EMC-Teststandortqualifikationen: Stehwellenverhältnis der Ortsspannung gegenüber der Zeitbereichsreflektometrie

Konzeptionell ist die SVSWR-Methode recht einfach und leicht verständlich. Wie bei jeder VSWR-Messung besteht das Ziel darin, die Maximal- und Minimalwerte einer stehenden Welle zu messen, wie in Abbildung 1 dargestellt. Das Verhältnis dieser Werte ist das VSWR. Die häufigste Anwendung der VSWR-Messung ist die Bewertung von Übertragungsleitungen. Wenn am Ende einer Übertragungsleitung eine Impedanzfehlanpassung zwischen den Impedanzen der Übertragungsleitung und der Last (zum Beispiel) vorliegt, liegt eine Randbedingung vor, die zu einer reflektierten Welle führt. Die reflektierte Welle interagiert an verschiedenen Stellen auf der Übertragungsleitung konstruktiv oder destruktiv mit der kontinuierlichen Welle von der Quelle. Das resultierende Konstrukt (direkte und reflektierte Wellenkombination) ist eine stehende Welle. Ein einfaches Beispiel hierfür ist der durchgeführte Leistungstest, der für Geräte in CISPR 14-1 erforderlich ist. Bei diesem Test wird ein Wandler (Netzklemme) entlang eines verlängerten Netzkabels des Produkts bewegt, um die maximale Spannung am Netzkabel über den interessierenden Frequenzbereich zu messen. Das gleiche Ereignis wird auf einer unvollständigen Teststelle realisiert. Die Übertragungsleitung ist der Pfad vom zu testenden Gerät zur Empfangsantenne. Reflektierte Wellen werden von anderen Objekten in der Testumgebung erzeugt. Diese Objekte können von Kammerwänden bis zu Gebäuden und Autos (an Teststandorten auf offener Fläche) reichen. Wie bei einer Übertragungsleitung wird eine stehende Welle erzeugt. Der für den Standort-VSWR- oder SVSWR-Test eingerichtete Test ist in Abbildung 2 dargestellt.

Die physikalischen Abmessungen der stehenden Welle sind ein kritischer Faktor für die genaue Messung einer stehenden Welle. Das Ziel ist wiederum, den Maximal- und Minimalwert zu finden. Der SVSWR-Test in CISPR 16-1-4 schlägt vor, die stehende Welle auf einem Testgelände zu messen, indem eine Sendeantenne entlang einer geraden Linie in der Kammer bewegt und die empfangene Spannung mit der Emissionsantenne an dem normalen Ort gemessen wird, der für Produkttests verwendet wird. Genau wie bei einem durchgeführten Leistungstest oder einer ähnlichen VSWR-Messung ist eine kontinuierliche Bewegung des Wandlers oder im Fall von SVSWR der Sendeantenne erforderlich, um die Erfassung der Maxima und Minima der stehenden Welle sicherzustellen. Dies könnte bei jeder Frequenz erfolgen, jedoch nur mit erheblichem Aufwand und Zeitaufwand. Infolgedessen beschloss die CISPR-Arbeitsgruppe, nur sechs physikalische Positionen für jeden der volumetrischen Orte zu kompromittieren und zu messen (siehe Abbildung 3). Die einzige andere Möglichkeit zur Verkürzung der Testzeit bestand darin, die Frequenzauflösung der Messung zu verringern (z. B. weniger Frequenzen messen, aber bei jeder Frequenz mehr Positionen messen). Das Problem bei dieser Option ist, dass viele reflektierende Objekte enge spektrale Eigenschaften haben können. Mit anderen Worten, einige Materialien können für einen engen Frequenzbereich signifikant reflektierend sein. Infolgedessen beschloss die Arbeitsgruppe, eine maximale Schrittgröße von 50 MHz auf den Test anzuwenden, was zu einem Minimum von 340 Frequenzen von 1 bis 18 GHz führte, jedoch mit nur sechs Positionen, wie in Abbildung 3 dargestellt.

Abbildung 3: Orte und Positionen der SVSWR-Messung
Die Abtastung einer stehenden Welle an nur einer diskreten Anzahl von Positionen kann plausibel eine ausreichende Genauigkeit liefern, um ein ungefähres SVSWR in Abhängigkeit von der Größe der Schritte zu berechnen. Ein weiterer Kompromiss bestand jedoch darin, für jede Frequenz die gleichen vorgeschriebenen Positionen zu haben, damit der Test Zeit spart, indem die Antenne bewegt und die Frequenz gewobbelt wird. Die gewählten Positionen sind 0, +2, +10, +18, +30, +40 cm. Stellen Sie sich eine Zeichenwelle vor, die einem Lineal mit sechs Markierungen überlagert ist. Stellen Sie sich nun vor, Sie komprimieren die Vorzeichenwelle in immer kürzere Wellenlängen. Abbildung 4 veranschaulicht dieses Gedankenexperiment. Es wird Frequenzen geben, bei denen die ausgewählten Orte niemals den wahren Maxima oder Minima der Vorzeichenwelle nahe kommen. Dies ist ein Kompromiss, der zu einer Compliance-Verzerrung führt, z. B. zu einem Ergebnis, das immer niedriger ist als das wahre SVSWR. Diese Verzerrung ist ein Fehlerterm und sollte nicht mit einem Beitrag zur Messunsicherheit verwechselt werden.

Abbildung 4: SVSWR-Messorte im Verhältnis zur Wellenlänge
Wie groß ist der Fehlerterm? Wenn wir an das in Abbildung 4 dargestellte Beispiel denken, ist klar, dass die Wellenlänge 2 Zentimeter beträgt. Das wäre eine 15-GHz-Vorzeichenwelle. Bei dieser Frequenz würde es keine gemessene stehende Welle geben, da die Wellenlänge 2 cm beträgt und die anderen Stellen sogar ein Vielfaches von 2 sind (10, 18, 30 und 40 cm)! Das gleiche Problem tritt natürlich bei 7.5 GHz auf. Bei praktisch jeder Frequenz führt die Abtastung dazu, dass weder das Maximum noch das Minimum gemessen werden.

Ein Labor muss vier Stellen gemäß Abbildung 3 in zwei Polaritäten und mindestens zwei Höhen gemäß CISPR 16-1-4 messen. Der Messbereich beträgt 1-18 GHz. Bis vor kurzem waren die einzigen verfügbaren Antennen, die die Musteranforderungen erfüllten, in Modellen mit 1 bis 6 GHz und 6 bis 18 GHz erhältlich. Die Folge ist, dass die Testzeit in Gleichung 1 gezeigt ist:

Wobei: tx = Zeit zum Ausführen der Funktion x, ny = Häufigkeit, mit der die Aktivität Y ausgeführt werden muss.


Gleichung 1: Schätzen Sie die Testzeit für SVSWR
Das Ergebnis dieser Kombination von Positionen, Orten, Polaritäten, Höhen und Antennen führt zu einem ziemlich langen Test. Diese Zeit stellt Opportunitätskosten für das Labor dar.
Die Opportunitätskosten sind die Einnahmen, die andernfalls anstelle der Durchführung dieses langwierigen Tests hätten erzielt werden können. Eine typische Testzeit für diesen Test beträgt beispielsweise mindestens drei Testschichten. Wenn ein Labor 2,000 USD für eine Schicht berechnet, stellt dieser Test jährliche Opportunitätskosten von mindestens 6,000 bis 12,000 USD dar, vorausgesetzt, der Standort wird wie empfohlen jährlich überprüft. Dies beinhaltet nicht die anfänglichen Kosten für die speziellen Antennen (14,000 USD).


Positionierungsunsicherheit
Jede Messung der SVSWR-Methode erfordert die Positionierung der Sendeantenne an den angegebenen Positionen (0, 2, 10, 18, 30, 40 cm). Da die Berechnungen hinsichtlich der Entfernung korrigiert werden, wirkt sich die Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit der Positionierung direkt auf die Messunsicherheit aus. Es stellt sich dann die Frage, wie wiederholbar und reproduzierbar die Positionierung der Antennen in Schritten von nur 2 cm ist. Eine kürzlich an der UL durchgeführte Messstudie hat gezeigt, dass dieser Beitrag ungefähr 2.5 mm oder ungefähr 15% der 18-GHz-Wellenlänge beträgt. Die Größe dieses Mitwirkenden hängt von der Frequenz und der Amplitude der stehenden Welle ab (eine unbekannte).

Ein zweiter Faktor in Bezug auf die Positionierung ist der Winkel gegenüber dem Antennenmuster. Die Antennenmusteranforderungen in CISPR 16-4-1 haben eine Variabilität von ungefähr +/- 2 oder 3 dB in der H-Ebene und noch breiter in der E-Ebene. Wenn Sie zwei Antennen mit unterschiedlichen Mustern auswählen, aber beide die Musteranforderungen erfüllen, können Sie sehr unterschiedliche Ergebnisse erzielen. Zusätzlich zu dieser Variabilität von Antenne zu Antenne (ein Reproduzierbarkeitsproblem) weisen die zum Senden verwendeten Antennen keine perfekt symmetrischen Muster auf (z. B. Muster variieren mit kleinen Winkelinkrementen), wie im Standard gezeigt. Infolgedessen führt jede Änderung der Ausrichtung der Sendeantenne zur Empfangsantenne zu einer geänderten Empfangsspannung (ein Wiederholbarkeitsproblem). Fig. 5 zeigt die tatsächlichen Musteränderungen einer SVSWR-Antenne mit kleinen Inkrementen im Winkel. Diese wahren Mustermerkmale führen zu einer signifikanten Variabilität der Winkelpositionierung.


Abbildung 5: SVSWR-Antennenmuster
Die Änderungen des Antennengewinns als Funktion relativ kleiner Winkelrotationen verursachen im gezeigten Beispiel eine Variabilität von bis zu 1 dB.Zeitbereichsmethode zum Abrufen von SVSWR

Das SVSWR-Verfahren in CISPR 16-1-4 basiert auf der räumlichen Bewegung von Antennen, um die Phasenbeziehung zwischen der direkten Welle und den reflektierten Wellen aufgrund von Kammerfehlern zu variieren. Wie zuvor erläutert, gibt es, wenn sich die Wellen konstruktiv addieren, eine Spitzenantwort (Emax) zwischen den beiden Antennen, und wenn sich die Wellen destruktiv addieren, gibt es eine minimale Antwort (Emin). Die Übertragung kann ausgedrückt werden als

wobei E die empfangene Feldstärke ist.

ED ist das direkte Wegsignal, N ist die Gesamtzahl der Reflexionen von der Stelle (dies kann einzelne oder mehrere Reflexionen von den Kammerwänden oder Unvollkommenheiten der Stelle im offenen Bereich umfassen). ER (i) ist das i-te reflektierte Signal. Nehmen wir zur Vereinfachung der Ableitung an, dass nur ein reflektiertes Signal vorhanden ist (dies verliert nicht die Allgemeinheit). Das Site-VSWR (oder die relative Welligkeitsgröße) der Site kann ausgedrückt werden als

Durch Lösen von Gleichung 3 erhalten wir das Verhältnis des reflektierten Signals zum direkten Signal
Wie aus Gleichung 4 ersichtlich ist, beschreiben die beiden Terme, dh das Verhältnis von reflektiertem zu direktem Signal (erelativ) und das VSWR (S) des Standorts, dieselbe physikalische Größe - ein Maß für den Grad der Reflexionen am Standort. Durch Messen des Standort-VSWR (wie in CISPR 16-1-4) können wir bestimmen, wie groß die reflektierten Wellen relativ zur direkten Welle sind. In einer idealen Situation gibt es keine Reflexionen, was zu Erelative = 0 und S = 1 führt.

Um das Verhältnis zwischen dem reflektierten und dem direkten Signal zu erfassen, ändern wir, wie zuvor erläutert, beim Standort-VSWR-Verfahren in CISPR 16-1-4 den Abstand, damit die Phasenbeziehung zwischen dem direkten Pfad und den reflektierten Signalen variiert werden kann. Anschließend leiten wir das SVSWR aus diesen skalaren Antworten ab. Es stellt sich heraus, dass wir das gleiche SVSWR mithilfe von Vektormessungen (Spannung und Phase) erfassen können, ohne die Antennen physisch bewegen zu müssen. Dies kann mit Hilfe eines modernen Vektornetzwerkanalysators (VNA) und Zeitbereichstransformationen erfolgen. Beachten Sie, dass die Gleichungen 2 bis 4 entweder im Frequenzbereich oder im Zeitbereich gelten. Im Zeitbereich können wir jedoch die reflektierten Signale vom direkten Signal unterscheiden, da der Zeitpunkt, zu dem sie an der Empfangsantenne ankommen, unterschiedlich ist. Dies kann als ein von der Sendeantenne ausgesendeter Impuls angesehen werden. Im Zeitbereich kommt die direkte Welle zuerst an der Empfangsantenne an und die reflektierte Welle kommt später an. Durch Anwendung von Time Gating (einem Zeitfilter) kann der Effekt des Direktsignals von den reflektierten getrennt werden.

Die eigentlichen Messungen werden im Frequenzbereich mit einem VNA durchgeführt. Die Ergebnisse werden dann unter Verwendung der inversen Fourier-Transformation in den Zeitbereich transformiert. Im Zeitbereich wird ein Zeit-Gating angewendet, um die direkten und reflektierten Signale zu analysieren. Fig. 6 zeigt ein Beispiel der Zeitbereichsantwort zwischen zwei Antennen (unter Verwendung einer inversen Fourier-Transformation aus Frequenzbereichsmessungen). Fig. 7 zeigt die gleiche Zeitbereichsantwort mit ausgeschaltetem Direktsignal. Die Zeitdomänendaten (nach dem Parsen) werden schließlich unter Verwendung der Fourier-Transformation zurück in den Frequenzbereich konvertiert. Wenn beispielsweise die Daten in 7 in den Frequenzbereich zurücktransformiert werden, repräsentieren sie ER gegenüber der Frequenz. Am Ende erhalten wir das gleiche Erelativ wie die räumlich variierende CISPR-Methode, jedoch indem wir einen anderen Weg gehen. Obwohl die inverse Fourier-Transformation (oder die nachfolgende Fourier-Transformation) wie eine entmutigende Aufgabe klingt, ist sie tatsächlich eine in eine moderne VNA integrierte Funktion. Es dauert nicht mehr als das Drücken einiger Knöpfe.

Abbildung 6: Zeitbereichsantwort (aus der inversen Fourier-Transformation der VNA-Daten) zwischen zwei Antennen mit Bohrung. Marker 1 zeigt das direkte Signal, das bei 10 ns x (3 x 108 m / s) = 3 m von der Sendeantenne auftritt.

Abbildung 7: Zeitbereichsantwort mit ausgeschaltetem Direktsignal, wobei nur Signale mit verspäteter Ankunft (reflektiert) übrig bleiben.
Nächste Schritte: Weitere Verbesserung der SVSWR-Methode im ZeitbereichWir haben festgestellt, dass das SVSWR nach räumlicher Bewegung und das SVSWR nach Zeitbereich äquivalente Daten erzeugen. Empirische Messungen können diesen Punkt bestätigen. Fragen, die noch offen sind, sind: ob dies die repräsentativsten Daten für das zu testende Gerät (EUT) sind und welche Unsicherheiten wir durch die Auswahl der Antenne erreichen können? Bezugnehmend auf Gleichung 2 werden alle Reflexionen durch das Antennenmuster modifiziert, bevor sie summiert werden. Betrachten wir der Einfachheit halber eine Testkammer, in der Mehrfachreflexionen vernachlässigbar sind. Wir haben dann sieben Terme im Übertragungsweg, nämlich das direkte Signal und Reflexionen von vier Wänden, der Decke und dem Boden. In CISPR 16-1-4 gibt es sehr spezielle Anforderungen an das Sendeantennenmuster. Aus praktischen Gründen sind diese Anforderungen keineswegs einschränkend. Angenommen, die Rückwandreflexion ist die dominierende Unvollkommenheit, und das Verhältnis von Vorderseite zu Rückseite der Antenne beträgt 6 dB (innerhalb der CISPR 16-Spezifikation). Für einen Standort mit einem gemessenen SVSWR = 2 (6 dB) unter Verwendung einer perfekten isotropen Antenne beträgt ER / ED 1/3. Wenn wir eine Antenne mit einem Front-to-Back-Verhältnis von 6 dB verwenden, wird das gemessene SVSWRDie Antenne mit einem Front-to-Back-Verhältnis von 6 dB unterschätzt das SVSWR um 20 * log (2.0 / 1.4) = 2.9 dB. Das obige Beispiel ist offensichtlich zu stark vereinfacht. Wenn alle anderen Reflexionen der Kammer und alle Variationen der Antennenmuster berücksichtigt werden, ist die potentielle Unsicherheit noch größer. Bei der anderen Polarisation (in der E-Ebene) ist es nicht möglich, eine physikalisch isotrope Antenne zu haben. Es ist eine noch größere Herausforderung, ein striktes Antennenmuster zu definieren, das alle realen physischen Antennen erfüllen müssen.

Das mit Mustervariationen verbundene Dilemma kann durch Drehen der Sendeantenne gelöst werden. In diesem Schema benötigen wir keine Antenne mit breitem Strahl - eine bekannte Wellenleiterantenne mit zwei Rippen, die üblicherweise in diesem Frequenzbereich verwendet wird, funktioniert einwandfrei. Es wird immer noch bevorzugt, ein großes Verhältnis von vorne zu hinten zu haben (das leicht verbessert werden kann, indem ein kleines Stück Absorber hinter der Antenne platziert wird). Die Implementierung ist dieselbe wie zuvor für die Zeitbereichsmethode beschrieben, außer dass wir auch die Sendeantenne um 360 ° drehen und einen maximalen Halt durchführen. Anstatt zu versuchen, alle Wände gleichzeitig zu beleuchten, wird dieses Schema einzeln ausgeführt. Diese Methode kann zu Ergebnissen führen, die sich geringfügig von VERSUCHEN unterscheiden, gleichzeitig an alle Wände zu senden. Es kann argumentiert werden, dass dies eine bessere Metrik für die Leistung eines Standorts ist, da ein echtes EUT wahrscheinlich einen schmalen Strahl hat, anstatt wie eine speziell gefertigte Antenne auszusehen. Zusätzlich zur Vermeidung der unordentlichen Situation aufgrund der Antennenmuster können wir genau bestimmen, wo eine Unvollkommenheit in einer Kammer oder einem OATS auftritt. Der Ort kann anhand des Drehwinkels und der Zeit identifiziert werden, die das Signal benötigt, um sich zu bewegen (also der Entfernung zu dem Ort, an dem die Reflexion auftritt).


Zusammenfassung

Die Vorteile der Zeitbereichsmethode sind zahlreich. Dies vermeidet die Gefahr des zuvor diskutierten Problems der Unterabtastung. Das Verfahren hängt nicht davon ab, ob die Antennen physisch an einige diskrete Orte bewegt werden, und das SVSWR aus dem Zeitbereich repräsentiert den wahren Wert des Standorts. Bei der CISPR-Methode muss außerdem der genaue Abstand zwischen den Antennen bekannt sein, um den Einfluss aufgrund der Pfadlänge zu normalisieren. Unsicherheiten aufgrund der Entfernung führen zu Unsicherheiten des SVSWR (angesichts der geringen erforderlichen Inkremente ist dies noch schwieriger). Im Zeitbereich gibt es keine Unsicherheiten bei der Entfernungsnormalisierung. Darüber hinaus ist das vielleicht attraktivste Merkmal für einen Endbenutzer, dass SVSWR im Zeitbereich viel weniger zeitaufwendig ist. Die Testzeit wird fast versechsfacht (siehe Gleichung 1).

Eine vollständig schalltote Kammer verfügt über eine Absorberbehandlung an allen vier Wänden, am Boden und an der Decke der Kammer. TDR-Messungen (Time Domain Reflectivity) können nicht nur eine genaue Bewertung einer solchen Teststelle liefern, sondern auch zusätzliche Informationen liefern, z. B. woher die größten Beiträge zu Abweichungen von einer idealen Stelle stammen.

Man könnte versucht sein zu argumentieren, dass bei der CISPR-Methode durch die Bewegung der Antennen die Reflexionspunkte an den Kammerwänden verschoben werden und mehr Bereiche der Unvollkommenheiten abgedeckt werden. Das ist ein Ablenkungsmanöver. Der Zweck der Bewegung der Empfangsantenne besteht lediglich darin, die Phasenbeziehungen zu verändern. Die Gesamtdistanz beträgt 40 cm. Aufgrund der Geometrieverschiebungen ergibt sich eine Abdeckung von 20 cm (7.9 Zoll) an der Wand (wenn der Übertragungsweg parallel zur Kammerwand verläuft). Damit die Theorie aufgeht, müssen wir tatsächlich davon ausgehen, dass die Reflexionseigenschaften der Absorber über die gesamten 20 cm gleichmäßig sind. Um mehr Bereiche abzudecken, müssen die Antennen viel drastischer verschoben werden, wie es in CISPR 16-1-4 der Fall ist (die vorderen, mittleren, linken und rechten Positionen). Favicon

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