Rubriek: studentenprojecten (2)

Rubriek: studentenprojecten (2) Door: FHI federatie van technologiebranches

In deze rubriek willen we u kennis laten maken met studenten aan de Nederlandse Technische universiteiten en Hogescholen die zich verdiepen in ons vakgebied. Iedere nieuwsbrief zal een student of promovendi zich voorstellen en vertellen wat zijn of haar onderzoek inhoudt. Hiermee hopen we als vereniging een brug te slaan tussen bedrijfsleven en universiteiten. Mocht u in contact willen komen met deze studenten dan kan dat via het volgende mailadres: info@emc-esd.nl.

Anouk Hubrechsen – Galmkamers: De brug tussen EMC en de antennewereld

Anouk Hubrechsen behaalde in 2017 haar Bachelor Electrical Engineering aan de Technische Universiteit Eindhoven en rondde in 2019 haar Master af met een specialisatie in Elektromagnetisme en Antennes. Als deel van deze master heeft ze een jaar als onderzoeker bij het ‘National Institute of Standards and Technology’ (NIST), een overheidsinstantie van de VS, gewerkt. Hier werkte ze aan meetkunde voor antennes in galmkamers, internationaal bekend als ‘reverberation chambers’. De onderstaande rubriek gaat over een onderzoek dat binnen dit project is uitgevoerd [1].

Sinds januari 2020 werkt ze als promovendus aan de Technische Universiteit Eindhoven in de Electrical Energy Systems groep op het Amicable project onder Guus Pemen, Anne Roc’h en Sander Bronckers, waar ze technieken vanuit de antennewereld toepast om elektromagnetische interferentie (EMI) in kabel bundels te kunnen meten in galmkamers. Verdere publicaties over de projecten van Amicable en NIST zijn te vinden op research.tue.nl/en/persons/anouk-hubrechsen. 

Historisch gezien worden galmkamers vooral gebruikt in de EMC-wereld, omdat er gemakkelijk sterke velden in opgewekt kunnen worden met een beperkt ingangsvermogen. In zulk soort metingen is er dan ook vooral interesse in de waarde van het ‘piekveld’ dat opgewekt kan worden. Dit is een hele andere aanpak dan wordt gebruikt in de antennewereld, waar de galmkamer het afgelopen decennium steeds populairder is geworden voor onder andere het meten van de stralingsefficiëntie (radiation efficiency) van antennes. De stralingsefficiëntie is gedefinieerd als de ratio tussen het vermogen waarmee de antenne wordt geëxciteerd via een kabel en hoeveel daarvan werkelijk wordt uitgezonden. Om de stralingsefficiëntie goed te kunnen berekenen gebruiken we altijd het gemeten gemiddelde veld ten opzichte van het piekveld. De galmkamer bij NIST is te zien in Figuur 1. Als een antenne in een galmkamer geplaatst wordt ontstaat er een verdeling van staande golven of ‘modes’ die aangepast kunnen worden door een metalen structuur, een zogeheten ‘stirrer’, te bewegen. Op deze manier veranderen alle reflecties, en dus ook posities van de buiken en knopen van het veld. Het gemiddelde veld wordt berekend uit het gemiddelde van meerdere ‘stirrer’ posities.

Het meten van de stralingsefficiëntie van een antenne in een galmkamer is een redelijk simpel proces: Twee antennes met onbekende efficiëntie worden in de kamer geplaatst en aangesloten aan een Vector Network Analyzer die buiten de kamer staat om de fase en magnitude van de in- en uitgaande golven te meten. Met deze meting kunnen de verliezen in de kamer en in de antennes bepaald worden. Het enige wat nog ontbreekt qua informatie is het volume van de kamer en met gebruik van een vergelijking die afhangt van de verliezen weten we de efficiëntie van beide antennes, zonder die van tevoren te weten [2]. In de EMC-wereld kunnen aparte metingen in de kamer wel 3 dB van elkaar afwijken en nog steeds aan de standaard voldoen [3], terwijl dat in stralingsefficiëntie vertaalt naar waardes tussen de 50% en 200%, uitgaande van 100% daadwerkelijke efficiëntie. Zo’n onzekerheid is voor dit soort metingen veel te hoog (meestal proberen we binnen 2% onzekerheid te blijven), en daarom gebruiken we vaak andere technieken en apparatuur in de antennewereld.

Een goed voorbeeld dat laat zien hoe snel zo’n meting beïnvloed kan worden is te zien in Figuur 2 [1]. Daar is drie keer dezelfde meting uitgevoerd, waar bij de tweede en derde meting een simpele (niet aangesloten) stroomkabel en enkele voedingen in de kamer zijn geplaatst, waarbij we ervan uitgaan dat die er niet liggen. Dit klinkt gek, maar in veel instituten is het een standaardprocedure om de verliezen in de ruimte van tevoren één keer te bepalen, om vervolgens apparatuur erin te plaatsen die nodig is om bijvoorbeeld een actieve antenne te meten. Als gevolg zijn de verliezen dus eigenlijk hoger dan je zou verwachten. Die verliezen in de kamer definiëren we met behulp van de ‘tijdconstante’. Deze laat zien voor hoeveel tijd een golf blijft reflecteren in de kamer, totdat deze dermate afgezwakt is dat deze in de ruisvloer beland is. Dit is vaak enkele microsecondes, wat gelijk staat aan meerdere kilometers in de kamer [4]. In Figuur 3 is goed te zien dat deze tijdconstante erg gevoelig is voor de aanwezigheid van extra apparatuur. Als daar geen rekening mee gehouden wordt, kan je gemeten efficiëntie met 5% afwijken met de aanwezigheid van een kabel, en wel 10% met een paar voedingen (deze konden niet buiten de kamer geplaatst worden) die gebruikt werden voor de aansturing van een antenne, zoals te zien is in Figuur 2. Dit is veel meer dan de standaard meetonzekerheid, die aangegeven is met de foutbalken op de referentiemeting.

De verwachte reden waarom een kabel zoveel verliezen geeft in de kamer is dat deze antennegedrag gaat vertonen over een brede frequentieband, gezien er vele verschillende golflengtes in de lengte van de kabel passen. Met beter afgeschermde kabels, zoals een coaxkabel, is dit effect minder prominent en werden er bijna geen extra verliezen gemeten. Op deze manier zou de tijdconstante, een concept uit de antennewereld, gebruikt kunnen worden om verschillende aspecten van de kwaliteit van kabels te bepalen, wat weer van pas komt in de EMC-wereld. Zo kunnen galmkamers functioneren als de brug tussen EMC en de antennewereld.

[1] A. Hubrechsen, L. A. Bronckers, K. A. Remley, R. D. Jones, R. D. Horansky, A. C. F. Reniers, A. Roc’h and A. B. Smolders, "The Effect of Peripheral Equipment Loading on Reverberation-Chamber Metrics," 2019 International Symposium on Electromagnetic Compatibility - EMC EUROPE, Barcelona, Spain, 2019, pp. 7-12.

[2] C. L. Holloway, H. A. Shah, R. J. Pirkl, W. F. Young, D. A. Hill and J. Ladbury, "Reverberation Chamber Techniques for Determining the Radiation and Total Efficiency of Antennas," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 60, no. 4, pp. 1758-1770, April 2012.

[3] D. Barakos and R. Serra, "Performance characterization of the oscillating wall stirrer," 2017 International Symposium on Electromagnetic Compatibility - EMC EUROPE, Angers, 2017, pp. 1-4.

[4] L. A. Bronckers, A. Roc'h and A. B. Smolders, "Chasing the Wave in a Reverberation Chamber," 2018 International Symposium on Electromagnetic Compatibility (EMC EUROPE), Amsterdam, 2018, pp. 708-712.