Studio e taratura di una camera anecoica fino a 6 GHz

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Sommario 
 
In questa tesi si Ł svolta un analisi approfondita del principale sito di prova per la 
misurazione delle emissioni irradiate da un dispositivo elettronico: la camera 
semianecoica. 
All inizio si sono studiati i documenti di riferimento che i Laboratori accreditati devono 
seguire per valutare l incertezza di misura nei processi di calibratura e nelle dichiarazioni 
da riportare nei certificati di taratura.  
Il lavoro della tesi si Ł svolto presso il Laboratorio Accreditato Sinal EUROTEST di 
Brugine (PD) con l obiettivo di adeguare, con oculate scelte tecniche ed economiche, il 
sito alle normative CEI EN che entreranno in vigore da ottobre 2011. 
Si sono inizialmente acquisite le conoscenze sugli aspetti teorici e pratici legati 
all approntamento di una camera semianecoica. Si Ł quindi realizzato un modello 
matematico, che simula il comportamento delle rifrazioni all interno della camera, utile 
per l anecoicizzazione delle pareti interne (e del soffitto) del sito nei  range 30-1000 MHz 
e 1-6 GHz. In particolare questo modello Ł risultato fondamentale per la calibrazione nel 
range 1-6 GHZ non ancora studiato in letteratura scientifica ma previsto dalla nuova 
edizione della Norma CEI EN 55022.  
Partendo da questo modello si Ł progettato un allestimento iniziale che Ł stato poi 
migliorato in seguito alle informazioni di volta in volta acquisite dai diversi test 
sperimentali. Esperienze e conoscenze cos  ottenute hanno permesso di arrivare ad una 
configurazione finale del sito rientrante nei limiti imposti dalla norma. 
Raggiunto questo primo obiettivo di adeguatezza della camera Ł stato possibile effettuare 
test di emissione irradiata e di immunit  su inverter (eolici e fotovoltaici) e studiare le 
soluzioni piø adeguate per clienti del laboratorio. 
Obiettivo principale di questo lavoro Ł stato quello di ottenere le condizioni per 
l accreditamento futuro della camera semianecoica del laboratorio presso il quale si Ł 
svolto. 
 
 
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Introduzione  
 
La Compatibilit  Elettromagnetica si prefigge di studiare le condizioni entro le quali gli 
apparecchi elettronici conservano le prestazioni previste anche in presenza di disturbi 
esterni con la garanzia che il dispositivo non disturbi a sua volta le prestazioni di altri 
apparati operanti nello stesso ambiente. Le misurazioni di emissione irradiate dovrebbero 
essere idealmente condotte in siti di prova all aperto ma per ovvie ragioni si utilizzano siti 
che ne riproducono le caratteristiche chiamati camere anecoiche o semianecoiche. Per 
simulare le condizioni di un sito all aperto si preferisce impiegare una camera 
semianecoica, cioŁ una camera schermata nei confronti dei campi elettromagnetici esterni 
e rivestita internamente, con esclusione del pavimento, di materiale anecoico.   proprio 
su quest ultima tipologia di sito che verr  concentrata l attenzione di questa trattazione.  
Lo studio si articola in cinque capitoli di cui il primo espone gli elementi fondamentali 
che caratterizzano l incertezza di misura nei test di compatibilit  e presenta un metodo 
per calcolarla ed esprimerla correttamente.  
Nel secondo capitolo si studia la camera semianecoica nelle sue caratteristiche strutturali 
e teoriche con particolare attenzione allo studio delle riflessioni sul piano di massa e sulle 
pareti generate da un antenna trasmittente e captate da un antenna ricevente. Vengono 
modellizzate le riflessioni per comprendere meglio il loro contributo durante le tarature e 
i test di compatibilit .  
Nel terzo capitolo si descrivono le normative di riferimento, la strumentazione utilizzata e 
la procedura per la calibrazione della camera semianecoica nei range 30-1000 MHz e 1-6 
GHz. Vengono eseguite prove sperimentali per la stima dei valori fondamentali nella 
taratura della camera. Particolare attenzione viene rivolta al range 1-6 GHz in quanto, in 
questo intervallo di frequenze, la taratura non Ł mai stata analizzata in Laboratorio.  
Nel quarto capitolo si descrivono le tecniche di analisi e di misura riguardanti la prova di 
immunit  ai campi elettromagnetici a radiofrequenza irradiati e le caratteristiche di 
radiodisturbo.  
Nell ultimo capitolo si compiono dei test per un inverter eolico analizzandone le 
emissioni ed effettuando i test di immunit  irradiata. 
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Capitolo 1  
 
INCERTEZZA DI MISURA  
 
1.1 Introduzione all incertezza di misura 
Questo capitolo espone gli elementi fondamentali che caratterizzano l incertezza di 
misura e presenta un metodo per calcolarla ed esprimerla correttamente. L incertezza Ł 
una grandezza, associata al risultato di una misurazione, che caratterizza la dispersione 
dei valori che possono essere ragionevolmente attribuiti alla grandezza sottoposta a 
misurazione, grandezza che chiameremo misurando. L informazione ottenuta dal 
procedimento di misurazione deve essere accompagnata da una misura di incertezza da 
cui Ł affetta la stima del misurando e dall intervallo dei valori che la caratteristica in 
oggetto pu  assumere.  
Dal momento che nessuna quantit  fisica pu  essere misurata con accuratezza assoluta, il 
risultato di una misurazione consiste in una stima del misurando. La qualit  della 
conoscenza di una grandezza fisica dipende sia dalla accuratezza della strumentazione 
usata, sia dalle condizioni ambientali, sia dal livello di conoscenza del fenomeno su cui si 
sta indagando. 
Ora si presenter  un metodo per calcolare ed esprimere correttamente l’incertezza di 
misura. Ci sono varie norme e raccomandazioni di organizzazioni internazionale che 
spiegano i vari metodi di calcolo: ci si avvarr  dell approccio utilizzato dallo standard 
ISO/IEC 17025, usato per i laboratori accreditati da UKAS (UNITED KINGDOM 
ACCREDITATION SERVICE). Questo standard adotta la guida EA-4/02 "Expression of 
the uncertainty of measurement in calibration". 
 
 
Capitolo 1 
2 
 
Si approfondir  la sequenza da seguire che prevede questi passi: 
• capire quali elementi influiscono sul processo di misura e quali siano da ritenere 
significativi; 
• considerare le loro incertezze e classificarle secondo due tipologie che prevedono di 
calcolarle o di ricavarle da fonti disponibili; 
• sommarle per trovare l’incertezza composta 
• individuare dei fattori correttivi sulla base dei quali poter ottenere l incertezza estesa 
U ; 
• ottenere la misura come media delle misure rilevate – U. 
 
1.2 Definizioni 
Equazione del processo di misura  
La quantit  che si vuole misurare Y  (misurando) Ł legata ad n grandezze X1, X2, . . . , XN, 
tramite una funzione f, chiamata equazione di misura:  
Y = f(X1, X2, . . . , XN) (1.1)
Le grandezze Xi possono anche essere fattori correttivi, o fattori che tengono in 
considerazione altre sorgenti di variabilit  della misura (dipendenti da altri operatori, altri 
strumenti di misura, altri campioni, altri laboratori, altri momenti di rilevazione, etc.).  
La funzione f dell’equazione (1.1) non Ł l’espressione di una legge fisica, ma descrive 
matematicamente l intero processo di misura. Le Xi  devono rappresentare tutte le quantit  
che possono contribuire in modo significativo all’incertezza della misura.  
La variabile di uscita Y viene stimatacon y, ottenuta dalla (1.1) in funzione delle stime x1, 
x2, . . . , xN delle quantit  X 1, X2, . . . , XN, da cui si ottiene: 
y = f(x1, x2, . . . , xN). (1.2)
 
1.3 Classificazione dei contributi dell’incertezza di misura     
L’incertezza di misura di y nasce dalle incertezze sulle (xi) (indicate nel seguito con 
ui = u(xi). Queste vengono chiamate contributi di incertezza e vengono normalmente 
classificate in base al metodo utilizzato per calcolarle.  Si distinguono incertezza di tipo A 
e incertezza di tipo B.  
Incertezza di misura 
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Incertezza di tipo A 
¨ il metodo di valutazione dell’incertezza basato su lla analisi statistica di una serie di 
misure (es. quando si calcola lo scarto tipo campionario delle misure rilevate). 
 
Incertezza di tipo B 
¨ il metodo di valutazione dell’incertezza basato su  metodi diversi dall’analisi statistica 
(es. quando si prende il contributo da un certificato di taratura di un campione primario, 
fidandosi dei calcoli di chi ha a suo tempo redatto la certificazione). 
 
1.3.1 Valutazione dei contributi di tipo A  
La valutazione di un contributo di tipo A Ł basata su un qualsiasi metodo statisticamente 
valido. Esempi: calcolare la deviazione standard della media di una serie di osservazioni 
indipendenti; utilizzare il metodo dei minimi quadrati per adattare una curva ai dati, 
definendone i parametri e le loro deviazioni standard; eseguire una analisi della varianza 
per analizzare e quantificare gli effetti casuali in determinati tipi di misure.   
 
Media e deviazione standard  
Come esempio di valutazione di tipo A, si considera una quantit  Xi il cui valore Ł stimato 
da n osservazioni indipendenti Xi ,k di Xi ottenute con identiche condizioni di misura, in 
questo caso la stima di xi Ł la media campionaria  
                                                      


∑ ,
                                                        (1.3)  
e l’incertezza standard u(xi) associata ad xi Ł la deviazione standard della media 
campionaria  
                                   


∑ ,  


 


                                       (1.4)  
 
Molto spesso si parla genericamente di deviazione standard, tralasciando il termine 
campionaria (in questo caso si trascura il termine ’radice di n’). 
 
 
Capitolo 1 
4 
 
1.3.2 Valutazione dei contributi di tipo B  
Un tipico contributo di tipo B Ł il dato di incertezza prelevato, ad esempio, da un 
certificato di taratura di un campione di riferimento (chiamato campione di prima linea). 
Si deve considerare l’incertezza composta e depurare, in questo caso, il fattore di 
correzione. Se sul certificato Ł riportata l’incertezza estesa (come normalmente accade) 
questa va divisa per il fattore k (nel caso di distribuzione normale). Tutti i termini che 
entrano nel bilancio delle incertezze devono essere omogenei. Le quattro principali  
distribuzioni di interesse nelle misure EMC sono la distribuzione normale, rettangolare, 
triangolare e U shaped.   
 
Normale 
Questa distribuzione pu  essere assegnata alle incertezze derivate da contributi multipli. 
Per esempio, quando un laboratorio accreditato UKAS fornisce un incertezza estesa per 
uno strumento, questa sar  calcolata al livello minimo di confidenza del 95% e pu  essere 
considerata come normale.   
L incertezza standard di un contributo di incertezza che assume una distribuzione 
normale Ł calcolata dividendo l incertezza estesa per il fattore k, appropriato al dichiarato 
livello di confidenza. Per le distribuzioni normali si ha quindi: 
  
 !"#!$$% !&#!&%
'
 
dove k=2 Ł riferito a un livello di confidenza del 95% (precisamente  k=1.96, ma la 
differenza che ne deriva nell incertezza combinata Ł trascurabile).  
 
Rettangolare 
La distribuzione rettangolare implica che c Ł equiprobabilit  che il valore vero sia situato 
dovunque tra due limiti prescritti. Una distribuzione rettangolare deve essere assegnata 
dove le specifiche dei limiti dati dal costruttore sono usati come incertezza, a meno che 
non sia dichiarata una confidenza associata alla specifica, nel qual caso si usa una 
distribuzione normale. Per le distribuzioni rettangolari si ha:                           
 
%
√)
 
Incertezza di misura 
5 
 
dove * Ł la semiampiezza dell intervallo dato dai limiti prescritti per il contributo di 
incertezza individuale. 
 
Triangolare 
La distribuzione triangolare Ł una distribuzione di probabilit  con funzione di densit  
triangolare, ovvero nulla sui due valori estremi e lineare tra questi ed il valore medio 
dell intervallo: la densit  di probabilit  Ł massima al centro dell intervallo. Una 
distribuzione triangolare deve essere assegnata dove il contributo ha una distribuzione 
con dei limiti definiti e dove la maggioranza dei punti cade intorno al punto centrale. Per 
le distribuzioni triangolari si ha: 
  
%
√+
 
dove * Ł la semiampiezza dell intervallo dato dai limiti prescritti per il contributo di 
incertezza individuale. 
 
U shaped 
Questa distribuzione Ł applicabile all incertezza dovuta a un mismatch (accoppiamento). 
Il valore del limite per l incertezza del mismatch, M, associata alla potenza trasferita a 
una giunzione Ł ottenuta da 20 log11 3 |Γ6||Γ7| dB , oppure 1001 3 |Γ6||Γ7| 
1 % dove Γ6 e Γ7 sono i coefficienti di riflessione per la sorgente e per il carico. 
L incertezza del mismatch Ł asimmetrica intorno al risultato misurato, (quando 
consideriamo unit  logaritmiche), tuttavia la differenza rispetto l incertezza totale Ł 
spesso insignificante ed Ł accettabile usare il maggiore dei due limiti, cioŁ la somma 
negativa, 20 log11 3 |Γ6||Γ7|. Per le distribuzioni U shake si ha: 
 
9
√:
 
I contributi dell’incertezza di misura, come visto sopra, possono essere di due tipi: 
 
Incertezza standard di tipo A 
Un contributo di incertezza ottenuto da una valutazione di tipo A Ł rappresentato dalla 
deviazione standard della media campionaria cfr. (1.4) con l’associato numero di gradi di 
libert  pari a (n-1).