EMC Test Site Qualifications: Nettstedsspenning Standing Wave Ratio versus Time Domain Reflectometry

Konseptuelt er SVSWR-metoden ganske grei og lett forståelig. Som med enhver VSWR-måling er målet å måle maksimums- og minimumsverdiene for en stående bølge som illustrert i figur 1. Forholdet mellom disse verdiene er VSWR. Den vanligste anvendelsen av VSWR-måling er å evaluere overføringslinjer. Hvis det er en impedansforskjell på slutten av en overføringslinje mellom impedansene til overføringsledningen og belastningen (for eksempel), vil det være en grensetilstand som resulterer i en reflektert bølge. Den reflekterte bølgen vil på forskjellige steder på overføringslinjen være i konstruktiv eller destruktiv interaksjon med den kontinuerlige bølgen fra kilden. Den resulterende konstruksjonen (direkte og reflektert bølgekombinasjon) er en stående bølge. Et enkelt eksempel på dette er funnet i den utførte effektprøven som kreves for apparater i CISPR 14-1. I denne testen flyttes en svinger (strømklemme) langs en utvidet strømledning til produktet i et forsøk på å måle den maksimale spenningen på strømledningen over frekvensområdet som er av interesse. Den samme hendelsen blir realisert på et ufullkommen teststed. Overføringslinjen er stien fra utstyret som testes til mottaksantennen. Reflekterte bølger opprettes fra andre objekter i testmiljøet. Disse objektene kan variere fra kammervegger til bygninger og biler (på teststeder). Akkurat som i tilfellet med en overføringslinje, opprettes en stående bølge. Testen satt opp for VSWR- eller SVSWR-testen er vist i figur 2.

De fysiske dimensjonene til den stående bølgen er en kritisk faktor for å måle en stående bølge nøyaktig. Målet er igjen å finne maksimums- og minimumsverdien. SVSWR-testen i CISPR 16-1-4 foreslår å måle den stående bølgen på et teststed ved å bevege en sendeantenne langs en rett linje i kammeret og måle den mottatte spenningen med utslippsantennen på det normale stedet som brukes for produkttesting. Akkurat som i en utført effekttest eller lignende VSWR-måling, er det nødvendig med en kontinuerlig bevegelse av svingeren, eller i tilfelle SVSWR den sendende antennen, for å sikre fangst av maksimum og minima for den stående bølgen. Dette kan gjøres ved hver frekvens, men bare med betydelig kostnad og tid. Derfor bestemte CISPR-arbeidsgruppen seg for å inngå kompromisser og måle bare seks fysiske posisjoner for hver av de volumetriske stedene (se figur 3). Det eneste andre alternativet for å redusere testtiden var å redusere målingens frekvensoppløsning (f.eks. Måle færre frekvenser, men ved hver frekvens måle flere posisjoner). Problemet med det alternativet er at mange gjenstander som reflekterer kan ha smale spektrale egenskaper. Med andre ord kan noen materialer reflektere betydelig for et smalt frekvensområde. Derfor bestemte arbeidsgruppen seg for å bruke maksimalt 50 MHz trinnstørrelse på testen, noe som resulterte i minimum 340 frekvenser fra 1-18 GHz, men med bare seks posisjoner som vist i figur 3.

Figur 3: SVSWR målesteder og posisjoner
Prøvetakingen av en stående bølge på bare et diskret antall posisjoner kan sannsynligvis gi tilstrekkelig nøyaktighet til å beregne en omtrentlig SVSWR avhengig av størrelsen på trinnene. Et annet kompromiss var imidlertid å ha de samme foreskrevne posisjonene for hver frekvens, slik at testen ville spare tid ved å flytte antennen og feiefrekvensen. De valgte posisjonene er 0, +2, +10, +18, +30, +40 cm. Prøv å forestille deg en skiltbølge lagt over en linjal med seks merker på. Tenk deg å komprimere skiltbølgen til kortere og kortere bølgelengder. Figur 4 illustrerer dette tankeeksperimentet. Det vil være frekvenser der de valgte stedene aldri kommer nær de sanne maksima eller minima for tegnbølgen. Dette er et kompromiss som vil resultere i en bias for overholdelse, for eksempel et resultat som alltid er lavere enn den sanne SVSWR. Denne skjevheten er et feiluttrykk og bør ikke forveksles med et måleusikkerhetsbidrag.

Figur 4: SVSWR-målesteder mot bølgelengde
Hvor stor er feilbegrepet? Hvis vi tenker på eksemplet illustrert i figur 4, er det klart at bølgelengden er 2 centimeter. Det ville være en 15 GHz tegnbølge. På den frekvensen ville det ikke være noen målt stående bølge fordi bølgelengden er 2 cm og de andre stedene er til og med multipler på 2 (10, 18, 30 og 40 cm)! Selvfølgelig oppstår det samme problemet ved 7.5 GHz. På nesten hver frekvens resulterer prøvetakingen i å måle verken maksimum eller minimum.

Et laboratorium må måle fire steder som vist i figur 3 i to polariteter og minst to høyder i samsvar med CISPR 16-1-4. Måleområdet er 1-18 GHz. Inntil nylig var de eneste tilgjengelige antennene som oppfylte mønsterkravene tilgjengelige i 1-6 GHz og 6-18 GHz modeller. Konsekvensen er at testtiden vises i ligning 1:

Hvor: tx = tid til å utføre funksjon x, ny = antall ganger aktivitet Y må utføres.


Ligning 1: Anslått testtid for SVSWR
Resultatet av denne kombinasjonen av posisjoner, posisjoner, polariteter, høyder og antenner resulterer i en ganske lang test. Denne gangen representerer en mulighetskostnad for laboratoriet.
Mulighetskostnaden er inntektene som ellers kunne ha blitt realisert i stedet for å gjennomføre denne lange testen. Som et eksempel er en typisk testtid for denne testen minst tre testskift. Hvis et laboratorium skulle kreve $ 2,000 USD for et skift, representerer denne testen en årlig mulighetskostnad, forutsatt at nettstedet sjekkes årlig som anbefalt, på minst $ 6,000 - $ 12,000 USD. Dette inkluderer ikke de opprinnelige kostnadene for de spesielle antennene ($ 14,000 USD).


Posisjonsusikkerhet
Hver måling av SVSWR-metoden krever at sendeantennen plasseres til de angitte posisjonene (0, 2, 10, 18, 30, 40 cm). Siden beregningene korrigeres for avstand, påvirker repeterbarheten og reproduserbarheten av posisjoneringen direkte måleusikkerheten. Spørsmålet blir da, hvor repeterbar og reproduserbar er plasseringen av antennene i trinn så små som 2 cm? En nylig gage-studie utført ved UL har vist at dette bidraget er omtrent 2.5 mm eller omtrent 15% av 18 GHz bølgelengden. Størrelsen på denne bidragsyteren vil avhenge av frekvensen og amplituden til den stående bølgen (en ukjent).

En annen faktor relatert til posisjonering er vinkel mot antennemønsteret. Kravene om antennemønster i CISPR 16-4-1 har variabilitet på omtrent +/- 2 eller 3 dB i H-plan og enda bredere i E-plan. Hvis du velger to antenner med forskjellige mønstre, men begge oppfyller kravene til mønster, kan du ha veldig forskjellige resultater. I tillegg til denne antenne-til-antenne-variabiliteten (et reproduserbarhetsproblem), har ikke antennene som brukes til å sende perfekt symmetriske mønstre (f.eks. Mønstre varierer med små trinn i vinkelen) som vist i standarden. Som en konsekvens resulterer enhver endring i innretting av sendeantennen til mottaksantennen i endret mottatt spenning (et repeterbarhetsproblem). Figur 5 illustrerer de faktiske mønsterendringene til en SVSWR-antenne med små trinn i vinkelen. Disse sanne mønsteregenskapene resulterer i betydelig variasjon i vinkelposisjonering.


Figur 5: SVSWR-antennemønster
Endringene i antenneforsterkning som en funksjon av relativt små vinkelrotasjoner forårsaker så mye som 1 dB variasjon i det viste eksemplet.Time Domain Method for å skaffe SVSWR

SVSWR-metoden i CISPR 16-1-4 er basert på å flytte antenner romlig for å variere faseforholdet mellom direktebølgen og reflekterte bølger fra kammerfeil. Som diskutert tidligere, når bølgene tilfører konstruktivt, er det en topprespons (Emax) mellom de to antennene, og når bølgene tilfører destruktivt, er det et minimumsrespons (Emin). Overføringen kan uttrykkes som

hvor E er mottatt feltstyrke.

ED er direktebanesignalet, N er totalt antall refleksjoner fra stedet (dette kan inkludere enkle eller flere refleksjoner fra kammerveggene eller ufullkommenheter i åpent område). ER (i) er det reflekterte Ith-signalet. For å lette avledningen, la oss anta at det bare er ett reflektert signal (dette mister ikke allmenheten). Nettstedet VSWR (eller den relative ringstørrelsen) på nettstedet kan uttrykkes som

Ved å løse ligning 3 får vi forholdet mellom det reflekterte signalet og det direkte signalet
Som det kan sees fra ligning 4, beskriver de to begrepene, dvs. det reflekterte til direkte signalforholdet (Erelativ) og stedet VSWR (S) den samme fysiske størrelsen - et mål på refleksjonsnivået på stedet. Ved å måle stedet VSWR (som tilfellet er i CISPR 16-1-4), kan vi bestemme hvor store de reflekterte bølgene er i forhold til den direkte bølgen. I en ideell situasjon er det ingen refleksjoner, noe som resulterer i Erelativ = 0 og S = 1.

Som tidligere diskutert, for å oppdage forholdet mellom det reflekterte og direkte signalet, i stedet VSWR-metoden i CISPR 16-1-4, endrer vi separasjonsavstanden slik at faseforholdet mellom direkte banen og reflekterte signaler kan varieres. Deretter utleder vi SVSWR fra disse skalære responsene. Det viser seg at vi kan anskaffe den samme SVSWR ved hjelp av vektormålinger (spenning og fase) uten behov for å flytte antennene fysisk. Dette kan gjøres ved hjelp av en moderne vektornettverksanalysator (VNA) og tidsdomenetransformasjoner. Legg merke til at ligning 2 til 4 gjelder i enten frekvensdomene eller tidsdomene. I tidsdomene kan vi imidlertid skille de reflekterte signalene fra det direkte signalet fordi tidspunktet de ankommer mottaksantennen er forskjellig. Dette kan sees på som en puls som sendes ut fra sendeantennen. I tidsdomene vil den direkte bølgen ankomme mottakerantennen først, og den reflekterte bølgen ankomme senere. Ved å bruke tidsport (et tidsfilter) kan effekten av direkte signal skilles fra de reflekterte.

De faktiske målingene utføres i frekvensdomene med en VNA. Resultatene blir deretter transformert til tidsdomene ved hjelp av invers Fourier-transform. I tidsdomenet brukes tidsstyring for å analysere de direkte og reflekterte signalene. Figur 6 viser et eksempel på tidsdomenesvaret mellom to antenner (ved bruk av invers Fourier-transformasjon fra frekvensdomene målinger). Figur 7 viser den samme tidsdomenesvaret med direkte signal gated. Tidsdomenedataene (etter parsing) konverteres endelig tilbake til frekvensdomene ved hjelp av Fourier-transform. For eksempel, når dataene i figur 7 transformeres tilbake til frekvensdomenet, representerer de ER versus frekvens. Til slutt oppnår vi den samme Erelative som CISPR romlige varierende metode, men ved å gå gjennom en annen rute. Selv om den inverse Fourier-transformasjonen (eller den påfølgende Fourier-transformasjonen) høres ut som en skremmende oppgave, er den faktisk en innebygd funksjon i en moderne VNA. Det tar ikke mer enn å trykke på noen få knapper.

Figur 6: Tidsdomenesvar (fra invers Fourier-transformasjon av VNA-dataene) mellom to synlige antenner. Markør 1 viser det direkte signalet som oppstår ved 10 ns x (3 x 108 m / s) = 3 m fra sendeantennen.

Figur 7: Tidsdomenesvar med direkte signal gated ut - etterlater bare signaler med sen ankomst (reflektert).
Neste trinn: Forbedring av Time Domain SVSWR-metoden ytterligereVi har slått fast at SVSWR ved romlig bevegelse og SVSWR etter tidsdomene produserer likeverdige data. Empiriske målinger kan validere dette punktet. Spørsmål som fremdeles henger igjen er: om dette er de mest representative dataene for utstyr under test (EUT), og hvilken usikkerhet vi kan oppnå på grunn av antennevalg? Med henvisning til ligning 2 modifiseres alle refleksjoner av antennemønsteret før de summeres. For enkelhets skyld, la oss vurdere et testkammer der multirefleksjoner er ubetydelige. Vi har da syv termer i overføringsbanen, nemlig direkte signal, og refleksjoner fra fire vegger, taket og gulvet. I CISPR 16-1-4 er det veldig spesifikke krav til det sendende antennemønsteret. Av praktiske årsaker er disse kravene på ingen måte begrensende. Anta for eksempel at bakveggrefleksjonen er den dominerende ufullkommenheten, og forholdet foran og bak på antennen er 6 dB (innenfor spesifikasjonen CISPR 16). For et område med en målt SVSWR = 2 (6 dB) som bruker en perfekt isotrop antenne, er ER / ED 1/3. Hvis vi bruker en antenne med et front-til-bak-forhold på 6 dB, blir den målte SVSWRAntennen med et front-til-bak-forhold på 6 dB undervurderer SVSWR med 20 * log (2.0 / 1.4) = 2.9 dB. Ovennevnte eksempel er åpenbart altfor forenklet. Når vi vurderer alle andre refleksjoner i kammeret, og alle variasjoner av antennemønstrene, er den potensielle usikkerheten enda større. I den andre polarisasjonen (i E-plan) er det ikke mulig å ha en fysisk isotrop antenne. Det er en enda større utfordring å definere et strengt antennemønster, som alle virkelige fysiske antenner må møte.

Kviket relatert til mønstervariasjoner kan løses ved å rotere sendeantennen. I dette skjemaet trenger vi ikke en antenne med bredstråle - en kjent dobbeltridget bølgelederantenn som ofte brukes i dette frekvensområdet vil fungere bra. Det er fortsatt foretrukket å ha et stort forhold mellom front og bak (som lett kan forbedres ved å plassere et lite stykke absorber bak antennen). Implementeringen er den samme som diskutert tidligere for tidsdomenemetoden, bortsett fra at vi også roterer sendeantennen 360 ° og utfører et maksimalt hold. I stedet for å prøve å belyse alle vegger samtidig, gjør denne ordningen det en om gangen. Denne metoden kan gi resultater som er litt forskjellige fra å PRØVE å kringkaste til alle vegger samtidig. Det kan argumenteres for at det er en bedre beregning av ytelsen til et nettsted, da en ekte EUT sannsynligvis vil ha en smal stråle i stedet for å se ut som en spesielt utformet antenne. I tillegg til å unngå den rotete situasjonen på grunn av antennemønstrene, kan vi finne ut hvor det oppstår en ufullkommenhet i et kammer eller en OATS. Plasseringen kan identifiseres ut fra rotasjonsvinkelen og den tid det tar for signalet å bevege seg (dermed avstanden til hvor refleksjonen oppstår).


konklusjonen

Fordelene med tidsdomenemetoden er mange. Det unngår fallgruven i problemet med underprøvetaking som ble diskutert tidligere. Metoden avhenger ikke av fysisk å flytte antennene til noen få diskrete steder, og SVSWR fra tidsdomene representerer den sanne verdien av nettstedet. I CISPR-metoden må den nøyaktige avstanden mellom antennene være kjent for å normalisere påvirkningen på grunn av banelengden. Eventuell usikkerhet på grunn av avstanden oversettes til usikkerhet i SVSWR (med tanke på de små trinnene som trengs, er det enda mer utfordrende). I tidsdomene er det ingen usikkerheter rundt normalisering. I tillegg er den kanskje mest attraktive funksjonen for en sluttbruker at tidsdomenet SVSWR er mye mindre tidkrevende. Testtiden er redusert nesten seks ganger (se ligning 1).

Et helt anekoisk kammer har absorberingsbehandling på alle fire vegger, gulv og tak i kammeret. Time Domain Reflectivity (TDR) målinger kan ikke bare gi en nøyaktig vurdering av et teststed som dette, men kan også gi tilleggsinformasjon, for eksempel hvor de største bidragsyterne til avvik fra et ideelt sted kommer fra.

Man kan bli fristet til å argumentere for at i CISPR-metoden, fordi antennene flyttes, beveger refleksjonspunktene seg på kammerveggene, og flere områder av ufullkommenhetene blir dekket. Dette er en rød sild. Hensikten med å flytte mottaksantennen er å variere bare faseforholdene. Total variert avstand er 40 cm. Det oversettes til 20 cm (7.9 ”) dekning på veggen på grunn av geometrioversettelser (hvis overføringsbanen er parallell med kammerveggen). For at teorien skal ordne seg, trenger vi faktisk å anta at absorberings refleksjonegenskaper er ensartede langs hele 20 cm. For å dekke flere områder, må man flytte antennene mye mer drastisk, slik det gjøres i CISPR 16-1-4 (plasseringene foran, i midten, på venstre og høyre side). favicon

Legg igjen en beskjed 

Meldingsliste