Analysis of multiple-antenna stirring technique for reverberation chambers with pre-correlated excitation signals

Nowadays, reverberation chambers (RC) are facilities of common use for EMC tests. Their objective is the generation of a statistically uniform field within the working volume, as required by international standards. At high frequency, a cavity can be considered as a natural reverberating environment. This does not occur in the low frequency range, because the modal density is too low to provide isotropic and independent field contributions. The lowest usable frequency (LUF) is commonly regarded as the threshold frequency value above which the cavity fulfils the operational requirements. The working frequency depends on the RC characteristics, as the volume, the coating and the inner medium. Once the facility is designed, the only possibility to improve the cavity field uniformity is to arrange a stirring technique which modifies the boundary conditions in time and space. Most of the traditional stirring approaches, as rotating paddles, fail when the working frequency is close to the LUF, because of a lack of available independent modes. In the past decades, many new techniques raised to overcome this problem, but they are mainly based on a random combination of the inner field contributions. So, the improvements they produce are narrowed. In this study, a multiple-antenna stirring (MAS) approach is investigated in detail. As its name suggests, it requires the installation of many excitation sources. In the past, similar techniques were presented, but with unsatisfactory results, because they injected in the chamber completely independent and identically distributed (i.i.d.) signals. The innovative aspect of this new MAS is represented by the application of a set of pre-correlated excitation signals (PES) generated through a conditioning filter. The latter exploits the measurements of the cavity field provided by some monitoring probes. Then, it modifies the i.i.d. input signals, making them correlated to combine the field contributions in a specific way. The result is an effective increasing number of available degrees of freedom. So, the RC becomes capable of giving statistical field uniformity within acceptable uncertainty even at working frequencies below the LUF.At the beginning of this work, it is described the theoretical model of the MAS technique with optimal excitation signals, which is based on the modal theory since it allows a direct insight of the modal topographies and frequency responses. Then, a simplified RC structure is created to simulate the system evolution during the stirring process. In particular, the analysis focuses on three parameters which mainly influence the field distribution; they are the number of available modes, the excitation antennas and the measured field components to design the pre-conditioning filter. In this way, the fundamental aspects to take care when MAS with PES is implemented, are highlighted. Each result is compared with those obtained when the chamber is directly excited by multiple but independent signals. From simulations, MAS with optimal signals turns out to be a practical tool to obtain a statistically uniform field inside a reverberation chamber working below the LUF. It does not depend on the working frequency, but the main benefits stand out when the cavity is undermoded and there is complete control of the available degrees of freedom. So, this evolution of the traditional MAS presents remarkable advantages and future works should be encouraged to reduce the complexity and the costs of its implementation.

Le camere riverberanti (CR) sono ambienti oggi comunemente impiegati per eseguire prove di compatibilità elettromagnetica. La loro funzione è di garantire un campo statisticamente uniforme all’interno del volume di lavoro, così come previsto dagli standard internazionali. Ad alte frequenze una cavità opera come un naturale sistema riverberante. A basse frequenze questo non accade, perché la densità modale è troppo esigua per rendere i contributi di campo isotropi ed indipendenti. La minima frequenza di utilizzo (in inglese lowest usable frequency, LUF) è considerata il valore limite di frequenza sopra il quale la cavità soddisfa i requisiti operativi, quali l’uniformità di campo. La frequenza di lavoro della CR dipende dal suo volume e da caratteristiche quali il tipo di rivestimento delle pareti ed il mezzo interno. Una volta che l’ambiente di prova è progettato, un limitato intervallo di frequenze di lavoro è possibile. Quando è necessario operare a frequenze inferiori alla LUF, l’unico modo per migliorare l’uniformità del campo al suo interno è di installare degli stirrer che modifichino le condizioni al contorno nello spazio e nel tempo. La maggior parte delle tradizionali tecniche di stirring, come quelle meccaniche, falliscono quando la frequenza di lavoro è inferiore alla LUF, per via della scarsa presenza di modi indipendenti. Nei decenni passati, molti nuovi approcci sono stati sviluppati per risolvere questo problema, e la maggior parte si basa sulla combinazione casuale dei contributi di campo a disposizione. Per questo motivo, in genere i miglioramenti che apportano sono ridotti. In questo lavoro di tesi viene presentato un innovativo approccio di stirring che prevede l’utilizzo di molte antenne in parallelo per eccitare il campo della camera. In passato, tecniche similari sono state sperimentate con risultati poco soddisfacenti. L’ insuccesso è probabilmente dovuto al fatto che i segnali di ingresso utilizzati fossero totalmente indipendenti ed identicamente distribuiti. L’aspetto innovativo della tecnica qui riportata è l’applicazione di un insieme di segnali di eccitazione pre-correlati tramite un filtro. La loro correlazione è definita in funzione dei valori del campo misurati all’interno della CR per mezzo di sonde. Se la correlazione è applicata a segnali gaussiani, è possibile modificare la distribuzione di campo della camera, rendendola statisticamente uniforme entro accettabili livelli di incertezza, anche quando la frequenza di lavoro è inferiore a quella minima di utilizzo. Nella parte iniziale di questo lavoro, è descritto il modello teorico della tecnica di stirring multi-antenna che sfrutta segnali di ingresso pre-correlati. Esso in particolare si basa sulla teoria modale, che permette di analizzare separatamente la topografia dei modi e le loro risposte in frequenza. Una struttura semplificata è così generata per simulare l’evoluzione dell’intero sistema durante il processo di stirring. L’analisi si concentra intorno ai principali tre parametri che influenzano la distribuzione di campo: essi sono il numero dei modi disponibile, delle antenne d’eccitazione e delle componenti di campo misurate per stabilire la correlazione tra i segnali d’ingresso. Per evidenziare il miglioramento apportato da questa tecnica, i risultati sono confrontati con quelli ottenuti quando la CR è eccitata da segnali completamente indipendenti. Dalle simulazioni condotte si evince che l’approccio multi-antenna con segnali correlati è uno strumento di utilità pratica per ottenere un campo uniformemente distribuito all’interno di una cavità, permettendo di abbassare la frequenza minima di utilizzo. L’efficacia della tecnica non dipende dalla frequenza di lavoro, ma si possono trarre maggiori vantaggi a basse frequenze e, in particolar modo, quando si dispongono di tante antenne quanti sono i gradi di libertà del sistema. Questo sviluppo del tradizionale approccio multi-antenna presenta quindi evidenti vantaggi e ulteriori studi futuri dovrebbero essere intrapresi per ridurne la complessità ed i costi di implementazione.