EMC-testplatsens kvalifikationer: Site Voltage Standing Wave Ratio versus Time Domain Reflectometry

Konceptuellt är SVSWR-metoden ganska enkel och lättförståelig. Som med alla VSWR-mätningar är målet att mäta maximala och minimala värden för en stående våg som illustreras i figur 1. Förhållandet mellan dessa värden är VSWR. Den vanligaste tillämpningen av VSWR-mätningen är att utvärdera överföringsledningar. Om det finns en impedansstörning i slutet av en överföringsledning mellan överföringsledningens impedanser och belastningen (till exempel) kommer det att finnas ett gränsvillkor som resulterar i en reflekterad våg. Den reflekterade vågen kommer på olika platser på överföringsledningen att vara konstruktivt eller destruktivt interagerande med den kontinuerliga vågen från källan. Den resulterande konstruktionen (direkt och reflekterad vågkombination) är en stående våg. Ett enkelt exempel på detta finns i det genomförda effektprovet som krävs för apparater i CISPR 14-1. I detta test flyttas en givare (strömklämma) längs en förlängd nätsladd för produkten i ett försök att mäta den maximala spänningen på strömkabeln över det intressanta frekvensområdet. Samma händelse realiseras på en ofullkomlig testplats. Överföringsledningen är vägen från utrustningen som testas till den mottagande antennen. Reflekterade vågor skapas från andra objekt i testmiljön. Dessa föremål kan sträcka sig från kammarväggar till byggnader och bilar (på testplatser på öppet område). Precis som i fallet med en överföringsledning skapas en stående våg. Testinställningarna för VSWR- eller SVSWR-testet visas i figur 2.

De fysiska dimensionerna för den stående vågen är en kritisk faktor för att noggrant mäta en stående våg. Målet är återigen att hitta max- och minimivärdet. SVSWR-testet i CISPR 16-1-4 föreslår att mäta den stående vågen på en testplats genom att flytta en sändarantenn längs en rak linje i kammaren och mäta den mottagna spänningen med utsläppsantennen på den normala platsen som används för produkttestning. Precis som i ett genomfört effektprov eller liknande VSWR-mätning behövs en kontinuerlig rörelse av givaren, eller i fallet med SVSWR, den sändande antennen, för att säkerställa att fånga maxima och minima för den stående vågen. Detta kan göras vid varje frekvens men bara med avsevärd kostnad och tid. Följaktligen beslutade CISPR-arbetsgruppen att kompromissa och bara mäta sex fysiska positioner för var och en av de volymetriska platserna (se figur 3). Det enda andra alternativet för att minska testtiden var att minska mätningens frekvensupplösning (t.ex. mäta färre frekvenser men vid varje frekvens mäta fler positioner). Problemet med det alternativet är att många objekt som reflekterar kan ha smala spektralegenskaper. Med andra ord kan vissa material reflekteras avsevärt för ett smalt frekvensområde. Följaktligen beslutade arbetsgruppen att tillämpa maximalt 50 MHz stegstorlek till testet vilket resulterade i minst 340 frekvenser från 1-18 GHz men med endast sex positioner som visas i figur 3.

Figur 3: SVSWR-mätplatser och positioner
Samplingen av en stående våg vid endast ett diskret antal positioner kan troligtvis ge tillräcklig noggrannhet för att beräkna en ungefärlig SVSWR beroende på storleken på stegen. En annan kompromiss var dock att ha samma föreskrivna positioner för varje frekvens så att testet skulle spara tid genom att flytta antennen och svepa frekvensen. De valda positionerna är 0, +2, +10, +18, +30, +40 cm. Försök att föreställa dig en skyltvåg ovanpå en linjal med sex märken på. Tänk dig att komprimera skyltvågen till kortare och kortare våglängder. Figur 4 illustrerar detta tankeexperiment. Det kommer att finnas frekvenser där de valda platserna aldrig kommer nära de verkliga maxima eller minima för teckenvågen. Detta är en kompromiss som kommer att resultera i en överensstämmelsesbias, t.ex. ett resultat som alltid är lägre än den sanna SVSWR. Denna bias är ett feluttryck och bör inte förväxlas med ett mätosäkerhetsbidrag.

Figur 4: SVSWR-mätplatser mot våglängd
Hur stor är felterm? Om vi ​​tänker på exemplet som illustreras i figur 4 är det tydligt att våglängden är 2 centimeter. Det skulle vara en 15 GHz-teckenvåg. Vid den frekvensen skulle det inte finnas någon uppmätt stående våg eftersom våglängden är 2 cm och de andra platserna är till och med multiplar av 2 (10, 18, 30 och 40 cm)! Naturligtvis uppstår samma problem vid 7.5 GHz. Vid praktiskt taget varje frekvens resulterar provtagningen i att varken mäta maximalt eller minimalt.

Ett laboratorium måste mäta fyra platser som visas i figur 3 i två polariteter och minst två höjder i enlighet med CISPR 16-1-4. Mätområdet är 1-18 GHz. Fram till nyligen var de enda tillgängliga antennerna som uppfyllde mönsterkraven tillgängliga i modellerna 1-6 GHz och 6-18 GHz. Konsekvensen är att testtiden visas i ekvation 1:

Där: tx = tid för att utföra funktionen x, ny = antalet gånger aktivitet Y måste utföras.


Ekvation 1: Uppskattad testtid för SVSWR
Resultatet av denna kombination av positioner, platser, polariteter, höjder och antenner resulterar i ett ganska långt test. Den här tiden utgör en möjlighetskostnad för laboratoriet.
Möjlighetskostnaden är de intäkter som annars skulle ha kunnat realiseras i stället för att genomföra detta långa test. Som ett exempel är en typisk testtid för detta test minst tre testskift. Om ett labb skulle debitera $ 2,000 USD för ett skift, representerar detta test en årlig möjlighetskostnad, förutsatt att webbplatsen kontrolleras årligen enligt rekommendation, på minst $ 6,000 12,000 - $ 14,000 XNUMX USD. Detta inkluderar inte de initiala kostnaderna för de speciella antennerna ($ XNUMX XNUMX USD).


Positioneringsosäkerhet
Varje mätning av SVSWR-metoden kräver att sändarantennen placeras till de angivna positionerna (0, 2, 10, 18, 30, 40 cm). Eftersom beräkningarna korrigeras för avstånd, påverkar repeterbarheten och reproducerbarheten av positioneringen direkt mätosäkerheten. Frågan blir då, hur repeterbar och reproducerbar är placeringen av antennerna i steg så små som 2 cm? En nyligen genomförd gage-studie utförd vid UL har visat att detta bidrag är ungefär 2.5 mm eller cirka 15% av 18 GHz-våglängden. Storleken på denna bidragsgivare beror på frekvensen och amplituden på den stående vågen (okänd).

En andra faktor relaterad till positionering är vinkel mot antennmönstret. Kraven på antennmönster i CISPR 16-4-1 har variationer på ungefär +/- 2 eller 3 dB i H-plan och ännu bredare i E-plan. Om du väljer två antenner med olika mönster men båda uppfyller mönsterkraven kan du få mycket olika resultat. Förutom denna antenn till antennvariabilitet (ett reproducerbarhetsproblem) har antennerna som används för att sända inte perfekt symmetriska mönster (t.ex. mönster varierar med små steg i vinkel) som visas i standarden. Som en konsekvens resulterar varje förändring i inriktning av den sändande antennen mot den mottagande antennen i en ändrad mottagen spänning (ett repeterbarhetsproblem). Figur 5 illustrerar de faktiska mönsterförändringarna för en SVSWR-antenn med små steg i vinkeln. Dessa sanna mönsteregenskaper resulterar i signifikant vinkelpositioneringsvariation.


Figur 5: SVSWR-antennmönster
Förändringarna i antennförstärkning som en funktion av relativt små vinkelrotationer orsakar så mycket som 1 dB variabilitet i det visade exemplet.Time Domain-metod för att erhålla SVSWR

SVSWR-metoden i CISPR 16-1-4 är baserad på att flytta antenner rumsligt för att variera fasförhållandet mellan direktvåg och reflekterade vågor från kammarfel. Som diskuterats tidigare, när vågorna adderar konstruktivt, finns det ett toppsvar (Emax) mellan de två antennerna och när vågorna tillför destruktivt, finns det ett minimisvar (Emin). Överföringen kan uttryckas som

där E är den mottagna fältstyrkan.

ED är direktvägssignalen, N är det totala antalet reflektioner från platsen (detta kan inkludera enstaka eller flera reflektioner från kammarväggarna eller öppna brister i platsområdet). ER (i) är den Ith-reflekterade signalen. För att underlätta härledningen, låt oss anta att det bara finns en reflekterad signal (detta kommer inte att förlora generaliteten). Webbplatsens VSWR (eller den relativa krusningsstorleken) på webbplatsen kan uttryckas som

Genom att lösa ekvation 3 får vi förhållandet mellan den reflekterade signalen och den direkta signalen
Som framgår av ekvation 4 beskriver de två termerna, dvs. det reflekterade till direkta signalförhållandet (Erelativ) och platsen VSWR (S) samma fysiska kvantitet - ett mått på reflektionsnivån på platsen. Genom att mäta platsen VSWR (som är fallet i CISPR 16-1-4) kan vi bestämma hur stora de reflekterade vågorna är relativt den direkta vågen. I en idealisk situation finns inga reflektioner, vilket resulterar i Erelativ = 0 och S = 1.

Som tidigare diskuterats, för att detektera förhållandet mellan den reflekterade och den direkta signalen, i plats VSWR-metoden i CISPR 16-1-4, ändrar vi separationsavståndet så att fasförhållandet mellan direktvägen och reflekterade signaler kan varieras. Därefter härleder vi SVSWR från dessa skalära svar. Det visar sig att vi kan skaffa samma SVSWR med hjälp av vektormätningar (spänning och fas) utan att fysiskt behöva flytta antennerna. Detta kan göras med hjälp av en modern vektornätverksanalysator (VNA) och tidsdomänstransformationer. Observera att ekvation 2 till 4 gäller antingen i frekvensdomän eller tidsdomän. I tidsdomän kan vi emellertid skilja de reflekterade signalerna från den direkta signalen eftersom tidpunkten vid vilken de anländer till mottagningsantennen är annorlunda. Detta kan ses som en puls som skickas ut från sändarantennen. I tidsdomän kommer den direkta vågen först till mottagningsantennen och den reflekterade vågen kommer senare. Genom att tillämpa tidsgrindning (ett tidsfilter) kan effekten av den direkta signalen separeras från de reflekterade.

De faktiska mätningarna utförs i frekvensdomän med en VNA. Resultaten transformeras sedan till tidsdomän med användning av invers Fourier-transform. I tidsdomänen används tidsstyrning för att analysera de direkta och reflekterade signalerna. Figur 6 visar ett exempel på tidsdomänsvaret mellan två antenner (med användning av invers Fourier-transform från frekvensdomänmätningar). Figur 7 visar samma tidsdomänrespons med den direkta signalen gated ut. Tidsdomändata (efter parsning) konverteras slutligen tillbaka till frekvensdomän med Fourier-transform. Till exempel när data i figur 7 transformeras tillbaka till frekvensdomän, representerar de ER kontra frekvens. I slutändan får vi samma Erelative som CISPR rumsliga varierande metod, men genom att gå igenom en annan väg. Även om den inversa Fouriertransformationen (eller den efterföljande Fouriertransformationen) låter som en skrämmande uppgift, är den faktiskt en inbyggd funktion i en modern VNA. Det tar inte mer än att trycka på några knappar.

Figur 6: Tidsdomänrespons (från invers Fourier-transformation av VNA-data) mellan två borrsynta antenner. Markör 1 visar den direkta signalen som uppträder vid 10 ns x (3 x 108 m / s) = 3 m från sändarantennen.

Figur 7: Tidsdomänrespons med den direkta signalen gated - lämnar endast signaler med sen ankomst (reflekterad).
Nästa steg: Förbättra tidsdomänen SVSWR-metoden ytterligareVi har fastställt att SVSWR genom rumslig rörelse och SVSWR efter tidsdomän ger motsvarande data. Empiriska mätningar kan validera denna punkt. Frågor som fortfarande kvarstår är: om detta är den mest representativa informationen för utrustning under test (EUT), och vilka osäkerhetsfaktorer vi kan uppnå på grund av antennval? Med hänvisning till ekvation 2 modifieras alla reflektioner av antennmönstret innan de summeras. För enkelhetens skull, låt oss överväga en testkammare där multireflektioner är försumbara. Vi har då sju termer i överföringsvägen, nämligen den direkta signalen, och reflektioner från fyra väggar, taket och golvet. I CISPR 16-1-4 finns det mycket specifika krav på det sändande antennmönstret. Av praktiska skäl är dessa krav inte begränsande. Antag till exempel att den bakre väggreflektionen är den dominerande bristen, och att antennens förhållande fram och bak är 6 dB (inom specifikationen CISPR 16). För en plats med ett uppmätt SVSWR = 2 (6 dB) med en perfekt isotrop antenn är ER / ED 1/3. Om vi ​​använder en antenn med ett förhållande fram och bak på 6 dB blir det uppmätta SVSWRAntennen med ett förhållande fram och bak på 6 dB underskattar SVSWR med 20 * log (2.0 / 1.4) = 2.9 dB. Ovanstående exempel är uppenbarligen alltför förenklat. När man överväger alla andra reflektioner i kammaren och alla variationer i antennmönstren är den potentiella osäkerheten ännu större. I den andra polarisationen (i E-plan) är det inte möjligt att ha en fysisk isotrop antenn. Det är en ännu större utmaning att definiera ett strikt antennmönster som alla riktiga fysiska antenner måste uppfylla.

Problemet relaterat till mönstervariationer kan lösas genom att rotera sändarantennen. I det här schemat behöver vi inte en antenn med bredstråle - en välbekant dubbelriven vågledarantenn som ofta används i detta frekvensområde fungerar bra. Det föredras fortfarande att ha ett stort förhållande mellan fram och bak (vilket lätt kan förbättras genom att placera en liten bit absorberare bakom antennen). Implementeringen är densamma som diskuterades tidigare för tidsdomänmetoden, förutom att vi också roterar sändarantennen 360 ° och utför ett maximalt grepp. Istället för att försöka belysa alla väggar samtidigt gör det här schemat en i taget. Denna metod kan ge resultat som skiljer sig något från ATT FÖRSÖKA att sända till alla väggar samtidigt. Det kan hävdas att det är ett bättre mått på en webbplatsprestanda, eftersom en riktig EUT sannolikt kommer att ha en smal stråle snarare än att se ut som en speciellt utformad antenn. Förutom att undvika den röriga situationen på grund av antennmönstren kan vi hitta var en ofullkomlighet inträffar i en kammare eller en OATS. Platsen kan identifieras från rotationsvinkeln och den tid som behövs för att signalen ska färdas (därmed avståndet till där reflektionen inträffar).


Slutsats

Fördelarna med tidsdomänmetoden är många. Det undviker fallgropen i frågan om underprovtagning som diskuterats tidigare. Metoden beror inte på att fysiskt flytta antennerna till några få diskreta platser, och SVSWR från tidsdomän representerar webbplatsens sanna värde. I CISPR-metoden måste det exakta avståndet mellan antennerna vara känt för att normalisera påverkan på grund av banlängden. Eventuell osäkerhet på grund av avståndet översätts till SVSWR: s osäkerhet (med tanke på de små steg som behövs är det ännu mer utmanande). I tidsdomänen finns det inga osäkerheter om avståndsnormalisering. Dessutom är den kanske mest attraktiva funktionen för en slutanvändare att tidsdomänen SVSWR är mycket mindre tidskrävande. Testtiden reduceras nästan sex gånger (se ekvation 1).

En helt anekisk kammare har absorberande behandling på alla fyra väggar, golv och tak i kammaren. Time Domain Reflectivity (TDR) -mätningar kan inte bara ge en noggrann bedömning av en testplats som denna utan kan också ge ytterligare information som var de största bidragsgivarna till avvikelser från en idealisk webbplats kommer ifrån.

Man kan vara frestad att argumentera för att i CISPR-metoden, eftersom antennerna flyttas, rör sig reflektionspunkterna på kammarväggarna och fler områden av brister täcks. Det här är en röd sill. Syftet med att flytta mottagarantennen är att endast variera fasförhållandena. Det totala avståndet varierade är 40 cm. Det översätts till 20 cm (7.9 ”) täckning på väggen på grund av geometriöversättningar (om överföringsvägen är parallell med kammarväggen). För att teorin ska fungera måste vi faktiskt anta att absorbatorernas reflektionsegenskaper är enhetliga längs hela 20 cm. För att täcka fler områden måste man flytta antennerna mycket mer drastiskt, vilket görs i CISPR 16-1-4 (fram-, mitt-, vänster- och högerplatserna). favicon

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC