La cella GTEM (Gigahertz Transverse ElectroMagnetic) è uno strumento fondamentale ai fini della calibrazione di strumenti di misura dei campi elettrico e magnetico e per gli studi sulla compatibilità elettromagnetica (EMC), in quanto è in grado di simulare gli effetti di un’onda piana incidente (modalità TEM) in un’ampia banda di frequenze, garantendo l’uniformità del campo nella regione operativa.

Una cella TEM è una linea di trasmissione in cui il modo propagativo fondamentale è il TEM, avente una particolare foggia che la rende adatta a poter ospitare al suo interno, in una zona in cui i campi siano omogenei, dispositivi su cui effettuare test di laboratorio. La cella è costituita da un connettore di alimentazione (porta 1) in cui viene iniettato il segnale a radiofrequenza. Segue una linea di trasmissione che viene progressivamente dilatata, ottenendo la tipica forma piramidale. L’impedenza della linea viene mantenuta costante, lasciando inalterate le proporzioni (sezione/distanza) dei conduttori. Dopo un eventuale tratto centrale a sezione costante, segue una ulteriore progressiva riduzione della sezione, simmetrica alla prima. La linea di trasmissione che ne risulta è infine terminata (porta 2) su un carico resistivo pari all’impedenza della linea, in modo da evitare onde stazionarie.

Al fine di ridurre la lunghezza del dispositivo, che può raggiungere diversi metri, è possibile “troncare” la struttura  e introdurre una terminazione a banda larga. Si ottiene in questo modo la cosiddetta cella GTEM. La terminazione costituisce un punto delicato della cella GTEM: tipicamente si tratta di un resistore in combinazione con un assorbitore  [1], che riduce l’eccitazione dei modi TE e TM alle alte frequenze. Le risonanze delle componenti non trasverse del campo possono essere ulteriormente ridotte considerando una cella GTEM aperta [2], derivata da una cella GTEM convenzionale rimuovendo fisicamente i lati della stessa. Tuttavia, questa struttura aperta diventa inevitabilmente più sensibile all’influenza dell’ambiente esterno, a causa dell’assenza della schermatura da parte delle pareti metalliche laterali.

È stato analizzato il comportamento elettromagnetico della cella GTEM aperta a diverse frequenze operative (da 250 MHz a 1 GHz), realizzando un accurato modello a elementi finiti della cella stessa utilizzando il software COMSOL Multiphysics. La  cella GTEM in oggetto può essere intesa come estensione di una linea di trasmissione di 50 ohm che si espande in modo piramidale, il cui conduttore interno è un sottile strato metallico chiamato setto  e terminata da tre serie di coni piramidali anecoici che, grazie ad un processo di riflessione e trasmissione parziale,  permettono una drastica attenuazione dei campi in prossimità della base della cella GTEM [3,4]. La cella GTEM in esame ha impedenza di ingresso 50 ?; al fine di ricavare più spazio utile al suo interno, nella parte inferiore, è stata progettata in modo asimmetrico, come due linee: quella superiore, più compatta, da 86.6 ? e quella inferiore, più alta, da 116 ?, in parallelo tra loro.

Le simulazioni eseguite con COMSOL hanno permesso di stimare la purezza del modo TEM, analizzando il rapporto tra la componente desiderata di campo (trasverso) e le altre componenti; questo ha consentito di identificare le regioni all’interno della cella in cui la modalità di propagazione risulta puramente TEM. Inoltre è stato possibile calcolare il rapporto di onda stazionaria (VSWR) sulla porta di alimentazione, il cui valore a frequenze diverse è stato convalidato dai risultati sperimentali ottenuti con analizzatore di reti vettoriale HP8753D sulla cella GTEM reale. Infine, le componenti del campo magnetico valutate con COMSOL nella regione di test interna GTEM sono stati confrontati con una serie di misurazioni del campo eseguite utilizzando uno scanner very near field (EM-Scan RFX). Tale strumento da banco molto compatto è utilizzato solitamente per caratterizzazione di antenne in tempo reale in ambiente di laboratorio con una copertura di frequenza a banda larga da 300 MHz a 6 GHz [5]. Lo scanner RFX esegue una mappatura del campo molto vicino del campo magnetico e, nell’uso convenzionale, fornisce, tramite calcolo, i diagrammi di campo lontano dell’antenna. In questa applicazione meno convenzionale ha permesso una rapida mappatura delle componenti tangenziali del campo magnetico. Il confronto tra misure sperimentali e risultati di simulazioni ha fornito un buon accordo in termini di uniformità di campo.