Qualifications du site de test CEM: rapport d'onde stationnaire de tension sur site par rapport à la réflectométrie dans le domaine temporel

Conceptuellement, la méthode SVSWR est assez simple et facile à comprendre. Comme pour toute mesure VSWR, l'objectif est de mesurer les valeurs maximum et minimum d'une onde stationnaire comme illustré sur la figure 1. Le rapport de ces valeurs est le VSWR. L'application la plus courante de la mesure VSWR est l'évaluation des lignes de transmission. S'il y a une discordance d'impédance à l'extrémité d'une ligne de transmission entre les impédances de la ligne de transmission et la charge (par exemple), il y aura une condition aux limites qui se traduit par une onde réfléchie. L'onde réfléchie, à divers endroits sur la ligne de transmission, interagira de manière constructive ou destructive avec l'onde continue provenant de la source. La construction résultante (combinaison d'ondes directes et réfléchies) est une onde stationnaire. Un exemple simple de ceci se trouve dans le test de puissance conduit requis pour les appareils dans CISPR 14-1. Dans ce test, un transducteur (pince d'alimentation) est déplacé le long d'un cordon d'alimentation étendu du produit dans le but de mesurer la tension maximale sur le cordon d'alimentation sur la plage de fréquences d'intérêt. Le même événement est réalisé sur un site de test imparfait. La ligne de transmission est le chemin entre l'équipement testé et l'antenne de réception. Les ondes réfléchies sont créées à partir d'autres objets dans l'environnement de test. Ces objets peuvent aller des murs de la chambre aux bâtiments et aux voitures (sur des sites d'essai à ciel ouvert). Tout comme dans le cas d'une ligne de transmission, une onde stationnaire est créée. Le test mis en place pour le test VSWR ou SVSWR sur site est illustré à la figure 2.

Les dimensions physiques de l'onde stationnaire sont un facteur critique pour mesurer avec précision une onde stationnaire. L'objectif, encore une fois, est de trouver la valeur maximale et minimale. Le test SVSWR dans CISPR 16-1-4 propose de mesurer l'onde stationnaire sur un site de test en déplaçant une antenne émettrice le long d'une ligne droite dans la chambre et en mesurant la tension reçue avec l'antenne d'émission à l'emplacement normal utilisé pour le test du produit. Tout comme dans un test de puissance conduite ou une mesure VSWR similaire, un mouvement continu du transducteur, ou dans le cas du SVSWR de l'antenne émettrice, est nécessaire pour assurer la capture des maxima et minima de l'onde stationnaire. Cela pourrait être fait à chaque fréquence, mais seulement à des dépenses et en temps considérables. Par conséquent, le groupe de travail CISPR a décidé de faire des compromis et de ne mesurer que six positions physiques pour chacun des emplacements volumétriques (voir figure 3). La seule autre option pour réduire la durée du test était de réduire la résolution de fréquence de la mesure (par exemple mesurer moins de fréquences mais à chaque fréquence mesurer plus de positions). Le problème avec cette option est que de nombreux objets qui réfléchissent peuvent avoir des caractéristiques spectrales étroites. En d'autres termes, certains matériaux peuvent être significativement réfléchissants pour une gamme de fréquences étroite. Par conséquent, le groupe de travail a décidé d'appliquer une taille de pas maximale de 50 MHz au test, ce qui donne un minimum de 340 fréquences de 1 à 18 GHz, mais avec seulement six positions, comme le montre la figure 3.

Figure 3: Emplacements et positions de mesure SVSWR
L'échantillonnage d'une onde stationnaire à seulement un nombre discret de positions peut vraisemblablement fournir une précision suffisante pour calculer un SVSWR approximatif en fonction de la taille des pas. Cependant, un autre compromis était d'avoir les mêmes positions prescrites pour chaque fréquence afin que le test gagnerait du temps en déplaçant l'antenne et en balayant la fréquence. Les positions choisies sont 0, +2, +10, +18, +30, +40 cm. Essayez d'imaginer une onde de signe superposée sur une règle avec six marques dessus. Imaginez maintenant la compression de l'onde de signe en longueurs d'onde de plus en plus courtes. La figure 4 illustre cette expérience de pensée. Il y aura des fréquences où les emplacements choisis ne s'approcheront jamais des vrais maxima ou minima de l'onde de signe. Il s'agit d'un compromis qui se traduira par un biais de conformité, par exemple un résultat toujours inférieur au vrai SVSWR. Ce biais est un terme d'erreur et ne doit pas être confondu avec une contribution à l'incertitude de mesure.

Figure 4: Emplacements de mesure SVSWR par rapport à la longueur d'onde
Quelle est la taille du terme d'erreur? Si l'on pense à l'exemple illustré sur la figure 4, il est clair que la longueur d'onde est de 2 centimètres. Ce serait une onde de signe de 15 GHz. A cette fréquence, il n'y aurait pas d'onde stationnaire mesurée car la longueur d'onde est de 2 cm et les autres emplacements sont même des multiples de 2 (10, 18, 30 et 40 cm)! Bien sûr, le même problème se produit à 7.5 GHz. À pratiquement toutes les fréquences, l'échantillonnage ne permet de mesurer ni le maximum ni le minimum.

Un laboratoire doit mesurer quatre emplacements comme le montre la figure 3 dans deux polarités et au moins deux hauteurs conformément à la CISPR 16-1-4. La plage de mesure est de 1 à 18 GHz. Jusqu'à récemment, les seules antennes disponibles qui répondaient aux exigences de modèle étaient disponibles dans les modèles 1-6 GHz et 6-18 GHz. La conséquence est que le temps de test est indiqué dans l'équation 1:

Où: tx = temps pour exécuter la fonction x, ny = nombre de fois que l'activité Y doit être exécutée.


Équation 1: Estimer le temps de test pour SVSWR
Le résultat de cette combinaison de positions, emplacements, polarités, hauteurs et antennes aboutit à un test assez long. Cette fois représente un coût d'opportunité pour le laboratoire.
Le coût d'opportunité est le revenu qui aurait autrement pu être réalisé au lieu de mener ce long test. À titre d'exemple, un temps de test typique pour ce test est d'au moins trois équipes de test. Si un laboratoire devait facturer 2,000 6,000 USD pour un quart de travail, ce test représente un coût d'opportunité annuel, en supposant que le site est vérifié chaque année comme recommandé, d'au moins 12,000 14,000 à XNUMX XNUMX USD. Cela n'inclut pas les coûts initiaux des antennes spéciales (XNUMX XNUMX USD).


Incertitude de positionnement
Chaque mesure de la méthode SVSWR nécessite le positionnement de l'antenne émettrice aux positions spécifiées (0, 2, 10, 18, 30, 40 cm). Les calculs étant corrigés en fonction de la distance, la répétabilité et la reproductibilité du positionnement ont un impact direct sur l'incertitude de mesure. La question devient alors, dans quelle mesure le positionnement des antennes est-il répétable et reproductible par incréments aussi petits que 2 cm? Une récente étude de jauge menée à l'UL a démontré que cette contribution était d'environ 2.5 mm ou environ 15% de la longueur d'onde de 18 GHz. L'ampleur de ce contributeur dépendra de la fréquence et de l'amplitude de l'onde stationnaire (une inconnue).

Un deuxième facteur lié au positionnement est l'angle par rapport au diagramme d'antenne. Les exigences du diagramme d'antenne dans CISPR 16-4-1 ont une variabilité d'environ +/- 2 ou 3 dB dans le plan H et encore plus large dans le plan E. Si vous choisissez deux antennes avec des modèles différents mais que les deux répondent aux exigences du modèle, vous pouvez obtenir des résultats très différents. En plus de cette variabilité antenne à antenne (problème de reproductibilité), les antennes utilisées pour émettre n'ont pas de motifs parfaitement symétriques (par exemple, les motifs varient avec de petits incréments d'angle) comme le montre la norme. En conséquence, tout changement d'alignement de l'antenne d'émission par rapport à l'antenne de réception entraîne une modification de la tension reçue (un problème de répétabilité). La figure 5 illustre les changements de motif réels d'une antenne SVSWR avec de petits incréments d'angle. Ces vraies caractéristiques de motif se traduisent par une variabilité de positionnement angulaire significative.


Figure 5: Schéma d'antenne SVSWR
Les changements de gain d'antenne en fonction de rotations angulaires relativement faibles entraînent jusqu'à 1 dB de variabilité dans l'exemple représenté.Méthode du domaine temporel pour obtenir SVSWR

La méthode SVSWR dans CISPR 16-1-4 est basée sur des antennes mobiles spatialement pour faire varier la relation de phase entre l'onde directe et les ondes réfléchies des imperfections de la chambre. Comme discuté précédemment, lorsque les ondes s'additionnent de manière constructive, il y a une réponse de crête (Emax) entre les deux antennes et lorsque les ondes s'additionnent de manière destructive, il y a une réponse minimale (Emin). La transmission peut être exprimée comme

où E est l'intensité de champ reçue.

ED est le signal de trajet direct, N est le nombre total de réflexions depuis le site (cela peut inclure des réflexions simples ou multiples des parois de la chambre ou des imperfections du site en zone ouverte). ER (i) est le Ième signal réfléchi. Pour faciliter la dérivation, supposons qu'il n'y ait qu'un seul signal réfléchi (cela ne perdra pas la généralité). Le VSWR du site (ou la taille relative de l'ondulation) du site peut être exprimé comme

En résolvant l'équation 3, nous obtenons le rapport du signal réfléchi au signal direct
Comme on peut le voir à partir de l'équation 4, les deux termes, c'est-à-dire le rapport du signal réfléchi au signal direct (Erelative) et le VSWR (S) du site décrivent la même quantité physique - une mesure du niveau de réflexion dans le site. En mesurant le VSWR du site (comme c'est le cas dans CISPR 16-1-4), nous pouvons déterminer la taille des ondes réfléchies par rapport à l'onde directe. Dans une situation idéale, il n'y a pas de réflexions, ce qui donne Erelative = 0 et S = 1.

Comme indiqué précédemment, pour détecter le rapport entre le signal réfléchi et le signal direct, dans la méthode VSWR de site dans CISPR 16-1-4, nous modifions la distance de séparation afin que la relation de phase entre le chemin direct et les signaux réfléchis puisse être modifiée. Par la suite, nous dérivons le SVSWR de ces réponses scalaires. Il s'avère que nous pouvons acquérir le même SVSWR en utilisant des mesures vectorielles (tension et phase) sans avoir besoin de déplacer physiquement les antennes. Cela peut être fait à l'aide d'un analyseur de réseau vectoriel moderne (VNA) et de transformations dans le domaine temporel. Notez que les équations 2 à 4 sont vraies dans le domaine fréquentiel ou temporel. Dans le domaine temporel, cependant, nous pouvons distinguer les signaux réfléchis du signal direct car le moment auquel ils arrivent à l'antenne de réception est différent. Cela peut être vu comme une impulsion émise par l'antenne d'émission. Dans le domaine temporel, l'onde directe arrivera d'abord à l'antenne de réception et l'onde réfléchie arrivera plus tard. En appliquant une synchronisation temporelle (un filtre temporel), l'effet du signal direct peut être séparé de celui réfléchi.

Les mesures proprement dites sont effectuées dans le domaine fréquentiel avec un VNA. Les résultats sont ensuite transformés dans le domaine temporel en utilisant la transformée de Fourier inverse. Dans le domaine temporel, la synchronisation temporelle est appliquée pour analyser les signaux directs et réfléchis. La figure 6 montre un exemple de la réponse dans le domaine temporel entre deux antennes (en utilisant une transformée de Fourier inverse à partir de mesures dans le domaine fréquentiel). La figure 7 montre la même réponse dans le domaine temporel avec le signal direct déclenché. Les données du domaine temporel (après l'analyse) sont finalement reconverties en domaine fréquentiel à l'aide de la transformée de Fourier. Par exemple, lorsque les données de la figure 7 sont reconverties dans le domaine fréquentiel, elles représentent ER par rapport à la fréquence. Au final, nous obtenons le même Erelative que la méthode de variation spatiale CISPR, mais en empruntant un chemin différent. Bien que la transformée de Fourier inverse (ou la transformée de Fourier ultérieure) semble être une tâche ardue, il s'agit en fait d'une fonction intégrée dans un VNA moderne. Il suffit d'appuyer sur quelques boutons.

Figure 6: Réponse dans le domaine temporel (à partir de la transformée de Fourier inverse des données VNA) entre deux antennes de visée. Le marqueur 1 montre le signal direct qui se produit à 10 ns x (3 x 108 m / s) = 3 m de l'antenne d'émission.

Figure 7: Réponse dans le domaine temporel avec le signal direct déclenché - ne laissant que les signaux d'arrivée tardive (réfléchis).
Étapes suivantes: Amélioration de la méthode SVSWR dans le domaine temporelNous avons établi que le SVSWR par mouvement spatial et le SVSWR par domaine temporel produisent des données équivalentes. Des mesures empiriques peuvent valider ce point. Les questions qui persistent sont les suivantes: s’il s’agit des données les plus représentatives pour l’équipement sous test (EUT), et quelles incertitudes pouvons-nous obtenir en raison des sélections d’antennes? En se référant à l'équation 2, toutes les réflexions sont modifiées par le diagramme d'antenne avant d'être additionnées. Pour simplifier, considérons une chambre de test où les multi-réflexions sont négligeables. Nous avons alors sept termes dans le chemin de transmission, à savoir le signal direct et les réflexions de quatre murs, le plafond et le sol. Dans CISPR 16-1-4, il existe des exigences très spécifiques sur le diagramme d'antenne d'émission. Pour des raisons pratiques, ces exigences ne sont en aucun cas restrictives. Par exemple, supposons que la réflexion de la paroi arrière est l'imperfection dominante et que le rapport avant / arrière de l'antenne est de 6 dB (selon la spécification CISPR 16). Pour un site avec un SVSWR mesuré = 2 (6 dB) en utilisant une antenne isotrope parfaite, ER / ED est 1/3. Si nous utilisons une antenne avec un rapport avant / arrière de 6 dB, le SVSWR mesuré devientL'antenne avec un rapport avant / arrière de 6 dB sous-estime le SVSWR de 20 * log (2.0 / 1.4) = 2.9 dB. L'exemple ci-dessus est évidemment trop simplifié. Si l'on considère toutes les autres réflexions de la chambre et toutes les variations des diagrammes d'antenne, l'incertitude potentielle est encore plus grande. Dans l'autre polarisation (dans le plan E), il n'est pas possible d'avoir une antenne isotrope physique. C'est un défi encore plus grand de définir un diagramme d'antenne strict, que toutes les antennes physiques réelles doivent relever.

Le dilemme lié aux variations de motif peut être résolu en faisant tourner l'antenne émettrice. Dans ce schéma, nous n'avons pas besoin d'une antenne avec un faisceau large - une antenne guide d'ondes à double nervure familière couramment utilisée dans cette gamme de fréquences fonctionnera très bien. Il est encore préférable d'avoir un grand rapport avant / arrière (qui peut être facilement amélioré en plaçant un petit morceau d'absorbeur derrière l'antenne). La mise en œuvre est la même que celle décrite précédemment pour la méthode du domaine temporel, sauf que nous faisons également pivoter l'antenne d'émission de 360 ​​° et effectuons une prise maximale. Au lieu d'essayer d'éclairer tous les murs en même temps, ce schéma le fait un à la fois. Cette méthode peut donner des résultats légèrement différents de TENTER de diffuser sur tous les murs en même temps. On peut affirmer qu'il s'agit d'une meilleure métrique des performances d'un site, car un véritable EST est susceptible d'avoir un faisceau étroit plutôt que de ressembler à une antenne spécialement conçue. En plus d'éviter la situation désordonnée due aux diagrammes d'antenne, nous pouvons localiser où une imperfection se produit dans une chambre ou un OATS. L'emplacement peut être identifié à partir de l'angle de rotation et du temps nécessaire pour que le signal se déplace (donc la distance jusqu'à l'endroit où la réflexion se produit).


Conclusion

Les avantages de la méthode du domaine temporel sont nombreux. Cela évite l'écueil du problème de sous-échantillonnage discuté précédemment. La méthode ne dépend pas du déplacement physique des antennes vers quelques emplacements discrets, et le SVSWR du domaine temporel représente la vraie valeur du site. De plus, dans la méthode CISPR, pour normaliser l'influence due à la longueur du trajet, la distance exacte entre les antennes doit être connue. Toute incertitude due à la distance se traduit par des incertitudes du SVSWR (compte tenu des petits incréments nécessaires, c'est encore plus difficile). Dans le domaine temporel, il n'y a pas d'incertitudes de normalisation de distance. En outre, la caractéristique peut-être la plus intéressante pour un utilisateur final est que le domaine temporel SVSWR prend beaucoup moins de temps. Le temps de test est réduit de presque six fois (voir l'équation 1).

Une chambre entièrement anéchoïque comporte un traitement absorbant sur les quatre murs, le sol et le plafond de la chambre. Les mesures de réflectivité dans le domaine temporel (TDR) peuvent non seulement fournir une évaluation précise d'un site de test comme celui-ci, mais peuvent également fournir des informations supplémentaires telles que la provenance des principaux contributeurs aux écarts par rapport à un site idéal.

On pourrait être tenté de soutenir que dans la méthode CISPR, parce que les antennes sont déplacées, les points de réflexion se déplacent sur les parois de la chambre, et plus de zones des imperfections sont couvertes. C'est un hareng rouge. Le but du déplacement de l'antenne de réception est de faire varier les relations de phase uniquement. La distance totale variée est de 40 cm. Cela se traduit par une couverture de 20 cm (7.9 ”) sur le mur en raison de la translation de la géométrie (si le trajet de transmission est parallèle à la paroi de la chambre). Pour que la théorie fonctionne, nous devons en fait supposer que les propriétés de réflexion des absorbeurs sont uniformes sur l'ensemble des 20 cm. Pour couvrir plus de zones, il faut déplacer les antennes de manière beaucoup plus drastique, comme cela est fait dans CISPR 16-1-4 (les emplacements avant, centre, gauche et droit). favicon

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