Qualificacions del lloc de proves EMC: relació d'ona estacionària de voltatge del lloc versus reflectectometria de domini temporal

Conceptualment, el mètode SVSWR és bastant senzill i fàcil d’entendre. Com passa amb qualsevol mesura de VSWR, l'objectiu és mesurar els valors màxim i mínim d'una ona estacionària, tal com es mostra a la figura 1. La proporció d'aquests valors és la VSWR. L’aplicació més comuna de la mesura VSWR és avaluar les línies de transmissió. Si hi ha un desajust d’impedància al final d’una línia de transmissió entre les impedàncies de la línia de transmissió i la càrrega (per exemple), hi haurà una condició límit que doni com a resultat una ona reflectida. L'ona reflectida, en diversos llocs de la línia de transmissió, interactuarà de manera constructiva o destructiva amb l'ona contínua de la font. La construcció resultant (combinació d'ona directa i reflectida) és una ona estacionària. Un exemple senzill d’això es troba a la prova de potència realitzada necessària per als aparells del CISPR 14-1. En aquesta prova, un transductor (pinça d'alimentació) es mou al llarg d'un cable d'alimentació estès del producte per tal de mesurar la tensió màxima del cable d'alimentació en l'interval de freqüència d'interès. El mateix esdeveniment es realitza en un lloc de prova imperfecte. La línia de transmissió és el recorregut des de l'equip que es prova fins a l'antena receptora. Les ones reflectides es creen a partir d'altres objectes de l'entorn de prova. Aquests objectes podrien anar des de les parets de la cambra fins als edificis i els cotxes (als llocs de proves de zones obertes). Igual que en el cas d’una línia de transmissió, es crea una ona estacionària. La prova configurada per a la prova VSWR o SVSWR del lloc es mostra a la figura 2.

Les dimensions físiques de l’ona estacionària són un factor crític per mesurar amb precisió una ona estacionària. L’objectiu, de nou, és trobar el valor màxim i mínim. La prova SVSWR del CISPR 16-1-4 proposa mesurar l'ona estacionària en un lloc de prova movent una antena transmissora al llarg d'una línia recta a la cambra i mesurant la tensió rebuda amb l'antena d'emissions a la ubicació normal utilitzada per a les proves del producte. Igual que en una prova de potència realitzada o en una mesura VSWR similar, es necessita un moviment continu del transductor, o en el cas de l’antena transmissora SVSWR, per garantir la captura dels màxims i mínims de l’ona estacionària. Això es podria fer a cada freqüència, però només amb una despesa i un temps considerables. En conseqüència, el grup de treball CISPR va decidir comprometre i mesurar només sis posicions físiques per a cadascuna de les ubicacions volumètriques (vegeu la figura 3). L'única altra opció per reduir el temps de prova era reduir la resolució de freqüència de la mesura (per exemple, mesurar menys freqüències, però a cada freqüència mesurar més posicions). El problema d’aquesta opció és que molts objectes que reflecteixen poden tenir característiques espectrals estretes. En altres paraules, alguns materials poden ser significativament reflectants per a un rang de freqüència estret. En conseqüència, el grup de treball va decidir aplicar una mida de pas màxima de 50 MHz a la prova, resultant en un mínim de 340 freqüències d’1 a 18 GHz, però amb només sis posicions, tal com es mostra a la figura 3.

Figura 3: Ubicacions i posicions de mesurament SVSWR
El mostreig d'una ona estacionària només en un nombre discret de posicions pot proporcionar plausiblement una precisió suficient per calcular un SVSWR aproximat en funció de la mida dels passos. Tanmateix, un altre compromís era tenir les mateixes posicions prescrites per a cada freqüència de manera que la prova estalviés temps movent l’antena i escombrant la freqüència. Les posicions escollides són 0, +2, +10, +18, +30, +40 cm. Intenteu imaginar una ona de signes sobreposada a una regla amb sis marques. Ara imagina comprimir l’ona de signes en longituds d’ona cada vegada més curtes. La figura 4 il·lustra aquest experiment mental. Hi haurà freqüències on les ubicacions escollides mai s’acostaran als màxims o mínims reals de l’ona de signes. Es tracta d'un compromís que donarà lloc a un biaix de compliment, per exemple, un resultat sempre inferior al SVSWR real. Aquest biaix és un terme d'error i no s'ha de confondre amb una contribució d'incertesa de mesura.

Figura 4: Ubicacions de mesurament SVSWR vs. longitud d’ona
Quina mida té el terme d'error? Si pensem en l'exemple il·lustrat a la figura 4, queda clar que la longitud d'ona és de 2 centímetres. Això seria una ona de senyals de 15 GHz. A aquesta freqüència, no hi hauria una ona estacionària mesurada perquè la longitud d'ona és de 2 cm i les altres ubicacions són fins i tot múltiples de 2 (10, 18, 30 i 40 cm). Per descomptat, el mateix problema es produeix a 7.5 GHz. A pràcticament totes les freqüències, el mostreig resulta en mesurar ni el màxim ni el mínim.

Un laboratori ha de mesurar quatre ubicacions tal com es mostra a la figura 3 en dues polaritats i almenys dues altures segons CISPR 16-1-4. L’interval de mesura és d’1-18 GHz. Fins fa poc, les úniques antenes disponibles que complien els requisits del patró estaven disponibles en els models 1-6 GHz i 6-18 GHz. La conseqüència és que el temps de prova es mostra a l’equació 1:

On: tx = temps per realitzar la funció x, ny = nombre de vegades que s’ha de realitzar l’activitat Y.


Equació 1: temps estimat de prova per a SVSWR
El resultat d'aquesta combinació de posicions, ubicacions, polaritats, altures i antenes resulta en una prova bastant llarga. Aquest temps representa un cost d’oportunitat per al laboratori.
El cost d’oportunitat són els ingressos que d’una altra manera s’haurien pogut obtenir en lloc de dur a terme aquesta llarga prova. Com a exemple, un temps de prova típic per a aquesta prova és, com a mínim, de tres torns de prova. Si un laboratori cobrés 2,000 dòlars americans per un torn, aquesta prova representa un cost d’oportunitat anual, suposant que el lloc es revisa anualment com es recomana, com a mínim entre 6,000 i 12,000 dòlars. Això no inclou els costos inicials de les antenes especials (14,000 dòlars EUA).


Incertesa de posicionament
Cada mesura del mètode SVSWR requereix el posicionament de l'antena transmissora a les posicions especificades (0, 2, 10, 18, 30, 40 cm). Atès que els càlculs es corregeixen en funció de la distància, la repetibilitat i reproductibilitat del posicionament afecta directament la incertesa de la mesura. Aleshores es fa la pregunta: fins a quin punt es pot repetir i reproduir el posicionament de les antenes en increments de fins a 2 cm? Un estudi de gage recent realitzat a UL ha demostrat que aquesta contribució és aproximadament de 2.5 mm o aproximadament el 15% de la longitud d'ona de 18 GHz. La magnitud d'aquest contribuent dependrà de la freqüència i l'amplitud de l'ona estacionària (una incògnita).

Un segon factor relacionat amb el posicionament és l’angle enfront del patró de l’antena. Els requisits del patró d'antena a CISPR 16-4-1 tenen una variabilitat d'aproximadament +/- 2 o 3 dB en el pla H i fins i tot més ampli en el pla E. Si escolliu dues antenes amb patrons diferents, però totes dues compleixen els requisits del patró, podeu obtenir resultats molt diferents. A més d'aquesta variabilitat d'antena a antena (un problema de reproductibilitat), les antenes que s'utilitzen per transmetre no tenen patrons perfectament simètrics (per exemple, els patrons varien amb petits increments d'angle) com es mostra a l'estàndard. Com a conseqüència, qualsevol canvi en l'alineació de l'antena transmissora amb l'antena receptora té com a resultat un canvi de voltatge rebut (un problema de repetibilitat). La Figura 5 il·lustra els canvis de patró reals d'una antena SVSWR amb petits increments en l'angle. Aquestes característiques reals del patró donen lloc a una variabilitat significativa del posicionament angular.


Figura 5: Patró d'antena SVSWR
Els canvis en el guany de l'antena en funció de rotacions angulars relativament petites provoquen fins a 1 dB de variabilitat a l'exemple mostrat.Mètode del domini del temps per obtenir SVSWR

El mètode SVSWR del CISPR 16-1-4 es basa en el desplaçament espacial d'antenes per variar la relació de fase entre l'ona directa i les ones reflectides a partir de les imperfeccions de la cambra. Com s'ha comentat anteriorment, quan les ones s'afegeixen de manera constructiva, hi ha una resposta màxima (Emax) entre les dues antenes i quan les ones s'afegeixen de manera destructiva, hi ha una resposta mínima (Emin). La transmissió es pot expressar com

on E és la intensitat de camp rebuda.

ED és el senyal de trajectòria directa, N és el nombre total de reflexos del lloc (això pot incloure reflexos simples o múltiples de les parets de la cambra o imperfeccions del lloc de la zona oberta). ER (i) és el senyal reflectit Ith. Per facilitar la derivació, suposem que només hi ha un senyal reflectit (això no perdrà la generalitat). El lloc VSWR (o la mida relativa de l'ondulació) del lloc es pot expressar com a

Resolent l’equació 3, obtenim la proporció del senyal reflectit amb el senyal directe
Com es pot veure a l’equació 4, els dos termes, és a dir, la relació de senyal reflectida a directa (Erelativa) i el lloc VSWR (S) descriuen la mateixa quantitat física: una mesura del nivell de reflexions al lloc. Mesurant el lloc VSWR (com és el cas del CISPR 16-1-4), podem determinar la mida de les ones reflectides en relació amb l’ona directa. En una situació ideal no hi ha reflexos, resultant en Erelatiu = 0 i S = 1.

Com es va comentar anteriorment, per detectar la relació entre el senyal reflectit i el directe, al mètode VSWR del lloc a CISPR 16-1-4, canviem la distància de separació de manera que es pugui variar la relació de fase entre la ruta directa i els senyals reflectits. Posteriorment, derivem el SVSWR d’aquestes respostes escalars. Resulta que podem adquirir el mateix SVSWR mitjançant mesures vectorials (tensió i fase) sense necessitat de moure físicament les antenes. Això es pot fer amb l'ajut d'un modern analitzador de xarxes vectorials (VNA) i transformacions de domini temporal. Tingueu en compte que les equacions 2 a 4 es mantenen certes tant en el domini de freqüència com en el domini temporal. En el domini del temps, però, podem distingir els senyals reflectits del senyal directe perquè el moment en què arriben a l’antena de recepció és diferent. Això es pot veure com un impuls enviat des de l'antena de transmissió. En el domini del temps, l’ona directa arribarà primer a l’antena de recepció i l’ona reflectida arribarà després. En aplicar el temps gating (un filtre de temps), l’efecte del senyal directe es pot separar dels reflectits.

Les mesures reals es realitzen en domini de freqüència amb un VNA. Els resultats es transformen a domini temporal mitjançant transformada de Fourier inversa. En el domini del temps, s’aplica la regulació del temps per analitzar els senyals directes i reflectits. La figura 6 mostra un exemple de la resposta del domini temporal entre dues antenes (mitjançant la transformada de Fourier inversa a partir de mesures de domini de freqüència). La figura 7 mostra la mateixa resposta de domini de temps amb el senyal directe tancat. Les dades del domini temporal (després de l'anàlisi) es converteixen finalment en un domini de freqüència mitjançant la transformada de Fourier. Per exemple, quan les dades de la figura 7 es transformen de nou a domini de freqüència, representen ER versus freqüència. Al final, obtenim el mateix Erelatiu que el mètode de variació espacial CISPR, però passant per una ruta diferent. Tot i que la transformada inversa de Fourier (o la transformada de Fourier posterior) sona com una tasca descoratjadora, en realitat és una funció integrada en un VNA modern. No es necessita més que prémer uns botons.

Figura 6: Resposta del domini temporal (a partir de la transformada inversa de Fourier de les dades del VNA) entre dues antenes amb visió de sonda. El marcador 1 mostra el senyal directe que es produeix a 10 ns x (3 x 108 m / s) = 3 m de l’antena de transmissió.

Figura 7: Resposta del domini temporal amb el senyal directe tancat, deixant només els senyals d’arribada tardana (reflectits).
Passos següents: Millorar el mètode SVSWR del domini temporalHem establert que el SVSWR per moviment espacial i el SVSWR per domini temporal produeixen dades equivalents. Les mesures empíriques poden validar aquest punt. Les preguntes que encara persisteixen són: si es tracta de les dades més representatives de l’equip sotmès a prova (EUT) i quines incerteses podem aconseguir a causa de la selecció d’antenes? En referència a l’equació 2, totes les reflexions són modificades pel patró de l’antena abans de ser sumades. Per simplicitat, considerem una càmera de proves on les reflexions múltiples siguin insignificants. Aleshores tenim set termes en el camí de transmissió, és a dir, el senyal directe i els reflexos de quatre parets, el sostre i el terra. A CISPR 16-1-4, hi ha requisits molt específics sobre el patró d'antena transmissora. Per raons pràctiques, aquests requisits no són en cap cas restrictius. Per exemple, suposem que la reflexió de la paret posterior és la imperfecció dominant i que la relació davantera i posterior de l’antena és de 6 dB (dins de l’especificació CISPR 16). Per a un lloc amb un SVSWR mesurat = 2 (6 dB) que utilitza una antena isòtropa perfecta, ER / ED és 1/3. Si fem servir una antena amb una proporció frontal a posterior de 6 dB, el SVSWR mesurat es convertirà enL'antena amb una relació frontal a posterior de 6 dB subestima l'SVSWR en 20 * log (2.0 / 1.4) = 2.9 dB. L’exemple anterior és òbviament massa simplificat. Quan es consideren totes les altres reflexions de la cambra i totes les variacions dels patrons de l’antena, la incertesa potencial és encara més gran. A l’altra polarització (en pla E), no és possible tenir una antena isotròpica física. És un repte encara més gran definir un patró d’antena estricte que totes les antenes físiques reals han de complir.

El problema relacionat amb les variacions del patró es pot solucionar girant l’antena transmissora. En aquest esquema, no necessitem una antena amb un feix ampli: una antena familiar de guia d'ones de doble nervi que s'utilitza habitualment en aquest rang de freqüències funcionarà bé. Encara es prefereix tenir una gran proporció davantera i posterior (que es pot millorar fàcilment col·locant un petit tros d’absorbidor darrere de l’antena). La implementació és la mateixa que s’ha comentat anteriorment per al mètode de domini temporal, tret que també girem l’antena transmissora 360 ° i realitzem una retenció màxima. En lloc d’intentar il·luminar totes les parets alhora, aquest esquema ho fa d’una en una. Aquest mètode pot produir resultats que són lleugerament diferents de l’INTENTACIÓ d’emetre’s a totes les parets alhora. Es pot argumentar que és una millor mètrica del rendiment d'un lloc, ja que és probable que un EUT real tingui un feix estret en lloc de semblar una antena dissenyada específicament. A més d’evitar la situació desordenada a causa dels patrons de l’antena, podem identificar on es produeix una imperfecció en una cambra o un OATS. La ubicació es pot identificar a partir de l’angle de rotació i del temps necessari per viatjar el senyal (per tant, la distància fins a on es produeix la reflexió).


Conclusió

Els avantatges del mètode de domini temporal són nombrosos. Evita la trampa de la qüestió del baix mostreig discutida anteriorment. El mètode no depèn de moure físicament les antenes a unes poques ubicacions discretes, i el SVSWR del domini temporal representa el valor real del lloc. A més, en el mètode CISPR, per normalitzar la influència deguda a la longitud del recorregut, s’ha de conèixer la distància exacta entre les antenes. Qualsevol incertesa a causa de la distància es tradueix en incerteses del SVSWR (tenint en compte els petits increments necessaris, és encara més difícil). En el domini del temps, no hi ha incerteses de normalització de la distància. A més, potser la característica més atractiva per a un usuari final és que el domini temporal SVSWR consumeix molt menys temps. El temps de prova es redueix gairebé sis vegades (vegeu l’equació 1).

Una cambra totalment anecoica presenta un tractament d’absorció a les quatre parets, terra i sostre de la cambra. Les mesures de reflectivitat del domini temporal (TDR) no només poden proporcionar una avaluació precisa d'un lloc de prova com aquest, sinó que també poden proporcionar informació addicional, com ara d'on provenen els majors contribuents a les desviacions d'un lloc ideal.

Es podria temptar d’argumentar que en el mètode CISPR, perquè les antenes es mouen, els punts de reflexió es mouen a les parets de la cambra i es cobreixen més zones de les imperfeccions. Es tracta d’una arengada vermella. El propòsit de moure l’antena de recepció és variar només les relacions de fase. La distància total variada és de 40 cm. Es tradueix en una cobertura de 20 cm a la paret a causa de les translacions de geometria (si el camí de transmissió és paral·lel a la paret de la cambra). Perquè la teoria funcioni, de fet, hem de suposar que les propietats de reflexió dels absorbents són uniformes al llarg dels 7.9 cm. Per cobrir més zones, cal moure les antenes de manera molt més dràstica, tal com es fa al CISPR 20-16-1 (ubicacions anteriors, centrals, esquerra i dreta). favicon

Deixa un missatge 

Llista de missatges