Qualificações do local de teste da EMC: relação da onda estacionária da tensão do local versus refletometria no domínio do tempo

Conceitualmente, o método SVSWR é bastante direto e de fácil compreensão. Como acontece com qualquer medição VSWR, o objetivo é medir os valores máximo e mínimo de uma onda estacionária, conforme ilustrado na Figura 1. A proporção desses valores é o VSWR. A aplicação mais comum da medição VSWR é na avaliação de linhas de transmissão. Se houver uma diferença de impedância no final de uma linha de transmissão entre as impedâncias da linha de transmissão e a carga (por exemplo), haverá uma condição de contorno que resulta em uma onda refletida. A onda refletida estará, em vários locais na linha de transmissão, interagindo de forma construtiva ou destrutiva com a onda contínua da fonte. A construção resultante (combinação de onda direta e refletida) é uma onda estacionária. Um exemplo simples disso é encontrado no teste de energia conduzido exigido para aparelhos no CISPR 14-1. Neste teste, um transdutor (grampo de força) é movido ao longo de um cabo de força estendido do produto em um esforço para medir a tensão máxima no cabo de força na faixa de frequência de interesse. O mesmo evento é realizado em um local de teste imperfeito. A linha de transmissão é o caminho do equipamento em teste até a antena receptora. As ondas refletidas são criadas a partir de outros objetos no ambiente de teste. Esses objetos podem variar de paredes de câmaras a edifícios e carros (em locais de teste em áreas abertas). Assim como no caso de uma linha de transmissão, uma onda estacionária é criada. O teste configurado para o teste VSWR ou SVSWR do site é mostrado na Figura 2.

As dimensões físicas da onda estacionária são um fator crítico na medição precisa de uma onda estacionária. O objetivo, novamente, é encontrar o valor máximo e mínimo. O teste SVSWR no CISPR 16-1-4 propõe medir a onda estacionária em um local de teste movendo uma antena transmissora ao longo de uma linha reta na câmara e medindo a tensão recebida com a antena de emissões no local normal usado para o teste do produto. Assim como em um teste de potência conduzido ou medição VSWR semelhante, um movimento contínuo do transdutor, ou no caso do SVSWR da antena transmissora, é necessário para garantir a captura dos máximos e mínimos da onda estacionária. Isso poderia ser feito em cada frequência, mas apenas com despesas e tempo consideráveis. Consequentemente, o grupo de trabalho do CISPR decidiu comprometer e medir apenas seis posições físicas para cada uma das localizações volumétricas (ver Figura 3). A única outra opção para reduzir o tempo de teste era reduzir a resolução da frequência da medição (por exemplo, medir menos frequências, mas em cada frequência medir mais posições). O problema com essa opção é que muitos objetos que refletem podem ter características espectrais estreitas. Em outras palavras, alguns materiais podem ser significativamente reflexivos para uma faixa de frequência estreita. Consequentemente, o grupo de trabalho decidiu aplicar um tamanho de passo máximo de 50 MHz ao teste, resultando em um mínimo de 340 frequências de 1-18 GHz, mas com apenas seis posições, conforme mostrado na Figura 3.

Figura 3: Locais e posições de medição SVSWR
A amostragem de uma onda estacionária em apenas um número discreto de posições pode plausivelmente fornecer precisão suficiente para calcular um SVSWR aproximado, dependendo do tamanho das etapas. No entanto, outro compromisso era ter as mesmas posições prescritas para todas as frequências, de modo que o teste economizasse tempo movendo a antena e varrendo a frequência. As posições escolhidas são 0, +2, +10, +18, +30, +40 cm. Tente imaginar uma onda de sinal sobreposta a uma régua com seis marcas nela. Agora imagine comprimir a onda do sinal em comprimentos de onda cada vez mais curtos. A Figura 4 ilustra esse experimento de pensamento. Haverá frequências em que os locais escolhidos nunca chegarão perto dos verdadeiros máximos ou mínimos da onda do sinal. Este é um compromisso que resultará em um viés de conformidade, por exemplo, um resultado que é sempre inferior ao verdadeiro SVSWR. Este viés é um termo de erro e não deve ser confundido com uma contribuição de incerteza de medição.

Figura 4: Locais de medição SVSWR vs. comprimento de onda
Qual é o tamanho do termo de erro? Se pensarmos no exemplo ilustrado na Figura 4, fica claro que o comprimento de onda é de 2 centímetros. Isso seria uma onda de sinal de 15 GHz. Nessa frequência, não haveria onda estacionária medida porque o comprimento de onda é de 2 cm e os outros locais são até múltiplos de 2 (10, 18, 30 e 40 cm)! Claro, o mesmo problema ocorre em 7.5 GHz. Em praticamente todas as frequências, a amostragem não resulta na medição do máximo nem do mínimo.

Um laboratório deve medir quatro locais conforme mostrado na Figura 3 em duas polaridades e pelo menos duas alturas de acordo com CISPR 16-1-4. A faixa de medição é de 1-18 GHz. Até recentemente, as únicas antenas disponíveis que atendiam aos requisitos de padrão estavam disponíveis nos modelos de 1-6 GHz e 6-18 GHz. A consequência é que o tempo de teste é mostrado na Equação 1:

Onde: tx = tempo para executar a função x, ny = número de vezes que a atividade Y deve ser executada.


Equação 1: Tempo de teste estimado para SVSWR
O resultado dessa combinação de posições, locais, polaridades, alturas e antenas resulta em um teste bastante demorado. Esse tempo representa um custo de oportunidade para o laboratório.
O custo de oportunidade é a receita que, de outra forma, poderia ter sido realizada no lugar da realização desse teste demorado. Por exemplo, um tempo de teste típico para este teste é de pelo menos três turnos de teste. Se um laboratório cobrar $ 2,000 USD por um turno, este teste representa um custo de oportunidade anual, supondo que o local seja verificado anualmente conforme recomendado, de pelo menos $ 6,000 - $ 12,000 USD. Isso não inclui os custos iniciais das antenas especiais ($ 14,000 USD).


Posicionamento da incerteza
Cada medição do método SVSWR requer o posicionamento da antena transmissora nas posições especificadas (0, 2, 10, 18, 30, 40 cm). Uma vez que os cálculos são corrigidos para a distância, a repetibilidade e reprodutibilidade do posicionamento impacta diretamente a incerteza da medição. A questão então se torna: quão repetível e reproduzível é o posicionamento das antenas em incrementos tão pequenos quanto 2 cm? Um estudo de medição recente conduzido na UL demonstrou que essa contribuição é de aproximadamente 2.5 mm ou cerca de 15% do comprimento de onda de 18 GHz. A magnitude desse contribuidor dependerá da frequência e da amplitude da onda estacionária (uma incógnita).

Um segundo fator relacionado ao posicionamento é o ângulo versus o padrão da antena. Os requisitos de padrão de antena no CISPR 16-4-1 tem variabilidade de aproximadamente +/- 2 ou 3 dB no plano H e ainda mais ampla no plano E. Se você escolher duas antenas com padrões diferentes, mas ambas atenderem aos requisitos do padrão, poderá obter resultados muito diferentes. Além dessa variabilidade de antena para antena (um problema de reprodutibilidade), as antenas usadas para transmitir não têm padrões perfeitamente simétricos (por exemplo, os padrões variam com pequenos incrementos no ângulo) como mostrado no padrão. Como consequência, qualquer mudança no alinhamento da antena transmissora com a antena receptora resulta em uma voltagem recebida alterada (um problema de repetibilidade). A Figura 5 ilustra as mudanças reais do padrão de uma antena SVSWR com pequenos incrementos no ângulo. Essas verdadeiras características de padrão resultam em uma variabilidade de posicionamento angular significativa.


Figura 5: Padrão de antena SVSWR
As mudanças no ganho da antena em função de rotações angulares relativamente pequenas causam até 1 dB de variabilidade no exemplo mostrado.Método de domínio de tempo para obter SVSWR

O método SVSWR no CISPR 16-1-4 é baseado em antenas móveis espacialmente para variar a relação de fase entre a onda direta e as ondas refletidas de imperfeições da câmara. Conforme discutido anteriormente, quando as ondas se somam de forma construtiva, há uma resposta de pico (Emax) entre as duas antenas e quando as ondas se somam de forma destrutiva, há uma resposta mínima (Emin). A transmissão pode ser expressa como

onde E é a intensidade do campo recebido.

ED é o sinal de caminho direto, N é o número total de reflexões do local (isso pode incluir reflexões únicas ou múltiplas das paredes da câmara ou imperfeições do local em área aberta). ER (i) é o Iº sinal refletido. Para facilitar a derivação, vamos supor que haja apenas um sinal refletido (isso não perderá a generalidade). O VSWR do site (ou o tamanho de ondulação relativo) do site pode ser expresso como

Resolvendo a Equação 3, obtemos a razão entre o sinal refletido e o sinal direto
Como pode ser visto na Equação 4, os dois termos, ou seja, a razão do sinal refletido para direto (Erelativo) e o local VSWR (S) descrevem a mesma quantidade física - uma medida do nível de reflexos no local. Medindo o local VSWR (como é o caso em CISPR 16-1-4), podemos determinar o quão grandes são as ondas refletidas em relação à onda direta. Em uma situação ideal, não há reflexos, resultando em Erelativo = 0 e S = 1.

Conforme discutido anteriormente, para detectar a razão entre o sinal refletido e o direto, no método VSWR local em CISPR 16-1-4, alteramos a distância de separação para que a relação de fase entre o caminho direto e os sinais refletidos possa ser variada. Posteriormente, derivamos o SVSWR dessas respostas escalares. Acontece que podemos adquirir o mesmo SVSWR usando medições de vetor (tensão e fase) sem a necessidade de mover fisicamente as antenas. Isso pode ser feito com o auxílio de um moderno analisador de rede vetorial (VNA) e transformações no domínio do tempo. Observe que as Equações 2 a 4 são verdadeiras no domínio da frequência ou no domínio do tempo. No domínio do tempo, entretanto, podemos distinguir os sinais refletidos do sinal direto porque o ponto no tempo em que eles chegam à antena de recepção é diferente. Isso pode ser visto como um pulso enviado da antena de transmissão. No domínio do tempo, a onda direta chegará primeiro na antena receptora e a onda refletida chegará depois. Ao aplicar o controle de tempo (um filtro de tempo), o efeito do sinal direto pode ser separado dos refletidos.

As medições reais são realizadas no domínio da frequência com um VNA. Os resultados são então transformados no domínio do tempo usando a transformada inversa de Fourier. No domínio do tempo, o bloqueio de tempo é aplicado para analisar os sinais diretos e refletidos. A Figura 6 mostra um exemplo da resposta no domínio do tempo entre duas antenas (usando transformada de Fourier inversa de medições no domínio da frequência). A Figura 7 mostra a mesma resposta no domínio do tempo com o sinal direto bloqueado. Os dados do domínio do tempo (após a análise) são finalmente convertidos de volta para o domínio da frequência usando a transformada de Fourier. Por exemplo, quando os dados na Figura 7 são transformados de volta para o domínio da frequência, eles representam ER versus frequência. No final, obtemos o mesmo Erelativo que o método de variação espacial do CISPR, mas percorrendo uma rota diferente. Embora a transformação inversa de Fourier (ou a transformação de Fourier subsequente) pareça uma tarefa assustadora, na verdade é uma função embutida em um VNA moderno. Não é preciso mais do que apertar alguns botões.

Figura 6: Resposta no domínio do tempo (da transformada de Fourier inversa dos dados de VNA) entre duas antenas com visão de furo. O marcador 1 mostra o sinal direto que ocorre a 10 ns x (3 x 108 m / s) = 3 m da antena de transmissão.

Figura 7: Resposta no domínio do tempo com o sinal direto bloqueado - deixando apenas os sinais de chegada tardia (refletidos).
Próximas etapas: Melhorando ainda mais o método SVSWR no domínio do tempoEstabelecemos que o SVSWR por movimento espacial e o SVSWR por domínio do tempo produzem dados equivalentes. Medidas empíricas podem validar este ponto. As perguntas que ainda persistem são: se estes são os dados mais representativos para o equipamento em teste (EUT), e quais incertezas podemos alcançar devido às seleções de antenas? Com referência à Equação 2, todas as reflexões são modificadas pelo padrão da antena antes de serem somadas. Para simplificar, vamos considerar uma câmara de teste onde as multirreflexões são desprezíveis. Temos então sete termos no caminho de transmissão, ou seja, o sinal direto e os reflexos de quatro paredes, o teto e o chão. No CISPR 16-1-4, existem requisitos muito específicos no padrão da antena de transmissão. Por razões práticas, esses requisitos não são de forma alguma restritivos. Por exemplo, suponha que a reflexão da parede posterior seja a imperfeição dominante e que a proporção da frente para trás da antena seja de 6 dB (dentro da especificação CISPR 16). Para um site com um SVSWR medido = 2 (6 dB) usando uma antena isotrópica perfeita, ER / ED é 1/3. Se usarmos uma antena com uma relação frente-trás de 6 dB, o SVSWR medido torna-seA antena com uma relação frente-trás de 6 dB subestima o SVSWR em 20 * log (2.0 / 1.4) = 2.9 dB. O exemplo acima é obviamente simplificado demais. Ao considerar todas as outras reflexões da câmara e todas as variações dos padrões da antena, a incerteza potencial é ainda maior. Na outra polarização (no plano E), não é possível ter uma antena isotrópica física. É um desafio ainda maior definir um padrão estrito de antena, que todas as antenas físicas reais devem atender.

O dilema relacionado às variações de padrão pode ser resolvido girando a antena transmissora. Neste esquema, não precisamos de uma antena com feixe amplo - uma familiar antena de guia de onda dupla, comumente usada nesta faixa de frequência, funcionará bem. Ainda é preferível ter uma grande proporção da frente para trás (que pode ser facilmente melhorada colocando um pequeno pedaço de absorvedor atrás da antena). A implementação é a mesma discutida anteriormente para o método de domínio do tempo, exceto que também giramos a antena de transmissão 360 ° e executamos uma retenção máxima. Em vez de tentar iluminar todas as paredes ao mesmo tempo, esse esquema faz isso uma de cada vez. Este método pode produzir resultados ligeiramente diferentes de TENTAR transmitir para todas as paredes ao mesmo tempo. Pode-se argumentar que é uma métrica melhor do desempenho de um local, já que um EUT real provavelmente terá um feixe estreito em vez de se parecer com uma antena fabricada especificamente. Além de evitar a situação complicada devido aos padrões da antena, podemos apontar onde ocorre uma imperfeição em uma câmara ou um OATS. A localização pode ser identificada a partir do ângulo de rotação e do tempo necessário para o sinal viajar (portanto, a distância até onde ocorre a reflexão).


Conclusão

Os benefícios do método de domínio do tempo são numerosos. Isso evita a armadilha do problema de subamostragem discutido anteriormente. O método não depende de mover fisicamente as antenas para alguns locais discretos, e o SVSWR do domínio do tempo representa o verdadeiro valor do local. Além disso, no método CISPR, para normalizar a influência devido ao comprimento do caminho, a distância exata entre as antenas deve ser conhecida. Quaisquer incertezas devido à distância se traduzem em incertezas do SVSWR (considerando os pequenos incrementos necessários, é ainda mais desafiador). No domínio do tempo, não há incertezas de normalização de distância. Além disso, talvez o recurso mais atraente para um usuário final seja que o SVSWR no domínio do tempo consome muito menos tempo. O tempo de teste é reduzido quase seis vezes (ver Equação 1).

Uma câmara totalmente anecóica possui tratamento absorvente em todas as quatro paredes, piso e teto da câmara. As medições de refletividade no domínio do tempo (TDR) não apenas podem fornecer uma avaliação precisa de um local de teste como este, mas também podem fornecer informações adicionais, como de onde vêm os maiores contribuintes para os desvios de um local ideal.

Pode-se ficar tentado a argumentar que, no método CISPR, como as antenas são movidas, os pontos de reflexão se movem nas paredes da câmara e mais áreas das imperfeições são cobertas. Este é um arenque vermelho. O objetivo de mover a antena de recepção é variar apenas as relações de fase. A distância total variada é de 40 cm. Isso se traduz em 20 cm (7.9 ”) de cobertura na parede devido às translações da geometria (se o caminho de transmissão for paralelo à parede da câmara). Para que a teoria funcione, de fato precisamos assumir que as propriedades de reflexão dos absorvedores são uniformes ao longo de 20 cm. Para cobrir mais áreas, é necessário mover as antenas de forma muito mais drástica, como é feito na CISPR 16-1-4 (localização frontal, central, esquerda e direita). favicon

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