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Contents
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
LIST OF TABLES iv
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
LIST OF FIGURES v
1 Introduction 1
2 Fourth-Order ~inite-DifferenceT ime-Domain 9
I . Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
I1. Basic Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
I11. FDTD Schemes . i. .i. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
A . The FDTD 2, 2 scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
B . The FDTD 2, 4 scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
C . Characteristics of the FDTD schemes . . . . . . . . . . . . . . 15
IV . FDTD(2. 4) in l-D Domains . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
V . Absorbing Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A . Numerical experiments 29
VI . Applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
A . Array factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
B . Resonances of a rectangular cavity . . . . . . . . . . . . . . . 41
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C . Radiation pattern analysis 45
VII. Boundary Conditions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
A . Problem definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
B . FDTD 12 ,4 1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
C. FDTD 2,4 with thin wire model of FDTD(2,2 ) . . . . . . . . 62
. . . . . . . . . . . . . . .
D . FDTD 2,4 with one-sided differences - 67
E. Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
. . . . . . . . . . . . .
VIII . Hybrid of FDTD (2,4 ) and Subgrid FDTD (2,2 ) 68
A . Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
B . Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
C . Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
IX . Hybrid of Subgrid FDTD(2,2 ) and FDTD(2,4 ) . . . . . . . . . . . . . 79
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A . Method 81
Applications 86
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I . Introduction 86
I1. An Improved FDTD Feed Model for Thin-Wire Antennas . . . . . . . 87
A . Delta-gapsource . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
B . Improved delta-gap source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
I11 . Discrete Fourier Transform . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
IV. Analysis of Cavity-Backed Slot Antennas . . . . . . . . . . . . . . . . 98
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A FDTD modeling 100
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Impedance 104
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Coupling 105
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Reduction of coupling 107
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Patterns 118
. . . . . . . . . . . .
Summary of coupling reduction methods 118
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Conclusions 122
4 HIRF Penetration and PED Coupling Analysis 124
I. HIRF Penetration Through Apertures . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
A . Definition of shielding effectiveness . . . . . . . . . . . . . . . 127
B . Problem definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
C. Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
D Acceleration techniques 132
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
E Windowing 136
F . Comparison for SE definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
G Results 148
H . Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
I1 . HIRF Penetration Through a Scaled Fuselage . . . . . . . . . . . . . 152
A . Construction and specifications of the geometry . . . . . . . . 153
B . Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
C FDTD (2,2 ) predictions 161
D . Hybrid of subgrid FDTD (2,2 ) /FDTD (2,4 ) . . . . . . . . . . . 180
E . Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 188
I11 . Personal Electronic Devices (PEDs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
A . Geometry and setup of the measurements . . . . . . . . . . . 191
B . Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
C . FDTD (2,2 ) predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 195
D . Hybrid subgrid FDTD(2,2)/FDTD(2,4 ) predictions . . . . . . 209
E . Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
IV. Personal Electronic Devices (PEDs) 218
A . Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 218
B . Modifications to the "Simplified Fuselage" . . . . . . . . . . . 218
C . PED Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
5 Measured Shielding Effectiveness of the Cylindrical Fuselage Mode1233
I. The Cylindrical Fuselage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
I1 . Shielding Effectiveness Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . 235
A . Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B Results 238
I11. Shielding Effectiveness Improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
IV . FDTD Predictions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 247
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A Cell size of 10 mm 251
B . Cell size of 5 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
C . Cellsizeof2.5mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
V . Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 63
6 Statistics of the Electromagnetic (EM) Field Inside the Simplified
Fuselage 264
I. Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
I1. Reverberation Chambers (RCs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
A . Principles of Operation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
B . Statistical Characterization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
I11 . Mode-Stirrer Construction and Measurements . . . . . . . . . . . . . 285
A . Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
B . The Mode Stirrer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
C . Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
D . Predictions and Comparisons . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
IV . Statistical and Probabilistic Analysis of Measurements . . . . . . . . 305
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A Introduction 305
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B. Basic Statistical Processing 306
C. Shielding Effectiveness: The Statistical Approach . . . . . . . 306
D . DataStatisticalIndependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
E . CDFs and PDFs of Experimental Data . . . . . . . . . . . . . 317
7 Statistical Properties of an Overmoded Cavity as a Function of fie-
quency 325
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I Introduction 325
. . . . . . . . . . . . . . .
I1 Statistical Field Theory of Complex Cavities 327
. . . . . . . . . . . . . . . . .
I11 Sta tistical Analysis of Experimental Data 331
IV . The Lehman Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
8 Frequency Stirring for Reverberation Chambers 340
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I . Introduction 340
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
I1 . Frequency stirring 341
I11. Stochastic processes and noise . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 346
A . Properties of white gaussian noise . . . . . . . . . . . . . . . . 346
B . Filtering and spectral characteristics of band-limited white gaus-
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
sian noise 349
IV . Two-dimensional cavity excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
A . simulation set-up 352
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B . Simulation Results 355
V . Three-dimensional cavity excitation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
A . Simulation set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
B . Simulation results 365
9 Summary and Conclusions
10 Conclusions
iii
List of Tables
1.1 HIRF certification environment proposed by the EEHWG [I] . . . . .
2.1 Simulation times and memory requirements . . . . . . . . . . . . . .
2.2 Memory requirements for the different regions of the computational
domain for a cell size of 2.5 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.3 Memory requirements for the different regions of the computational
domain of box #1 for a cell size of 2.5 mm . . . . . . . . . . . . . . .
2.4 Memory requirements for the different regions of the computational
domain of box #2 for a cell size of 2.5 mm . . . . . . . . . . . . . . .
3.1 Effective radius for the input impedance calculations . . . . . . . . .
3.2 Efficiency of the two CBS antennas configuration for different thick-
nesses of the GDS superstrate . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.3 Gain of the two CBS antennas configuration at elevation angle 0 =
-60" . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 Coupling reduction of the two CBS antennas configuration . . . . . .
3.5 Coupling reduction of the two CBS antennas configuration . . . . . .
4.1 Memory requirements for the different regions of the computational
domain for a cell size of 2.5 mm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.1 Normal distribution, [x < k] = y, x N(p.a 2). . . . . . . . . . . . .
w
6.2 Maximum. minimum. mean average and standard deviation. over all
stirrer positions. of the electric field for points A. B. C and D. for
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
different frequencies
6.3 Mean average and standard deviation values of the maximum electric
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
field value
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
6.4 Kolmogorov-Smirnov test results
8.1 Standard deviation and number of modes for different bandwidths.
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
excitation frequencies and positions
8.2 Standard deviation and number of modes for different bandwidths.
. . . . . .
excitation frequencies.e lectric field components and positions
