Analysis of Complex and Chaotic Electromagnetic Structures: the Reverberation Chamber and its Applications

This dissertation deals with the study of complex electromagnetic cavities, evaluated by theoretical, numerical and experimental results obtained by using the reverberation chamber. This facility was chosen due to their characteristics, in particular the possibility to create a random field within it. The main activity was based on the development of techniques and assumptions in order to improve the performance of the chamber, focusing at relatively low frequency, in other words near the minimum frequency where the chamber well operates. Performance can be improved by design a new stirrer optimized and tailored for the specific chamber or applications. Another solution is to modify the geometry of the chamber, this solution contrary to the adoption of a new-shaped stirrer is less expensive and applicable in already existing chambers. The challenge was to connect the improvement due to these irregular-shaped chamber to the lowest usable frequency, empirically evaluated as three-six times the frequency of the fundamental mode of the considered chamber. New shaped chambers have been carried out by adding curved diffractor along their perimeter. Simulations performing the finite-difference time-domain method have been done in order to investigate the effects due to diffractors. In this dissertation the performance were evaluated in terms of characteristic parameter used in electromagnetic compatibility tests. Results show that the improvement at relatively low frequency (considering a large chamber w.r.t. the wavelength) is given by the increase of the modal overlap whereas a typical parameter taken into account during electromagnetic compatibility tests, i.e. number of uncorrelated positions, decreases. This relevant improvement that could arise to a lower shift of the lowest usable frequency is predictable by a simple model derived using the quality factor without a priori information of the chamber. Experimental measurements were performed in the reverberation chamber of our laboratory (DII – UNIVPM), just, to provide a qualitative comparison with simulations. Not all configurations were replicated in the laboratory. Moreover, the reverberation chamber was used in order to carry out more experimental measurements, i.e. emulation of a real life environment, shielding effectiveness tests.

In questa dissertazione sono state studiate strutture elettromagnetiche complesse tramite modelli teorici, simulazioni e misure sperimentali. Tutti i risultati ottenuti durante il dottorato sono riportati. A tal scopo è stata utilizzata la camera riverberante sfruttandone le sue peculiarità, quali la possibilità di generare un campo elettromagnetico statisticamente uniforme, isotropico e senza polarizzazione all’interno di un volume di lavoro. L’attività principale della ricerca è basata sullo studio e sviluppo di tecniche per migliorare le prestazioni della camera, con un occhio di riguardo alle basse frequenze, ovvero in prossimità della minima frequenza di lavoro che dipende dalle dimensioni della camera. A tal proposito, sono stati progettati agitatori di dimensioni e forma opportune per la camera riverberante presente nel nostro laboratorio (DII - UNIVPM). Per avere una soluzione più economica ed applicabile in generale ad altre camere già esistenti, si è modificata la geometria della camera tramite diffusori sferici piazzati lungo le sue pareti. Questo studio è stato condotto tramite simulazioni che implementano il metodo alle differenze finite nel dominio del tempo (FDTD) su calcolatori paralleli a elevate prestazioni. Per valutare le prestazioni delle nuove geometrie realizzate, sono stati considerati i parametri caratteristici della camera utilizzati come riferimento nei test di compatibilità elettromagnetica. I risultati hanno mostrato un incremento del numero dei modi eccitati mentre il numero di posizioni statisticamente indipendenti dell’agitatore diminuiscono. L’aumento che si nota nella sovrapposizione dei modi eccitati, in funzione del numero/posizionamento/dimensione dei diffusori, implica un abbassamento della frequenza minima di lavoro della camera. Delle misure sperimentali qualitative sono state condotte per validare le simulazioni. La replica di tutti i casi simulati avrebbe impiegato tempi di misura troppo lunghi. Inoltre, la camera riverberante è stata utilizzata per altre attività di ricerca quali l’emulazione di ambienti interni reali per test su dispositivi mobili di telecomunicazioni che usano lo standard 4G-LTE e le misure dell’efficacia di schermatura di campioni di cemento strutturato con nanoparticelle di diversi tipi.