Distributed parameter circuit model of the electromagnetic clamp for immunity testing

The need to assess the radiated susceptibility (RS) of complex products in an industrial environment together with the necessity of the companies to rely on cheap, quick and repeatable tests lead the exploitation and the development of some alternative test procedures for the assessment of the RS. All of these test methods are based on the use of common electromagnetic compatibility (EMC) test devices that can be found in almost all the EMC laboratories of the world. In particular, one of them is based on the exploitation of the electromagnetic (EM) clamp. The EM clamp is actually an injection device of noise current aimed at assessing the conducted susceptibility (CS) of a system. Nevertheless, is it possible to use it (as long as other injection devices) in alternative RS tests, provided the availability of a good correlation between the noise current injected by the clamp and an equivalent EM field impinging the system under test. This thesis is aimed at finding a multi-conductor transmission line model (MTL) of the EM clamp allowing numerical simulations of the RS tests. Actually, a black-box (also called behavioural) model is still available in literature and it has been used to find a lumped-parameter equivalent circuit of the device. However, the development of a transmission line (TL) model of the clamp is aimed at studying the internal structure of the device and at finding an equivalent model that can be fit on all the EM clamps. The work has been organized in many steps: the first one was the study of the structure of an EM clamp proposed by the standards. Then, this structure has been compared to a real EM clamp available in the laboratories of the Department of Electronics, Information and Bioengineering (DEIB) in Politecnico di Milano. Some differences have been found in the adopted materials of the ferrites and in the internal loading conditions of the device. The following step was to estimate the per-unit length parameters of the model by means of approximated formulae taken from literature and numerical optimization. Indeed, some measurements have been performed on the clamp to fit the remaining unknown parameters. Then, the model has been validated through further measurements on a long test setup. In this phase, a correlation between the distributed-parameter and the lumped-parameter model has been found. Thus, it has been possible to discover which of the lumped parameters is essential in the modelling procedure and also to give a physical interpretation of the equivalent circuit over all the frequency band of interest. Finally, some simulations have been performed to the aim of obtaining some parameters defined in the standard IEC 6100-4-6 and to compare the results to the one reported in the standards. The consistency of the simulation with the standards is a further proof of the goodness of the distributed-parameter model developed in this thesis work.

Lo studio e lo sviluppo di metodi alternativi per misurare la suscettibilità radiata (RS) di un prodotto sono il risultato del crescente bisogno da parte del mondo industriale sia di conoscere la suscettibilità radiata di sistemi complessi che di poter contare su affidabili metodi di misura che siano allo stesso tempo economici, veloci e ripetibili. Tutti questi metodi alternativi si basano sull'utilizzo di comuni apparecchiature di compatibilità elettromagnetica (EMC) che possono essere trovate in quasi tutti i laboratori EMC del mondo. Tra loro, uno la pinza elettromagnetica (EM). In realtà, la pinza è un dispositivo che inietta correnti di disturbo nei prodotti da testare e viene normalmente utilizzata per determinare la suscettibilità condotta (CS) di un sistema. Ciò nonostante, è possibile utilizzarla (così come altri dispositivi di iniezione) anche nell'ambito dei test alternativi di suscettibilità radiata, a patto di poter correlare la corrente di disturbo con un campo elettromagnetico equivalente che irradia il sistema da testare. In questa tesi viene studiato un modello a linea di trasmissione multi conduttore (MTL) della pinza, in modo da poter effettuare delle simulazione numeriche dei test si suscettibilità radiata. In effetti, in letteratura è già disponibile un modello black-box (detto anche implicito) della pinza ed è stato utilizzato per determinare un circuito equivalente a parametri concentrati del dispositivo. Tuttavia, lo studio di un modello a linea di trasmissione è utile per capire meglio la struttura della pinza e per cercare un circuito equivalente che possa essere utilizzato per ogni dispositivo, dopo un'opportuna ottimizzazione sulla base della pinza a disposizione. Il lavoro è stato organizzato in diversi passaggi: il primo riguarda lo studio della struttura della pinza pubblicato all'interno delle norme. Successivamente, questa struttura è stata confrontata con la pinza a disposizione nei laboratori del Dipartimento di elettronica, informatica e bioingegneria (DEIB) al Politecnico di Milano. Sono state riscontrate alcune differenze nei materiali utilizzati nelle ferriti e nelle terminazioni interne del dispositivo. A questo punto, sono stati stimati i parametri per unità del modello attraverso sia formule approssimate contenute nei libri di testo a disposizione che ottimizzazione numerica. Infatti, sono state eseguite alcune misure sulla pinza in modo da poter adattare i parametri incogniti al dispositivo considerato. Il modello è stato quindi convalidato attraverso ulteriori misure fatte su un setup di prova più lungo della pinza. Durante questa fase, è stata studiata la correlazione tra il modello a parametri distribuiti e quello a parametri concentrati. In questo modo, è stato possibile scoprire quale dei parametri concentrati del precedente modello è essenziale nella descrizione del dispositivo e dare anche un'interpretazione fisica al circuito equivalente che sia valida in tutto l'intervallo di frequenze considerato. Infine, sono state eseguite delle simulazioni allo scopo di calcolare alcuni parametri riportati dalla norma IEC 6100-4-6 e confrontare questi risultati con quelli proposti. La congruenza tra simulazioni e norme è un'ulteriore prova della bontà del modello a parametri distribuiti studiato in questo lavoro di tesi.