RICERCA ITALIANA     

Sistema innovativo non invasivo per la misura del campo elettromagnetico ad alta frequenza

Università degli Studi di Napoli "Federico II"

Abstract

L'attività di ricerca proposta consiste nello studio, progettazione, realizzazione e verifica in un test bed di un nuovo sistema di misura del campo elettromagnetico ad alta frequenza basato su un sensore elettro-ottico di nuova concezione, sensibile al solo modulo del campo elettrico incidente, e su un sistema di collegamento agli apparati a bassa sezione radar, che consenta di ridurre drasticamente la perturbazione del campo sotto prova in applicazioni di monitoraggio ambientale, compatibilità elettromagnetica e caratterizzazione e diagnostica di antenne. A tale scopo dovranno essere sviluppate delle nuove metodologie di misura che richiederanno la definizione di strategie idonee alla determinazione della fase del campo sotto prova a partire dai dati di solo modulo. Verranno prese in considerazioni due possibili soluzioni atte a provvedere la quantità di dati indipendenti necessaria al recupero della fase del campo: in una si considerano due diverse superfici di scansione ed una singola sonda dielettrica, in un'altra si considera una singola superficie di scansione e due sonde dielettriche diverse. Per quest'ultima soluzione verrà effettuato uno studio di fattibilità che definisca le modalità operative per ottenere delle sonde con caratteristiche ingresso uscita adeguate a garantire il recupero della fase da dati di solo modulo su una sola superficie di scansione.
Il sensore elettro-ottico utilizzerà un modulatore elettro-ottico con configurazione interferometrica Mach-Zehnder in niobato di litio che converte l'informazione legata all'intensità del campo incidente in modulazione di una portante ottica. Il fascio laser modulato è trasmesso al fotorivelatore che restituisce il segnale proporzionale al campo esterno di eccitazione. Gli elettrodi dell'interferometro saranno opportunamente dimensionati al fine di esaltare la sensibilità del dispositivo rispetto all'intensità del campo incidente. L'asimmetria necessaria al funzionamento del sensore sarà ottenuta invertendo il segno del coefficiente elettro-ottico in uno dei rami dell'interferometro attraverso l'inversione dei domini ferroelettrici, pervenendo così ad una configurazione push pull.
Parallelamente, al fine di ridurre i tempi di misura e migliorare la stabilità degli apparati, sarà effettuato uno studio di fattibilità di un sistema di misura a radiofrequenza basato su una schiera di sensori elettro-ottici, che effettui le misure contemporaneamente in un elevato insieme di punti. Lo studio dovrà anche riguardare il sistema di interrogazione dei singoli sensori ed il trasporto dell'informazione agli apparati attraverso collegamenti a bassa sezione radar. <<<

Coordinatore Scientifico del Programma di Ricerca

Giuseppe D'ELIA Università degli Studi di NAPOLI "Federico II"

Obiettivo del Programma di Ricerca

Con riferimento alle problematiche di misura del campo elettromagnetico che si incontrano sia nella caratterizzazione delle antenne, che nel monitoraggio ambientale e nelle misure di compatibilità elettromagnetica, l'obiettivo generale del programma di ricerca consiste nel migliorare l'accuratezza dei dati misurati e di ridurre i tempi di misurazione necessari mediante l'introduzione di nuove tecniche e sistemi di misura basati sull'adozione di sensori di campo non invasivi, che garantiscano un esiguo livello di perturbazione delle condizioni di funzionamento del sistema in prova.
In particolare, l'attività di ricerca si articolerà in due punti:
1. Ideazione, definizione, progettazione, realizzazione prototipale, caratterizzazione sperimentale e realizzazione di "test beds" applicativi di un sistema di misura innovativo e, non invasivo dal punto di vista elettromagnetico, per la misurazione del campo elettromagnetico ad alta frequenza finalizzata alla caratterizzazione e diagnostica di sistemi di antenna, alla misura di emissioni elettromagnetiche per la caratterizzazione di ambienti e la compatibilità elettromagnetica e alla diffusione elettromagnetica inversa da dati di solo modulo. A titolo sia dimostrativo che di verifica dell'utilità e dell'efficacia in casi di interesse pratico, il sistema realizzato verrà utilizzato in ciascuno dei suddetti ambiti applicativi dalle varie Unità partecipanti, per la parte di propria competenza. La definizione di questo obiettivo corrisponde fondamentalmente all'esigenza di disporre di un sensore di campo elettromagnetico con basse caratteristiche di perturbazione del sistema elettromagnetico sotto prova e, pertanto, comporterà la necessità di individuare una soluzione di tipo dielettrico basata, in particolare, sull'effetto elettroottico. Naturalmente, il perseguimento di questo obiettivo richiederà il coordinamento e la sinergia dei contributi delle varie Unità operative partecipanti al progetto, ciascuna dotata di competenze specifiche necessarie per il raggiungimento dell'obiettivo. In particolare, sarà necessario definire le specifiche elettromagnetiche del sensore di campo, anche in dipendenza delle varie applicazioni considerate, individuare la tecnologia realizzativa più idonea, anche effettuando delle indagini sperimentali, e scegliere la configurazione più promettente dal punto di vista della sensibilità tra varie possibili soluzioni, a seguito di analisi effettuate mediante simulazione numerica con codici CAD. Successivamente sarà necessario progettare il sensore, curando sia l'aspetto a radiofrequenza che a frequenze ottiche, e realizzare il prototipo che successivamente verrà caratterizzato.
2. Ideazione, definizione e progetto di fattibilità di un sistema di misura "in parallelo" (Probe Array), non invasivo, del campo elettromagnetico alle microonde che, al fine di ridurre i tempi di misura e aumentare l'accuratezza, consenta di raccogliere i dati di campo contemporaneamente su punti disposti su una linea e di convogliarli al ricevitore mediante un sistema in fibra ottica. La definizione di questo secondo obiettivo corrisponde all'esigenza di rendere praticabili i tempi di misura sia nella caratterizzazione di ambienti che nella caratterizzazione delle antenne alle frequenza più alte, consentendo così di ottenere la stabilità del sistema di misura necessaria per garantire la richiesta accuratezza nella stima finale del campo elettromagnetico. Nell'ambito di questo secondo obiettivo si prevede di avvantaggiarsi delle caratteristiche non invasive del sensore dielettrico di cui al punto precedente nonché di definire un nuovo sistema di interrogazione delle sonde e di trasferimento dei dati al ricevitore essenzialmente dielettrico. In tal modo sarà possibile superare le limitazioni dei sistemi di collegamento in cavo coassiale, caratterizzati da una significativa radar cross section e si renderà fattibile ed efficace il sistema di misura proposto. Questi, infatti, sebbene si avvalga di molti sensori di campo coesistenti nell'ambiente operativo, potrà conservare buone caratteristiche di non invasività, inducendo una piccola perturbazione del sistema radiante o diffondente sotto prova. <<<

Durata

24 mesi

Base di partenza scientifica nazionale o internazionale

La caratterizzazione e la diagnostica del funzionamento di sistemi di antenna, la certificazione degli ambienti anecoici e semianecoici, la verifica della compatibilità elettromagnetica di apparati, il monitoraggio ambientale, finalizzato alla sicurezza, ai servizi di intelligence oppure alla verifica del rispetto dei limiti di esposizione ai campi elettromagnetici, la diagnostica di oggetti mediante la diffusione inversa, sono alcune applicazioni di rilievo nelle quali è di interesse la misurazione accurata del campo elettromagnetico ad alta frequenza.
La tipologia, le caratteristiche e la tecnologia del sensore di campo e dei dispositivi di trattamento e trasmissione dei dati raccolti influenzano in modo rilevante l'accuratezza del processo di misura e l'efficienza del sistema. Al fine di evidenziare l'interesse per un nuovo sistema di misura basato sull'adozione di un sensore non invasivo di tipo dielettrico capace di introdurre una perturbazione piccola delle condizioni di funzionamento del sistema radiante sotto prova, vengono qui di seguito descritte le problematiche tipiche dei vari ambiti applicativi di interesse della ricerca.
Le misure radiative d'antenna sono solitamente richieste per determinare il pattern di zona lontana e il guadagno [1-3] o per verificare il rispetto di vincoli sul massimo campo radiato in regioni ad essa prossime [4], o per diagnosticare i guasti di grandi schiere [5] e sono frequentemente effettuate nella zona vicina del sistema radiante, in un ambiente anecoico, schermato da segnali esterni ed esente dai disturbi derivanti dalle riflessioni ambientali [6-8].
Nella determinazione del guadagno e del pattern lontano da dati in zona vicina, molti fattori influenzano l'accuratezza della misura [9-12]. In particolare, sono fonte di errore sia l'effetto delle riflessioni multiple derivante dall'accoppiamento elettromagnetico tra la sonda, il sistema che la alimenta (cavi di alimentazione) e l'antenna sotto prova (AUT) che il troncamento, dovuto al fatto che in genere, per ragioni di pratica realizzabilità, viene scandita una porzione limitata di superficie. In un sistema di misura tradizionale, la riduzione di uno di tali effetti è in contrasto con la riduzione dell'altro. Infatti, se da un lato, per non alterare in maniera significativa le condizioni di funzionamento dell'antenna in prova e mantenere l'effetto delle riflessioni multiple il più basso possibile, occorre aumentare la minima distanza accettabile tra sonda e AUT, dall'altro, per ridurre l'errore di troncamento, a parità di superficie di misura, occorre ridurre tale distanza. In generale, quindi, il tipo di sonda utilizzato limita la massima precisione di misura ottenibile.
L'accoppiamento sonda-cavi-AUT ha un'influenza rilevante anche nella diagnosi di grandi antenne a schiera mediante ispezione diretta. Infatti, per una diagnosi affidabile è necessario posizionare la sonda nelle immediate prossimità dei singoli elementi radianti, sempre che si possa trascurare la perturbazione sul sistema sotto test da essa introdotta.
Una elevata accuratezza di misura necessita, inoltre, di una buona stabilità degli apparati per l'intera durata del processo di acquisizione. Pertanto, soprattutto alle alte frequenze e per antenne elettricamente grandi, è fondamentale ridurre al minimo indispensabile i tempi di acquisizione [13]. Naturalmente, tempi di misura brevi comportano anche ridotti costi d'esercizio e un limitato impegno delle risorse necessarie.

Nell'ambito del monitoraggio ambientale si devono affrontare problematiche diverse a seconda del contesto.
Nelle applicazioni in cui va garantita la sicurezza (in termini di intelligence) degli ambienti, è utile disporre di una rete di sensori distribuiti, facilmente integrabili ma non facilmente rilevabili elettromagneticamente, connessi mediante una rete di alimentazione di semplice configurazione ed immune alle interferenze elettromagnetiche [14-15]. Nelle applicazioni protezionistiche, in cui va garantita la sicurezza fisica delle persone e delle strutture (si pensi ad ambienti contenenti materiale infiammabile o esplosivo), si richiede l'adozione di sonde di campo elettromagnetico e di canali di trasferimento del segnale con caratteristiche non usuali, non elettriche, che possano eventualmente essere facilmente integrate nelle strutture esistenti. Un esempio di applicazione potrebbe riferirsi al rilievo di livelli di campo all'interno di un aeroplano per individuare trasmissioni indesiderate o vietate che possano compromettere il funzionamento delle apparecchiature di bordo.

Nelle applicazioni di compatibilità elettromagnetica, le problematiche di interesse nell'ambito della ricerca sono da ricondursi, essenzialmente, a due aspetti distinti.
Il primo è relativo alle misure preliminari all'esecuzione di prove di immunità radiata [16] necessarie per calibrare l'ambiente di misura ed assicurare l'esistenza di uno specifico livello di campo elettromagnetico di prova su una superficie di riferimento. La presenza di elementi metallici nell'elemento sensibile e nei collegamenti necessari a trasferire il segnale verso il ricevitore [17-19], costituisce sorgente di incertezza non trascurabile, in quanto la loro presenza modifica in modo più o meno rilevante il campo da rilevare [20]. Pertanto, l'adozione di sensori e collegamenti non invasivi ridurrebbe la perturbazione e, di conseguenza, l'incertezza sull'uniformità del campo di prova misurato.
Il secondo è connesso ai test di Compatibilità Elettromagnetica vera e propria [21-23].
In particolare, nell'ambito dei test di funzionamento su apparati elettronici, è utile disporre di sonde di dimensioni ridotte che consentano un rilievo accurato dei dati ed una risoluzione elevata, perturbando al minimo il sistema in esame. Ovviamente, tali sensori sono utili anche quando si vuole misurare il valore di campo irradiato nella zona vicina da antenne espressamente progettate per non influenzare il funzionamento degli apparati circonvicini o per non elevare il valore del campo in zona vicina al disopra della soglia fissata dalla normativa.
Quando, invece, ci si riferisce alle misure certificate di compatibilità elettromagnetica in camera anecoica, è fondamentale che il trasferimento dei dati dalla sonda alla strumentazione di misura avvenga utilizzando dispositivi capaci di introdurre la minima perturbazione possibile. In tal caso, l'utilizzo di sensori non invasivi e di collegamenti in fibra può ridurre gli effetti di disturbo e garantire prestazioni con la necessaria accuratezza.

Nell'ambito della diagnostica elettromagnetica (Inverse Scattering Elettromagnetico) è di interesse disporre di sistemi di misura capaci di ridurre sensibilmente i fenomeni di accoppiamento tra le antenne trasmittenti e riceventi [24, 25]. Infatti, in una configurazione multistatica, per aumentare la quantità di dati indipendenti utili per l'inversione è opportuno accedere a regioni prossime alla trasmittente, ove l'effetto delle riflessioni multiple tra trasmittente e ricevente è più significativo. Inoltre, l'utilizzo di sonde a ridotta sezione radar riduce sensibilmente l'accoppiamento tra esse e la superficie di interfaccia che le separa dal mezzo ospitante gli oggetti da ricostruire [26], permettendo così di disporre le sonde in prossimità dell'interfaccia e di incrementare in modo significativo il numero di dati indipendenti contenuti all'interno del campo diffuso misurato [27].

Nell'ambito dell'attività di ricerca non si intende realizzare soltanto un sensore di campo elettromagnetico non invasivo da utilizzarsi nelle applicazioni descritte.
Il sistema di misura dovrà poter rilevare il solo modulo del campo e trattare i dati raccolti in modo da ricostruire le informazioni necessarie per soddisfare le richieste peculiari delle applicazioni di cui si è detto.
Infatti, è spesso di interesse il rilievo del solo modulo del campo elettromagnetico, sia per ridurre la complessità e il costo del sistema di misura che per evitare i problemi di accuratezza e calibrazione tipici della misura della fase del campo, soprattutto alle alte frequenze. Al crescere della frequenza, le criticità tipiche della misura della fase aumentano rapidamente, imponendo vincoli molto restrittivi sulla qualità dei cavi di connessione, sulla precisione dei sistemi di posizionamento e sulla complessità della strumentazione di misura [5, 28-34].
D'altro canto, nel caso di sensori dielettrici, per i quali si incontrano essenzialmente problemi di sensibilità dovuti alle perdite di conversione e di modulazione, il vantaggio di non dover effettuare la misura della fase del campo può essere significativo.

Si osservi che, a parte le applicazioni relative alla sicurezza, alla protezione e alla compatibilità elettromagnetica, per le quali il rilievo del solo modulo può essere del tutto soddisfacente, la misura del solo modulo può sembrare insufficiente nelle misure d'antenna e nelle applicazioni di diagnostica elettromagnetica.
Ad esempio, nelle misure d'antenna le trasformazioni campo vicino-campo lontano, in principio, richiedono la conoscenza sia del modulo che della fase del campo vicino. Tuttavia, si sono andati sviluppando algoritmi innovativi per il recupero della fase da misure di solo modulo [5, 28-32]. Ovviamente, per sopperire alla carenza di informazione, i dati vanno integrati aggiungendo misure indipendenti. Ciò è possibile effettuando la scansione su due superfici distinte in zona vicina oppure avvalendosi di coppie di sonde con caratteristiche radiative diverse operanti sulla stessa superficie di scansione. E' da notare che il primo approccio ha consentito di ottenere con successo ladiagnostica sperimentale di antenne a riflettore di grandi dimensioni anche nell'ambito di attività finanziate dall'ESA [35]. Il secondo approccio, recentemente insignito di un importante riconoscimento internazionale dall'Antennas and Propagation Society [30], consente, rispetto al primo, una migliore stabilità del sistema di misura e una riduzione dei tempi di misura.

Anche nel caso della diagnostica elettromagnetica è possibile affrontare il problema della ricostruzione delle proprietà elettromagnetiche di oggetti incogniti da dati di solo modulo del campo da essi diffuso [34]. Una tale attività è di interesse in ambito georadar e, in particolare, per i recenti georadar di tipo stepped-frequency [35].

In definitiva, si può concludere che nelle applicazioni relative alla caratterizzazione di antenne, al monitoraggio ambientale, alla compatibilità elettromagnetica ed dell'Inverse Scattering è di interesse disporre di sonde del solo modulo del campo, non "invasive".

Parallelamente, la necessità di ridurre i tempi di acquisizione e di migliorare ulteriormente l'accuratezza aumentando la stabilità degli apparati richiede innovativi sistemi di misura in parallelo, Probe Array (PA), che si differenzino dai sistemi tradizionali che eseguono sequenzialmente nel tempo più misure avvalendosi di un'unica sonda. In particolare, un PA consente l'esecuzione di molte misure allo stesso tempo, grazie all'utilizzo di più sonde disposte in più punti del volume di interesse.
Nell'ambito delle misure d'antenna, PA sono già stati proposti e realizzati [37]. E' facile intuire, però, che i PA possono perturbare in modo significativo le condizioni di funzionamento dell'AUT, se realizzati utilizzando tecniche tradizionali. Lo stesso collegamento tra sonda e strumentazione di misura, se realizzato mediante cavi, introduce un fattore di disturbo che, nel caso di PA, può divenire inaccettabile.
A riprova della rilevanza del problema, si fa osservare che proprio per evitare questo effetto, in letteratura è stato proposto il "modulated scattering method of measurements" [37] che consente di addurre al ricevitore il segnale rilevato dalle varie sonde senza servirsi di un complesso sistema di collegamento in cavo coassiale.
La disponibilità di sensori di campo non invasivi rende, dunque, praticabile anche la definizione di un avanzato sistema PA a piccola perturbazione, dotato di un sistema di trasferimento dei dati misurati al ricevitore realizzato mediante collegamenti non metallici. Inoltre, l'ampia banda passante dei sensori dielettrici e la loro ridotta sezione radar consente di realizzare PA costituiti da un elevato numero di elementi a ridotta spaziatura, in modo da ottenere un campionamento spaziale del campo adeguato per l'utilizzo del sistema in un ampio range di frequenze.

E' opportuno osservare che le proprietà che qualificano maggiormente i sensori di campo sono essenzialmente:
i) l'ampiezza della banda di funzionamento;
ii) la sensibilità;
iii) l'intervallo di linearità;
iv) la direttività;
v) le caratteristiche in polarizzazione.
Esse rappresentano i parametri alla base del confronto tra soluzioni differenti.

Al sensore di interesse in questa ricerca si richiede, ovviamente, di soddisfare al meglio le specifiche di progetto relative alle caratteristiche suddette. Inoltre, come si è detto, il sensore dovrà essere non invasivo e dovrà poter essere interrogato evitando l'utilizzo dei tradizionali cavi metallici, in modo da ridurre ulteriormente la perturbazione introdotta dal sistema di misura.
La realizzazione di sonde di campo e di PA con le caratteristiche di "non invasività" suddette può essere ottenuta prendendo in considerazione dispositivi di tipo essenzialmente dielettrico [22, 23, 38-47]. Tale scelta tecnologica consente una piccola perturbazione del campo da misurare grazie alla:
i) assenza di collegamenti in cavo metallico (il collegamento è effettuato in fibra);
ii) piccole dimensioni del sensore (millimetri)
iii) assenza di alimentazione;
iv) struttura dielettrica.

In letteratura [22, 23, 38-47] sono state proposte diverse tipologie di sensori per la misura del campo elettrico. Con particolare enfasi per le misure di antenna e di compatibilità, gli sforzi sono stati rivolti a migliorare le prestazioni delle sonde di campo in termini di sensibilità, risposta in frequenza, semplicità progettuale e realizzativa e piccola sezione di scattering.
Tali sensori rilevano il campo elettrico sfruttando l'effetto termo-ottico o elettro-ottico tipici di alcuni materiali dielettrici. Il segnale indotto dal campo incidente modula, all'interno della sonda, una portante ottica. In genere, quest'ultima è generata all'esterno dell'ambiente in cui avviene la misura, addotta alla sonda per mezzo di fibre ottiche e, successivamente, convogliata, sempre per mezzo di fibre, alla strumentazione di rivelazione posta anch'essa all'esterno della camera di misura.
Le soluzioni basate sull'effetto elettro-ottico si sono venute affermando nel corso del tempo per le loro potenzialità, in termini di sensibilità e stabilità. Frequentemente, tali dispositivi utilizzano una configurazione interferometrica Mach-Zehnder (MZ).
Recentemente, è stata sviluppata una nuova generazione di sonde in LiNbO3 (LN), particolarmente stabili e con sensibilità dell'ordine di 15mV/m [47]. Il LN, infatti, è particolarmente adatto alla realizzazione di dispositivi attivi e di controllo in ottica integrata per la sua eccellente risposta elettro-ottica, elevati coefficienti non lineari, ampio intervallo di trasparenza e particolare versatilità nella fabbricazione di strutture guidanti [48, 49]. La sensibilità del dispositivo può essere aumentata integrando un'antenna nel chip del sensore e progettando opportunamente gli elettrodi di connessione. L'interesse verso strutture in LN si è recentemente riaffermato grazie alla possibilità di realizzare sistemi ad elevate prestazioni basati sull'uso di circuiti ottici con domini ferroelettrici invertiti [50-53]. Negli ambiti applicativi di interesse di questa ricerca, può utilizzarsi una configurazione push-pull, basata sull'inversione dei domini in uno dei rami del MZ, al fine di migliorare ulteriormente la sensibilità della sonda. <<<