____________________Capitolo 3 La Calibrazione

____________________Capitolo 3

La Calibrazione

Innanzi tutto dobbiamo chiederci quale sia il sito idoneo alla prova di Calibrazione, richiesto dalla norma RTCA-DO160D.

Il Metodo della Potenza costante

La Calibrazione della Camera ha lo scopo di certificare che le prove fatte siano riproducibili e che la misura, sia essa controllata durante la prova su un solo punto con il sensore che riprodotta mediante i dati contenuti nel file di riferimento, sia

significativa del campo che in una certa area si sta irradiando, in modo quasi uniforme.

A differenza della procedura seguita nel test di immunità, in questo caso non è presente la modulazione in modo da rendere univoca l’indicazione da parte del sensore che misurerà il campo.

Il setup di prova, che verrà analizzato più in dettaglio in seguito, richiede, di base, l’utilizzo di alcuni apparati, quali:

• Antenne per la generazione del campo; • Generatore RF per fornire il segnale RF;

• Sensore di Campo per la misurazione del campo elettrico;

• Amplificatori di sostegno al generatore per dare potenza alle antenne.

Il programma utilizzato era stato in realtà realizzato per applicarlo alla Calibrazione secondo la Norma EN 61000-4-3, quindi era stato ideato per supportare le condizioni sotto esposte:

Viene individuata un’area quadrata di 1,5 m X 1,5 m, nella quale si dovrebbe avere il fronte dell’onda piana emessa dell’antenna, che si estende verticalmente da 80 cm fino a 2.80 m dal pavimento e posta centralmente rispetto alla camera.

3 m 0,8 m Superficie coperta di coni

L’area in questione non viene presa partendo dal pavimento poiché è

impossibile stabilire un campo uniforme nelle vicinanze di questo piano conduttivo a causa delle molte riflessioni.

Nell’eventualità che si presentino apparati da testare con superficie frontale maggiore di quella standard o che devono per forza poggiare sul pavimento, possono essere contemplate calibrazioni aggiuntive in cui l’antenna è decentrata rispetto all’asse della camera o in cui sono considerati punti ad una distanza di 40 cm da terra. L’antenna che provvederà a realizzare il campo deve essere posta ad una altezza dal pavimento di 1.55 m, centrata rispetto all’area di prova e distante 1 m dall’ipotetica superficie.

L’area è divisa in 9 quadrati che individuano 16 punti in cui viene posizionato il sensore per la calibrazione.

Nella norma si parla di generare un campo costante con intensità compresa fra 3 e 10 V/m.

4.1 4.2 4.3 4.4

Fig.3.2 Schematizzazione

frontale dell’area di prova. 3.1 …….. 3.4

2.1 2.4 1.1 1.2 111111 1.4

_{50 cm}

150 cm

Tale Calibrazione accettava una Calibrazione completa ed una ridotta, ovvero una su 16 punti ed una su 4 punti.

• Riferimento; • Verifica; • Elaborazione.

Infine si ricavano una serie di indici di Calibrazione che forniscono una stima delle prestazioni della camera relativamente alla prova di Immunità Radiata secondo la MIL STD 461 E ed infine da utilizzarsi nella prova quando non è impiegato il sensore.

Riferimento

Si fissa un valore di campo che si vuole generare nell’area di prova sapendo che a causa delle fluttuazioni vi saranno punti in cui il campo si discosterà da tale valore.

Nella prima parte è richiesto di variare le frequenze da 1 GHz a 2 GHz con passo percentuale dell’2%, con il sensore in una posizione fissa e, variando la potenza fornita all’antenna, fare in modo che il campo misurato sia quello concordato.

La pratica induce a scegliere il punto 2-2, riferito alla figura (punto che dista 130 cm dal suolo e decentrato rispetto alla camera di 25 cm), poiché vicino al centro dell’area e al piano di massa.

In questa fase vengono registrati i livelli di potenza necessari per ogni frequenza processata e costituito un riferimento per il passo successivo.

Verifica

registrano i campi misurati in ciascuno dei punti campione nei quali, di volta i volta, viene spostato il sensore.

Elaborazione

all’uniformità di campo che si è riusciti ad ottenere in ciascuna condizione di polarizzazione.

Da questa fase si ottengono sia il file contenente l’indice di calibrazione che i files di riferimento per la potenza necessaria ala generazione dei campi.

Si può dire, in genere, che una Camera Anecoica è calibrata se i campi ottenuti durante la Verifica nel 75 % dei punti, normalizzati rispetto al valore nominale e considerati in dB, restano confinati nella fascia da 0 a +6 dB.

La normalizzazione viene realizzata, per ciascuna frequenza, combinando i dati con l’algoritmo seguente:

• Viene calcolata la media fra i valori di campo ottenuti in tutti i punti e nel caso di calibrazione non restrittiva

• Viene scartato il valore del campo che si discosta di più dalla media precedentemente ottenuta;

• Si ripercorrono le fasi precedenti, partendo ogni volta dai dati rimasti fino a che non individuano 12 valori di campo;

• Dei restanti dati viene preso il valore di campo minimo e calcolati i valori in dB secondo la formula.

Al termine di questo algoritmo si ottiene una tabella che contiene per ogni frequenza un valore espresso in dB rappresentativo del campo

E

= 20 • log (V

/ V

)

che si discosta maggiormente, a seconda del caso, dalla media dei valori più uniformi o da quella relativa a tutti i valori riscontrati.

I valori che si ottengono devono essere confinati tutti nella fascia che va da 0 a +6 dB.

Questa indagine è in pratica tesa a verificare che fra il minimo campo generato e il massimo, eventualmente del sotto insieme più compatto dei valori trovati, non vi sia più un fattore 2.

Per quanto il sito risponda bene si avranno sempre dei valori di campo che si discostano, positivamente o negativamente, dal valore concordato.

Prendendo il valore minimo registrato per ogni frequenza si calcolano le potenze necessarie per generare i campi base a 3 V/m o 10 V/m con la formula che lega i valori delle potenze e dei campi.

In questo modo si assicura, sul 75 % dell’area di prova, un valore minimo di campo pari a quello di base.

P1 potenza incognita

P2 potenza misurata

P

E

/E

_•

P

Il fatto che la camera risulti calibrata e la scelta, come base per il calcolo, del punto che rappresenta campo minimo fra i 12 più omogenei, assicura che l’area, durante la prova di Immunità Radiata, avrà un campo che si estende da quello di base fino al doppio di quest’ultimo.

La norma MIL-STD 461E non richiede un numero preciso di punti su cui estendere la prova, è sufficiente volendo anche un solo punto, quindi non è necessario l’utilizzo di tutti e tre i programmi sopra, è sufficiente il secondo, la Calibrazione. Inoltre lavorando in un range frequenziale superiore a quello richiesto

per la Norma EN 61000-4-3 si rende necessaria la modifica di alcuni blocchetti all’interno del programma.

Il setup di prova

Dalla spiegazione della metodologia di test si saranno già delineati gli aspetti di alcuni strumenti che devono essere impiegati nella prova, altri, non così

immediatamente individuabili devono essere inseriti se si vuole avere il controllo necessario.

Oltre ai già citati Generatori RF, Antenne, Amplificatore e Sensore di campo bisognerà, infatti, avere a disposizione un Power Meter ed un Accoppiatore direzionale per poter misurare la potenza che si fornisce all’antenna.

Il montaggio di tutti questi strumenti segue lo schema sotto riportato sotto.

Accoppiatore

direzionale

Antenna

Power

Meter

Amplificatore

Generatore

RF

Il fatto che la misura della potenza avvenga dopo la catena Generatore-

Amplificatore svincola la prova dall’effettivo valore di amplificazione inserito, dando un controllo sulla grandezza realmente trasmessa all’antenna, a patto che i cavi impiegati siano sempre gli stessi.

La Strumentazione

Le Antenne

Nonostante esista un’antenna capace di coprire tutto il range di frequenze di interesse della calibrazione, la Bilog, è consuetudine utilizzare 2 antenne che insieme svolgono questa funzione:

•

•

•

L’Antenna Biconica

E’ un’antenna a largo spettro nella gamma di frequenze che si estendono dai 30 ai 300 MHz.

E’ costituita da un balun tridimensionale avvolto coassialmente.

Per quanto riguarda la direttività, una rappresentazione grafica (andamento teorico ) è sotto riportata.

Fig. 3.4. Antenna Biconica. Fig. 3.5.Diagramma di irradiazione teorico diun’antennabiconica.

L’Antenna Log-periodica

E’ anche questa un’antenna a larga banda potendo coprire tranquillamente le frequenze nella gamma 200 MHz – 1 GHz.

Costituita da una schiera di dipoli di lunghezze diverse, accordati per le varie frequenze, collegati da una linea di trasmissione.

Nel montare quest’antenna per il test di Immunità bisogna ricordare che la distanza di 3 m deve essere presa dalla punta della stessa e non dal centro di fase come è consuetudine fare nella prova di Emissioni Radiate.

Per quanto riguarda il diagramma di radiazione di questo tipo di antenna si può far riferimento alla Fig. 3.7.

Fig. 3.6. Antenna Log-periodica.

Fig. 3.7. Diagramma di radiazione dell’antenna Log-periodica.

Le antenne esposte sopra erano adatte alla prova di Calibrazione secondo la norma EN61000-4-3, la quale aveva come estremo frequenziale superiore 1 GHz, la norma seguita in questo caso richiede invece un’insieme di apparecchiature in grado di lavorare a frequenze superiori ad 1 GHz. Quindi è necessario non solo cercare un’antenna che operi a quelle frequenze, ma anche cambiare il generatore RF, era l’HP 8648 A, capace di generare segnali RF nel range di frequenze 80 MHz- 1 GHz, gli amplificatori RF erano il 75A250 ed il 30W1000M7 operanti nel range 80 MHz- 1 GHz, il sensore di campo era un HI 4422 della Holaday, efficace nel range 10 KHz- 1 GHz.

Devono essere quindi definiti i componenti necessari per la prova.

L’Antenna Horn

Tale antenna è utilizzata per la trasmissione e ricezione di segnali a microonde. Il suo nome deriva dall’aspetto svasato che assume, tale parte svasata può essere di forma quadrata, rettangolare o conica. La radiazione e la risposta massima della Horn corrisponde all’asse della Horn. Tale antenna assomiglia ad un corno

acustico. Solitamente è alimentata con guida d’onda.

Sono utilizzate nei sistemi a corta portata dei radar, specialmente per misurare la velocità di veicoli di ritirata od avvicinamento.

Esistono antenne Horn di svariate dimensioni e il range frequenziale in cui operano crescere al diminuire delle dimensioni dell’antenna, nel caso in questione si è resa necessaria una Horn operante in un range che contenesse frequenze superiori ad 1 GHz, quindi ciò è soddisfatto dal modello 12-A ( 1 – 2 GHz).

Fig. 3.8. Schema di una Antenna Horn.

Il Generatore RF

Deve essere capace di generare segnali RF nel range di frequenze 1GHz- 26,5 GHz.

Caratteristiche peculiari di questo apparato, oltre alla velocità di scansione già menzionata, sono la stabilità dei segnali generati, e l’accuratezza della sintesi delle onde.

Fig. 3.8. Generatore RF 8340 B.

Nel caso particolare di questa realizzazione, il generatore utilizzato è un sintetizzatore di segnali RF modello HP 8340 B, programmabile attraverso l’interfaccia GPIB, con intervallo di frequenze 10 MHz- 26,5 GHz.

La potenza di uscita del generatore può variare da +10 dBm a –136 dBm. L’utilizzo di questo strumento è semplificato dalla presenza di moduli che ne rendono immediata la programmazione.

L’Amplificatore

generatore ed accoppiatore direzionale.

Per avere una banda superiore ad 1GHz viene utilizzato un amplificatore della EMPOWER RF, il modello BBM4A5KBJ, il quale lavora nel range frequenziale1 GHz- 2,5GHz.

Esso provvede ad innalzare la potenza erogata dal generatore di un fattore fisso.

Logisticamente, oltre al fato di avere una buona stabilità in amplificazione, è necessario che esso non introducano una distorsione armonica con un livello superiore a 15 dB rispetto a quello della portante nel segnale che trattano. Nell’intervallo di frequenze di nostro interesse l’amplificatore offre un output quasi costante, come si può notare dalle immagini seguenti, tale condizione è ideale, in quanto esula da un continuo e non facilmente riproducibile,

aggiustamento della potenza.

Fig. 3.9.Amplificatore RF della EMPOWER RF, modello BBM4A5KBJ.

Un parametro importante che nella prova in esame deve essere contemplato, riguarda il comportamento nei confronti del V.S.W.R., la potenza riflessa

dall’antenna che ritorna sull’uscita dell’amplificatore.

Il modello impiegati può vantare un comportamento non critico nei riguardi degli effetti di questa potenza assicurando stabilità.

Power Meter

all’antenna.

Il modello impiegato, HPE4419B, ha a disposizione 2 canali con i quali viene misurata, oltre alla potenza trasmessa, anche quella riflessa.

Le prestazioni dell’apparato sono legate al tipo di sensore di potenza che viene impiegato; sono possibili globalmente, misure su valori di frequenza che si

estendono da 100 KHz a 110 GHz e su un range di potenze compreso tra –70 dBm e +44 dBm (corrispondente ai valori compresi tra 100 pW e 25W).

Fig. 3.10.Power Meter HP E4419B con sonde HP 8284A.

Nel caso particolare si usano sonde HP8482A che permettono misure nel range di frequenze che va da 100KHz a 4.2 GHz di potenze da –30 dBm a + 20

dBm(1uW-100mW).

Operazioni preliminari a qualsiasi misura sono l’azzeramento e la calibrazione delle sonde.

Mentre l’azzeramento può essere previsto in una procedura automatizzata, per la calibrazione ciò non è possibile in quanto è necessario il collegamento all’uscita di test situata nel frontale dell’apparecchio.

Le letture fatte dalle sonde sono, inoltre, soggette ad un tempo di assestamento che dipende dal livello di potenza che deve essere misurata con un andamento come riportato in figura sotto.

Modalità normal Massimo dBm Minimo dBm 150 ms 200 ms 500 ms 20 dB 10 dB Gamma dinamica del sensore di potenza Tempi di assestam. Gamma dinamica del sensore di potenza. 150 ms 180 ms 350 ms 20 dB 10 dB Minimo dBm Massimo dBm Modalità x2 Tempi di assestamento

Fig. 3.11.Schematizzazione dei tempi di risposta delle sonde del Power Meter.

L’Accoppiatore direzionale

L’ inserimento del Power Meter necessita di un dispositivo che prelevi una percentuale della potenza in transito nella linea aprendo così una finestra di monitoraggio sul collegamento Amplificatore-Antenna.

Nota l’attenuazione con cui il segnale saggiato è legato alla potenza di passaggio, si può risalire a quest’ultima realizzando il controllo sul campo richiesto dalla norma.

Con delle misure specifiche è stato possibile conoscere i parametri dell’accoppiatore impiegato.

E’ stato inoltre possibile caratterizzare il dispositivo grazie all’impiego di un analizzatore di spettro dotato di un generatore di tracking.

I rapporti che stia cercando sono calcolabili come rapporto di potenze misurate. Iniettando il segnale da una bocca ed andando a misurare ciò che si presenta su un’altra si ottengono Direttività, Attenuazione e Perdita di Insersione che serviranno rispettivamente per conoscere come sono legati i valori letti dal Power

Meter a quelli che effettivamente transitano verso l’antenna e quanto l’inserimento dell’apparecchio perturba il livello in uscita dall’amplificatore.

Per quanto riguarda l’Attenuazione essa è definita come rapporto fra quello che viene spedito dalla bocca principale d’ingresso 1 e quello che si presenta sulla bocca di saggio 3 sempre nel lato d’ingresso quando le altre bocche sono chiuse su un’impedenza caratteristica.

1 2

A = ( P

/ P

)|

3 4

IN OUT

L’isolamento che c’è fra l’ingresso 1 e l’uscita di saggio 4 viene monitorato attraverso il rapporto fra le potenze relative a queste bocche.

La Direttività è invece individuabile operando il rapporto fra le potenze presenti e nelle bocche 3 e 4 sollecitando la bocca 1 e con la bocca 2 chiusa su 50 Ώ.

D = ( P

/ P

)|

Avendo a disposizione un solo canale di ricezione, l’indice può essere calcolato

come rapporto fra i termini Isolamento ed Attenuazione.

Volendo anche ricavare la perturbazione che subisce la potenza transitando nell’accoppiatore la misura dovrà essere fatta tra ciò che si ritrova sulla bocca 2 con un segnale iniettato dalla bocca 1.

IL = ( P

/ P

) ]

I grafici relativi alle misure effettuate con montaggio come spiegato sopra sono riportati di seguito.

Per avere una misura più veritiera, è stata preventivamente fatta una misura sui soli cavi che costituisce un contributo da non imputare all’accoppiatore che quindi è stata successivamente scorporata dal resto dei valori.

L’attenuazione dell’accoppiatore direzionale da noi impiegato è quindi di 40 dB, questo sta a significare che, visto il range del Power Meter per quel che riguarda l’ingresso, potremmo cercare danni al misuratore solo se dovessimo spedire all’antenna 60 dB, ma ciò non sarà possibile con l’attuale setup, dato che al massimo il generatore eroga 10 dB e l’amplificatore innalza a 49 dB.

L’accoppiatore permette perciò di agire in tutta tranquillità senza doverci preoccupare dei livelli di segnale impiegati.

Il Sensore di Campo

La sonda a cui si fa riferimento, nel caso specifico è la HI-4455 della Holaday. E’ un sensore isotropico, a larga banda per la radiofrequenza, capace di quantificare l’intensità del campo elettrico nelle sue vicinanze fornendone le 3 componenti assiali e quella totale.

Fig. 3.12. Field probe HI 4455.

I dati registrati vengono trasmessi mediante fibra ottica e ricevuti dal PC,

attraverso la porta seriale previa trasformazione attuata da un adattatore specifico.

Fig. 3.13. Adattatore seriale-ottico per la comunicazione fra PC e Field probe.

Il bisogno di trasportare i dati attraverso un collegamento ottico deriva dall’esigenza di minimizzare le perturbazioni di campo durante le misure.

Tra le specifiche si può notare che la sonda ha una risposta in frequenza con range dinamico da 2 a 300 V/m nell’intervallo di frequenze 200 KHz – 40 GHz. Il sensore di campo elettrico HI-4422 ha al suo interno un processore che si occupa delle varie operazioni di misura e che controllo che ne permette la programmazione anche a distanza.

Per stabilire una comunicazione seriale bisogna impostare dei dati della RS232 nel modo seguente:

o Modalità Asincrona o Lunghezza del dato 7 bit o Parità Dispari o Bit di stop 9600 baud

Per quanto riguarda i comandi da impartire, la struttura consiste in una lettera seguita da possibili parametri e terminata da un carriage return.

La risposta del sensore è costituita da una stringa che ha il seguente formato: o Carattere iniziale “ : “;

o Lettera relativa al comando a cui si riferisce la risposta ; o Eventuali dati;

o Carriage return.

Le operazioni necessarie all’esecuzione della prova in esame si basano sulla conoscenza dei seguenti parametri:

Command Description

⇒Axxx Axis enable/disable. x=”E” means enable; x=”D” means disable.

The order is x axis, y axis, z axis. ⇒B Read battery voltage.

⇒Cx Set baud rate.

x=1 enables short form output; x=2 enables long form output. ⇒Sx Sleep timer.

x=number of seconds to wait for a command before putting the probe into a sleep mode.

⇒Rx Set Range.

x=1, 2, 3, 4, or N (next range). ⇒Tx Read Temperature.

x= C or F. ⇒Ux Set unite type. unit x= 1,2, 3, or N; 1= V / m;

2= mW / cm2_;

3= [V/m]2_.

⇒Z Zero.

⇒NULL Send the ascii null character.

Particolare cura deve essere posta nel trattare l’antenna poiché molto sensibile alle cariche elettrostatiche.