Imagine poder testar seu circuito eletrônico com relação a emissões eletromagnéticas ou imunidade, com célula TEM ao invés de uma câmara anecoica, sem precisar sair de sua bancada, e a qualquer momento. Faça modificações no circuito ou na PCI, e saiba os resultados na hora.
Nota: Artigo publicado na Revista Saber Eletrônica 467 de janeiro/fevereiro de 2013.
Uma Célula Transversal Eletromagnética ou TEM, também conhecida como Célula de Crawford, devido ao seu criador, consiste em um dispositivo que permite a geração de ondas eletromagnéticas em seu interior de forma bastante precisa, cobrindo uma ampla faixa de frequências. Basicamente, uma célula TEM é uma estrutura do tipo "stripline" modificada.
Uma linha stripline consiste de duas placas metálicas paralelas separadas por um dielétrico, onde, em seu interior, um campo eletromagnético é estabelecido. Essa construção constitui um dispositivo de duas portas (entrada e saída). Tanto na entrada quanto na saída, a estrutura da célula é construída de forma a casar sua impedância intrínseca com a impedância dos conectores, que normalmente será de 50 ohms.
Uma particularidade de uma célula TEM é que uma das placas paralelas é feita de forma a enclausurar a outra, mantendo o campo eletromagnético confinado em seu interior. Podemos ver um exemplo de célula TEM na figura 1.
As células TEM podem ser de tipos aberta ou fechada:
Uma célula aberta apresenta como vantagem seu custo e peso menor. Também apresenta facilidade no seu uso, uma vez que a colocação, retirada e monitoração do dispositivo em teste podem ser feitas sem a necessidade de abertura de portas. Por outro lado, apresenta como desvantagem o fato de que o campo eletromagnético em seu interior fica sujeito às condições externas, podendo sofrer ou causar interferências externas.
Uma célula TEM fechada não apresenta as desvantagens da aberta, pois a sua estrutura é totalmente blindada permitindo alta repetibilidade dos testes com variações mínimas. Os campos eletromagnéticos gerados em seu interior ficam totalmente confinados e independentes das condições externas. Isso é particularmente importante quando outros equipamentos gerando sinais eletromagnéticos são utilizados nas proximidades. Como desvantagens podemos citar custo e peso mais elevados e porta de acesso com uso obrigatório de contatos (fingers) e malhas de blindagem.
Operação de uma célula TEM
Uma célula Transversal Eletromagnética (TEM) é uma linha de transmissão coaxial com sua seção transversal expandida de forma a permitir a colocação de um dispositivo a ser testado em seu interior. Os campos eletromagnéticos gerados são, essencialmente, ondas planas com impedância de onda de 377 ohms. Na figura 2 vemos a representação da propagação de um campo TEM.
Essa característica faz com que exista uma forte correlação entre as medições feitas em uma célula TEM e medições em uma área de testes aberta (OATS — Open Area Test Site).
Uma célula TEM irá operar desde DC (0 Hz) até sua frequência de corte, que é determinada por suas características físicas. A frequência de corte representa o ponto onde modos de propagação superiores começam a aparecer (modos TE e TM). Esses modos aparecem em faixas bastante estreitas permitindo que uma célula TEM ainda possa ser utilizada em frequências acima da de corte, bastando evitar as frequências de ressonância. Entre essas frequências, a célula continuará gerando campos TEM.
Uma célula TEM típica consiste em uma seção retangular de uma linha de transmissão coaxial com suas duas extremidades em forma piramidal para casamento de impedância com conectores coaxiais, geralmente tipo N, de 50 ohms, mas podem ser encontradas células TEM com impedância de 75 ohms.
A impedância característica casa com os conectores de 50 ohms (ou 75 ohms), de forma a garantir o mínimo de reflexões de sinal, mantendo baixo o VSWR ou Voltage Standing Wave Ratio.
Um campo eletromagnético uniforme é criado entre as placas externas e o plano condutor central, também chamado de septo, quando um sinal de RF é entregue à célula através de um dos conectores coaxiais. Uma carga (ou terminação), com a impedância da célula deve ser conectada à porta coaxial de saída. Essa carga deve suportar o nível de potência que é fornecido à célula.
Toda célula TEM terá um volume específico onde os campos eletromagnéticos são conhecidos e que será chamado de volume de teste. É nessa região que deverá ser posicionado o dispositivo a ser testado. Isso implica em uma limitação do tamanho máximo do dispositivo que deve ser testado para cada célula TEM. O campo elétrico, em V/m, no centro do volume de teste de uma célula TEM é dado por:
Onde V é a tensão rms (V) no septo, Q é a potência fluindo através do septo (W), Z0 é a impedância característica da célula (Ω) e d é a distância entre as placas superior e inferior e o septo (m). Em baixas frequências, existe apenas o modo TEM em uma célula operando como uma linha de transmissão de 50 ohms. Conforme a frequência aumenta, modos ressonantes de ordem superior aparecem. Esses modos ressonantes ocorrem principalmente nas transições entre as seções piramidais e a retangular.
Na figura 3 mostramos os locais onde surgem os modos ressonantes em uma célula TEM. As ressonâncias ocorrem em banda estreita o que permite o uso da célula em frequências acima da frequência de corte, bastando evitar as frequências onde ocorrem as ressonâncias. Entre elas, a operação da célula será TEM.
Uso de uma célula TEM
A célula TEM pode ser utilizada em testes de emissão irradiada e testes de imunidade. No caso de emissão, coloca-se o dispositivo dentro do volume de teste e conecta-se um receptor ou analisador de espectro a uma das portas da célula. Na outra porta deve estar conectada uma terminação. É importante observar que os campos eletromagnéticos dentro da célula possuem uma orientação definida, isto é, campo elétrico na vertical e magnético na horizontal e, portanto, o dispositivo dever ser testado com sua orientação alterada para os três eixos.
Na figura 4 podemos ver uma montagem básica de uma célula TEM para medição de emissão, utilizando-se um analisador de espectro, e na figura 5 temos o resultado da captura de tela do analisador mostrando os níveis de sinal medidos na faixa entre 30 MHz e 1 GHz.
Nos testes de imunidade, conecta-se um gerador de RF mais amplificador de potência a uma das portas e posiciona--se o dispositivo dentro do volume de teste. Variando-se a potência do sinal, varia-se o valor dos campos dentro da célula que serão aplicados ao dispositivo. Da mesma forma que nos testes de emissão, o dispositivo deve ser testado com relação aos três eixos. A terminação deve suportar a potência que atinge o conector de saída.
Na figura 6 observamos uma distribuição típica de campo elétrico dentro da célula, em frequência abaixo da de corte. As medições efetuadas em uma célula TEM podem ser correlacionadas com as medições efetuadas em uma câmara anecoica ou OATS, com antenas específicas para EMC, como bicônica e log--periódica, através do uso de algoritmos apropriados.
A norma IEC 61000-4-20 define o uso das células TEM e os meios de se obter essa correlação.
Conclusão
Uma célula TEM é um valioso recurso no desenvolvimento de circuitos e dispositivos eletrônicos, já que ela permite a verificação imediata do desempenho em relação a emissão eletromagnética e imunidade, reduzindo consideravelmente os custos com testes em laboratórios especializados. Considerando-se que todo dispositivo eletrônico deve atender aos limites estabelecidos pelas normas técnicas, esse procedimento, também conhecido como Pre-Compliance, irá permitir uma redução considerável de investimento em tempo e dinheiro até a aprovação final do produto.
