Black-box model of an electromagnetic clamp for conducted susceptibility tests

The EMC standards introduce different devices to inject currents into the equipments under test (EUT). The source of disturbance, modeled by this conducted test, is an electromagnetic field coming from intended radiofrequency transmitters, under the assumption that the disturbed equipment is small compared with the wavelengths of the interfering signals. The disturbing fields are approximated by the electric and magnetic near-fields due to the voltages and currents caused by the conducted injection techniques. The main coupling devices (CDs) used for the conducted susceptibility tests will be introduced in order to have a complete spectrum of the devices on the market and to assess the lack of a model to predict the behaviour of the electromagnetic clamp (EM clamp). Thus, among these coupling devices, the use of the EM clamp will be the subject of study of this thesis. In particular, the aim is to develop a black-box model to simulate the phenomenon of current injection starting from the measurements of the scattering parameters, taken with a Vector Network Analyzer (VNA). Furthermore, the model will be verified by means of validation and injection tests, replacing the test fixtures, changing the position of the EM clamp and the loads connected at the ports of the device. This black-box model would allow the users to predict the voltage at the EUT port of the CD, this is something that, for an EM clamp injection test, has never been achieved in the past literature. This modelling scheme does not require a priori knowledge of the geometrical characteristics of the EM clamp, which are not accessible by direct inspection, given its very complex structure. The steps to obtain the final model include an accurate de-embedding procedure so that the measured effects of the calibration fixtures will not be included in the model of the clamp. In addition, the black-box model, verified by means of validation and injection tests, will be analysed in order to retrieve a viable electrical model; three models were considered and the one that gives the best fitting will be exploited to give an electrical interpretation of the behaviour of the EM clamp. The modeling is realized starting from the measurements made at IMQ S.p.A., an accredited EMC laboratory in Milan, in collaboration with the EMC group led by prof. S. A. Pignari of the Department of Electronics, Information and Bioengineering (DEIB) of the university Politecnico di Milano (Milan, Italy) and the High Voltage Institute of the Xi’an Jiaotong University (Xi’an, China).

Le norme di compatibilità elettromagnatica (EMC) introducono diversi dispositivi per iniettare correnti nelle attrezzature in prova (EUT). La fonte di disturbo, modellata da questo test di tipo condotto, è un campo elettromagnetico generato da trasmettitori a radiofrequenze predefinite, sotto l'ipotesi che l'apparecchiatura disturbata sia piccola rispetto alle lunghezze d'onda dei segnali di interferenza. I campi di disturbo sono approssimati dai campi elettrici e magnetici di breve distanza dovuti alle tensioni e correnti causati dalle iniezioni di tipo condotto. Le principali unità di accoppiamento (CD), utilizzate per i test di immunità condotta, saranno introdotte per disporre di una gamma completa dei dispositivi presenti sul mercato e per valutare la mancanza di un modello in grado di prevedere il comportamento della pinza elettromagnetica (EM clamp). Per questo motivo, tra questi dispositivi di accoppiamento, la pinza EM in particolare sarà oggetto di studio di questa tesi. Lo scopo è quello di sviluppare un modello black-box per simulare il fenomeno di iniezione di corrente a partire dalle misure dei parametri scattering, misurati con un analizzatore di rete vettoriale (VNA). Successivamente, il modello sarà verificato mediante test di validazione e d’iniezione, sostitutuendo i kit di calibrazione, cambiando la posizione della pinza EM ed i carichi collegati alle porte del dispositivo. Questo modello black-box consentirebbe di prevedere la tensione alla porta EUT della CD; questo è qualcosa che, per un test di iniezione con pinza EM, non è mai stato ottenuto in passato. Questo schema di modellazione non richiede una conoscenza a priori delle caratteristiche fisiche della pinza EM, non accessibili mediante ispezione diretta data la sua struttura molto complessa. Gli step per ottenere il modello finale includono un’accurata procedura di de-embedding, in modo che gli effetti dei kit di calibrazione di riferimento non siano inclusi nel modello della pinza. Il modello black-box, verificato mediante i test di validazione e di iniezione, sarà po analizzato al fine di creare un modello elettrico coerente; tre modelli sono stati esaminati e quello che in grado di dare il miglior raccordo sarà sfruttato per dare un'interpretazione elettrica del comportamento della pinza EM. La modellazione è stata realizzata a partire dalle misurazioni effettuate presso la ditta IMQ SpA, dotata di laboratorio accreditato per le prove EMC, in collaborazione con il gruppo EMC guidato dal professore S. A. Pignari del Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria (DEIB) del Politecnico di Milano e l'High Voltage Institute della Xi'an Jiaotong University (Xi'an, Cina).