EMC-testplaatskwalificaties: standplaatsspanning staande golfverhouding versus tijddomeinreflectometrie

Conceptueel gezien is de SVSWR-methode vrij eenvoudig en gemakkelijk te begrijpen. Zoals bij elke VSWR-meting is het doel om de maximale en minimale waarden van een staande golf te meten, zoals geïllustreerd in figuur 1. De verhouding van deze waarden is de VSWR. De meest gebruikelijke toepassing van de VSWR-meting is het evalueren van transmissielijnen. Als er aan het einde van een transmissielijn een impedantie-mismatch is tussen de impedanties van de transmissielijn en de belasting (bijvoorbeeld), zal er een randvoorwaarde zijn die resulteert in een gereflecteerde golf. De gereflecteerde golf zal, op verschillende locaties op de transmissielijn, constructief of destructief in wisselwerking staan ​​met de continue golf van de bron. Het resulterende construct (directe en gereflecteerde golfcombinatie) is een staande golf. Een eenvoudig voorbeeld hiervan is te vinden in de uitgevoerde vermogenstest die vereist is voor apparaten in CISPR 14-1. Bij deze test wordt een transducer (stroomtang) langs een verlengde stroomkabel van het product bewogen in een poging om de maximale spanning op de stroomkabel over het betreffende frequentiebereik te meten. Hetzelfde evenement wordt gerealiseerd op een onvolmaakte testsite. De transmissielijn is het pad van de te testen apparatuur naar de ontvangende antenne. Gereflecteerde golven worden gecreëerd door andere objecten in de testomgeving. Die objecten kunnen variëren van kamerwanden tot gebouwen en auto's (op testlocaties in de open ruimte). Net als bij een transmissielijn ontstaat er een staande golf. De testopstelling voor de VSWR- of SVSWR-test op de site wordt weergegeven in Figuur 2.

De fysieke afmetingen van de staande golf zijn een kritische factor bij het nauwkeurig meten van een staande golf. Het doel is opnieuw om de maximale en minimale waarde te vinden. De SVSWR-test in CISPR 16-1-4 stelt voor om de staande golf op een testlocatie te meten door een zendantenne langs een rechte lijn in de kamer te bewegen en de ontvangen spanning te meten met de emissieantenne op de normale locatie die wordt gebruikt voor producttesten. Net als bij een uitgevoerde vermogenstest of vergelijkbare VSWR-meting, is een continue beweging van de transducer, of in het geval van SVSWR de zendantenne, nodig om de opname van de maxima en minima van de staande golf te garanderen. Dit zou bij elke frequentie kunnen worden gedaan, maar alleen met aanzienlijke kosten en tijd. Daarom besloot de CISPR-werkgroep een compromis te sluiten en slechts zes fysieke posities voor elk van de volumetrische locaties te meten (zie figuur 3). De enige andere mogelijkheid om de testtijd te verkorten, was het verlagen van de frequentieresolutie van de meting (bv. Meet minder frequenties maar meet bij elke frequentie meer posities). Het probleem met die optie is dat veel objecten die reflecteren smalle spectrale kenmerken kunnen hebben. Met andere woorden, sommige materialen kunnen aanzienlijk reflecterend zijn voor een smal frequentiebereik. Daarom besloot de werkgroep om een ​​maximale stapgrootte van 50 MHz toe te passen op de test, resulterend in een minimum van 340 frequenties van 1-18 GHz, maar met slechts zes posities, zoals weergegeven in figuur 3.

Figuur 3: SVSWR-meetlocaties en -posities
Het bemonsteren van een staande golf op slechts een discreet aantal posities kan aannemelijk voldoende nauwkeurigheid opleveren om een ​​geschatte SVSWR te berekenen, afhankelijk van de grootte van de stappen. Een ander compromis was echter om voor elke frequentie dezelfde voorgeschreven posities te hebben, zodat de test tijd zou besparen door de antenne en de zwaaifrequentie te verplaatsen. De gekozen posities zijn 0, +2, +10, +18, +30, +40 cm. Probeer je een tekengolf voor te stellen die over een liniaal wordt gelegd met zes markeringen erop. Stel je nu voor dat je de tekengolf in steeds kortere golflengten comprimeert. Figuur 4 illustreert dit gedachte-experiment. Er zullen frequenties zijn waarbij de gekozen locaties nooit in de buurt zullen komen van de werkelijke maxima of minima van de tekengolf. Dit is een compromis dat zal resulteren in een compliancevoorkeur, bijvoorbeeld een resultaat dat altijd lager is dan de echte SVSWR. Deze bias is een foutterm en moet niet worden verward met een meetonzekerheidsbijdrage.

Figuur 4: SVSWR-meetlocaties versus golflengte
Hoe groot is de foutterm? Als we denken aan het voorbeeld geïllustreerd in figuur 4, is het duidelijk dat de golflengte 2 centimeter is. Dat zou een signaalgolf van 15 GHz zijn. Bij die frequentie zou er geen staande golf worden gemeten omdat de golflengte 2 cm is en de andere locaties zelfs veelvouden van 2 (10, 18, 30 en 40 cm)! Natuurlijk doet hetzelfde probleem zich voor bij 7.5 GHz. Bij vrijwel elke frequentie resulteert de bemonstering in het meten van noch het maximum, noch het minimum.

Een laboratorium moet vier locaties meten zoals weergegeven in figuur 3 in twee polariteiten en minimaal twee hoogtes in overeenstemming met CISPR 16-1-4. Het meetbereik is 1-18 GHz. Tot voor kort waren de enige beschikbare antennes die aan de patroonvereisten voldeden, beschikbaar in modellen van 1-6 GHz en 6-18 GHz. Het gevolg is dat de testtijd wordt weergegeven in vergelijking 1:

Waarbij: tx = tijd om functie x uit te voeren, ny = aantal keren dat activiteit Y moet worden uitgevoerd.


Vergelijking 1: geschatte testtijd voor SVSWR
Het resultaat van deze combinatie van posities, locaties, polariteiten, hoogtes en antennes resulteert in een vrij langdurige test. Deze tijd vertegenwoordigt een alternatieve kostenpost voor het laboratorium.
De alternatieve kosten zijn de inkomsten die anders hadden kunnen worden gerealiseerd in plaats van deze langdurige test uit te voeren. Een typische testtijd voor deze test is bijvoorbeeld minstens drie testploegen. Als een laboratorium $ 2,000 USD in rekening zou brengen voor een ploegendienst, vertegenwoordigt deze test jaarlijkse alternatieve kosten, ervan uitgaande dat de site jaarlijks wordt gecontroleerd zoals aanbevolen, van ten minste $ 6,000 - $ 12,000 USD. Dit is exclusief de initiële kosten van de speciale antennes ($ 14,000 USD).


Positioneringsonzekerheid
Elke meting van de SVSWR-methode vereist de positionering van de zendantenne op de gespecificeerde posities (0, 2, 10, 18, 30, 40 cm). Aangezien de berekeningen worden gecorrigeerd voor afstand, heeft de herhaalbaarheid en reproduceerbaarheid van de positionering een directe invloed op de meetonzekerheid. De vraag wordt dan: hoe herhaalbaar en reproduceerbaar is de positionering van de antennes in stappen van slechts 2 cm? Een recente meetstudie uitgevoerd bij UL heeft aangetoond dat deze bijdrage ongeveer 2.5 mm of ongeveer 15% van de 18 GHz-golflengte is. De grootte van deze bijdrager is afhankelijk van de frequentie en de amplitude van de staande golf (een onbekende).

Een tweede factor met betrekking tot positionering is de hoek versus het antennepatroon. De antennepatroonvereisten in CISPR 16-4-1 hebben een variabiliteit van ruwweg +/- 2 of 3 dB in het H-vlak en zelfs breder in het E-vlak. Als u twee antennes met verschillende patronen kiest, maar beide voldoen aan de patroonvereisten, kunt u zeer verschillende resultaten behalen. Naast deze variabiliteit tussen antenne en antenne (een reproduceerbaarheidsprobleem), hebben de antennes die worden gebruikt om te zenden geen perfect symmetrische patronen (bijv. Patronen variëren met kleine stapjes in de hoek) zoals getoond in de standaard. Als gevolg hiervan resulteert elke verandering in de uitlijning van de zendantenne met de ontvangende antenne in een veranderde ontvangen spanning (een herhaalbaarheidsprobleem). Figuur 5 illustreert de feitelijke patroonveranderingen van een SVSWR-antenne met kleine toenames in de hoek. Deze echte patroonkenmerken resulteren in een aanzienlijke variabiliteit in de hoekpositionering.


Figuur 5: SVSWR-antennepatroon
De veranderingen in antenneversterking als functie van relatief kleine hoekrotaties veroorzaken in het getoonde voorbeeld maar liefst 1 dB variabiliteit.Tijddomeinmethode om SVSWR te verkrijgen

De SVSWR-methode in CISPR 16-1-4 is gebaseerd op bewegende antennes ruimtelijk om de faserelatie tussen de directe golf en gereflecteerde golven van kameronvolkomenheden te variëren. Zoals eerder besproken, wanneer de golven constructief optellen, is er een piekrespons (Emax) tussen de twee antennes en wanneer de golven destructief optellen, is er een minimale respons (Emin). De transmissie kan worden uitgedrukt als

waarbij E de ontvangen veldsterkte is.

ED is het directe pad-signaal, N is het totale aantal reflecties van de locatie (dit kan enkele of meervoudige reflecties van de kamerwanden of onvolkomenheden in het open gebied zijn). ER (i) is het I-de gereflecteerde signaal. Laten we voor het gemak van de afleiding aannemen dat er slechts één gereflecteerd signaal is (dit zal de algemeenheid niet verliezen). De site VSWR (of de relatieve rimpelgrootte) van de site kan worden uitgedrukt als

Door vergelijking 3 op te lossen, krijgen we de verhouding tussen het gereflecteerde signaal en het directe signaal
Zoals blijkt uit vergelijking 4, beschrijven de twee termen, dwz de gereflecteerde tot directe signaalverhouding (erelatief) en de locatie VSWR (S) dezelfde fysieke grootheid - een maat voor het niveau van reflecties in de locatie. Door de locatie VSWR te meten (zoals het geval is in CISPR 16-1-4), kunnen we bepalen hoe groot de gereflecteerde golven zijn ten opzichte van de directe golf. In een ideale situatie zijn er geen reflecties, wat resulteert in Erelative = 0 en S = 1.

Zoals eerder besproken, veranderen we, om de verhouding tussen het gereflecteerde en het directe signaal te detecteren, in de VSWR-methode op locatie in CISPR 16-1-4, de scheidingsafstand zodat de faserelatie tussen het directe pad en gereflecteerde signalen kan worden gevarieerd. Vervolgens leiden we de SVSWR af uit deze scalaire responsen. Het blijkt dat we dezelfde SVSWR kunnen verkrijgen met behulp van vector- (spanning en fase) metingen zonder de antennes fysiek te hoeven verplaatsen. Dit kan met behulp van een moderne vector netwerkanalysator (VNA) en tijddomein-transformaties. Merk op dat vergelijkingen 2 tot en met 4 waar zijn in het frequentiedomein of in het tijdsdomein. In het tijdsdomein kunnen we de gereflecteerde signalen echter onderscheiden van het directe signaal omdat het tijdstip waarop ze bij de ontvangstantenne aankomen, verschilt. Dit kan worden gezien als een puls die wordt uitgezonden vanaf de zendantenne. In het tijdsdomein zal de directe golf het eerst bij de ontvangstantenne aankomen en de gereflecteerde golf later. Door time gating (een tijdfilter) toe te passen, kan het effect van het directe signaal worden gescheiden van het gereflecteerde signaal.

De daadwerkelijke metingen worden uitgevoerd in frequentiedomein met een VNA. De resultaten worden vervolgens getransformeerd naar het tijdsdomein met behulp van inverse Fourier-transformatie. In het tijdsdomein wordt tijdpoort toegepast om de directe en gereflecteerde signalen te ontleden. Figuur 6 toont een voorbeeld van de tijddomeinrespons tussen twee antennes (door gebruik te maken van inverse Fourier-transformatie van frequentiedomeinmetingen). Figuur 7 toont dezelfde tijddomeinrespons met het directe signaal uitgeschakeld. De tijddomeingegevens (na het parseren) worden uiteindelijk terug geconverteerd naar het frequentiedomein met behulp van Fourier-transformatie. Wanneer de gegevens in figuur 7 bijvoorbeeld terug worden getransformeerd naar het frequentiedomein, stelt het ER versus frequentie voor. Uiteindelijk krijgen we dezelfde Erelative als de CISPR ruimtelijk variërende methode, maar door een andere route te volgen. Hoewel de inverse Fourier-transformatie (of de daaropvolgende Fourier-transformatie) klinkt als een ontmoedigende taak, is het eigenlijk een ingebouwde functie in een moderne VNA. Er is niet meer voor nodig dan een paar knoppen in te drukken.

Figuur 6: tijddomeinrespons (van inverse Fourier-transformatie van de VNA-gegevens) tussen twee droeg waargenomen antennes. Markering 1 toont het directe signaal dat optreedt bij 10 ns x (3 x 108 m / s) = 3 m van de zendantenne.

Figuur 7: Tijddomeinrespons met het directe signaal uitgeschakeld, waardoor alleen late aankomst (gereflecteerde) signalen overblijven.
Volgende stappen: de tijddomein-SVSWR-methode verder verbeterenWe hebben vastgesteld dat de SVSWR door ruimtelijke beweging en SVSWR door tijddomein gelijkwaardige gegevens opleveren. Empirische metingen kunnen dit punt valideren. Vragen die nog steeds blijven hangen zijn: of dit de meest representatieve gegevens zijn voor Equipment Under Test (EUT), en welke onzekerheden kunnen we bereiken door antenneselecties? Verwijzend naar vergelijking 2, worden alle reflecties gemodificeerd door het antennepatroon voordat ze worden opgeteld. Laten we voor de eenvoud een testkamer beschouwen waar multireflecties verwaarloosbaar zijn. We hebben dan zeven termen in het transmissiepad, namelijk het directe signaal en reflecties van vier muren, het plafond en de vloer. In CISPR 16-1-4 zijn er zeer specifieke eisen aan het zendantennepatroon. Om praktische redenen zijn deze vereisten geenszins beperkend. Neem bijvoorbeeld aan dat de reflectie van de achterwand de dominante imperfectie is en dat de verhouding van voren naar achteren van de antenne 6 dB is (binnen de CISPR 16-specificatie). Voor een site met een gemeten SVSWR = 2 (6 dB) met een perfecte isotrope antenne, is ER / ED 1/3. Als we een antenne gebruiken met een front-to-back ratio van 6 dB, wordt de gemeten SVSWRDe antenne met een front-to-back ratio van 6 dB onderschat de SVSWR met 20 * log (2.0 / 1.4) = 2.9 dB. Het bovenstaande voorbeeld is duidelijk te vereenvoudigd. Wanneer alle andere reflecties van de kamer en alle variaties van de antennepatronen in aanmerking worden genomen, is de potentiële onzekerheid zelfs nog groter. Bij de andere polarisatie (in het E-vlak) is het niet mogelijk om een ​​fysieke isotrope antenne te hebben. Het is een nog grotere uitdaging om een ​​strikt antennepatroon te definiëren, waaraan alle echte fysieke antennes moeten voldoen.

Het dilemma met betrekking tot patroonvariaties kan worden opgelost door de zendantenne te draaien. In dit schema hebben we geen antenne met een brede bundel nodig - een bekende antenne met dubbele golfgeleider die gewoonlijk in dit frequentiebereik wordt gebruikt, zal prima werken. Het heeft nog steeds de voorkeur om een ​​grote voor-achter-verhouding te hebben (die gemakkelijk kan worden verbeterd door een klein stukje absorber achter de antenne te plaatsen). De implementatie is hetzelfde als eerder besproken voor de tijddomeinmethode, behalve dat we ook de zendantenne 360 ​​° draaien en een maximale hold uitvoeren. In plaats van te proberen alle muren tegelijkertijd te verlichten, doet dit schema het een voor een. Deze methode kan resultaten opleveren die enigszins afwijken van POGINGEN om tegelijkertijd naar alle muren uit te zenden. Er kan worden gesteld dat het een betere maatstaf is voor de prestaties van een site, aangezien een echte EUT waarschijnlijk een smalle bundel heeft in plaats van eruit te zien als een speciaal vervaardigde antenne. Naast het vermijden van de rommelige situatie als gevolg van de antennepatronen, kunnen we lokaliseren waar een imperfectie optreedt in een kamer of een OATS. De locatie kan worden geïdentificeerd aan de hand van de rotatiehoek en de tijd die nodig is om het signaal af te leggen (dus de afstand tot waar de reflectie plaatsvindt).


Conclusie

De voordelen van de tijddomeinmethode zijn talrijk. Het vermijdt de valkuil van de eerder besproken onderbemonsteringskwestie. De methode is niet afhankelijk van het fysiek verplaatsen van de antennes naar een paar discrete locaties, en de SVSWR van het tijdsdomein vertegenwoordigt de werkelijke waarde van de site. Om de invloed als gevolg van de padlengte te normaliseren, moet in de CISPR-methode ook de exacte afstand tussen de antennes bekend zijn. Eventuele onzekerheden als gevolg van de afstand vertalen zich in onzekerheden van de SVSWR (gezien de kleine stappen die nodig zijn, is het zelfs nog uitdagender). In het tijdsdomein zijn er geen onzekerheden over afstandsnormalisatie. Bovendien is misschien wel het meest aantrekkelijke kenmerk voor een eindgebruiker dat tijddomein SVSWR veel minder tijdrovend is. De testtijd is bijna verzesvoudigd (zie vergelijking 1).

Een volledig echovrije kamer heeft een absorptiebehandeling op alle vier de wanden, de vloer en het plafond van de kamer. Time Domain Reflectivity (TDR) -metingen kunnen niet alleen een nauwkeurige beoordeling geven van een testsite als deze, maar kunnen ook aanvullende informatie opleveren, zoals waar de grootste bijdragers aan afwijkingen van een ideale site vandaan komen.

Men zou in de verleiding kunnen komen om te beweren dat bij de CISPR-methode, omdat de antennes worden verplaatst, de reflectiepunten op de kamerwanden bewegen en meer gebieden van de onvolkomenheden worden bedekt. Dit is een rode haring. Het doel van het verplaatsen van de ontvangantenne is om alleen de faserelaties te variëren. De totale afstand gevarieerd is 40 cm. Het vertaalt zich naar een dekking van 20 cm (7.9 ”) op de muur vanwege geometrievertalingen (als het transmissiepad evenwijdig is aan de kamerwand). Om de theorie te laten werken, moeten we in feite aannemen dat de reflectie-eigenschappen van de absorbers uniform zijn over de hele 20 cm. Om meer gebieden te bestrijken, moeten de antennes veel drastischer worden verplaatst, zoals wordt gedaan in CISPR 16-1-4 (de locaties vooraan, midden, links en rechts). favicon

Laat een bericht achter 

Message List