Kwalifikacje miejsca testowego EMC: Stosunek fali stojącej napięcia w miejscu do reflektometrii w dziedzinie czasu

Koncepcyjnie metoda SVSWR jest dość prosta i łatwa do zrozumienia. Jak w przypadku każdego pomiaru VSWR, celem jest pomiar maksymalnych i minimalnych wartości fali stojącej, jak pokazano na rysunku 1. Stosunek tych wartości to VSWR. Najczęstszym zastosowaniem pomiaru VSWR jest ocena linii przesyłowych. Jeśli na końcu linii przesyłowej wystąpi niedopasowanie impedancji między impedancjami linii przesyłowej a obciążeniem (na przykład), wystąpi warunek brzegowy, który spowoduje falę odbitą. Fala odbita będzie w różnych miejscach linii przesyłowej oddziaływać konstruktywnie lub destrukcyjnie z falą ciągłą ze źródła. Powstała konstrukcja (połączenie fal bezpośrednich i odbitych) jest falą stojącą. Prosty przykład tego można znaleźć w przeprowadzonym teście mocy wymaganym dla urządzeń w CISPR 14-1. W tym teście przetwornik (zacisk zasilania) jest przesuwany wzdłuż przedłużonego przewodu zasilającego produktu w celu zmierzenia maksymalnego napięcia na przewodzie zasilającym w interesującym zakresie częstotliwości. To samo zdarzenie jest realizowane na niedoskonałej witrynie testowej. Linia transmisyjna to droga od testowanego sprzętu do anteny odbiorczej. Odbite fale są tworzone z innych obiektów w środowisku testowym. Obiekty te mogą obejmować ściany komór, budynki i samochody (na otwartych terenach testowych). Podobnie jak w przypadku linii przesyłowej, powstaje fala stojąca. Konfiguracja testu dla testu VSWR lub SVSWR w miejscu jest pokazana na rysunku 2.

Fizyczne wymiary fali stojącej są krytycznym czynnikiem w dokładnym pomiarze fali stojącej. Celem znowu jest znalezienie wartości maksymalnej i minimalnej. Test SVSWR w CISPR 16-1-4 proponuje pomiar fali stojącej w miejscu testowym poprzez przesuwanie anteny nadawczej wzdłuż linii prostej w komorze i pomiar odbieranego napięcia za pomocą anteny emisyjnej w normalnym miejscu używanym do testowania produktu. Podobnie jak w przeprowadzonym teście mocy lub podobnym pomiarze VSWR, ciągły ruch przetwornika lub w przypadku SVSWR anteny nadawczej jest potrzebny do uchwycenia maksimów i minimów fali stojącej. Można to zrobić na każdej częstotliwości, ale tylko przy znacznych kosztach i czasie. W konsekwencji grupa robocza CISPR zdecydowała się pójść na kompromis i zmierzyć tylko sześć fizycznych położeń dla każdej z wolumetrycznych lokalizacji (patrz Rysunek 3). Jedyną inną możliwością skrócenia czasu testu było zmniejszenie rozdzielczości częstotliwości pomiaru (np. Pomiar mniejszej częstotliwości, ale przy każdej częstotliwości pomiar większej liczby pozycji). Problem z tą opcją polega na tym, że wiele obiektów, które odbijają, może mieć wąskie właściwości widmowe. Innymi słowy, niektóre materiały mogą silnie odbijać światło w wąskim zakresie częstotliwości. W związku z tym grupa robocza zdecydowała się zastosować do testu maksymalny rozmiar kroku 50 MHz, co daje minimum 340 częstotliwości w zakresie 1-18 GHz, ale tylko z sześcioma pozycjami, jak pokazano na rysunku 3.

Rysunek 3: Lokalizacje i pozycje pomiarów SVSWR
Próbkowanie fali stojącej tylko w dyskretnej liczbie pozycji może zapewnić wystarczającą dokładność do obliczenia przybliżonej wartości SVSWR w zależności od wielkości stopni. Jednak innym kompromisem było ustalenie tych samych określonych pozycji dla każdej częstotliwości, tak aby test pozwolił zaoszczędzić czas, przesuwając antenę i przemiatając częstotliwość. Wybrane pozycje to 0, +2, +10, +18, +30, +40 cm. Spróbuj wyobrazić sobie falę znaków nałożoną na linijkę z sześcioma znakami. Teraz wyobraź sobie kompresję fali znaku na coraz krótsze długości fal. Rysunek 4 ilustruje ten eksperyment myślowy. Będą częstotliwości, na których wybrane lokalizacje nigdy nie zbliżą się do prawdziwych maksimów lub minimów fali znaków. Jest to kompromis, który będzie skutkował odchyleniem od zgodności, np. Wynikiem, który jest zawsze niższy niż prawdziwy SVSWR. To odchylenie jest składnikiem błędu i nie należy go mylić z wkładem niepewności pomiaru.

Rysunek 4: Lokalizacje pomiarów SVSWR a długość fali
Jak duży jest termin błędu? Jeśli pomyślimy o przykładzie zilustrowanym na rysunku 4, jasne jest, że długość fali wynosi 2 centymetry. To byłaby fala znakowa 15 GHz. Przy tej częstotliwości nie byłoby mierzonej fali stojącej, ponieważ długość fali wynosi 2 cm, a inne lokalizacje są nawet wielokrotnościami 2 (10, 18, 30 i 40 cm)! Oczywiście ten sam problem występuje przy 7.5 GHz. Praktycznie przy każdej częstotliwości próbkowanie nie prowadzi do pomiaru ani wartości maksymalnej, ani minimalnej.

Laboratorium musi dokonać pomiaru w czterech miejscach, jak pokazano na rysunku 3, w dwóch polaryzacjach i na co najmniej dwóch wysokościach zgodnie z CISPR 16-1-4. Zakres pomiarowy to 1-18 GHz. Do niedawna jedyne dostępne anteny, które spełniały wymagania wzorca, były dostępne w modelach 1-6 GHz i 6-18 GHz. Konsekwencją jest to, że czas testu jest przedstawiony w równaniu 1:

Gdzie: tx = czas wykonania funkcji x, ny = ile razy należy wykonać czynność Y.


Równanie 1: Oszacuj czas testu dla SVSWR
Wynik tej kombinacji pozycji, lokalizacji, polaryzacji, wysokości i anten skutkuje dość długim testem. Ten czas stanowi koszt alternatywny dla laboratorium.
Koszt alternatywny to przychód, który w innym przypadku mógłby zostać osiągnięty zamiast przeprowadzania tego długiego testu. Na przykład typowy czas testu dla tego testu to co najmniej trzy zmiany testowe. Gdyby laboratorium pobierało opłatę w wysokości 2,000 USD za zmianę, ten test przedstawia roczny koszt alternatywny, zakładając, że witryna jest sprawdzana corocznie zgodnie z zaleceniami, wynoszącą co najmniej 6,000–12,000 14,000 USD. Nie obejmuje to początkowych kosztów anten specjalnych (XNUMX XNUMX USD).


Niepewność pozycjonowania
Każdy pomiar metodą SVSWR wymaga ustawienia anteny nadawczej w określonych pozycjach (0, 2, 10, 18, 30, 40 cm). Ponieważ obliczenia są korygowane ze względu na odległość, powtarzalność i odtwarzalność pozycjonowania ma bezpośredni wpływ na niepewność pomiaru. Powstaje zatem pytanie, jak powtarzalne i odtwarzalne jest ustawienie anten w odstępach tak małych jak 2 cm? Niedawne badanie przyrządu przeprowadzone w UL wykazało, że udział ten wynosi około 2.5 mm lub około 15% długości fali 18 GHz. Wielkość tego czynnika zależy od częstotliwości i amplitudy fali stojącej (nieznana).

Drugim czynnikiem związanym z pozycjonowaniem jest kąt w stosunku do wzoru anteny. Wymagania dotyczące wzoru anteny w CISPR 16-4-1 mają zmienność w przybliżeniu +/- 2 lub 3 dB w płaszczyźnie H, a nawet szerszą w płaszczyźnie E. Jeśli wybierzesz dwie anteny o różnych wzorcach, ale obie spełniają wymagania dotyczące wzoru, możesz uzyskać bardzo różne wyniki. Oprócz tej anteny do zmienności anteny (problem z odtwarzalnością), anteny używane do nadawania nie mają idealnie symetrycznych wzorców (np. Wzorce zmieniają się z małymi przyrostami kąta), jak pokazano w normie. W konsekwencji każda zmiana ustawienia anteny nadawczej względem anteny odbiorczej powoduje zmianę napięcia odbieranego (problem z powtarzalnością). Rysunek 5 ilustruje rzeczywiste zmiany wzorca anteny SVSWR z małymi przyrostami kąta. Te rzeczywiste cechy wzoru skutkują znaczną zmiennością położenia kątowego.


Rysunek 5: Wzór anteny SVSWR
Zmiany wzmocnienia anteny w funkcji relatywnie małych obrotów kątowych powodują w przedstawionym przykładzie aż 1 dB zmienności.Metoda domeny czasu w celu uzyskania SVSWR

Metoda SVSWR w CISPR 16-1-4 opiera się na przestrzennym przemieszczaniu anten w celu zmiany zależności fazowej między falą bezpośrednią a falami odbitymi z niedoskonałości komory. Jak wspomniano wcześniej, kiedy fale sumują się konstruktywnie, występuje odpowiedź szczytowa (Emax) między dwiema antenami, a kiedy fale sumują się destrukcyjnie, występuje odpowiedź minimalna (Emin). Transmisja może być wyrażona jako

gdzie E to otrzymane natężenie pola.

ED to bezpośredni sygnał ścieżki, N to całkowita liczba odbić od miejsca (może to obejmować pojedyncze lub wielokrotne odbicia od ścian komory lub niedoskonałości miejsca na otwartej przestrzeni). ER (i) jest I-tym sygnałem odbitym. Dla ułatwienia wyprowadzenia załóżmy, że istnieje tylko jeden sygnał odbity (nie spowoduje to utraty ogólności). Witryna VSWR (lub względny rozmiar tętnienia) witryny można wyrazić jako

Rozwiązując Równanie 3, otrzymujemy stosunek sygnału odbitego do sygnału bezpośredniego
Jak widać z równania 4, dwa terminy, tj. Stosunek sygnału odbitego do bezpośredniego (Erelative) i miejsce VSWR (S), opisują tę samą wielkość fizyczną - miarę poziomu odbić w miejscu. Mierząc miejsce VSWR (jak w CISPR 16-1-4), możemy określić, jak duże są fale odbite w stosunku do fali bezpośredniej. W idealnej sytuacji nie ma odbić, co daje Erelative = 0 i S = 1.

Jak wspomniano wcześniej, aby wykryć stosunek między sygnałem odbitym a bezpośrednim, w metodzie VSWR miejsca w CISPR 16-1-4, zmieniamy odległość separacji, aby można było zmieniać zależność fazową między bezpośrednią ścieżką a odbitymi sygnałami. Następnie wyprowadzamy SVSWR z tych odpowiedzi skalarnych. Okazuje się, że możemy uzyskać ten sam SVSWR za pomocą pomiarów wektorowych (napięcia i fazy) bez konieczności fizycznego przesuwania anten. Można to zrobić za pomocą nowoczesnego wektorowego analizatora sieci (VNA) i transformacji w dziedzinie czasu. Zauważ, że równania od 2 do 4 są prawdziwe w dziedzinie częstotliwości lub czasu. Jednak w dziedzinie czasu możemy odróżnić sygnały odbite od sygnału bezpośredniego, ponieważ moment, w którym docierają do anteny odbiorczej, jest inny. Można to postrzegać jako impuls wysyłany z anteny nadawczej. W dziedzinie czasu fala bezpośrednia dotrze najpierw do anteny odbiorczej, a fala odbita później. Stosując bramkowanie czasowe (filtr czasowy), efekt sygnału bezpośredniego można oddzielić od odbitego.

Rzeczywiste pomiary są wykonywane w domenie częstotliwości za pomocą VNA. Wyniki są następnie przekształcane w dziedzinę czasu przy użyciu odwrotnej transformaty Fouriera. W dziedzinie czasu do analizy sygnałów bezpośrednich i odbitych stosuje się bramkowanie czasowe. Rysunek 6 przedstawia przykład odpowiedzi w dziedzinie czasu między dwiema antenami (przy użyciu odwrotnej transformaty Fouriera z pomiarów w dziedzinie częstotliwości). Rysunek 7 przedstawia tę samą odpowiedź w dziedzinie czasu z wyłączonym sygnałem bezpośrednim. Dane w dziedzinie czasu (po przeanalizowaniu) są ostatecznie konwertowane z powrotem do dziedziny częstotliwości przy użyciu transformaty Fouriera. Na przykład, gdy dane na rysunku 7 są transformowane z powrotem do dziedziny częstotliwości, reprezentuje ER w funkcji częstotliwości. W końcu otrzymujemy tę samą relatywną, co metoda zmienności przestrzennej CISPR, ale przechodząc inną trasą. Chociaż odwrotna transformata Fouriera (lub późniejsza transformata Fouriera) brzmi jak zniechęcające zadanie, w rzeczywistości jest to wbudowana funkcja w nowoczesnym VNA. Wystarczy nacisnąć kilka przycisków.

Figura 6: Odpowiedź w dziedzinie czasu (z odwrotnej transformaty Fouriera danych VNA) między dwiema celowanymi antenami. Znacznik 1 przedstawia sygnał bezpośredni, który pojawia się przy 10 ns x (3 x 108 m / s) = 3 m od anteny nadawczej.

Rysunek 7: Odpowiedź w dziedzinie czasu z bramkowanym sygnałem bezpośrednim - pozostawiając tylko sygnały późnego nadejścia (odbite).
Kolejne kroki: Dalsze ulepszanie metody SVSWR w dziedzinie czasuUstaliliśmy, że SVSWR przez ruch przestrzenny i SVSWR w dziedzinie czasu dają równoważne dane. Pomiary empiryczne mogą potwierdzić ten punkt. Pytania, które wciąż pozostają, to: czy są to najbardziej reprezentatywne dane dla testowanego sprzętu (EUT) i jakie niepewności możemy osiągnąć dzięki doborowi anteny? Odnosząc się do równania 2, wszystkie odbicia są modyfikowane przez wzór anteny przed zsumowaniem. Dla uproszczenia rozważmy komorę testową, w której wielokrotne odbicia są pomijalne. Mamy wtedy siedem członów na ścieżce transmisji, a mianowicie sygnał bezpośredni i odbicia od czterech ścian, sufitu i podłogi. W CISPR 16-1-4 istnieją bardzo szczegółowe wymagania dotyczące wzoru anteny nadawczej. Ze względów praktycznych wymagania te nie są w żaden sposób restrykcyjne. Na przykład załóżmy, że dominującą niedoskonałością jest odbicie od tylnej ściany, a stosunek przód / tył anteny wynosi 6 dB (w ramach specyfikacji CISPR 16). Dla miejsca o zmierzonym SVSWR = 2 (6 dB) przy użyciu doskonałej anteny izotropowej, ER / ED wynosi 1/3. Jeśli użyjemy anteny o stosunku przód-tył 6 dB, zmierzona wartość SVSWR staje sięAntena o stosunku przód / tył 6 dB zaniża wartość SVSWR o 20 * log (2.0 / 1.4) = 2.9 dB. Powyższy przykład jest oczywiście nadmiernie uproszczony. Biorąc pod uwagę wszystkie inne odbicia komory i wszystkie zmiany wzorów anteny, potencjalna niepewność jest jeszcze większa. W drugiej polaryzacji (w płaszczyźnie E) nie jest możliwe posiadanie fizycznej anteny izotropowej. Jeszcze większym wyzwaniem jest zdefiniowanie ścisłego wzorca anteny, który muszą spełniać wszystkie prawdziwe anteny fizyczne.

Problem związany ze zmianami wzoru można rozwiązać, obracając antenę nadawczą. W tym schemacie nie potrzebujemy anteny o szerokiej wiązce - dobrze sprawdzi się dobrze znana podwójna antena falowodu, powszechnie stosowana w tym zakresie częstotliwości. Nadal preferowany jest duży stosunek przód / tył (który można łatwo poprawić, umieszczając mały kawałek absorbera za anteną). Implementacja jest taka sama, jak omówiono wcześniej dla metody w dziedzinie czasu, z tym wyjątkiem, że również obracamy antenę nadawczą o 360 ° i wykonujemy maksymalne trzymanie. Zamiast próbować oświetlać wszystkie ściany jednocześnie, ten schemat robi to pojedynczo. Ta metoda może przynieść nieco inne rezultaty niż PRÓBA transmitowania na wszystkie ściany w tym samym czasie. Można argumentować, że jest to lepsza miara wydajności miejsca, ponieważ prawdziwy EUT prawdopodobnie będzie miał wąską wiązkę, a nie wyglądał jak specjalnie wykonana antena. Oprócz uniknięcia bałaganu spowodowanego wzorami anteny, możemy wskazać, gdzie występuje niedoskonałość w komorze lub OATS. Lokalizację można określić na podstawie kąta obrotu i czasu potrzebnego na przebycie sygnału (a tym samym odległość do miejsca, w którym następuje odbicie).


Wnioski

Korzyści z metody w dziedzinie czasu są liczne. Pozwala to uniknąć pułapki omawianej wcześniej kwestii niedopróbowania. Metoda nie zależy od fizycznego przenoszenia anten do kilku dyskretnych lokalizacji, a SVSWR z dziedziny czasu reprezentuje prawdziwą wartość miejsca. Również w metodzie CISPR, aby znormalizować wpływ związany z długością ścieżki, należy znać dokładną odległość między antenami. Wszelkie niepewności związane z odległością przekładają się na niepewności SVSWR (biorąc pod uwagę potrzebne małe przyrosty, jest to jeszcze trudniejsze). W dziedzinie czasu nie ma niepewności normalizacji odległości. Ponadto, być może najbardziej atrakcyjną cechą dla użytkownika końcowego jest to, że SVSWR w dziedzinie czasu zajmuje znacznie mniej czasu. Czas testu jest skrócony prawie sześciokrotnie (patrz Równanie 1).

W pełni bezechowa komora obejmuje obróbkę absorberów na wszystkich czterech ścianach, podłodze i suficie komory. Pomiary współczynnika odbicia w dziedzinie czasu (TDR) mogą nie tylko zapewnić dokładną ocenę miejsca testowego, takiego jak to, ale mogą również dostarczyć dodatkowych informacji, takich jak np. Skąd pochodzą największe przyczyny odchyleń od idealnego miejsca.

Można pokusić się o stwierdzenie, że w metodzie CISPR, ponieważ anteny są poruszane, punkty odbicia przesuwają się po ścianach komory i więcej obszarów niedoskonałości jest zakrytych. To jest czerwony śledź. Celem przesuwania anteny odbiorczej jest tylko zmiana stosunków fazowych. Całkowita zmienna odległość wynosi 40 cm. Przekłada się to na pokrycie 20 cm (7.9 ”) ściany dzięki translacji geometrii (jeśli ścieżka transmisji jest równoległa do ściany komory). Aby teoria się sprawdziła, musimy faktycznie założyć, że właściwości odbicia absorberów są jednolite na całej długości 20 cm. Aby pokryć więcej obszarów, należy przesunąć anteny o wiele bardziej drastycznie, jak to ma miejsce w CISPR 16-1-4 (lokalizacja przednia, środkowa, lewa i prawa). favicon

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów