Modeling injection devices for susceptibility verifications at unit Level

The research activity documented in this thesis is motivated by the growing interest of the Electromagnetic Compatibility (EMC) community for the development of test procedures that can be valid alternatives to traditional radiated susceptibility tests. As a matter of fact, radiated susceptibility procedures are quite expensive and time consuming, since they involve anechoic or reverberating chambers and they are not suitable for pre-compliance verifications. Some preliminary studies highlighted the possibility of exploiting conducted susceptibility procedures in spite of the radiated ones for suitable low frequency operation. Namely, correlation among alternative tests was theoretically set up in frequency ranges which are parts of the working intervals of the considered procedures. Conducted susceptibility tests based on current injection through Bulk Current Injection probe and Tubular Wave Coupler are a valid alternative to the radiated susceptibility assessment. Moreover, they allow immunity verifications in complementary frequency intervals; in principle, a concerted employment of them can allow injection on an overall range from some kHz up to few GHz. In such framework, this thesis focuses on modeling Bulk Current Injection probe and Tubular Wave Coupler so to enforce correlation between the interference induced by field illumination and by current injection. Initially, behavioral black box models based on measurements were developed to preliminary investigate the undergoing coupling phenomena between the generator circuits and the victim conductors. Then, circuit models were developed for either single- and multi-conductor setups. Thus, explicit formulations of the networks adopted for the interpretation of the black box representations were obtained through analytical formulas and transmission line theory. Then, some efforts were spent for implementing a robust circuit model in SPICE for the Bulk Current Injection probe suitable for time domain simulations, even in the presence of non linear devices (e.g., diodes). Moreover, 3D electromagnetic models were developed as well by realizing accurate virtual reproductions of the considered devices in terms either of geometrical dimensions and materials. These virtual devices allow the simulation of test setups that may be difficult to realize in practice. Consequently, calibration structures for both the injection devices were studied and modeled. In this way, it is possible to simulate all stages of a real test for conducted susceptibility assessment; that is, the objective is to have a virtual laboratory at disposal for fast pre-compliance checks. Based on these models, modal analysis was carried out to assess the nature of injection of the two devices on multi-wire bundles in terms of common and differential modes. With this aim, equivalent modal circuits were proposed for predicting the physical interference due to the Bulk Current Injection probe. Some of the models proposed in this thesis were applied to susceptibility test cases of interest for the automotive sector, in the framework of a collaboration with BOSCH (USA) and CST.

L'attività di ricerca documentata in questa tesi è motivata dal crescente interesse della comunità scientifica di compatibilità elettromagnetica verso lo sviluppo di procedure di test che possano essere delle valide alternative alle verifiche di suscettibilità radiata tradizionali. In effetti, questo tipo di test è piuttosto costoso e richiede tempi lunghi di esecuzione, dato che viene svolto in camere anecoiche o riverberanti. Inoltre, non è adatto per effettuare delle verifiche di pre conformità di un dispositivo. Alcuni studi preliminari hanno evidenziato la possibilità di utilizzare alcune procedure di suscettibilità condotta al posto di quelle radiate, nell'ipotesi di considerare intervalli di frequenza sufficientemente bassi. In pratica, la relazione tra le due tipologie di test deve essere imposta su un intervallo di frequenza comune tra i range di utilizzo delle due procedure considerate. I test di suscettibilità condotta basati sull'iniezione di corrente attraverso la pinza di iniezione di corrente (Bulk Current Injection probe) e il Tubular Wave Coupler sono una concreta alternativa alle verifiche di suscettibilità radiata. Inoltre, questi due oggetti permettono di effettuare verifiche di immunità in intervalli di frequenza complementari tra loro; in linea di principio, un loro impiego concertato può consentire l'iniezione di disturbi su un intervallo di frequenze complessivo che si estende a partire da alcuni kHz fino a qualche GHz. In particolare, questa tesi tratta la modellazione della pinza e del Tubular Wave Coupler in modo da poter imporre la correlazione tra il disturbo indotto da un campo incidente e da quello dovuto all'iniezione di corrente dovuto a questi due dispositivi. Inizialmente, sono stati sviluppati dei modelli comportamentali black-box basati su alcune misure sperimentali. In questo modo, è stato possibile studiare preliminarmente i fenomeni di accoppiamento in gioco tra la sorgente del disturbo e i conduttori accoppiati. Successivamente, sono stati studiati alcuni modelli circuitali per la modellazione di configurazioni di test sia a conduttore singolo che multi conduttore. Utilizzando formule analitiche e la teoria delle linee di trasmissione, sono state ottenute delle formulazioni esplicite adottate anche per l'interpretazione dei modelli black-box. Inoltre, è stato migliorato un modello SPICE per la pinza in modo da permettere simulazioni nel dominio del tempo in presenza di dispositivi non lineari (ad esempio, di diodi). Inoltre, a partire dalle dimensioni geometriche dei due dispositivi di iniezione e dai materiali di cui sono composti, sono stati sviluppati dei modelli elettromagnetici tridimensionali. Questi “dispositivi virtuali” permettono di svolgere simulazioni di configurazioni di test difficili da realizzare nella pratica. Di conseguenza, sono state modellate anche le strutture di calibrazione per entrambi i dispositivi di iniezione. In questo modo, è possibile simulare tutte le fasi di una procedura di test reale per la valutazione della suscettibilità condotta; l'obiettivo è, infatti, avere a disposizione un laboratorio “virtuale” che permetta di effettuare dei controlli indicativi di pre-conformità. È stata effettuata un'analisi modale sulla base di questi modelli al fine di valutare la natura dell'iniezione dei due dispositivi su cablaggi multi conduttore. In seguito, sono riportati alcuni circuiti equivalenti modali sviluppati per predire il disturbo dovuto all'iniezione di corrente della pinza. Infine, alcuni dei modelli proposti in questa tesi sono stati applicati a test di suscettibilità svolti in ambito automotive, durante uno studio svolto in collaborazione con BOSCH (USA) e CST.