Verbeteren van de nauwkeurigheid en snelheid van EMI Near-Field Scanning

Een elektronisch product ontwikkelen, dat conform met de EMC directive is, blijkt een echte uitdaging te zijn. Mede door het feit dat elektronica altijd maar sneller en kleiner wordt. Een near-field scanner kan helpen me het elektronisch elektromagnetisch compatibel te maken.

Een near-field scanner meet het elektromagnetisch near field door een kleine probe dicht bij het product heen en weer te bewegen. Deze probe is een kleine antenne, of omzetter, dat het elektromagnetisch veld omzet naar een meetbare spanning of stroom. Het toestel geeft de maker van het product de mogelijkheid om het elektromagnetisch veld te zien en besturen, terwijl het ook een inzicht kan bieden naar het far-field en de stromen van het printed circuit board.

Alhoewel de near-field scanner al een nuttig toestel is, kan het zeker nog verbeterd worden naar de snelheid en nauwkeurigheid toe. In dit doctoraatswerk, worden oplossing gepresenteerd, die helpen om de snelheid en nauwkeurigheid van de near-field scanner te verbeteren.

In het eerste deel van deze thesis wordt de snelheid van de near-field scanner verbeterd door middel van een adaptief sampling algoritme. Dit algoritme voor near-field scanning is een samenwerking met IDLab onderzoeksgroep van INTEC-UGENT en is verder verbetert in deze thesis. Door het adaptief samplen, kan men het aantal meetpunten drastisch verlagen, waardoor ook de meettijd drastisch verlaagt. En dit met een kleine nauwkeurigheid fout. In dit doctoraatsonderzoek wordt de methode uitgebreid naar het samplen van niet enkel de amplitude, maar ook de fase. Alsook wordt de huidige methode aangepast om te samplen op eerder adaptief geselecteerde lijnen van meet punten.

Een tweede methode om de snelheid van near-field scanning te verbeteren is het opmeten van het near-field via een meting in het tijdsdomein. Deze methode, die heel snel blijkt te zijn voor het meten van meerdere frequentie componenten, heeft als nadeel dat de nauwkeurigheid veel lager ligt dan meten in het frequentie domain. In dit doctoraat stellen we een manier voor om de nauwkeurigheid van tijdsdomein metingen te verbeteren. Omwille van truncatie fouten wanneer men een Fourier transformatie toepast op het tijdsdomein signaal kunnen er grote fouten ontstaan op de berekende amplitude, fase en frequentie van de verschillende frequentiecomponenten. In deze thesis is de exacte foutbeschrijving opgesteld waarna een eerste algoritme wordt voorgesteld om de truncatie fout te verkleinen. Een tweede, meer geavanceerd, algoritme gebaseerd op een iteratief proces, zorgt ervoor dat de truncatie fout bijna volledig verdwenen is. Via deze algoritmes kan men de amplitude, fase en frequentie van alle frequentiecomponenten correct bereken.

Verder onderzoek naar de nauwkeurigheid van frequentiedomein metingen resulteerde in de vaststelling dat hoewel de probe relatief klein is, deze niet een enkel component in een enkel goed gedefinieerd punt opmeet. Dit resulteert in een groot verlies van nauwkeurigheid. De uitgang van de probe is een gewogen gemiddelde van het exacte veld met een bepaalde probe factor, eigen aan die probe. Wiskundig gezien is dit een convolutie van het exacte veld met de probe factor. In EMC near-field scanning, zijn er twee probe compensatie technieken ontwikkelt. (I) Scalaire compensatie (door Tankielun et al.) waar men veronderstelt dat de meetbare waarde enkel afhankelijk is van een enkele component van het elektromagnetisch veld, en (II) Vector compensatie (door Shi et al.) waar de meetbare waarde afhankelijk is van het complete elektromagnetisch veld. De convolutie van het exacte veld met de probe factor kan als een vermenigvuldiging in het vlakke golf domein gezien worden.  Alle spatiale near-field data kan omgezet worden naar het vlakke golf domein via een twee dimensionale Fourier transformatie. Deze Fourier transformatie zorgt echter ook voor extra fouten omwille van de truncatie van het veld. In dit doctoraatsonderzoek gaan we dieper in op de truncatie fout bij beide probe compensatie technieken. Ook is er een methode beschreven die de truncatie fout kan verminderen bij beide compensatie technieken.

Een derde methode om de snelheid van de near-field scanner te verbeteren is door gebruik te maken van een array van elektrisch geschakelde probes in de plaats van een enkele probe. Door een array van probes te gebruiken, kan men de totale meet tijd drastisch verkleinen. Geen enkele compensatie techniek is echter ontwikkelt om rekening te houden met de extra effecten, zoals mutuele koppeling, intern array pcb design, enzoverder. Daarom wordt er in deze thesis een compensatietechniek speciefiek voor een array van probes voorgesteld. Alsook enkele design guidelines zijn beschreven om toch de enkele probe compensatie technieken succesvol toe te passen op de array meetwaarden.