Afgeschermde ruimtes, ook wel bekend als kooien van Faraday, worden op diverse manieren gebruikt om elektronica van de rest van de omgeving af te schermen. Bij DARE!! Measurements (voorheen DARE!! Consultancy) worden deze ruimtes hoofdzakelijk gebruikt om EMC-testen uit te voeren. In het geval van een emissie test, waarbij gemeten wordt wat een apparaat aan elektromagnetische energie uitstraalt, voorziet de afgeschermde ruimte in een rustige omgeving zonder verstorende signalen van bijvoorbeeld sterke omroepzenders. Tijdens de controle of een apparaat niet verstoord kan worden door een elektromagnetisch veld van een ander apparaat, wordt in de ruimte bewust een sterke verstoring aangebracht om te onderzoeken of er geen ongewenste beïnvloeding is. Een andere applicatie is het afschermen van gevoelige elektronische informatie zodat deze niet door onbevoegden op afstand afgeluisterd kan worden. Denk hierbij aan defensie, banken etc.

Dergelijke ruimten dienen te voldoen aan minimale afschermingswaarden zodat de metingen op de juiste wijze uitgevoerd kunnen worden. De kwaliteit van de afscherming wordt weergegeven in decibel (dB). Dit is een relatief getal wat de verhouding uitdrukt tussen de waarde buiten de kooi en daarbinnen, en andersom! Anders dan de procent welke een lineaire verhouding aangeeft is de dB een logaritmische waarde. Als we over vermogen spreken, is elke stap van 10 een factor 10. Dus ten opzichte van 40 dB is 50 dB een factor 10 en van 40 dB naar 60 dB een factor 100.

De specificatie van een afscherming kan worden weergegeven als aangegeven in de figuur hieronder. Hoe hoger de verzwakking (attenuation) hoe beter de kwaliteit van de afscherming.

Drie gebieden
Er wordt een drietal frequentiegebieden onderscheiden waarin de kwaliteit van de afscherming wordt gemeten met een daarvoor geschikte meetmethode. Uit bovenstaande grafiek is af te lezen dat voor de lage frequenties de afscherming van het magnetische veld (H-veld) zich gedraagt als een oplopende curve die ergens tussen de 1 MHz en 10 MHz dezelfde dempingswaarde heeft als die in het elektrische veld (E-veld).

De demping in de lagere frequenties wordt bepaald door de materiaaleigenschappen van de afscherming. Om laagfrequent een goede demping te verkrijgen in het H-veld, moet gebruikt gemaakt worden van een materiaal met goede magnetische eigenschappen, zoals staal.

Materiaal
Koper, een zogenaamd non-ferro materiaal, geeft op deze lage frequentie weinig tot geen demping en vindt in het algemeen zijn toepassing bij systemen die alleen op de hogere frequenties een goede dempingswaarde nodig hebben. Denk bijvoorbeeld aan een MRI-systeem in een ziekenhuis. Een MRI (Magnetic Resonance Imaging) ontvangt de zeer zwakke signalen uit het menselijk lichaam doordat de aangeslagen atoomkernen in de cellen naar hun oude positie in het magneetveld willen terugvallen en daarbij een klein (resonantie) signaal uitzenden. Deze kleine signalen, die ergens in het gebied 30 - 150 MHz te vinden zijn, hoeven alleen beschermd te worden door een goede afscherming in het E-veld. Daarvoor worden in medische applicaties, zoals een MRI, vaak koperen afschermingen ingezet. Koperfolie is licht en gemakkelijk te verwerken.

De vorm van de gemeten curve in het H-veld geeft tevens goed aan dat de kooi goed in elkaar gebouwd moet zijn. Als in het geval van een modulaire kooi de panelen niet goed aansluiten, zal dit in het H-veld op de lage frequenties direct te zien zijn.

De keuze van het type veld voor een bepaalde meting heeft naast de materiaal effecten op lage frequenties ook nog een andere reden, die met golflengte te maken heeft. Een meting op 10 kHz in het E-veld is ondoenlijk uit te voeren. Een H-veld antenne heeft de vorm van een loop en is wel praktisch voor de meting.

Bij het meten van de afscherming gaat het, zoals eerder gesteld, om een relatieve meting. Hoe gaat een dergelijke meting in zijn werk? Het meten van afscherming wordt met twee antennes uitgevoerd: een als zender, de ander als ontvanger.

Eerst wordt de overdracht tussen zender en ontvanger gemeten buiten de afgeschermde ruimte, waarbij de afstand tussen de antennes wordt bepaald door de norm die gebruikt wordt. Bijvoorbeeld in geval van een meting volgens IEEE-299 zal de afstand tussen de twee antennes 2 maal 30 cm bedragen, totaal 60 cm.

De waarde van het signaal in de ontvangstantenne buiten de kooi wordt gedefinieerd als 0 dB, ofwel een factor 1, want er is immers geen afscherming. Vervolgens gaat de ontvanger de kooi in met gesloten deur en de wordt de meting herhaald. Door de afschermende werking zal het signaal veel minder zijn en deze waarde wordt in dB weergegeven.

De H-veld testen worden in het algemeen uitgevoerd tussen 10 kHz en 10 MHz.

De hogere frequenties
Omdat de golflengten bij de hogere frequenties veel beter te hanteren zijn, wordt voor frequenties groter dan 30 MHz in het E-veld gemeten. Boven de 1 GHz wordt het al snel een test met een vlakke golf, waarin beide componenten H en E de normale verhouding als in de ether hebben: 277Ω.

Configuratie van het meetsysteem
We bekijken het configureren van een meetopstelling om afscherming goed te kunnen meten.

Uitgaande van een specificatielijst waar de metingen aan moeten voldoen, volgt uit een transmissie analyse wat er benodigd is.

• Demping: 130 dB
• Frequentie: 10 GHz
• S/N ratio: 15 dB minimaal
• Meetafstand: 60 cm (2 * 30 cm)

We onderzoeken de mogelijkheden op basis van de Friis transmissie formule:

In deze formule hebben de variabelen de volgende betekenis:

• Pr: ontvangen vermogen
• Gt: versterking (gain) van de zendantenne
• Gr: versterking van de ontvangstantenne
• λ: de golflengte in meter
• R: de afstand tussen de antennes in meter

De bepaling van de SN aan de ontvangzijde is niet alleen van het ontvangen vermogen afhankelijk, maar ook van het ruisniveau van de ontvanger. Dit komt later in de analyse terug.

Stel:

• Pt: 10 mWatt zendvermogen (10 dBm)
• Gt = Gr: 20 dB
• λ: 0.03 meter (10 GHz)
• R: 0.60 meter (2 maal 30 cm testafstand)

We ontvangen dus een vermogen in de ontvangstantenne die op 60 cm van de zendantenne staat van:

20*log10(0.03/4*π*0.6) = - 48 dB
Pr = 10dBm + 20dB + 20dB -48 dB
Pr = 2dBm

Dit vermogen wordt ontvangen in de kalibratiefase van de test als er geen afscherming tussen de twee antennes zit.

Het ontvangen signaal wordt, als de afscherming er tussen zit, met 130 dB verlaagd tot een signaal van -128 dBm. Om dit te meten met een SN van 15 dB, dient de ruisvloer van de ontvanger of spectrum analyser zich op -143 dBm te bevinden.

Voor een middenklas ontvanger of spectrum analyser is dit een behoorlijk laag niveau, wat betekent dat:

a) Het zendvermogen omhoog moet.
OF
b) De ruisvloer van de ontvanger omlaag moet.

Er moet tevens rekening gehouden worden met het dynamisch bereik van de ontvanger. De te meten afscherming van 130dB is al ruim boven de maximaal haalbare dynamiek van een ontvanger. Met een extra instrument, een variabele verzwakker, kan de totale dynamiek vergroot worden om de meting goed te laten verlopen.

De verzwakker staat in de opstelling in de kalibratie fase als de twee antennes elkaar kunnen zien, en wordt weer op 0dB gezet om de maximale gevoeligheid te verkrijgen als de demping gemeten wordt.