Towards efficient EMC testing for CubeSats: development and application of equivalent Dipole Models

The increasing complexity and integration of modern electronic systems necessitate advanced methodologies for electromagnetic compatibility (EMC) assessment. This thesis focuses on the development and application of simplified equivalent radiation models for printed circuit boards (PCBs) to facilitate efficient EMC testing and coupling estimation in real working environments. In particular, this work addresses the need for tailored EMC testing for CubeSats (small modular satellites) and CubeSat components. To this end, an approach based on Infinitesimal Dipole Models (IDMs) is proposed. The methods developed in this thesis build upon and extend the substantial existing body of literature on IDM modeling and near-field scanning. The work is structured around three main research objectives: (1) efficient measurement of radiated near fields, (2) development of an improved IDM construction method, and (3) application of IDM-based simulations to model electromagnetic coupling between PCBs. Overall, this thesis provides a comprehensive framework for constructing advanced equivalent electromagnetic models of PCBs, offering a pathway to simulation-driven EMC compliance. The challenges of transitioning from simulation to real-world measurements are addressed by providing a comprehensive framework for wideband measurements. This includes detailing strategies to identify critical frequencies of interest from the measured spectra at the sample points. Additionally, a novel approach for constructing surrogate models of near-field maps from the sampled data is presented. This leads to the development of a new adaptive sampling technique that significantly reduces measurement time while improving the accuracy of the field map estimation. The development of equivalent IDMs to reproduce the acquired field data is also considered. Typically, the model comprises only the dipole sources and a reflecting plane to represent ground; however, including both a ground plane and a dielectric slab to represent the substrate enhances its versatility and extends the model's validity across a variety of environments. A novel method, based on partial image expansion, is proposed to rapidly estimate the near fields of infinitesimal dipoles above a PEC-backed substrate. Additionally, a new optimization technique is introduced and employed to fit the IDM to the measured data. This method is an image-processing-based approach that relies on morphological binary erosion. It provides a significant time advantage over traditional stochastic optimization methods and remains efficient even when generating models with a large number of dipoles. Finally, the IDMs are constructed in a commercial solver software tool and simulated to recreate the electromagnetic environment in various setups. In particular, a novel approach is introduced to use IDM-based simulation results to estimate the electromagnetic coupling between boards. It is verified that IDMs can be used to estimate the mutual coupling between PCBs in a CubeSat environment. Although the implications of coupling on system performance require further investigation, these results highlight the potential of IDM-based modeling to guide EMC design and testing for CubeSats. By bridging the gap between near-field measurement, equivalent source modeling, and coupling estimation, this work provides a robust framework and insights for the development of simulation-based EMC testing of modern electronic systems, such as CubeSats.

La complessità e l’integrazione dei sistemi elettronici moderni richiede metodologie avanzate per la valutazione della compatibilità elettromagnetica (EMC). Questa tesi si concentra sullo sviluppo e sull'applicazione di modelli equivalenti di radiazione per schede elettroniche (PCB), al fine di facilitare test EMC e stimare l'accoppiamento tra PCB nelle effettive condizioni operative. In particolare, la necessità di test EMC personalizzati per CubeSat (piccoli satelliti modulari) viene sottolineata e, a tal fine, è proposto un approccio basato su simulazioni di modelli a dipoli infinitesimali (IDM). Le metodologie sviluppate in questa tesi si basano e ampliano il considerevole corpus di letteratura esistente sulla modellazione IDM e sulla scansione in campo vicino dei campi elettromagnetici. Il lavoro è strutturato attorno a tre principali obiettivi di ricerca: (1) misurazione efficiente dei campi irradiati in campo vicino, (2) sviluppo di un metodo efficiente per la costruzione di IDM, e (3) applicazione di simulazioni basate su IDM per modellare l'accoppiamento elettromagnetico tra PCB. Complessivamente, la tesi fornisce un quadro completo per la costruzione di avanzati modelli elettromagnetici equivalenti di PCB, offrendo un percorso verso la conformità EMC guidata da simulazione. Le sfide legate al passaggio dalla simulazione alla misurazione reale vengono affrontate fornendo un quadro completo e operativo sulle misurazioni a larga banda. Nello specifico, vengono introdotte delle strategie per identificare le frequenze critiche di interesse a partire dagli spettri a banda larga misurati nei punti di campionamento. Inoltre, viene presentato un nuovo approccio per costruire modelli surrogati delle mappe di campo vicino a partire dai dati campionati. Ciò porta allo sviluppo di una nuova tecnica di campionamento adattativo che riduce significativamente i tempi di misura migliorando al contempo l'accuratezza della stima del campo vicino. Dopodiché viene considerato lo sviluppo di modelli IDM equivalenti per riprodurre la mappa acquisita dei campi elettromagnetici. Tipicamente, il modello comprende solo le sorgenti a dipolo e un piano riflettente per rappresentare la massa; tuttavia, includere sia un piano di massa sia una lastra di dielettrico per rappresentare il substrato ne aumenta la versatilità ed estende la validità del modello a una varietà di ambienti. Per stimare rapidamente i campi vicini di dipoli infinitesimali in questa configurazione, viene proposto un metodo innovativo, basato sull'espansione parziale delle immagini. Successivamente viene introdotta e impiegata una nuova tecnica di ottimizzazione degli IDM per allinearli ai campi misurati. Questo metodo, basato su image processing, utilizza l'erosione morfologica binaria e offre un vantaggio significativo rispetto ai metodi di ottimizzazione stocastica tradizionali, rimanendo efficiente e veloce anche nella generazione di modelli con un numero elevato di dipoli. Infine, i modelli IDM vengono costruiti in un software commerciale di simulazione e utilizzati per ricreare l'ambiente elettromagnetico in diversi scenari. In particolare, viene introdotto un approccio innovativo per utilizzare i risultati delle simulazioni basate su IDM al fine di stimare l'accoppiamento elettromagnetico tra schede. Viene dimostrate che i modelli IDM possono essere utilizzati per stimare l'accoppiamento reciproco tra PCB in un ambiente CubeSat. Sebbene le implicazioni dell'accoppiamento sulle prestazioni del sistema richiedano ulteriori indagini, questi risultati evidenziano il potenziale della modellazione basata su IDM per guidare la progettazione e i test EMC per i CubeSat. Colmando il divario tra misurazioni in campo vicino, modellazione di sorgenti equivalenti e stima dell'accoppiamento, questo lavoro fornisce un quadro robusto per lo sviluppo di test EMC basati sulla simulazione per sistemi elettronici moderni, come i CubeSat.