Требования к испытательной площадке EMC: соотношение стоячей волны напряжения на площадке и рефлектометрия во временной области

Концептуально метод SVSWR довольно прост и понятен. Как и в случае любого измерения КСВН, цель состоит в том, чтобы измерить максимальное и минимальное значения стоячей волны, как показано на рисунке 1. Отношение этих значений и есть КСВН. Наиболее распространенное применение измерения КСВН - оценка линий передачи. Если существует несоответствие импеданса на конце линии передачи между импедансами линии передачи и нагрузки (например), возникнет граничное условие, которое приведет к отраженной волне. Отраженная волна в различных местах на линии передачи будет конструктивно или деструктивно взаимодействовать с непрерывной волной от источника. Полученная конструкция (комбинация прямой и отраженной волн) представляет собой стоячую волну. Простой пример этого можно найти в испытании наведенной мощности, требуемом для устройств, в CISPR 14-1. В этом тесте преобразователь (силовой зажим) перемещается по удлиненному шнуру питания продукта, чтобы измерить максимальное напряжение на шнуре питания в интересующем диапазоне частот. То же самое происходит на несовершенном полигоне. Линия передачи - это путь от тестируемого оборудования до приемной антенны. Отраженные волны создаются другими объектами в тестовой среде. Эти объекты могут варьироваться от стен камер до зданий и автомобилей (на открытых полигонах). Так же, как и в случае с линией передачи, создается стоячая волна. Схема испытаний для испытания VSWR или SVSWR на площадке показана на рисунке 2.

Физические размеры стоячей волны являются критическим фактором для точного измерения стоячей волны. И снова цель - найти максимальное и минимальное значение. Тест SVSWR в CISPR 16-1-4 предлагает измерить стоячую волну на испытательной площадке, перемещая передающую антенну по прямой линии в камере и измеряя полученное напряжение с помощью излучающей антенны в обычном месте, используемом для тестирования продукта. Так же, как при испытании наведенной мощности или аналогичном измерении КСВН, для обеспечения захвата максимумов и минимумов стоячей волны необходимо непрерывное движение преобразователя или, в случае SVSWR, передающей антенны. Это можно было сделать на любой частоте, но только за счет значительных затрат и времени. Следовательно, рабочая группа CISPR решила пойти на компромисс и измерить только шесть физических положений для каждого объемного местоположения (см. Рисунок 3). Единственным другим вариантом сокращения времени тестирования было уменьшение разрешающей способности измерения по частоте (например, измерять меньше частот, но на каждой частоте измерять больше позиций). Проблема с этой опцией заключается в том, что многие отражающие объекты могут иметь узкие спектральные характеристики. Другими словами, некоторые материалы могут иметь значительную отражательную способность в узком частотном диапазоне. Следовательно, рабочая группа решила применить к тесту максимальный размер шага 50 МГц, в результате чего получится минимум 340 частот от 1 до 18 ГГц, но только с шестью позициями, как показано на рисунке 3.

Рисунок 3: Места измерения SVSWR и положения
Выборка стоячей волны только в дискретном количестве положений может обеспечить достаточную точность для вычисления приблизительного SVSWR в зависимости от размера ступенек. Однако другой компромисс заключался в том, чтобы иметь одинаковые предписанные положения для каждой частоты, чтобы испытание сэкономило время за счет перемещения антенны и частоты качания. Выбранные позиции: 0, +2, +10, +18, +30, +40 см. Попробуйте представить знаковую волну, наложенную на линейку с шестью отметками. А теперь представьте сжатие знаковой волны на более короткие и более короткие волны. Рисунок 4 иллюстрирует этот мысленный эксперимент. Будут частоты, на которых выбранные местоположения никогда не приблизятся к истинным максимумам или минимумам знаковой волны. Это компромисс, который приведет к смещению соответствия, например, результат всегда ниже истинного SVSWR. Это смещение является ошибочным, и его не следует путать с вкладом в погрешность измерения.

Рисунок 4: Зависимость места измерения SVSWR от длины волны
Насколько велик срок ошибки? Если мы подумаем о примере, показанном на рисунке 4, становится ясно, что длина волны составляет 2 сантиметра. Это будет знаковая волна на частоте 15 ГГц. На этой частоте не было бы измеренной стоячей волны, потому что длина волны составляет 2 см, а в других точках даже кратно 2 (10, 18, 30 и 40 см)! Конечно, та же проблема возникает на частоте 7.5 ГГц. Практически на каждой частоте дискретизация не приводит к измерению ни максимума, ни минимума.

Лаборатория должна измерить четыре точки, как показано на рисунке 3, с двумя полярностями и как минимум двумя высотами в соответствии с CISPR 16-1-4. Диапазон измерения 1-18 ГГц. До недавнего времени единственные доступные антенны, отвечающие требованиям к диаграмме направленности, были доступны в моделях с диапазоном частот 1–6 ГГц и 6–18 ГГц. Следствием этого является то, что время испытания показано в уравнении 1:

Где: tx = время для выполнения функции x, ny = количество раз, когда действие Y должно быть выполнено.


Уравнение 1: Оцените время испытания для SVSWR
Результат такой комбинации положений, местоположений, полярностей, высоты и антенн приводит к довольно длительному испытанию. Это время представляет собой альтернативную стоимость для лаборатории.
Альтернативные издержки - это доход, который в противном случае мог бы быть получен вместо проведения этого длительного теста. Например, типичное время тестирования для этого теста составляет не менее трех тестовых смен. Если лаборатория будет взимать 2,000 долларов США за смену, этот тест представляет собой ежегодные альтернативные издержки, предполагающие, что объект ежегодно проверяется в соответствии с рекомендациями, в размере не менее 6,000–12,000 14,000 долларов США. Это не включает первоначальную стоимость специальных антенн (XNUMX XNUMX долларов США).


Неопределенность позиционирования
Каждое измерение методом SVSWR требует размещения передающей антенны в указанных положениях (0, 2, 10, 18, 30, 40 см). Поскольку в вычислениях вносятся поправки на расстояние, повторяемость и воспроизводимость позиционирования напрямую влияют на погрешность измерения. Тогда возникает вопрос, насколько повторяемым и воспроизводимым является позиционирование антенн с шагом всего 2 см? Недавнее исследование, проведенное в UL, показало, что этот вклад составляет примерно 2.5 мм или примерно 15% от длины волны 18 ГГц. Величина этого фактора будет зависеть от частоты и амплитуды стоячей волны (неизвестно).

Второй фактор, связанный с позиционированием, - угол в зависимости от диаграммы направленности антенны. Требования к диаграмме направленности антенны в CISPR 16-4-1 имеют изменчивость примерно +/- 2 или 3 дБ в H-плоскости и даже больше в E-плоскости. Если вы выберете две антенны с разными диаграммами направленности, но обе отвечают требованиям диаграммы направленности, вы можете получить очень разные результаты. В дополнение к этой изменчивости антенны к антенне (проблема воспроизводимости), антенны, используемые для передачи, не имеют идеально симметричных диаграмм направленности (например, диаграммы направленности меняются с небольшими приращениями по углу), как показано в стандарте. Как следствие, любое изменение ориентации передающей антенны относительно приемной антенны приводит к изменению принимаемого напряжения (проблема повторяемости). На рисунке 5 показаны фактические изменения диаграммы направленности антенны SVSWR с небольшими приращениями угла. Эти истинные характеристики шаблона приводят к значительной вариабельности углового позиционирования.


Рисунок 5: Диаграмма направленности антенны SVSWR
Изменения усиления антенны в зависимости от относительно небольших угловых поворотов вызывают в показанном примере изменчивость до 1 дБ.Метод временной области для получения SVSWR

Метод SVSWR в CISPR 16-1-4 основан на перемещении антенн в пространстве для изменения фазового соотношения между прямой волной и волнами, отраженными от дефектов камеры. Как обсуждалось ранее, когда волны складываются конструктивно, между двумя антеннами возникает пиковый отклик (Emax), а когда волны складываются деструктивно, возникает минимальный отклик (Emin). Передачу можно выразить как

где E - полученная напряженность поля.

ED - сигнал прямого пути, N - общее количество отражений от площадки (это может включать одиночные или множественные отражения от стен камеры или дефекты открытой площадки). ER (i) - это I-й отраженный сигнал. Для простоты вывода предположим, что имеется только один отраженный сигнал (это не теряет общности). VSWR сайта (или относительный размер пульсации) сайта может быть выражен как

Решая уравнение 3, мы получаем отношение отраженного сигнала к прямому сигналу
Как видно из уравнения 4, два члена, то есть отношение отраженного к прямому сигналам (Erelative) и КСВН (S) участка, описывают одну и ту же физическую величину - меру уровня отражений на участке. Измеряя КСВН на месте (как в случае с CISPR 16-1-4), мы можем определить, насколько велики отраженные волны по сравнению с прямой волной. В идеальной ситуации отражений нет, в результате Erelative = 0 и S = ​​1.

Как обсуждалось ранее, для обнаружения отношения между отраженным и прямым сигналами в методе КСВН на месте в CISPR 16-1-4 мы изменяем расстояние разделения, чтобы можно было изменять фазовое соотношение между прямым трактом и отраженными сигналами. Впоследствии мы выводим SVSWR из этих скалярных ответов. Оказывается, мы можем получить тот же SVSWR с помощью векторных измерений (напряжения и фазы) без необходимости физического перемещения антенн. Это можно сделать с помощью современного векторного анализатора цепей (ВАЦ) и преобразований во временной области. Обратите внимание, что уравнения 2–4 верны как в частотной, так и во временной области. Однако во временной области мы можем отличить отраженные сигналы от прямого сигнала, потому что момент времени, в который они достигают приемной антенны, отличается. Это можно рассматривать как импульс, исходящий от передающей антенны. Во временной области прямая волна сначала поступит на приемную антенну, а отраженная волна - позже. Применяя временное стробирование (временной фильтр), можно отделить влияние прямого сигнала от отраженного.

Фактические измерения выполняются в частотной области с помощью векторного анализатора цепей. Затем результаты преобразуются во временную область с помощью обратного преобразования Фурье. Во временной области применяется временное стробирование для анализа прямого и отраженного сигналов. На рисунке 6 показан пример ответа во временной области между двумя антеннами (с использованием обратного преобразования Фурье из измерений в частотной области). На рисунке 7 показан тот же отклик во временной области с отключенным прямым сигналом. Данные во временной области (после синтаксического анализа), наконец, преобразуются обратно в частотную область с использованием преобразования Фурье. Например, когда данные на рисунке 7 преобразуются обратно в частотную область, они представляют ER в зависимости от частоты. В конце концов, мы получаем тот же Erelative, что и метод пространственного варьирования CISPR, но идя другим путем. Хотя обратное преобразование Фурье (или последующее преобразование Фурье) кажется сложной задачей, на самом деле это встроенная функция современного анализатора цепей. Для этого нужно всего лишь нажать несколько кнопок.

Рисунок 6: Отклик во временной области (из обратного преобразования Фурье данных ВАЦ) между двумя прицельными антеннами. Маркер 1 показывает прямой сигнал, который возникает на расстоянии 10 нс x (3 x 108 м / с) = 3 м от передающей антенны.

Рисунок 7: Отклик во временной области с закрытым прямым сигналом - остаются только поздние (отраженные) сигналы.
Следующие шаги: Дальнейшее улучшение метода SVSWR во временной областиМы установили, что SVSWR по пространственному перемещению и SVSWR по временной области производят эквивалентные данные. Эмпирические измерения могут подтвердить эту точку зрения. Вопросы, которые все еще остаются, следующие: являются ли это наиболее репрезентативными данными для испытываемого оборудования (EUT), и каких неопределенностей мы можем достичь за счет выбора антенн? Ссылаясь на уравнение 2, все отражения модифицируются диаграммой направленности антенны перед суммированием. Для простоты рассмотрим испытательную камеру, в которой многократные отражения незначительны. Затем у нас есть семь элементов на пути передачи, а именно прямой сигнал и отражения от четырех стен, потолка и пола. В CISPR 16-1-4 есть очень конкретные требования к диаграмме направленности передающей антенны. По практическим причинам эти требования ни в коем случае не являются ограничительными. Например, предположим, что отражение от задней стенки является преобладающим дефектом, а отношение передней части антенны к задней составляет 6 дБ (в пределах спецификации CISPR 16). Для объекта с измеренным SVSWR = 2 (6 дБ) с использованием идеальной изотропной антенны ER / ED составляет 1/3. Если мы используем антенну с отношением передней части к задней части 6 дБ, измеренный SVSWR станетАнтенна с отношением передней части к задней части 6 дБ занижает SVSWR на 20 * log (2.0 / 1.4) = 2.9 дБ. Приведенный выше пример явно чрезмерно упрощен. При рассмотрении всех других отражений камеры и всех вариаций диаграмм направленности антенн потенциальная неопределенность еще больше. В другой поляризации (в плоскости E) физическая изотропная антенна невозможна. Еще более сложной задачей является определение строгой диаграммы направленности антенны, которой должны соответствовать все реальные физические антенны.

Проблема, связанная с вариациями диаграммы направленности, может быть решена путем поворота передающей антенны. В этой схеме нам не нужна антенна с широким лучом - хорошо подойдет знакомая антенна с двойным ребристым волноводом, обычно используемая в этом диапазоне частот. По-прежнему предпочтительно иметь большое переднее и заднее соотношение (которое можно легко улучшить, поместив небольшой кусок поглотителя за антенной). Реализация такая же, как обсуждалось ранее для метода временной области, за исключением того, что мы также поворачиваем передающую антенну на 360 ° и выполняем максимальное удержание. Вместо того, чтобы пытаться осветить все стены одновременно, эта схема делает это по очереди. Этот метод может дать результаты, немного отличающиеся от ПОПЫТКИ транслировать на все стены одновременно. Можно утверждать, что это лучший показатель производительности площадки, поскольку реальное EUT, скорее всего, будет иметь узкий луч, а не выглядеть как специально созданная антенна. В дополнение к тому, чтобы избежать беспорядка из-за диаграмм направленности антенн, мы можем точно определить, где возникает дефект в камере или OATS. Местоположение можно определить по углу поворота и времени, необходимому для прохождения сигнала (таким образом, расстояние до места отражения).


Заключение

Преимущества метода во временной области многочисленны. Это позволяет избежать проблемы недостаточной выборки, о которой говорилось ранее. Метод не зависит от физического перемещения антенн в несколько отдельных местоположений, а SVSWR во временной области представляет истинную ценность сайта. Кроме того, в методе CISPR, чтобы нормализовать влияние из-за длины пути, необходимо знать точное расстояние между антеннами. Любые неопределенности, связанные с расстоянием, превращаются в неопределенности SVSWR (с учетом необходимых небольших приращений это еще более сложно). Во временной области нет неопределенностей нормализации расстояния. Вдобавок, пожалуй, наиболее привлекательной особенностью для конечного пользователя является то, что SVSWR во временной области занимает гораздо меньше времени. Время тестирования сокращается почти в шесть раз (см. Уравнение 1).

Полностью безэховая камера имеет абсорбирующую обработку на всех четырех стенах, полу и потолке камеры. Измерения отражательной способности во временной области (TDR) могут не только обеспечить точную оценку тестового объекта, такого как этот, но также могут предоставить дополнительную информацию, например, откуда происходят наибольшие отклонения от идеального места.

Может возникнуть соблазн возразить, что в методе CISPR из-за того, что антенны перемещаются, точки отражения перемещаются на стенках камеры и покрываются все больше участков с дефектами. Это отвлекающий маневр. Целью перемещения приемной антенны является только изменение фазового соотношения. Общее варьируемое расстояние 40 см. Это соответствует 20 см (7.9 дюйма) покрытию стены из-за смещения геометрии (если путь передачи параллелен стенке камеры). Чтобы теория работала, мы фактически должны предположить, что отражательные свойства поглотителей однородны по всей длине 20 см. Чтобы охватить большее количество областей, необходимо более радикально переместить антенны, как это сделано в CISPR 16-1-4 (переднее, центральное, левое и правое расположение). фавикон

Оставить сообщение 

Список сообщений