Experimental validation of wavefronts generation

This report is the result of about seven months of efforts, four of which spent in France, working for the department of electromagnetism in Supélec, École Supérieure d'Électricité. The main topic developed in such a period of time was the experimental validation of the Time Reversal Electromagnetic Chamber (TREC), an innovative technique that allows to generate wavefronts within complex media, e.g., reverberation chambers. The dissertation is oriented toward the electromagnetic compatibility (EMC) field, particularly in the application of such a technique for radiated susceptibility tests. To begin with, a preliminary theoretical study on electrically large cavities has been carried out, particularly focusing on wave diffusive environment and its main characteristics. The application and the study of the time reversal (TR) technique came after, consequently defining and analyzing the innovative TREC approach. The core of the project followed, i.e., the validation of the TREC and the generation of the first wavefront by means of this method. Such a technique implies a preliminary learning phase during which the working environment has to be characterized. This system determination involves the displacement of a robot within a reverberation chamber. Such a displacement was analyzed in order to evaluate its impact on the TREC feasibility. In fact, the movement of a device inside a reverberation chamber modifies the boundary conditions of the system, potentially invalidating the previous characterization. It was demonstrated, during the project, that the perturbation introduced by the robot is definitively compatible with the TREC implementation. Once solved the practical issues, some preliminary test involving the classical time reversal were carried out, to which it finally followed the application of the TREC. The first wavefronts were generated, and by means of this technique it was possible to modify the direction of arrival, the polarization and the shape of the field, without any mechanical displacement. In fact, one of the main attractive features of this particular approach is the possibility to generate whatever wavefront without the need for mechanical displacements (as it is the case for tests carried out in anechoic environment). Another very interesting characteristic is the capacity to dramatically increase the energy test efficiency. This is possible because energy is concentrated rather than spread all over the cavity, easily leading to an energy test efficiency one hundred times higher than a test carried out in a normal reverberation chamber. In order to present all the results, this report is organized into four chapters. The first one, starting from the study of cavities and their main features, gives the basis to theoretically prove the TREC approach. The second chapter shows and faces all the practical realization problems that had to be overcome to apply such a technique, mainly focalizing on the perturbation of the robot. The third one presents the tests results, starting from those implying the classical time reversal, to finally show the first TREC generated wavefronts. The fourth and last chapter draws the conclusions of the whole dissertation and foresees the next steps and possible applications of the TREC technique.

Questa tesi è il risultato di circa sette mesi di sforzi, quattro dei quali passati in Francia lavorando per il dipartimento di elettromagnetismo a Supélec, École Supérieure d'Électricité. L'argomento principale sviluppato in tale periodo è stato la validazione sperimentale della Time Reversal Electromagnetic Chamber (TREC), una tecnica innovativa che permette di generare fronti d'onda in mezzi complessi, come ad esempio una camera riverberante. La discussione è orientata verso il campo della compatibilità elettromagnetica (EMC), in particolare nell'applicazione di tale tecnica per test di suscettibilità radiata. Per cominciare, si è svolto uno studio preliminare sulle cavità elettricamente larghe, focalizzando l'attenzione sulle proprietà e le caratteristiche di un ambiente diffusivo. Si è studiata poi la tecnica del time reversal (TR), introducendo e definendo conseguentemente la TREC. É seguito poi il cuore del progetto, cioè la validazione sperimentale della TREC e la generazione del primo fronte d'onda tramite questo approccio. Tale tecnica comporta una fase preliminare (learnig phase) durante la quale l'ambiente di lavoro deve essere caratterizzato. Per fare ciò è necessario il dislocamento di un robot all'interno di una camera riverberante. Nel corso del progetto tale spostamento è stato analizzato per valutare il suo impatto sulla messa in pratica della TREC. É noto infatti che il movimento di un oggetto all'interno di una camera riverberante ne modifica le condizioni al contorno, potenzialmente invalidando la caratterizzazione precedentemente fatta. É stato quindi dimostrato che la perturbazione introdotta dal robot è decisamente compatibile con l'implementazione della TREC. Risolti i diversi problemi pratici, si sono svolti alcuni test preliminari riguardanti il time reversal classico. A tali test è infine seguita l'applicazione della TREC vera e propria. Sono stati generati i primi fronti d'onda e grazie a tale tecnica è stato possibile modificarne la direzione di arrivo, la forma e la polarizzazione senza il bisogno di alcun movimento meccanico. Infatti una delle caratteristiche più interessanti di questo approccio è proprio la possibilità di generare qualunque fronte d'onda senza il bisogno di movimenti meccanici di antenne o altro materiale (come invece succede nel caso di test in camera anecoica). Un'altra caratteristica molto interessante di tale tecnica è la capacità di aumentare drammaticamente l'efficienza energetica del test. Questo è possibile perché l'energia viene concentrata piuttosto che essere sparsa in maniera aleatoria per la camera, portando facilmente a valori di efficienza più di cento volte superiori rispetto a test fatti in camera riverberante. Per presentare i risultati quindi, questa tesi è organizzata in quattro capitoli. Nel primo, partendo da uno studio sulle cavità e le loro caratteristiche più importanti, si costruiscono le basi per poter dimostrare teoricamente la TREC. Il secondo capitolo mostra e affronta tutti i problemi pratici nella messa in pratica di tale tecnica, ponendo particolare attenzione sulla perturbazione introdotta dal robot. Il terzo capitolo presenta i risultati dei test, cominciando da quelli riguardanti il time reversal classico per poi infine mostrare i primi fronti d'onda generati tramite la TREC. Il quarto ed ultimo capitolo ricapitola velocemente quanto esposto e prevede i prossimi sviluppi e applicazioni della TREC.