Qualifiche del sito di test EMC: rapporto delle onde stazionarie della tensione del sito rispetto alla riflettometria nel dominio del tempo

Concettualmente, il metodo SVSWR è abbastanza semplice e facilmente comprensibile. Come con qualsiasi misurazione VSWR, l'obiettivo è misurare i valori massimo e minimo di un'onda stazionaria come illustrato nella Figura 1. Il rapporto di questi valori è il VSWR. L'applicazione più comune della misurazione VSWR è nella valutazione delle linee di trasmissione. Se c'è un disadattamento di impedenza alla fine di una linea di trasmissione tra le impedenze della linea di trasmissione e il carico (ad esempio), ci sarà una condizione al contorno che si traduce in un'onda riflessa. L'onda riflessa, in vari punti sulla linea di trasmissione, interagirà in modo costruttivo o distruttivo con l'onda continua dalla sorgente. Il costrutto risultante (combinazione di onde dirette e riflesse) è un'onda stazionaria. Un semplice esempio di ciò si trova nel test di alimentazione condotto richiesto per gli apparecchi in CISPR 14-1. In questo test un trasduttore (morsetto di alimentazione) viene spostato lungo un cavo di alimentazione esteso del prodotto nel tentativo di misurare la tensione massima sul cavo di alimentazione nell'intervallo di frequenza di interesse. Lo stesso evento si realizza su un sito di prova imperfetto. La linea di trasmissione è il percorso dall'apparecchiatura in prova all'antenna ricevente. Le onde riflesse vengono create da altri oggetti nell'ambiente di prova. Tali oggetti potrebbero variare dalle pareti delle camere agli edifici e alle automobili (nei siti di test in area aperta). Proprio come nel caso di una linea di trasmissione, viene creata un'onda stazionaria. La configurazione del test per il test VSWR o SVSWR del sito è mostrata nella Figura 2.

Le dimensioni fisiche dell'onda stazionaria sono un fattore critico nella misurazione accurata di un'onda stazionaria. L'obiettivo, ancora una volta, è trovare il valore massimo e minimo. Il test SVSWR in CISPR 16-1-4 propone di misurare l'onda stazionaria su un sito di prova spostando un'antenna trasmittente lungo una linea retta nella camera e misurando la tensione ricevuta con l'antenna delle emissioni nella posizione normale utilizzata per il test del prodotto. Proprio come in un test di potenza condotto o una misurazione VSWR simile, è necessario un movimento continuo del trasduttore, o nel caso di SVSWR dell'antenna trasmittente, per garantire la cattura dei massimi e dei minimi dell'onda stazionaria. Questo potrebbe essere fatto a ogni frequenza ma solo con costi e tempi considerevoli. Di conseguenza, il gruppo di lavoro CISPR ha deciso di compromettere e misurare solo sei posizioni fisiche per ciascuna delle posizioni volumetriche (vedi Figura 3). L'unica altra opzione per ridurre il tempo di prova era ridurre la risoluzione in frequenza della misurazione (ad esempio misurare meno frequenze ma ad ogni frequenza misurare più posizioni). Il problema con questa opzione è che molti oggetti che riflettono possono avere caratteristiche spettrali strette. In altre parole, alcuni materiali possono essere significativamente riflettenti per una ristretta gamma di frequenze. Di conseguenza, il gruppo di lavoro ha deciso di applicare una dimensione massima del passo di 50 MHz al test, ottenendo un minimo di 340 frequenze da 1-18 GHz ma con solo sei posizioni, come mostrato nella Figura 3.

Figura 3: posizioni e posizioni delle misurazioni SVSWR
Il campionamento di un'onda stazionaria solo in un numero discreto di posizioni può plausibilmente fornire una precisione sufficiente per calcolare un SVSWR approssimativo a seconda delle dimensioni dei passaggi. Tuttavia, un altro compromesso era quello di avere le stesse posizioni prescritte per ogni frequenza in modo che il test facesse risparmiare tempo spostando l'antenna e spostando la frequenza. Le posizioni scelte sono 0, +2, +10, +18, +30, +40 cm. Prova a immaginare un'onda di segno sovrapposta a un righello con sei segni su di esso. Ora immagina di comprimere l'onda del segno in lunghezze d'onda sempre più corte. La figura 4 illustra questo esperimento mentale. Ci saranno frequenze in cui le posizioni scelte non si avvicineranno mai ai veri massimi o minimi dell'onda del segno. Questo è un compromesso che si tradurrà in un bias di conformità, ad esempio un risultato che è sempre inferiore al vero SVSWR. Questo bias è un termine di errore e non deve essere confuso con un contributo di incertezza di misura.

Figura 4: Posizioni di misurazione SVSWR rispetto alla lunghezza d'onda
Quanto è grande il termine di errore? Se pensiamo all'esempio illustrato in Figura 4 è chiaro che la lunghezza d'onda è di 2 centimetri. Sarebbe un'onda di segnale a 15 GHz. A quella frequenza, non ci sarebbe alcuna onda stazionaria misurata perché la lunghezza d'onda è di 2 cm e le altre posizioni sono anche multipli di 2 (10, 18, 30 e 40 cm)! Ovviamente, lo stesso problema si verifica a 7.5 GHz. Praticamente a ogni frequenza il campionamento non misura né il massimo né il minimo.

Un laboratorio deve misurare quattro posizioni come mostrato nella Figura 3 in due polarità e almeno due altezze in conformità con CISPR 16-1-4. La gamma di misurazione è 1-18 GHz. Fino a poco tempo, le uniche antenne disponibili che soddisfacevano i requisiti del modello erano disponibili nei modelli 1-6 GHz e 6-18 GHz. La conseguenza è che il tempo del test è mostrato nell'equazione 1:

Dove: tx = tempo per eseguire la funzione x, ny = numero di volte in cui l'attività Y deve essere eseguita.


Equazione 1: stima del tempo di test per SVSWR
Il risultato di questa combinazione di posizioni, posizioni, polarità, altezze e antenne si traduce in un test piuttosto lungo. Questa volta rappresenta un costo opportunità per il laboratorio.
Il costo opportunità è il ricavo che altrimenti avrebbe potuto essere realizzato invece di condurre questo lungo test. Ad esempio, un tipico tempo di prova per questo test è di almeno tre turni di prova. Se un laboratorio addebita $ 2,000 USD per un turno, questo test rappresenta un costo opportunità annuale, supponendo che il sito venga controllato annualmente come raccomandato, di almeno $ 6,000- $ 12,000 USD. Questo non include i costi iniziali delle antenne speciali ($ 14,000 USD).


Incertezza di posizionamento
Ogni misurazione del metodo SVSWR richiede il posizionamento dell'antenna trasmittente nelle posizioni specificate (0, 2, 10, 18, 30, 40 cm). Poiché i calcoli vengono corretti per la distanza, la ripetibilità e la riproducibilità del posizionamento influiscono direttamente sull'incertezza di misurazione. La domanda quindi diventa: quanto è ripetibile e riproducibile il posizionamento delle antenne con incrementi di 2 cm? Un recente studio condotto presso UL ha dimostrato che questo contributo è di circa 2.5 mm o circa il 15% della lunghezza d'onda di 18 GHz. L'entità di questo contributore dipenderà dalla frequenza e dall'ampiezza dell'onda stazionaria (un'incognita).

Un secondo fattore relativo al posizionamento è l'angolo rispetto al pattern dell'antenna. I requisiti del pattern dell'antenna in CISPR 16-4-1 hanno una variabilità di circa +/- 2 o 3 dB nel piano H e ancora più ampia nel piano E. Se scegli due antenne con modelli diversi ma entrambi soddisfano i requisiti del modello, puoi ottenere risultati molto diversi. Oltre a questa variabilità da antenna a antenna (un problema di riproducibilità), le antenne utilizzate per trasmettere non hanno schemi perfettamente simmetrici (ad esempio i modelli variano con piccoli incrementi di angolo) come mostrato nello standard. Di conseguenza, qualsiasi cambiamento nell'allineamento dell'antenna trasmittente all'antenna ricevente si traduce in una variazione della tensione ricevuta (un problema di ripetibilità). La Figura 5 illustra i cambiamenti effettivi del modello di un'antenna SVSWR con piccoli incrementi dell'angolo. Queste vere caratteristiche del modello determinano una significativa variabilità del posizionamento angolare.


Figura 5: modello dell'antenna SVSWR
I cambiamenti nel guadagno dell'antenna in funzione di rotazioni angolari relativamente piccole provocano fino a 1 dB di variabilità nell'esempio mostrato.Metodo nel dominio del tempo per ottenere SVSWR

Il metodo SVSWR in CISPR 16-1-4 si basa sullo spostamento spaziale delle antenne per variare la relazione di fase tra l'onda diretta e le onde riflesse dalle imperfezioni della camera. Come discusso in precedenza, quando le onde si sommano in modo costruttivo, c'è una risposta di picco (Emax) tra le due antenne e quando le onde si sommano in modo distruttivo, c'è una risposta minima (Emin). La trasmissione può essere espressa come

dove E è l'intensità del campo ricevuto.

ED è il segnale del percorso diretto, N è il numero totale di riflessioni dal sito (questo potrebbe includere riflessioni singole o multiple dalle pareti della camera o imperfezioni del sito in area aperta). ER (i) è il Ith segnale riflesso. Per facilità di derivazione, supponiamo che ci sia un solo segnale riflesso (questo non perderà la generalità). Il VSWR del sito (o la relativa dimensione del ripple) del sito può essere espresso come

Risolvendo l'equazione 3, otteniamo il rapporto tra il segnale riflesso e il segnale diretto
Come si può vedere dall'equazione 4, i due termini, cioè il rapporto tra segnale riflesso e segnale diretto (Erelativo) e il sito VSWR (S) descrivono la stessa quantità fisica - una misura del livello di riflessioni nel sito. Misurando il VSWR del sito (come nel caso di CISPR 16-1-4), possiamo determinare quanto sono grandi le onde riflesse rispetto all'onda diretta. In una situazione ideale non ci sono riflessioni, risultando in Erelative = 0 e S = 1.

Come discusso in precedenza, per rilevare il rapporto tra il segnale riflesso e quello diretto, nel metodo VSWR del sito in CISPR 16-1-4, cambiamo la distanza di separazione in modo che la relazione di fase tra il percorso diretto e i segnali riflessi possa essere variata. Successivamente, deriviamo SVSWR da queste risposte scalari. Si scopre che possiamo acquisire lo stesso SVSWR utilizzando misurazioni vettoriali (tensione e fase) senza la necessità di spostare fisicamente le antenne. Questo può essere fatto con l'aiuto di un moderno analizzatore di rete vettoriale (VNA) e trasformazioni nel dominio del tempo. Si noti che le equazioni da 2 a 4 sono vere nel dominio della frequenza o nel dominio del tempo. Nel dominio del tempo, tuttavia, possiamo distinguere i segnali riflessi dal segnale diretto perché il momento in cui arrivano all'antenna di ricezione è diverso. Questo può essere visto come un impulso inviato dall'antenna di trasmissione. Nel dominio del tempo, l'onda diretta arriverà prima all'antenna di ricezione e l'onda riflessa arriverà successivamente. Applicando il time gating (un filtro temporale), l'effetto del segnale diretto può essere separato da quelli riflessi.

Le misurazioni effettive vengono eseguite nel dominio della frequenza con un VNA. I risultati vengono quindi trasformati nel dominio del tempo utilizzando la trasformata di Fourier inversa. Nel dominio del tempo, il time gating viene applicato per analizzare i segnali diretti e riflessi. La Figura 6 mostra un esempio della risposta nel dominio del tempo tra due antenne (utilizzando la trasformata di Fourier inversa dalle misurazioni nel dominio della frequenza). La Figura 7 mostra la stessa risposta nel dominio del tempo con il segnale diretto escluso. I dati nel dominio del tempo (dopo l'analisi) vengono infine riconvertiti nel dominio della frequenza utilizzando la trasformata di Fourier. Ad esempio, quando i dati nella Figura 7 vengono ritrasformati nel dominio della frequenza, rappresentano ER rispetto alla frequenza. Alla fine, otteniamo lo stesso Erelativo del metodo di variazione spaziale CISPR, ma seguendo un percorso diverso. Sebbene la trasformata di Fourier inversa (o la successiva trasformata di Fourier) suoni come un compito arduo, in realtà è una funzione incorporata in un moderno VNA. Non ci vuole altro che la pressione di pochi pulsanti.

Figura 6: Risposta nel dominio del tempo (dalla trasformata di Fourier inversa dei dati VNA) tra due antenne a cannocchiale. Il marker 1 mostra il segnale diretto che si verifica a 10 ns x (3 x 108 m / s) = 3 m dall'antenna di trasmissione.

Figura 7: Risposta nel dominio del tempo con il segnale diretto escluso, lasciando solo segnali di arrivo in ritardo (riflessi).
Passaggi successivi: migliorare ulteriormente il metodo SVSWR nel dominio del tempoAbbiamo stabilito che SVSWR per movimento spaziale e SVSWR per dominio del tempo producono dati equivalenti. Le misurazioni empiriche possono convalidare questo punto. Le domande che ancora indugiano sono: se questo è il dato più rappresentativo per Equipment Under Test (EUT) e quali incertezze possiamo ottenere a causa della selezione dell'antenna? Facendo riferimento all'equazione 2, tutte le riflessioni vengono modificate dal pattern dell'antenna prima di essere sommate. Per semplicità, consideriamo una camera di prova in cui le multi-riflessioni sono trascurabili. Abbiamo quindi sette termini nel percorso di trasmissione, vale a dire il segnale diretto, e le riflessioni da quattro pareti, il soffitto e il pavimento. In CISPR 16-1-4, ci sono requisiti molto specifici per la configurazione dell'antenna trasmittente. Per ragioni pratiche, questi requisiti non sono affatto restrittivi. Ad esempio, supponiamo che il riflesso della parete posteriore sia l'imperfezione dominante e che il rapporto tra fronte e retro dell'antenna sia 6 dB (entro la specifica CISPR 16). Per un sito con SVSWR misurato = 2 (6 dB) utilizzando un'antenna isotropica perfetta, ER / ED è 1/3. Se usiamo un'antenna con un rapporto fronte-retro di 6 dB, l'SVSWR misurato diventaL'antenna con un rapporto fronte-retro di 6 dB sottostima l'SVSWR di 20 * log (2.0 / 1.4) = 2.9 dB. L'esempio sopra è ovviamente eccessivamente semplificato. Quando si considerano tutte le altre riflessioni della camera e tutte le variazioni dei modelli di antenna, l'incertezza potenziale è ancora maggiore. Nell'altra polarizzazione (nel piano E), non è possibile avere un'antenna isotropica fisica. È una sfida ancora più grande definire un modello di antenna rigoroso, che tutte le antenne fisiche reali devono soddisfare.

Il dilemma relativo alle variazioni del pattern può essere risolto ruotando l'antenna trasmittente. In questo schema, non abbiamo bisogno di un'antenna con un fascio ampio: una familiare antenna a doppia guida d'onda comunemente usata in questa gamma di frequenza funzionerà bene. È ancora preferibile avere un ampio rapporto fronte-retro (che può essere facilmente migliorato posizionando un piccolo pezzo di assorbitore dietro l'antenna). L'implementazione è la stessa discussa in precedenza per il metodo nel dominio del tempo, tranne per il fatto che ruotiamo anche l'antenna trasmittente di 360 ° ed eseguiamo una tenuta massima. Invece di cercare di illuminare tutti i muri contemporaneamente, questo schema lo fa uno alla volta. Questo metodo può produrre risultati leggermente diversi da TENTARE di trasmettere a tutti i muri contemporaneamente. Si può affermare che si tratta di una metrica migliore delle prestazioni di un sito, poiché è probabile che un EUT reale abbia un fascio stretto piuttosto che sembrare un'antenna appositamente realizzata. Oltre ad evitare la situazione disordinata a causa dei modelli di antenna, possiamo individuare dove si verifica un'imperfezione in una camera o in un'AVENA. La posizione può essere identificata dall'angolo di rotazione e dal tempo necessario al segnale per viaggiare (quindi la distanza dal punto in cui si verifica la riflessione).


Conclusione

I vantaggi del metodo nel dominio del tempo sono numerosi. Evita la trappola del problema del sottocampionamento discusso in precedenza. Il metodo non dipende dallo spostamento fisico delle antenne in alcune posizioni distinte e l'SVSWR dal dominio del tempo rappresenta il vero valore del sito. Inoltre, nel metodo CISPR, per normalizzare l'influenza dovuta alla lunghezza del percorso, è necessario conoscere la distanza esatta tra le antenne. Eventuali incertezze dovute alla distanza si traducono in incertezze della SVSWR (considerando i piccoli incrementi necessari, è ancora più impegnativa). Nel dominio del tempo, non ci sono incertezze sulla normalizzazione della distanza. Inoltre, forse la caratteristica più interessante per un utente finale è che SVSWR nel dominio del tempo richiede molto meno tempo. Il tempo del test è ridotto di quasi sei volte (vedi Equazione 1).

Una camera completamente anecoica presenta un trattamento di assorbimento su tutte e quattro le pareti, il pavimento e il soffitto della camera. Le misurazioni della riflettività nel dominio del tempo (TDR) non solo possono fornire una valutazione accurata di un sito di test come questo, ma possono anche fornire informazioni aggiuntive come la provenienza dei maggiori contributori alle deviazioni da un sito ideale.

Si potrebbe essere tentati di sostenere che nel metodo CISPR, poiché le antenne vengono spostate, i punti di riflessione si muovono sulle pareti della camera e vengono coperte più aree delle imperfezioni. Questa è una falsa pista. Lo scopo di spostare l'antenna di ricezione è variare solo le relazioni di fase. La distanza totale variata è di 40 cm. Si traduce in una copertura di 20 cm (7.9 ") sulla parete a causa delle traslazioni della geometria (se il percorso di trasmissione è parallelo alla parete della camera). Affinché la teoria possa funzionare, infatti, dobbiamo assumere che le proprietà di riflessione degli assorbitori siano uniformi lungo tutti i 20 cm. Per coprire più aree, è necessario spostare le antenne molto più drasticamente, come si fa in CISPR 16-1-4 (le posizioni anteriore, centrale, sinistra e destra). favicon

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