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

Konceptuelt er SVSWR-metoden ret ligetil og letforståelig. Som med enhver VSWR-måling er målet at måle de maksimale og minimale værdier af en stående bølge som illustreret i figur 1. Forholdet mellem disse værdier er VSWR. Den mest almindelige anvendelse af VSWR-målingen er ved evaluering af transmissionslinjer. Hvis der er et impedansmisforhold for enden af ​​en transmissionslinje mellem transmissionslinjens impedanser og belastningen (for eksempel), vil der være en grænsetilstand, der resulterer i en reflekteret bølge. Den reflekterede bølge vil på forskellige steder på transmissionslinjen konstruktivt eller destruktivt interagere med den kontinuerlige bølge fra kilden. Den resulterende konstruktion (direkte og reflekteret bølgekombination) er en stående bølge. Et simpelt eksempel på dette findes i den udførte effekttest, der kræves for apparater i CISPR 14-1. I denne test flyttes en transducer (strømklemme) langs en forlænget strømledning på produktet i et forsøg på at måle den maksimale spænding på strømkablet over det relevante frekvensområde. Den samme begivenhed realiseres på et ufuldkomment teststed. Transmissionslinjen er vejen fra udstyret under test til modtageantennen. Reflekterede bølger skabes fra andre objekter i testmiljøet. Disse genstande kan spænde fra kammervægge til bygninger og biler (på åbne områder teststeder). Ligesom i tilfældet med en transmissionsledning skabes en stående bølge. Testopsætningen for stedet VSWR- eller SVSWR-testen er vist i figur 2.

De fysiske dimensioner af den stående bølge er en kritisk faktor for nøjagtig måling af en stående bølge. Målet er igen at finde maksimum- og minimumværdien. SVSWR-testen i CISPR 16-1-4 foreslår at måle den stående bølge på et teststed ved at flytte en sendeantenne langs en lige linje i kammeret og måle den modtagne spænding med emissionsantennen på det normale sted, der bruges til produkttestning. Ligesom i en gennemført effekttest eller lignende VSWR-måling, er en kontinuerlig bevægelse af transduceren, eller i tilfælde af SVSWR sendeantennen, nødvendig for at sikre opfangningen af ​​den stående bølges maksima og minima. Dette kunne gøres ved hver frekvens, men kun med betydelige omkostninger og tid. Som følge heraf besluttede CISPR-arbejdsgruppen kun at gå på kompromis og måle seks fysiske positioner for hver af de volumetriske steder (se figur 3). Den eneste anden mulighed for at reducere testtiden var at reducere frekvensopløsningen af ​​målingen (f.eks. mål færre frekvenser, men mål flere positioner ved hver frekvens). Problemet med den mulighed er, at mange objekter, der reflekterer, kan have snævre spektrale karakteristika. Med andre ord kan nogle materialer være væsentligt reflekterende for et snævert frekvensområde. Som følge heraf besluttede arbejdsgruppen at anvende en maksimal trinstørrelse på 50 MHz til testen, hvilket resulterede i minimum 340 frekvenser fra 1-18 GHz, men med kun seks positioner som vist i figur 3.

Figur 3: SVSWR Målesteder og -positioner
Sampling af en stående bølge ved kun et diskret antal positioner kan plausibelt give tilstrækkelig nøjagtighed til at beregne en omtrentlig SVSWR afhængigt af størrelsen af ​​trinene. Et andet kompromis var dog at have de samme foreskrevne positioner for hver frekvens, så testen ville spare tid ved at flytte antennen og feje frekvensen. De valgte positioner er 0, +2, +10, +18, +30, +40 cm. Prøv at forestille dig en tegnbølge overlejret på en lineal med seks mærker på. Forestil dig nu at komprimere tegnbølgen til kortere og kortere bølgelængder. Figur 4 illustrerer dette tankeeksperiment. Der vil være frekvenser, hvor de valgte lokationer aldrig vil komme tæt på tegnbølgens sande maksima eller minima. Dette er et kompromis, der vil resultere i en compliance bias, f.eks. et resultat, der altid er lavere end den sande SVSWR. Denne bias er et fejlbegreb og må ikke forveksles med et måleusikkerhedsbidrag.

Figur 4: SVSWR-målingssteder vs. bølgelængde
Hvor stor er fejltermen? Hvis vi tænker på eksemplet illustreret i figur 4, er det tydeligt, at bølgelængden er 2 centimeter. Det ville være en 15 GHz tegnbølge. Ved den frekvens ville der ikke være nogen målt stående bølge, fordi bølgelængden er 2 cm, og de andre steder er endda multipla af 2 (10, 18, 30 og 40 cm)! Selvfølgelig opstår det samme problem ved 7.5 GHz. Ved praktisk talt hver frekvens resulterer prøvetagningen i, at der hverken måles maksimum eller minimum.

Et laboratorium skal måle fire steder som vist i figur 3 i to polariteter og mindst to højder i overensstemmelse med CISPR 16-1-4. Måleområdet er 1-18 GHz. Indtil for nylig var de eneste tilgængelige antenner, der opfyldte mønsterkravene, tilgængelige i 1-6 GHz og 6-18 GHz modeller. Konsekvensen er, at testtiden er vist i ligning 1:

Hvor: tx = tid til at udføre funktion x, ny = antal gange aktivitet Y skal udføres.


Ligning 1: Estimeret testtid for SVSWR
Resultatet af denne kombination af positioner, placeringer, polariteter, højder og antenner resulterer i en ret langvarig test. Denne tid repræsenterer en alternativ omkostning for laboratoriet.
Alternativomkostningerne er den indtjening, der ellers kunne have været realiseret i stedet for at udføre denne lange test. Som et eksempel er en typisk testtid for denne test mindst tre testskift. Hvis et laboratorium skulle opkræve $2,000 USD for et skift, repræsenterer denne test en årlig alternativomkostning, forudsat at webstedet kontrolleres årligt som anbefalet, på mindst $6,000-$12,000 USD. Dette inkluderer ikke startomkostningerne til de specielle antenner ($14,000 USD).


Positioneringsusikkerhed
Hver måling af SVSWR-metoden kræver positionering af sendeantennen til de angivne positioner (0, 2, 10, 18, 30, 40 cm). Da beregningerne er korrigeret for afstand, påvirker repeterbarheden og reproducerbarheden af ​​positioneringen direkte måleusikkerheden. Spørgsmålet bliver så, hvor gentagelig og reproducerbar er placeringen af ​​antennerne i trin så små som 2 cm? En nylig måleundersøgelse udført på UL har vist, at dette bidrag er cirka 2.5 mm eller cirka 15 % af 18 GHz-bølgelængden. Størrelsen af ​​denne bidragyder vil afhænge af frekvensen og amplituden af ​​den stående bølge (en ukendt).

En anden faktor relateret til positionering er vinkel i forhold til antennemønsteret. Antennemønsterkravene i CISPR 16-4-1 har en variation på ca. +/-2 eller 3 dB i H-plan og endnu bredere i E-plan. Hvis du vælger to antenner med forskellige mønstre, men begge opfylder mønsterkravene, kan du få meget forskellige resultater. Ud over denne antenne til antenne variabilitet (et reproducerbarhedsproblem) har de antenner, der bruges til at transmittere, ikke perfekt symmetriske mønstre (f.eks. mønstre varierer med små trin i vinkel) som vist i standarden. Som en konsekvens heraf resulterer enhver ændring i justering af sendeantennen i forhold til modtageantennen i en ændret modtaget spænding (et repeterbarhedsproblem). Figur 5 illustrerer de faktiske mønsterændringer af en SVSWR-antenne med små stigninger i vinklen. Disse sande mønsterkarakteristika resulterer i betydelig vinkelpositioneringsvariabilitet.


Figur 5: SVSWR-antennemønster
Ændringerne i antenneforstærkning som funktion af relativt små vinkeldrejninger forårsager så meget som 1 dB variabilitet i det viste eksempel.Tidsdomænemetode til at opnå SVSWR

SVSWR-metoden i CISPR 16-1-4 er baseret på at bevæge antenner rumligt for at variere faseforholdet mellem den direkte bølge og reflekterede bølger fra kammerufuldkommenheder. Som diskuteret tidligere, når bølgerne adderer konstruktivt, er der en spidsrespons (Emax) mellem de to antenner, og når bølgerne adderer destruktivt, er der en minimumsrespons (Emin). Overførslen kan udtrykkes som

hvor E er den modtagne feltstyrke.

ED er det direkte vejsignal, N er det samlede antal refleksioner fra stedet (dette kunne omfatte enkelte eller multiple refleksioner fra kammervæggene eller ufuldkommenheder i åbent område). ER(i) er det I'te reflekterede signal. For at lette udledningen, lad os antage, at der kun er ét reflekteret signal (dette vil ikke miste almenheden). Sitet VSWR (eller den relative krusningsstørrelse) af stedet kan udtrykkes som

Ved at løse ligning 3 får vi forholdet mellem det reflekterede signal og det direkte signal
Som det kan ses af ligning 4, beskriver de to termer, dvs. det reflekterede til direkte signalforhold (Erelative) og stedet VSWR (S) den samme fysiske størrelse – et mål for niveauet af refleksioner i stedet. Ved at måle stedet VSWR (som det er tilfældet i CISPR 16-1-4), kan vi bestemme, hvor store de reflekterede bølger er i forhold til den direkte bølge. I en ideel situation er der ingen refleksioner, hvilket resulterer i Erelativ = 0 og S = 1.

Som tidligere diskuteret, for at detektere forholdet mellem det reflekterede og det direkte signal, ændrer vi i stedet VSWR-metoden i CISPR 16-1-4 separationsafstanden, så faseforholdet mellem den direkte vej og reflekterede signaler kan varieres. Efterfølgende udleder vi SVSWR fra disse skalære svar. Det viser sig, at vi kan erhverve den samme SVSWR ved hjælp af vektor (spænding og fase) målinger uden behov for fysisk at flytte antennerne. Dette kan gøres ved hjælp af en moderne vektornetværksanalysator (VNA) og tidsdomænetransformationer. Bemærk, at ligning 2 til 4 gælder i enten frekvensdomæne eller tidsdomæne. I tidsdomæne kan vi dog skelne de reflekterede signaler fra det direkte signal, fordi det tidspunkt, hvor de ankommer til modtageantennen, er anderledes. Dette kan ses som en puls sendt ud fra sendeantennen. I tidsdomæne vil den direkte bølge først ankomme til modtageantennen, og den reflekterede bølge vil ankomme senere. Ved at anvende time gating (et tidsfilter) kan effekten af ​​det direkte signal adskilles fra de reflekterede.

De faktiske målinger udføres i frekvensdomæne med en VNA. Resultaterne transformeres derefter til tidsdomæne ved hjælp af invers Fourier-transformation. I tidsdomæne anvendes time gating for at analysere de direkte og reflekterede signaler. Figur 6 viser et eksempel på tidsdomænesvaret mellem to antenner (ved at bruge invers Fourier-transformation fra frekvensdomænemålinger). Figur 7 viser det samme tidsdomænesvar med det direkte signal gatet ud. Tidsdomænedataene (efter parsingen) konverteres til sidst tilbage til frekvensdomæne ved hjælp af Fourier-transformation. For eksempel, når dataene i figur 7 transformeres tilbage til frekvensdomæne, repræsenterer det ER versus frekvens. I sidste ende opnår vi den samme Erelative som CISPR spatial varierende metode, men ved at gå gennem en anden rute. Selvom den inverse Fourier-transformation (eller den efterfølgende Fourier-transformation) lyder som en skræmmende opgave, er det faktisk en indbygget funktion i en moderne VNA. Det kræver ikke mere end et tryk på et par knapper.

Figur 6: Tidsdomænerespons (fra invers Fourier-transformation af VNA-dataene) mellem to boresigtede antenner. Markør 1 viser det direkte signal, som opstår ved 10 ns x (3 x 108 m/s) = 3 m fra sendeantennen.

Figur 7: Tidsdomænesvar med det direkte signal lukket ud - efterlader kun sen ankomst (reflekterede) signaler.
Næste trin: Forbedring af tidsdomænet SVSWR-metoden yderligereVi har fastslået, at SVSWR ved rumlig bevægelse og SVSWR ved tidsdomæne producerer tilsvarende data. Empiriske målinger kan validere dette punkt. Spørgsmål, der stadig dvæler, er: om dette er de mest repræsentative data for Equipment Under Test (EUT), og hvilke usikkerheder vi kan opnå på grund af antennevalg? Idet der henvises til ligning 2, modificeres alle refleksioner af antennemønsteret, før de summeres. Lad os for nemheds skyld overveje et testkammer, hvor multirefleksioner er ubetydelige. Vi har så syv led i transmissionsvejen, nemlig det direkte signal og refleksioner fra fire vægge, loftet og gulvet. I CISPR 16-1-4 er der meget specifikke krav til sendeantennemønsteret. Af praktiske årsager er disse krav på ingen måde begrænsende. Antag f.eks., at bagvægsrefleksionen er den dominerende ufuldkommenhed, og at antennens front/bag-forhold er 6 dB (inden for CISPR 16-specifikationen). For et sted med en målt SVSWR=2 (6 dB) ved brug af en perfekt isotrop antenne, er ER /ED 1/3. Hvis vi bruger en antenne med et front-til-bag-forhold på 6 dB, bliver den målte SVSWRAntennen med et front-til-bag-forhold på 6 dB undervurderer SVSWR med 20*log (2.0/1.4) = 2.9 dB. Ovenstående eksempel er åbenlyst alt for forenklet. Når man overvejer alle andre refleksioner af kammeret og alle variationer af antennemønstrene, er den potentielle usikkerhed endnu større. I den anden polarisering (i E-plan) er det ikke muligt at have en fysisk isotrop antenne. Det er en endnu større udfordring at definere et stramt antennemønster, som alle rigtige fysiske antenner skal opfylde.

Problemet med mønstervariationer kan løses ved at dreje senderantennen. I dette skema har vi ikke brug for en antenne med en bred stråle - en velkendt dobbeltrillet bølgelederantenne, der almindeligvis bruges i dette frekvensområde, vil fungere fint. Det foretrækkes stadig at have et stort front/bag-forhold (som nemt kan forbedres ved at placere et lille stykke absorber bag antennen). Implementeringen er den samme som diskuteret tidligere for tidsdomænemetoden, bortset fra at vi også drejer sendeantennen 360° og udfører et maksimalt hold. I stedet for at forsøge at belyse alle vægge på samme tid, gør denne ordning det en ad gangen. Denne metode kan give resultater, der er lidt anderledes end FORSØG på at udsende til alle vægge på samme tid. Det kan argumenteres for, at det er en bedre målestok for et websteds ydeevne, da en rigtig EUT sandsynligvis vil have en smal stråle i stedet for at ligne en specifikt fremstillet antenne. Udover at undgå den rodede situation på grund af antennemønstrene, kan vi lokalisere, hvor der opstår en ufuldkommenhed i et kammer eller en OATS. Placeringen kan identificeres ud fra rotationsvinklen og den tid, det tager for signalet at rejse (dermed afstanden til hvor reflektionen opstår).


Konklusion

Fordelene ved tidsdomænemetoden er mange. Det undgår faldgruben i det tidligere diskuterede under-sampling-problem. Metoden afhænger ikke af fysisk at flytte antennerne til nogle få diskrete placeringer, og SVSWR fra tidsdomæne repræsenterer stedets sande værdi. Også i CISPR-metoden skal den nøjagtige afstand mellem antennerne kendes for at normalisere indflydelsen på grund af vejlængden. Eventuelle usikkerheder på grund af afstanden omsættes til usikkerheder i SVSWR (i betragtning af de små stigninger, der er nødvendige, er det endnu mere udfordrende). I tidsdomæne er der ingen usikkerhed om afstandsnormalisering. Derudover er den måske mest attraktive funktion for en slutbruger, at tidsdomæne SVSWR er meget mindre tidskrævende. Testtiden reduceres næsten seks gange (se ligning 1).

Et fuldstændig lydløst kammer har absorberbehandling på alle fire vægge, gulv og loft i kammeret. Time Domain Reflectivity (TDR) målinger kan ikke kun give en nøjagtig vurdering af et teststed som dette, men kan også give yderligere information, såsom hvor de største bidragsydere til afvigelser fra et ideelt sted kommer fra.

Man kunne være fristet til at hævde, at i CISPR-metoden, fordi antennerne flyttes, bevæger refleksionspunkterne sig på kammervæggene, og flere områder af ufuldkommenhederne er dækket. Dette er en rød sild. Formålet med at flytte modtagerantennen er kun at variere faseforholdet. Den samlede varierede afstand er 40 cm. Det svarer til 20 cm (7.9”) dækning på væggen på grund af geometrioversættelser (hvis transmissionsvejen er parallel med kammervæggen). For at teorien kan lykkes, er vi faktisk nødt til at antage, at absorbenternes reflektionsegenskaber er ensartede langs hele 20 cm. For at dække flere områder er man nødt til at flytte antennerne meget mere drastisk, som det gøres i CISPR 16-1-4 (front, center, venstre og højre placering). favicon

Læg en besked 

Message List