CC BY
41
ANALIZA I TUMACENJE MODELA FARADEJEVOG KAVEZA ZA ISPITIVANJE ELEKTROMAGNETSKE KOMPATIBILNOSTI
Nenad V. Munie a b, Aleksandar M. Kovacevic b a Elektrotehnicki fakultet Univerziteta u Beogradu, b Vojska Srbije, Tehnicki opitni centar, Beograd
DOI: 10.5937/vojtehg62-3980
OBLAST: telekomunikacije
VRSTA CLANKA: originalni naucni clanak
Sazetak:
Ispitivanja elektromagnetske kompatibilnosti sredstava i sistema naoruzanja i vojne opreme za potrebe Vojske Srbije, prema vojnim standardima SORS 1029/89 i SORS 1762/89, obavljaju se u Faradeje-vom kavezu. Faradejev kavez, usled reflektujucih zidova, poda i plafo-na, ima niz parazitnih rezonancija. U cilju unapredenja ispitivanja elektromagnetske kompatibilnosti, izvrseno je numericko modelovanje kompletnog Faradejevog kaveza. Uporedivanjem rezultata simulacija i eksperimenata, detektovane su razne nesavrsenosti kaveza i ukljuce-ne u model.
Kljucne reci: elektromagnetska kompatibilnost; Faradejev kavez; ekra-nizovan prostor; simulacija; rezonantne supljine.
Uvod
Ispitivanja elektromagnetske kompatibilnosti sredstava i sistema naoruzanja i vojne opreme (sredstva i sistemi NVO) za potrebe Vojske Srbije, prema vojnim standardima SORS 1029/89 (Biro za stan-dardizaciju i metrologiju u JNA, 1989a) i SORS 1762/89 (Biro za standar-dizaciju i metrologiju u JNA, 1989b), obavljaju se u Faradejevom kavezu (ekranizovan prostor). Faradejev kavez je prostorija sa zidovima, podom i plafonom od metalne mreze ili lima, namenjena za elektromagnetsko raz-dvajanje ispitnog prostora od okoline (Savezni zavod za standardizaciju, 1997). Pri tome, Faradejev kavez ne predstavlja idealan prostor za ispiti-vanje jer ima nesavrsene spojeve. Naime, da bi se Faradejev kavez mo-gao koristiti, potrebno je da ima odreden broj otvora, i to: za pristup rad-nog osoblja, za napajanje elektricnom energijom, za komunikacione pri-kljucke, za ventilaciju itd. Takode, pri realizaciji Faradejevog kaveza veo-ma su bitni upotrebljeni materijali (Keiser, 2005). Tako, za staticka i spo-
e.mail: [email protected]
Cl!)
ropromenljiva magnetska polja primenjuju se materijali koji imaju veliku magnetsku permeabilnost, dok se za visoke frekvencije koriste materijali sa velikom specificnom provodnoscu.
Poznato je u literaturi (Bronaugh, Lambdin, 1988), (Camell, Koepke, Rakoski, Smith, 1996) da na rezultate ispitivanja u ekranizovanim prosto-rijama uticu refleksije od zidova, koje zavise od tipa, polozaja i frekvencije izvora, kao i od provodnosti i permeabilnosti zidova kaveza, a ne zavisi od debljine zidova (Keiser, 2005). Refleksije od zidova dovode do rezo-nancija kaveza, koje znacajno uticu na rezultate ispitivanja uredaja, jer znacajno menjaju strukturu polja. Pri tome, rezonantne ucestanosti su specificne za svaki kavez, ali zavise i od konkretnog sredstva koje se is-pituje u kavezu.
U cilju unapredenja rada Laboratorije za elektromagnetsku kompati-bilnost u Tehnickom opitnom centru (TOC-u) (http://www.toc.vs.rs), pri-stupilo se ispitivanjima uticaja Faradejevog kaveza na rezultate merenja (BordeviC, et al, 2011, pp.965-968) (BordeviC, et al, 2012, pp.11151118). Osnovni cilj ovih ispitivanja je simulacija polja u kavezu, posebno u okolini rezonantnih ucestanosti, kako bi se mogli predvideti rezultati merenja sredstava NVO u elektromagnetski gluvoj sobi ili bilo u kom dru-gom okruzenju. Simulacioni (racunarski) modeli kaveza su razvijani u programu Wipl-D (http://www.wipl-d.com), u iteracijama, poredeci nume-ricke rezultate sa merenjima, s obzirom na to da se naislo na niz teskoca zbog slozene konstrukcije i nesavrsenosti kaveza.
Predmet ovog rada je prikaz tih simulacionih modela, kao i odgova-rajucih rezultata proracuna i merenja.
Konstrukcija kaveza
Kavez koji se koristi u TOC-u napravljen je pre oko tri decenije. Kavez je montazno-demontaznog tipa. Sastavljen je od sendvic-panela (drvenih ploca oblozenih pocinkovanim limom), dimenzija 1,25 m x 2,5 m. Osnova kaveza je kvadratna. Unutrasnje dimenzije osnove su 3,76 m x 3,76 m, a visina kaveza je 2,5 m.
Plafon kaveza je spusten, kako bi se vizuelno sakrile instalacije za osvetljenje. Spusteni plafon se sastoji od plastificiranih aluminijumskih profila (lamperije), koji idu celom duzinom kaveza (slika 1a). Lamperija je labavo prikacena na horizontalne gvozdene nosace. Nosaci su razlicitih duzina, a zavrtnjima su obeseni o plafon kaveza.
Na kavezu postoje cetiri ventilaciona otvora (dva otvora na plafonu i dva na jednom zidu). Ventilacioni otvori su uradeni u obliku talasovodnog saca (slika 1b). Kavez u jednom uglu ima jednokrilna vrata (slika 2), sa kontaktnim oprugama od feder-bronze.
\\
o >
o CM
yy
0£ ZD O o
-J
<
o z
X
o
LU
I—
>-
Q1 <
a)
w <
-j
CD >Q
X LU I—
o
o >
b)
Slika 1 - Elementi Faradejevog kaveza: a) lamperija, b) ventilacioni otvor Figure 1 - Elements of a Faraday cage: a) strips, b) ventilation opening
Prilikom merenja, u kavezu se moze nalaziti sto oblozen uzemljenim limovima, antena, ispitivani uredaj i druga oprema. Medutim, u svim situ-acijama prikazanim u ovom radu, kavez je bio prazan, osim sto se u nje-mu nalazila samo jedna monopol-antena (slika 2), prikljucena na konek-torsko polje kaveza (prikljucno polje).
76
Slika 2 - Polozaj horizontalne monopol-antene u Faradejevom kavezu Figure 2 - Position of a horizontal monopole antenna in a Faraday cage
Gubici ploca kaveza
Pri ucestanostima reda velicine nekoliko desetina megaherca, u pot-punosti je izrazen povrsinski efekat u limovima od kojih je kavez sacinjen. Medutim, debljina sloja cinka je relativno mala (nekoliko mikrometara), tako da i u gvozdu postoje znacajni gubici. Za modelovanje ovih gubita-ka, usvojeno je da specificna provodnost zidova, podova i plafona kaveza bude a = 10 MS/m, kao i da je provodnik magnetski materijal, relativ-ne permeabilnosti = 100, sto odgovara permeabilnosti gvozda za male signale. Ti podaci su posredno provereni na sledeci nacin. Paralelno zidu kaveza postavljena je zica, koja sa zidom obrazuje vod. Vod je na jednom kraju vezan na analizator mreza, a otvoren na drugom kraju. Iz-meren je ulazni koeficijent refleksije voda, pa su, simulacijama u progra-mu Microwave Office (http://www.awrcorp.com), gubici podesavani tako da se dobije poklapanje proracuna sa rezultatima eksperimenta.
Gubici sastava ploca kaveza
Otkrivanje neispravnih sastava radeno je pomocu uredaja za detekci-ju diskontinuiteta oklopa Faradejevog kaveza EATON-3500. Princip mere-nja je zasnovan na generisanju jake struje ucestanosti od 106 kHz koja se, preko elektroda, injektuje u kavez sa spoljasnje strane (Eaton Corporation Electronic Instrumentation Division, 1988). Pomocu magnetske sonde, u
unutrasnjosti kaveza se detektuje magnetsko polje, koje je izrazito jako na mestima losih sastava. Dominantna mesta gubitaka nalaze se na sastavi-ma poda i zida, kao i na sastavima ventilacionih otvora sa zidovima.
U programu Wipl-D, gubici na losim spojevima modelovani su uza-nim plocama (trakama), postavljenim duz spojeva. Pri tome, menjana je specificna provodnost materijala od koga su te trake sacinjene. Proba-njem je ustanovljeno da se najbolje slaganje sa eksperimentom dobija ako se usvoji da je specificna provodnost tih traka veoma mala, reda veli-cine a = 1 jS/m i manja. To odgovara potpunom gubitku kontakta, odno-sno situaciji kada su u modelu trake potpuno izbacene.
Rezonancije kaveza
Prazan kavez je, prakticno, rezonantna supljina nastala pregradiva-njem pravougaonog talasovoda. Ako se Dekartov koordinatni sistem po-stavi kao na slici 3, teorijske rezonantne ucestanosti ove supljine (Borde-vic, Tosic, 2006), u opsegu frekvencija do 110 MHz, date su u tabeli 1.
Tabela 1 - Teorijske rezonantne ucestanosti kaveza Table 1 - Teoretical resonant frequencies of a cage
Mod f [MHz]
TE110 56,42
TE101, TE011 72,05
TE111 82,35
TE210, TE120 89,20
TE201, TE021 99,82
TE121, TE211 107,51
U okolini rezonancija, kavez svojim prisustvom znatno utice na rezul-tate ispitivanja uredaja jer drasticno menja strukturu polja i unosi gubitke.
Na zidu kaveza nalazi se koso postavljena monopol-antena duzine 1,014 m. Na slici 4 prikazani su rezultati simulacije za koeficijent refleksi-je tog monopola. Procenjeni gubici su sukcesivno ukljucivani u model ka-veza. Pretpostavljeno je da su zidovi kaveza sacinjeni od homogenog materijala.
Kada se u modelu zanemare gubici, ulazna impedansa antene je ci-sto reaktivna (kriva 1), pa je |sn| = 1 (0 dB). Kada postoje gubici usled
povrsinskog efekta, tada je |sn| < 1, pa se u dijagramu na slici 4 vide ja-
sno izrazene rezonancije (kriva 2), ciji se polozaji relativno dobro pokla-paju sa rezonantnim ucestanostima iz tabele 1 (koje su oznacene tacka-ma na apscisi).
Slika 3 - Pocetni model Faradejevog kaveza i horizontalne monopol-antene
(u programu Wipl-D) Figure 3 - Initial model of a Faraday cage and a horizontal monopole antenna
(in the Wipl-D program)
Modelovanjem procepa, rezonancije (koje se vide u modulu koefici-jenta refleksije monopola) postaju izrazenije (kriva 3 na slici 4). Osim toga, dolazi do izvesnog pomeranja rezonantnih ucestanosti, sto znaci da procepi uticu i na gubitke, i na strukturu rezonantnog polja.
Slika 4 - Modul koeficijenta refleksije monopol-antene u kavezu, u funkciji ucestanosti, za kavez bez gubitaka (kriva 1), sa gubicima usled povrsinskog efekta (kriva 2) i sa gubicima
usled povrsinskog efekta i procepima (kriva 3) Figure 4 - Module of the reflection coefficient of the monopole antenna in the cage, as a function of frequency, for a cage without losses (curve 1), with losses due to the skin effect (curve 2) and with losses due to the skin effect and gaps (curve 3)
Model kaveza
Pocetni model kaveza
Na osnovu obavljenih ispitivanja (Dordevié, et al, 2011, pp.965-968), pocetni simulacioni model kaveza u programu Wipl-D sastoji se od ploca sa gubicima (slika 3). U model su ukljuceni ventilacioni otvori na zidu, kao i gubici zbog losih sastava ploca (modelovanjem sastava uzanim tra-kama specificne provodnosti 1 |jS/m). Aluminijumski profili (lamperija), nosaci i zavrtnji modelovani su zicanim provodnicima.
Na slikama 5 i 6 prikazani su rezultati simulacija i merenja koeficijenta re-fleksije koso i horizontalno postavljenog monopola, respektivno (Dordevié, et al, 2011, pp.965-968). Na slikama se moze videti da se eksperimentalni rezultati kvalitativno poklapaju sa rezultatima simulacije u programu Wipl-D, ali da kvantitativno slaganje nije svuda najbolje. Naime, eksperimentalni rezultati po-kazuju izrazenije rezonancije, kao da su gubici drasticno veci, a veci je i broj rezonantnih ucestanosti. Glavni uzrok povecanih gubitaka i dodatnih rezonan-cija je lamperija koja u simulacionim modelima nije adekvatno predstavljena. U realnosti, aluminijumski profili su u obliku ploca koje su na krajevima povije-ne ka unutrasnjosti. U pocetnom modelu takvi profili su aproksimirani zicanim provodnicima. Detaljnije modelovanje lamperije zahtevalo bi upotrebu velikog broja spojeva zica i ploca (veza nosaca lamperije i lamperije), sto bi usloznja-valo model i drasticno povecalo broj upotrebljenih nepoznatih, kao i vreme po-trebno za izvrsenje simulacije. Osim toga, za svaki nosac bilo bi potrebno eks-perimentalno proveriti kvalitet kontakta sa kavezom, a za svaku aluminijum-sku plocu proveriti da li, eventualno, postoji galvanski kontakt sa nosacima i gde je kontakt lociran, sto bi zahtevalo obimna ispitivanja.
201og|s| [dB]
-5 -10 -15 -20 -25 -30
Ekspe riment PL-D TS if Î ; I I n
W] i
!
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
/[MHz]
Slika 5 - Modul koeficijenta refleksije kose monopol-antene u kavezu, u funkciji ucestanosti, za kavez sa lamperijom Figure 5 - Module of the reflection coefficient of the inclined monopole antenna in the cage, as a function of frequency for the cage with strips
CjT)
Slika 6 - Modul koeficijenta refleksije horizontalne monopol-antene u kavezu, u funkciji
ucestanosti, za kavez sa lamperijom Figure 6 - Module the reflection coefficient of the horizontal monopole antenna in the cage, as a function of frequency for the cage with strips
Uprosceni model kaveza
U cilju dobijanja jednostavnijeg, ali pouzdanijeg simulacionog modela, odnosno da bi se ostvarilo bolje predvidanje osobina kaveza, alumini-jumski profili su skinuti sa nosaca. U kavezu su ostali samo nosaci lam-perije i zavrtnji kojima su oni obeseni o plafon.
Rezultati merenja i odgovarajuceg simulacionog modela su dati na slikama 7 i 8. Na tim slikama se moze uociti izostanak vecine parazitnih rezonancija koje postoje na slikama 5 i 6. Takode, gubici kaveza su znatno manji, posebno na rezonantnim ucestanostima kaveza. Na poje-dinim frekvencijama, na primer u opsegu od 90 MHz do 100 MHz, u me-renjima se javljaju parazitne rezonancije, koje u rezultatima simulacije ne postoje. Analizirajuci model kaveza, primecuje se da, slicno pocetnom modelu, aproksimacija nosaca lamperije odgovarajucim zicanim provod-nicima ne odgovara realnom obliku profila nosaca, koji lici na cirilicno slovo „n". Preciznije modelovanje nosaca lamperije provodnim plocama znacajno bi usloznjavalo model usled velikog broja spojeva provodnih ploca (spojevi nosaca lamperije i zavrtanja kojima su oni obeseni o plafon), sto bi povecalo vreme potrebno za izvrsenje simulacije. Osim toga, i dalje ostaje otvoreno pitanje kvaliteta kontakata izmedu nosaca i plafona kaveza.
dD
Eksperiment WIPL-D
50 60 70 /[MHz]
Slika 7 - Modul koeficijenta refleksije kose monopol-antene u kavezu, u funkciji ucestanosti, za kavez bez lamperije Figure 7 - Module of the reflection coefficient of the inclined monopole antenna in the cage as a function of frequency for the cage without strips
Slika 8 - Modul koeficijenta refleksije horizontalne monopol-antene u kavezu, u funkciji
ucestanosti, za kavez bez lamperije Figure 8 - Module of the reflection coefficient of the horizontal monopole antenna in the cage as a function of frequency for the cage without strips
<8D
Konacni model kaveza
Da bi se izbegla neodredenost koju unose nosaci lamperije, iz kaveza su uklonjeni i ti nosaci, kao i zavrtnji. Takav kavez prakticno ima oblik paralelopipeda cije rezonantne ucestanosti mozemo teorijski proracunati (Bordevic, Tosic, 2006). Konacni model kaveza realizovan u programu Wipl-D je prikazan na slici 9.
Rezultati simulacije u programu Wipl-D i eksperimentalni rezultati prikazani su na slikama 10 i 11. Na osnovu slika se moze uociti veoma dobro poklapanje rezultata simulacije i eksperimenta, ne samo kvalitativ-no, vec i kvantitativno.
Slika 9 - Konacni model kaveza sa horizontalnom monopol-antenom u kavezu
(u programu Wipl-D)
Figure 9 - Final model of the cage with the horizontal monopole antenna in the cage
(in the Wipl-D program)
U tabelama 1 i 2 date su teorijske rezonantne ucestanosti kaveza, kao i rezonantne ucestanosti dobijene merenjem (eksperimentalno) i simu-lacijom. U rezultatima merenja i simulacija se ne vidi rezonancija TE111 ka-da je antena horizontalna, jer je sprega izmedu antene i rezonantnog polja slaba. U tabelama su date i relativne razlike izmedu frekvencija. Vidi se da je relativna razlika u odnosu na teorijske ucestanosti manja od 1 % za sve modove osim za TE101 i TE011, za koje je razlika manja od 5 %. Relativna razlika izmedu rezultata merenja i simulacija je manja od 1 %. Bolje slaga-nje izmedu rezultata merenja i simulacija nego slaganje sa teorijskim rezo-nantnim ucestanostima moze se objasniti losim kontaktima izmedu ploca. Ti kontakti su modelovani u programu Wipl-D, ali teorijski rezultati vaze samo za idealnu rezonantnu supljinu.
p p
a p
m o k
ke s
g
a m
ort tk
el el
a vi pi
si
a z
a z
zve
a
k g
o v
<D
d a
C8T)
Tabela 2 - Relativna greska rezonantne ucestanosti kose monopol-antene za kavez bez
lamperije, nosaca lamperije i zavrtnja Table 2 - Relative error of resonant frequencies of the inclined monopole antenna for the cage without strips, strip carriers and screws
Mod f [MHz] Teor. f [MHz] Eksper. f [MHz] Wipl-d 5 [%] Teor. / Eksper. 5 [%] Teor. / Wipl-d 5 [%] Eksper. / Wipl-d
TE110 56,42 55,6 56,1 0,57 0,57 0,90
TE101, TE011 72,05 74,3 74,1 3,12 2,85 0,27
TE111 82,35 82 82,3 0,43 0,06 0,37
TE210, TE120 89,20 89,6 89,6 0,45 0,45 0,00
TE201, TE021 99,82 99,6 99,8 0,22 0,02 0,20
TE121, TE211 107,51 107,3 107,4 0,20 0,10 0,09
Tabela 3 - Relativna greska rezonantne ucestanosti horizontalne monopol-antene za
kavez bez lamperije, nosaca lamperije i zavrtnja. Table 3 - Relative error of resonant frequencies of the horizontal monopole antenna for the cage without strips, strip carriers and screws
Mod f [MHz] Teor. f [MHz] Eksper. f [MHz] Wipl-d 5 [%] Teor. / Eksper. 5 [%] Teor. / Wipl-d 5 [%] Eksper. / Wipl-d
TE110 56,42 56,1 56,4 0,04 0,04 0,53
TE101, TE011 72,05 75,7 75,3 5,07 4,51 0,53
TE111 82,35 / / / / /
TE210, TE120 89,20 88,8 89,2 0,45 0,00 0,45
TE201, TE021 99,82 99,6 99,9 0,22 0,08 0,30
TE121, TE211 107,51 108,3 108,5 0,73 0,92 0,18
20 logM [dB]
Eksperiment WIPL-D ..... ~Y
1
10
20
30
40
70
80
90
100
110
50 60 /[MHz]
Slika 10 - Modul koeficijenta refleksije kose monopol-antene u kavezu, u funkciji ucestanosti, za kavez bez lamperije, nosaca lamperije i zavrtanja Figure 10 - Module of the reflection coefficient of the inclined monopole antenna in the cage as a function of frequency for the cage without strips, strip carriers and screws
CaT)
20 log|sI [dB] 0
riment [PL-D r 1
w 1
"10 20 30 40 50 60 70
/[MHz]
80
90
100
110
Slika 11 - Modul koeficijenta refleksije horizontalne monopol-antene u kavezu, u funkciji
ucestanosti, za kavez bez lamperije, nosaca lamperije i zavrtanja Figure 11 - Module of the reflection coefficient of the horizontal monopole antenna in the cage as a function of frequency for the cage without strips, strip carriers and screws
Zakljucak
U radu je prikazan razvoj simulacionih modela Faradejevog kaveza. Poboljsanja modela dobijana su poredeci rezultate simulacija i merenja, detektujuci, pri tome, uzrocnike povecanih gubitaka i parazitnih rezonanci-ja. Uzrocnici su uklanjani, jedan po jedan. Konacan model je obuhvatio gu-bitke usled povrsinskog efekta u plocama, od kojih je kavez napravljen. Gubici su dobijeni merenjem, a eksperimentalno su detektovana i mesta curenja na sastavima ploca, oko ventilacionih otvora i ulaznih vrata.
Za finalne modele, rezultati simulacija i merenja se dobro slazu kva-litativno i kvantitativno. Naime, rezonancije u rezultatima simulacija imaju iste polozaje i iste dubine kao i u rezultatima merenja. Pri tome, relativna razlika izmedu rezultata merenja i simulacija je manja od 1%.
U daljem radu moze se ocekivati da ce biti ostvarljivo da se, na osnovu merenja i simulacija, identifikuju ekvivalentni izvori koji opisuju is-pitivani uredaj. To bi omogucilo karakterizaciju ispitivanog uredaja u pro-izvoljnom elektromagnetskom okruzenju, a time obezbedilo i poredenje rezultata dobijenih u razlicitim laboratorijama.
Literatura
Biro za standardizaciju i metrologiju u JNA, 1989, Elektromagnetske smetnje, MERENJA, SORS 1762/89, Beograd, Biro za standardizaciju i metrologiju u JNA.
Biro za standardizaciju i metrologiju u JNA, 1989, Elektromagnetske smetnje, ZAHTEVI, SORS 1029/89, Beograd, Biro za standardizaciju i metrologiju u JNA.
C85}
Bronaugh, E., Lambdin, W., 1988, Handbook Series on Electromagnetic Interference and Compatibility: Electromagnetic Interference Test Methodology and Procedures, Gainesville, VA, Interference Control Technologies, Inc.
Camell, D., Koepke, G., Rakoski, B., Smith, R., 1996, A standard source method for reducing antenna factor errors in shielded room measurements, NIST. Tech. Note 1382.
Bordevic, A., Kovacevic, A., Munic, N., 2011, Modelovanje Faradejevog ka-veza za ispitivanje elektromagnetske kompatibilnosti, pp.965-968, Zbornik rado-va 19. konferencije TELFOR, Beograd.
Bordevic, A., Kovacevic, A., Munic, N., Stevanovic, M., 2012, Poboljsano modelovanje Faradejevog kaveza za ispitivanje elektromagnetske kompatibilnosti, pp.1115-1118, Zbornik radova 20. konferencije TELFOR, Beograd.
Bordevic, A., Tosic, D., 2006, Mikrotalasna tehnika, Beograd, Akademska misao.
Eaton Corporation Electronic Instrumentation Division, 1988, Eaton 3500 Shielded Enclosure Leak Detection System Operation and Maintenance Manual, Preliminary, Los Angeles, CA, USA.
Keiser, B., 2005, Principles of electromagnetic compatibility, Dedham, MA, USA, Artech House.
Microwave Office 8.00, Applied Wave Research (2008) Preuzeto sa www.awrcorp.com
Savezni zavod za standardizaciju, 1997, Medunarodni elektrotehnicki IEC recnik sa terminima na srpskom jeziku - elektroenergetika, elektronika i teleko-munikacije, Beograd, Savezni zavod za standardizaciju.
http://www.toc.vs.rs
http://www.wipl-d.com
ANALYSIS AND INTERPRETATION OF THE MODEL OF A FARADAY CAGE FOR ELECTROMAGNETIC COMPATIBILITY TESTING
FIELD: Telecommunications ARTICLE TYPE: Original Scientific Paper
Summary:
In accordance with SORS 1029/89 and SORS 1762/89 military standards, electromagnetic compatibility tests of equipment and weapon systems and military equipment of the Serbian Army are carried out in a Faraday cage. A Faraday cage has many parasitic resonances due to the reflective walls, floor, and ceiling. In order to improve electromagnetic compatibility tests, a complete Faraday cage was modeled. Various imperfections of the cage were detected by comparing the results of simulations and experiments, and they were included into the model.
Introduction
In order to improve the work of the Laboratory for Electromagnetic Compatibility Testing in the Technical Test Center (TTC), we investi-
<§D>
gated the influence of the Faraday cage on measurement results. The oo primary goal of this study is the simulation of the fields in the cage, es- 4
ers, and screws. The analysis showed that this model is not satisfactory.
To obtain a more accurate model of the cage, we need the additional and more precise model of the lowered ceiling. That would complicate the model and require a lot of additional testing.
For obtaining a simpler, but more reliable simulation model, we dismounted the aluminum profiles from the carriers. Thereafter, the agreement between the simulation and the experimental results was better than for the initial model, but still is not good enough, due to the uncertainties caused by the strips carriers and the screws.
Final model of the cage
To avoid the uncertainty due to the strips carriers, we removed the carriers and the screws from the cage. A very good matching of the
pecially around resonant frequencies, in order to be able to predict results of measurements of devices under test in the anechoic chamber or in any other environment. We developed simulation (computer) models of the cage step by step, by using the Wipl-D program and by comparing the numerical results with measurements as well as by resolving difficulties due to the complex structure and imperfections of the cage.
The subject of this paper is to present these simulation models and E the corresponding results of the computations and measurements.
Construction of the cage
The cage is made of steel plates with the dimensions 1.25 m x 2.5 m. The base of the cage is a square; the footprint interior dimensions are § 3.76 m x 3.76 m, and the height is 2.5 m. The cage ceiling is lowered by plasticized aluminum strips. The strips are loosely attached to the carriers which are screwed to the ceiling. The cage has four ventilation openings (two on the ceiling and two on one wall), made of honeycomb waveguide holes. In one corner of the cage, there is a single door with J springs made of beryllium bronze.
For frequencies of a few tens of MHz, the skin effect is fully developed in the cage walls. By measuring the input impedance of the wire line parallel to a wall of the cage, we calculated the surface losses of the cage plates. ro
In addition, we used a magnetic probe to detect shield disconti- ^
nuities. We generated a strong current at a frequency of 106 kHz out- >
side the cage and measured the magnetic field inside the cage at the $
places of cage shield discontinuities. In this paper, we showed the in- g
fluence of these places on the measurement results, especially on the r
qualitative and quantitative changes of the cage resonant frequencies. js
Model of the cage o
On the basis of the testing, the initial simulation model of the cage a in the Wipl-D program consists of plates with losses, including losses at plate junctions, wall ventilation openings, aluminum profiles, profile carri-
E
ro .N
"TO
c <
simulation and the experimental results was achieved. We showed that the relative difference of the resonant frequencies between simulation and measurement is less than 1%. However, the relative difference of resonant frequency between simulation or measurement and theoretical <5 results is also less than 1%, except for TE101 and TE011 modes, for which
the relative difference is under 5%. We explained the exception by the influence of the places of the cage shield discontinuities on the measurement results.
>
o CM
IER Conclusion
RU The results of the simulations and the measurements for the final CO model show good agreement, both qualitatively and quantitatively. We
C showed that the resonant frequencies in the simulations and the
CA measurement results have same positions and depths. Also, the rela-
tive differences of the resonant frequencies are less than 1 %. CH As future work, we will provide a technique for the identification of TEC equivalent sources that represent the device under test. This would
>_ enable a characterization of the tested device in an arbitrary electro-
magnetic environment and allow a comparison of results obtained in different laboratories.
Key words: electromagnetic compatibility; Faraday cage; shielded enclosures; simulation; resonant cavities.
S AL
CD Datum prijema clanka/Paper received on: 04. 06. 2013.
Datum dostavljanja ispravki rukopisa/Manuscript corrections submitted on: 10. 10.2013. y Datum konacnog prihvatanja clanka za objavljivanje/ Paper accepted for publishing on: x 12. 10. 2013.
LU
T O
Z
O
>
