotropisch gedrag van E-veld sensoren dient dus over het gehele frequentiebereik van de sensor te worden gespecificeerd en niet slechts op één (lage) frequentie.

Vervolg

In het volgende artikel gaan we verder in op de resultaten welke met de RadiSense 10 worden bereikt. Het blijkt dat de gepatenteerde technologie in deze veldsterktesensor tot excellente resultaten op het gebied van isotropie leidt.

Terug naar overzicht