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As células TEM (Transverse ElectroMagnetic) são dispositivos usados para efetuar operações de medição e geração de campo elétrico em um ambiente fechado (ou semi- aberto em alguns modelos).  Dentre as aplicações mais comuns destacam-se o teste de equipamentos pequenos, calibração de sensores de RF e experimentos biomédicos.

Introdução

Fundamentalmente, uma célula TEM é uma linha de transmissão do tipo "stripline" consistindo de duas placas paralelas entre as quais o campo é estabelecido.  Os modelos mais comuns são constituídos de uma linha de transmissão coaxial de seção quadrada com conectores em ambas as extremidades, ou seja, uma rede de duas portas nas quais uma é entrada e outra a saída.  Neste segmento de linha de transmissão  o dispositivo sob teste é colocado no espaço entre o condutor central e a blindagem externa.

Dentro da célula é estabelecido um campo TEM para toda a faixa de frequência de operação nominal na qual a onda propagante tem impedância de espaço livre que é de 377 ohms. A frente de onda gerada propaga-se em modo transverso e tem as mesmas características de uma onda plana.

A célula tem foi projetada inicialmente por M. L. Crawford no NSB (National Bureau of Standards in Boukder, Colorado).  Desde sua introdução por Crawford em das células TEM, têm havido muitas modificações e melhorias.  Com o aumento da frequência de operação e área de teste útil.

O projeto

A célula TEM que vamos apresentar é do tipo fechado com seção quadrada de 30 cm.  Serve para caracterizar (testar) dispositivos sob teste (DUT) nos itens emissão ou susceptibilidade.  Pode servir também para calibração de dispositivos de intensidade de campo e medidores de densidade de potência.

Você pode baixar o projeto desta célula TEM através do link abaixo:

Download do projeto.

Principais Características

Tamanho: 31x31x70 (aproximado)

Capacidade de peso sobre o elemento central (septum): 1 kg

Frequência de operação: 0 a 500 MHz

Tamanho maximo do DUT (Device Under Test): 50 mm

Operação

O DUT (Device Under Test) pode ser tanto colocado sobre o elemento central como na metade inferior (sobre a blindagem). Esta última é preferível pois tem uma melhor suportagem de peso. Falhas na isolação elétrica do DUT também têm possibilidade de causar dano no equipamento de medida se o DUT for colocado sob o elemento central. O ponto ideal para colocar o DUT é o intervalo central onde o campo é mais homogêneo e para isso deve ser colocado sob uma suportagem não metálica de pouco volume dielétrico.  Um material que poderia ser utilizado seria uma fatia esbelta de espuma de poliuretano (colchão de dormir) ou similar.

Nesta célula poderão o DUT pode ter no máximo 1/3 do espaço entre o elemento central e a parte externa ou seja 50 mm ou 5 cm.  DUTs maiores criam cargas capacitivas que deformam o campo excessivamente, aumentando bastante o VSWR.

Como medidores, poderão ser utilizados (de acordo com as especifcações de sensbilidade e potência máxima) analisadores de espectro, power-meters, detetores, wattimetros thru-line, EMI receivers, etc

Fórmulas para Cálculo do campo

Campo Elétrico (Recíproco: Emissão ou susceptibilidade)

$$E=\frac{\sqrt{P*Zcell}}{d}$$

onde:
E é a intensidade do campo eletrico dentro da célula (V/m)
P é a potência no terminal da célula (W)
d é a distância entre o elemento central e a blindagem externa (nesta célula é 0.15m)
Zcell é a impedância característica da célula (50 ohms)


Ou também poderá ser usado:

$$E=\frac{Vcon}{d}$$

onde:
- E é a intensidade do campo elétrico dentro da célula (V/m)
- Vcon é a tensão no terminal da célula (V)
- d é a distância entre o elemento central e a blindagem externa (nesta célula é 0.15m)

Nota: Vcon se trata de “onda caminhante” na linha coaxial e tem direção. Deve-se levar em consideração se a onda está saindo ou entrando na célula, no caso de testes de susceptibilidade ou de emissão.
· Emissão: Mede-se (potência ou tensão) da onda que sai da cálula (conector);
· Susceptibilidade: Mede-se (potência ou tensão) da onda que entra na célula (conector).

Campo Magnético (H) e Densidade de Potência (S)

Quando o modo TEM está propagando dentro da célula, a impedância da onda no espaço é de fato a
impedância de espaço livre:

$$Zo=\frac{E}{H}=377\Omega$$

O campo magnético (H) e a densidade de potência (S) têm as seguintes fórmulas:

$$H=\frac{\sqrt{P*Zcell}}{d*Zo}$$ $$S=E*H=\frac{E^{2}}{Zo}=Zo*H^{2}=\frac{P*Zcell}{d^{2}*Zo} $$

Figuras

Configuração típica de teste de susceptibilidade

Figura 1 - Configuração de teste típica (SUSCEPTIBILIDADE)

Configuração típica de teste de emissividade

Figura 2 - Configuração de teste típica (EMISSÃO)

Distribuição do campo elétrico dentro da célula TEM

Figura 3 – Distribuição típica do campo elétrico dentro da Célula

Distribuição do campo magnético dentro da célula TEM
Figura 4 – Distribuição típica do campo magnético dentro da Célula

 

Posicionamento do DUT dentro da célula TEM para testes de emissão ou suscpeptibilidade

Figura 5 – Posicionamento do DUT dentro da célula

 Referências

[1] NBS Technical Note 1013 "Using a TEM CELL for EMC Measurements of Electrical
Equipment"

[2] NBS Technical Note 1011 "Constructing a Large Transverse Electro-Magnetic
Cell"

[3] NBS Technical Note 1017 "Characterization of Electrically Small Radiating
Sources by Tests Inside a Transverse Line Cell"

[4] EPA 520/1-84-024 "An Automated TEM Cell Calibrating System"

[5] NBS Technical Note 1040 "A Method of Determining the Emission and
Susceptibility Levels of Electrically Small Objects Using a TEM Cell"

[6] SAE Technical Paper Series 830607 " Improving the repeatability of EM
Susceptibility Measurements of Electronic Components When Using TEM Cells"

[7] IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility, Number 4, November, 1974
"generating of Standard EM Fields with TEM Transmissions Cells"

[8] SAE J1113: Conducted Immunity, 250 kHz to 400 MHz, Direct Injection of Radio Frequency (RF) Power.

[9] -SAE J1448: Electromagnetic Susceptibility Measurements of Vehicle Components Using TEM Cells (14 kHz-200 MHz), Information Report.