Calificaciones del sitio de prueba de EMC: Relación de onda estacionaria de voltaje del sitio versus reflectometría en el dominio del tiempo

Conceptualmente, el método SVSWR es bastante sencillo y de fácil comprensión. Al igual que con cualquier medición de VSWR, el objetivo es medir los valores máximo y mínimo de una onda estacionaria, como se ilustra en la Figura 1. La relación de estos valores es el VSWR. La aplicación más común de la medición VSWR es la evaluación de líneas de transmisión. Si hay una falta de coincidencia de impedancia al final de una línea de transmisión entre las impedancias de la línea de transmisión y la carga (por ejemplo), habrá una condición de límite que resultará en una onda reflejada. La onda reflejada, en varios lugares de la línea de transmisión, interactuará de forma constructiva o destructiva con la onda continua de la fuente. La construcción resultante (combinación de onda directa y reflejada) es una onda estacionaria. Un ejemplo simple de esto se encuentra en la prueba de potencia conducida requerida para dispositivos en CISPR 14-1. En esta prueba, se mueve un transductor (pinza de alimentación) a lo largo de un cable de alimentación extendido del producto en un esfuerzo por medir el voltaje máximo en el cable de alimentación en el rango de frecuencia de interés. El mismo evento se realiza en un sitio de prueba imperfecto. La línea de transmisión es el camino desde el equipo bajo prueba hasta la antena receptora. Las ondas reflejadas se crean a partir de otros objetos en el entorno de prueba. Esos objetos pueden variar desde paredes de cámaras hasta edificios y automóviles (en sitios de prueba en áreas abiertas). Al igual que en el caso de una línea de transmisión, se crea una onda estacionaria. La configuración de prueba para la prueba VSWR o SVSWR del sitio se muestra en la Figura 2.

Las dimensiones físicas de la onda estacionaria son un factor crítico para medir con precisión una onda estacionaria. El objetivo, nuevamente, es encontrar el valor máximo y mínimo. La prueba SVSWR en CISPR 16-1-4 propone medir la onda estacionaria en un sitio de prueba moviendo una antena transmisora ​​a lo largo de una línea recta en la cámara y midiendo el voltaje recibido con la antena de emisiones en la ubicación normal utilizada para la prueba del producto. Al igual que en una prueba de potencia conducida o una medición VSWR similar, se necesita un movimiento continuo del transductor, o en el caso de SVSWR la antena transmisora, para asegurar la captura de los máximos y mínimos de la onda estacionaria. Esto podría hacerse en cada frecuencia, pero solo con un gasto y tiempo considerables. En consecuencia, el grupo de trabajo de CISPR decidió comprometer y medir solo seis posiciones físicas para cada una de las ubicaciones volumétricas (ver Figura 3). La única otra opción para reducir el tiempo de prueba era reducir la resolución de frecuencia de la medición (por ejemplo, medir menos frecuencias pero en cada frecuencia medir más posiciones). El problema con esa opción es que muchos objetos que reflejan pueden tener características espectrales estrechas. En otras palabras, algunos materiales pueden ser significativamente reflectantes para un rango de frecuencia estrecho. En consecuencia, el grupo de trabajo decidió aplicar un tamaño de paso máximo de 50 MHz a la prueba, lo que resultó en un mínimo de 340 frecuencias de 1 a 18 GHz, pero con solo seis posiciones, como se muestra en la Figura 3.

Figura 3: Ubicaciones y posiciones de medición de SVSWR
El muestreo de una onda estacionaria en solo un número discreto de posiciones puede proporcionar plausiblemente precisión suficiente para calcular un SVSWR aproximado dependiendo del tamaño de los pasos. Sin embargo, otro compromiso fue tener las mismas posiciones prescritas para cada frecuencia para que la prueba ahorrara tiempo al mover la antena y la frecuencia de barrido. Las posiciones elegidas son 0, +2, +10, +18, +30, +40 cm. Trate de imaginar un signo de onda superpuesto a una regla con seis marcas. Ahora imagínese comprimiendo la onda del signo en longitudes de onda cada vez más cortas. La Figura 4 ilustra este experimento mental. Habrá frecuencias en las que las ubicaciones elegidas nunca se acercarán a los verdaderos máximos o mínimos de la onda de signo. Este es un compromiso que dará como resultado un sesgo de cumplimiento, por ejemplo, un resultado que siempre es más bajo que el verdadero SVSWR. Este sesgo es un término de error y no debe confundirse con una contribución a la incertidumbre de la medición.

Figura 4: Ubicaciones de medición de SVSWR frente a longitud de onda
¿Qué tan grande es el término de error? Si pensamos en el ejemplo ilustrado en la Figura 4, está claro que la longitud de onda es de 2 centímetros. Esa sería una señal de onda de 15 GHz. A esa frecuencia, no habría onda estacionaria medida porque la longitud de onda es de 2 cm y las otras ubicaciones son incluso múltiplos de 2 (10, 18, 30 y 40 cm). Por supuesto, el mismo problema ocurre a 7.5 GHz. Prácticamente en todas las frecuencias, el muestreo no mide ni el máximo ni el mínimo.

Un laboratorio debe medir cuatro ubicaciones como se muestra en la Figura 3 en dos polaridades y al menos dos alturas de acuerdo con CISPR 16-1-4. El rango de medición es de 1 a 18 GHz. Hasta hace poco, las únicas antenas disponibles que cumplían con los requisitos de patrón estaban disponibles en modelos de 1-6 GHz y 6-18 GHz. La consecuencia es que el tiempo de prueba se muestra en la Ecuación 1:

Donde: tx = tiempo para realizar la función x, ny = número de veces que se debe realizar la actividad Y.


Ecuación 1: Estimar el tiempo de prueba para SVSWR
El resultado de esta combinación de posiciones, ubicaciones, polaridades, alturas y antenas resulta en una prueba bastante larga. Este tiempo representa un costo de oportunidad para el laboratorio.
El costo de oportunidad son los ingresos que de otro modo se podrían haber obtenido en lugar de realizar esta larga prueba. Como ejemplo, un tiempo de prueba típico para esta prueba es de al menos tres turnos de prueba. Si un laboratorio cobrara $ 2,000 USD por un turno, esta prueba representa un costo de oportunidad anual, asumiendo que el sitio se revisa anualmente como se recomienda, de al menos $ 6,000- $ 12,000 USD. Esto no incluye los costos iniciales de las antenas especiales ($ 14,000 USD).


Incertidumbre de posicionamiento
Cada medición del método SVSWR requiere el posicionamiento de la antena transmisora ​​en las posiciones especificadas (0, 2, 10, 18, 30, 40 cm). Dado que los cálculos se corrigen para la distancia, la repetibilidad y reproducibilidad del posicionamiento impacta directamente en la incertidumbre de la medición. La pregunta entonces es, ¿cuán repetible y reproducible es el posicionamiento de las antenas en incrementos tan pequeños como 2 cm? Un estudio de medición reciente realizado en UL ha demostrado que esta contribución es de aproximadamente 2.5 mm o aproximadamente el 15% de la longitud de onda de 18 GHz. La magnitud de este contribuyente dependerá de la frecuencia y la amplitud de la onda estacionaria (una incógnita).

Un segundo factor relacionado con el posicionamiento es el ángulo frente al patrón de antena. Los requisitos del diagrama de antena en CISPR 16-4-1 tienen una variabilidad de aproximadamente +/- 2 o 3 dB en el plano H e incluso más amplios en el plano E. Si elige dos antenas con patrones diferentes pero ambas cumplen con los requisitos del patrón, puede obtener resultados muy diferentes. Además de esta variabilidad de antena a antena (un problema de reproducibilidad), las antenas utilizadas para transmitir no tienen patrones perfectamente simétricos (por ejemplo, los patrones varían con pequeños incrementos de ángulo) como se muestra en la norma. Como consecuencia, cualquier cambio en la alineación de la antena transmisora ​​a la antena receptora da como resultado un voltaje recibido cambiado (un problema de repetibilidad). La Figura 5 ilustra los cambios de patrón reales de una antena SVSWR con pequeños incrementos en el ángulo. Estas características de patrón real dan como resultado una variabilidad de posicionamiento angular significativa.


Figura 5: Patrón de antena SVSWR
Los cambios en la ganancia de la antena en función de rotaciones angulares relativamente pequeñas provocan hasta 1 dB de variabilidad en el ejemplo mostrado.Método de dominio de tiempo para obtener SVSWR

El método SVSWR en CISPR 16-1-4 se basa en mover antenas espacialmente para variar la relación de fase entre la onda directa y las ondas reflejadas de las imperfecciones de la cámara. Como se discutió anteriormente, cuando las ondas se suman de forma constructiva, hay una respuesta máxima (Emax) entre las dos antenas y cuando las ondas se suman de forma destructiva, hay una respuesta mínima (Emin). La transmisión se puede expresar como

donde E es la intensidad de campo recibida.

ED es la señal de ruta directa, N es el número total de reflejos del sitio (esto podría incluir reflejos únicos o múltiples de las paredes de la cámara o imperfecciones del sitio en áreas abiertas). ER (i) es la I-ésima señal reflejada. Para facilitar la derivación, supongamos que solo hay una señal reflejada (esto no perderá la generalidad). El VSWR del sitio (o el tamaño de rizado relativo) del sitio se puede expresar como

Al resolver la Ecuación 3, obtenemos la relación entre la señal reflejada y la señal directa
Como puede verse en la Ecuación 4, los dos términos, es decir, la relación de señal reflejada a directa (Erelativa) y el VSWR (S) del sitio describen la misma cantidad física, una medida del nivel de reflejos en el sitio. Al medir el VSWR del sitio (como es el caso en CISPR 16-1-4), podemos determinar qué tan grandes son las ondas reflejadas en relación con la onda directa. En una situación ideal no hay reflejos, lo que resulta en Erelativo = 0 y S = 1.

Como se discutió anteriormente, para detectar la relación entre la señal reflejada y la directa, en el método VSWR del sitio en CISPR 16-1-4, cambiamos la distancia de separación para que se pueda variar la relación de fase entre la trayectoria directa y las señales reflejadas. Posteriormente, derivamos el SVSWR de estas respuestas escalares. Resulta que podemos adquirir el mismo SVSWR usando medidas vectoriales (voltaje y fase) sin la necesidad de mover físicamente las antenas. Esto se puede hacer con la ayuda de un moderno analizador de redes vectoriales (VNA) y transformaciones en el dominio del tiempo. Observe que las ecuaciones 2 a 4 son verdaderas en el dominio de la frecuencia o en el dominio del tiempo. En el dominio del tiempo, sin embargo, podemos distinguir las señales reflejadas de la señal directa porque el momento en el que llegan a la antena receptora es diferente. Esto puede verse como un pulso enviado desde la antena transmisora. En el dominio del tiempo, la onda directa llegará primero a la antena receptora y la onda reflejada llegará más tarde. Al aplicar la compuerta de tiempo (un filtro de tiempo), el efecto de la señal directa se puede separar de los reflejados.

Las medidas reales se realizan en el dominio de la frecuencia con un VNA. Luego, los resultados se transforman en el dominio del tiempo utilizando la transformada de Fourier inversa. En el dominio del tiempo, se aplica la compuerta de tiempo para analizar las señales directas y reflejadas. La Figura 6 muestra un ejemplo de la respuesta en el dominio del tiempo entre dos antenas (mediante el uso de la transformada de Fourier inversa a partir de las mediciones en el dominio de la frecuencia). La Figura 7 muestra la misma respuesta en el dominio del tiempo con la señal directa cerrada. Los datos en el dominio del tiempo (después del análisis sintáctico) finalmente se vuelven a convertir al dominio de la frecuencia utilizando la transformada de Fourier. Por ejemplo, cuando los datos de la Figura 7 se transforman de nuevo al dominio de la frecuencia, representa ER frente a la frecuencia. Al final, obtenemos el mismo Erelativo que el método de variación espacial CISPR, pero siguiendo una ruta diferente. Aunque la transformada de Fourier inversa (o la subsiguiente transformada de Fourier) suena como una tarea desalentadora, en realidad es una función incorporada en un VNA moderno. No se necesita más que presionar algunos botones.

Figura 6: Respuesta en el dominio del tiempo (de la transformada de Fourier inversa de los datos del VNA) entre dos antenas con vista de orificio. El marcador 1 muestra la señal directa que se produce a 10 ns x (3 x 108 m / s) = 3 m de la antena transmisora.

Figura 7: Respuesta en el dominio del tiempo con la señal directa cerrada, dejando solo señales de llegada tardía (reflejadas).
Pasos siguientes: Mejorar aún más el método SVSWR en el dominio del tiempoHemos establecido que el SVSWR por movimiento espacial y el SVSWR por dominio del tiempo producen datos equivalentes. Las mediciones empíricas pueden validar este punto. Las preguntas que aún persisten son: si estos son los datos más representativos para el equipo bajo prueba (EUT) y qué incertidumbres podemos lograr debido a la selección de antenas. Con referencia a la Ecuación 2, todas las reflexiones son modificadas por el patrón de antena antes de sumarlas. Para simplificar, consideremos una cámara de prueba donde las reflexiones múltiples son insignificantes. Luego tenemos siete términos en la ruta de transmisión, a saber, la señal directa y los reflejos de cuatro paredes, el techo y el piso. En CISPR 16-1-4, existen requisitos muy específicos sobre el patrón de antena transmisora. Por razones prácticas, estos requisitos no son en absoluto restrictivos. Por ejemplo, suponga que el reflejo de la pared trasera es la imperfección dominante y que la relación de delante a atrás de la antena es de 6 dB (dentro de la especificación CISPR 16). Para un sitio con un SVSWR = 2 (6 dB) medido usando una antena isotrópica perfecta, ER / ED es 1/3. Si usamos una antena con una relación de adelante hacia atrás de 6 dB, el SVSWR medido se convierte enLa antena con una relación de adelante hacia atrás de 6 dB subestima el SVSWR en 20 * log (2.0 / 1.4) = 2.9 dB. El ejemplo anterior está obviamente demasiado simplificado. Al considerar todos los demás reflejos de la cámara y todas las variaciones de los patrones de antena, la incertidumbre potencial es aún mayor. En la otra polarización (en el plano E), no es posible tener una antena isótropa física. Es un desafío aún mayor definir un patrón de antena estricto, que todas las antenas físicas reales deben cumplir.

El dilema relacionado con las variaciones del patrón se puede resolver girando la antena transmisora. En este esquema, no necesitamos una antena con un haz ancho; una antena de guía de ondas de doble cresta familiar que se usa comúnmente en este rango de frecuencia funcionará bien. Todavía se prefiere tener una gran proporción de adelante hacia atrás (que se puede mejorar fácilmente colocando una pequeña pieza de absorbente detrás de la antena). La implementación es la misma que se discutió anteriormente para el método en el dominio del tiempo, excepto que también giramos la antena transmisora ​​360 ° y realizamos una retención máxima. En lugar de intentar iluminar todas las paredes al mismo tiempo, este esquema lo hace de una en una. Este método puede producir resultados ligeramente diferentes de INTENTAR transmitir a todas las paredes al mismo tiempo. Se puede argumentar que es una mejor métrica del rendimiento de un sitio, ya que es probable que un EUT real tenga un haz estrecho en lugar de parecer una antena diseñada específicamente. Además de evitar la situación desordenada debido a los patrones de antena, podemos señalar dónde ocurre una imperfección en una cámara o un OATS. La ubicación se puede identificar a partir del ángulo de rotación y el tiempo necesario para que la señal viaje (por lo tanto, la distancia hasta donde se produce la reflexión).


Conclusión

Los beneficios del método en el dominio del tiempo son numerosos. Evita la trampa del problema del submuestreo discutido anteriormente. El método no depende de mover físicamente las antenas a unas pocas ubicaciones discretas, y el SVSWR del dominio del tiempo representa el verdadero valor del sitio. Además, en el método CISPR, para normalizar la influencia debida a la longitud del camino, se debe conocer la distancia exacta entre las antenas. Cualquier incertidumbre debida a la distancia se traduce en incertidumbres del SVSWR (considerando los pequeños incrementos necesarios, es aún más desafiante). En el dominio del tiempo, no hay incertidumbres de normalización de distancia. Además, quizás la característica más atractiva para un usuario final es que SVSWR de dominio de tiempo consume mucho menos tiempo. El tiempo de prueba se reduce casi seis veces (ver Ecuación 1).

Una cámara completamente anecoica presenta un tratamiento absorbente en las cuatro paredes, piso y techo de la cámara. Las mediciones de reflectividad en el dominio del tiempo (TDR) no solo pueden proporcionar una evaluación precisa de un sitio de prueba como este, sino que también pueden proporcionar información adicional, como de dónde provienen los mayores contribuyentes a las desviaciones de un sitio ideal.

Uno podría tener la tentación de argumentar que en el método CISPR, debido a que las antenas se mueven, los puntos de reflexión se mueven en las paredes de la cámara y se cubren más áreas de las imperfecciones. Esto es una pista falsa. El propósito de mover la antena receptora es variar únicamente las relaciones de fase. La distancia total variada es de 40 cm. Se traduce en una cobertura de 20 cm (7.9 ”) en la pared debido a las traslaciones geométricas (si la ruta de transmisión es paralela a la pared de la cámara). Para que la teoría funcione, de hecho debemos asumir que las propiedades de reflexión de los absorbentes son uniformes a lo largo de los 20 cm. Para cubrir más áreas, es necesario mover las antenas de manera mucho más drástica, como se hace en CISPR 16-1-4 (las ubicaciones frontal, central, izquierda y derecha). favicon

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