مدارک آزمایشگاهی EMC: نسبت موج ایستاده ولتاژ سایت در برابر بازتاب سنجی دامنه زمان

از نظر مفهومی ، روش SVSWR کاملاً ساده است و به راحتی قابل درک است. همانند هر اندازه گیری VSWR ، هدف اندازه گیری حداکثر و حداقل مقادیر موج ایستاده است که در شکل 1 نشان داده شده است. نسبت این مقادیر VSWR است. معمول ترین کاربرد اندازه گیری VSWR در ارزیابی خطوط انتقال است. اگر در انتهای خط انتقال بین امپدانس های خط انتقال و بار عدم تطابق امپدانس وجود داشته باشد ، یک وضعیت مرزی وجود دارد که منجر به ایجاد یک موج منعکس می شود. موج منعکس شده ، در مکان های مختلف روی خط انتقال ، به طور سازنده یا مخربی با موج پیوسته از منبع در تعامل است. سازه حاصل (ترکیب موج مستقیم و منعکس شده) یک موج ایستاده است. یک نمونه ساده از این مورد در آزمایش قدرت انجام شده مورد نیاز لوازم خانگی در CISPR 14-1 یافت می شود. در این آزمایش مبدل (گیره برق) در امتداد سیم برق کشیده شده محصول منتقل می شود تا حداکثر ولتاژ سیم برق را در محدوده فرکانس مورد نظر اندازه گیری کند. همین رویداد در یک سایت آزمایشی ناقص تحقق می یابد. خط انتقال مسیری است که از تجهیزات تحت آزمایش به آنتن گیرنده منتقل می شود. امواج منعکس شده از سایر اشیا in در محیط آزمایش ایجاد می شوند. این اشیا could می توانند از دیوارهای اتاق گرفته تا ساختمانها و اتومبیل ها (در محل های آزمایش فضای باز) باشند. دقیقاً مانند مورد خط انتقال ، یک موج ایستاده ایجاد می شود. تست تنظیم شده برای سایت VSWR یا SVSWR در شکل 2 نشان داده شده است.

ابعاد فیزیکی موج ایستاده عاملی حیاتی در اندازه گیری دقیق موج ایستاده است. هدف ، دوباره یافتن مقدار حداکثر و حداقل است. آزمون SVSWR در CISPR 16-1-4 اندازه گیری موج ایستاده در یک محل آزمایش را با حرکت دادن یک آنتن انتقال دهنده در امتداد یک خط مستقیم در محفظه و اندازه گیری ولتاژ دریافتی با آنتن انتشار در محل طبیعی برای آزمایش محصول پیشنهاد می کند. همانطور که در یک آزمایش قدرت انجام شده یا اندازه گیری مشابه VSWR ، برای اطمینان از گرفتن حداکثر و حداقل موج ایستاده ، یک حرکت مداوم مبدل یا در مورد SVSWR آنتن فرستنده مورد نیاز است. این کار را می توان در هر فرکانس انجام داد اما فقط با صرف هزینه و زمان قابل توجهی. در نتیجه ، گروه کاری CISPR تصمیم گرفت که فقط شش موقعیت فیزیکی را برای هر یک از مکان های حجمی مصالحه کند و اندازه گیری کند (شکل 3 را ببینید). تنها گزینه دیگر برای کاهش زمان آزمون کاهش وضوح فرکانس اندازه گیری بود (به عنوان مثال فرکانس های کمتر را اندازه گیری کنید اما در هر فرکانس موقعیت های بیشتری را اندازه بگیرید). مشکل این گزینه این است که بسیاری از اشیا that که منعکس می کنند می توانند خصوصیات طیفی باریکی داشته باشند. به عبارت دیگر ، برخی از مواد می توانند به طور قابل توجهی برای یک دامنه فرکانس باریک بازتاب دهند. در نتیجه ، گروه کاری تصمیم گرفت حداکثر اندازه گام 50 مگاهرتز را برای آزمون اعمال کند و در نتیجه حداقل 340 فرکانس از 1 تا 18 گیگاهرتز ایجاد کند اما فقط شش موقعیت دارد که در شکل 3 نشان داده شده است.

شکل 3: مکان ها و موقعیت های اندازه گیری SVSWR
نمونه برداری از یک موج ایستاده فقط در تعداد گسسته ای از موقعیت ها ممکن است به طور منطقی دقت کافی را برای محاسبه یک SVSWR تقریبی بسته به اندازه مراحل فراهم کند. با این حال ، سازش دیگر این بود که برای هر فرکانس همان موقعیت های تجویز شده را داشته باشیم تا آزمایش با جابجایی آنتن و فرکانس جارو در وقت صرفه جویی کند. موقعیت های انتخاب شده 0 ، +2 ، +10 ، +18 ، +30 ، +40 سانتی متر است. سعی کنید موج نشانه ای را که روی یک خط کش قرار دارد و شش علامت روی آن قرار دارد ، تصور کنید. حال تصور کنید موج علامت را به طول موج کوتاهتر و کوتاهتری فشرده کنید. شکل 4 این آزمایش فکری را نشان می دهد. فرکانسهایی وجود خواهد داشت که مکانهای انتخاب شده هرگز به حداکثر یا حداقل واقعی موج علامت نزدیک نخواهند شد. این سازشی است که منجر به سوگیری انطباق می شود ، به عنوان مثال نتیجه ای که همیشه پایین تر از SVSWR واقعی است. این تعصب اصطلاحی خطایی است و نباید با سهم عدم اطمینان اندازه گیری اشتباه گرفته شود.

شکل 4: مکانهای اندازه گیری SVSWR در مقابل طول موج
اصطلاح خطا چقدر بزرگ است؟ اگر به مثال نشان داده شده در شکل 4 فکر کنیم ، مشخص است که طول موج 2 سانتی متر است. این یک موج علامت 15 گیگاهرتزی خواهد بود. در آن فرکانس ، هیچ موج ایستاده اندازه گیری شده ای وجود نخواهد داشت زیرا طول موج 2 سانتی متر است و مکان های دیگر حتی چندین برابر 2 (10 ، 18 ، 30 و 40 سانتی متر) هستند! البته همین مسئله در 7.5 گیگاهرتز رخ می دهد. تقریباً در هر فرکانس ، نمونه گیری منجر به اندازه گیری نه حداکثر و نه حداقل می شود.

یک آزمایشگاه باید چهار مکان را مطابق شکل 3 در دو قطب و حداقل دو ارتفاع مطابق با CISPR 16-1-4 اندازه گیری کند. دامنه اندازه گیری 1-18 گیگاهرتز است. تا همین اواخر ، تنها آنتن های موجود با الگوی مورد نیاز در مدل های 1-6 گیگاهرتز و 6-18 گیگاهرتز در دسترس بودند. نتیجه این است که زمان آزمون در معادله 1 نشان داده شده است:

کجا: tx = زمان انجام تابع x ، ny = تعداد دفعاتی که فعالیت Y باید انجام شود.


معادله 1: زمان آزمون SVSWR را تخمین بزنید
نتیجه این ترکیب موقعیت ها ، مکان ها ، قطب ها ، ارتفاع و آنتن ها منجر به یک آزمایش نسبتاً طولانی می شود. این زمان هزینه آزمایشگاهی را نشان می دهد.
هزینه فرصت ، درآمدی است که در غیر این صورت می توانست به جای اجرای این آزمون طولانی محقق شود. به عنوان مثال ، یک زمان آزمون معمول برای این آزمون حداقل سه شیفت آزمون است. اگر یک آزمایشگاه برای شیفت کاری 2,000 دلار آمریکا هزینه می گرفت ، این آزمون هزینه فرصت سالانه را نشان می دهد ، با این فرض که سایت سالانه طبق توصیه حداقل 6,000 تا 12,000 دلار آمریکا بررسی می شود. این شامل هزینه های اولیه آنتن های ویژه (14,000 دلار آمریکا) نیست.


عدم قطعیت موقعیت
هر اندازه گیری روش SVSWR نیاز به موقعیت آنتن فرستنده به موقعیت های مشخص شده (0 ، 2 ، 10 ، 18 ، 30 ، 40 سانتی متر) دارد. از آنجا که محاسبات برای فاصله اصلاح می شود ، تکرارپذیری و تکرارپذیری موقعیت به طور مستقیم بر عدم قطعیت اندازه گیری تأثیر می گذارد. سپس این س becomesال مطرح می شود که موقعیت قرارگرفتن آنتن ها به اندازه 2 سانتی متر چقدر قابل تکرار و تکرار است؟ یک مطالعه اخیر اندازه گیری در UL نشان داده است که این سهم تقریباً 2.5 میلی متر یا حدود 15٪ از طول موج 18 گیگاهرتز است. اندازه این عامل به فرکانس و دامنه موج ایستاده بستگی دارد (ناشناخته).

عامل دوم مربوط به موقعیت یابی ، زاویه در مقابل الگوی آنتن است. الزامات الگوی آنتن در CISPR 16-4-1 دارای تنوع تقریبا +/- 2 یا 3 دسی بل در صفحه H و حتی گسترده تر در صفحه E است. اگر دو آنتن با الگوهای مختلف انتخاب کنید اما هر دو الگوی مورد نیاز را داشته باشند ، می توانید نتایج بسیار متفاوتی داشته باشید. علاوه بر این تنوع آنتن به آنتن (یک مسئله تکرارپذیری) ، آنتن هایی که برای انتقال استفاده می شوند دارای الگوهای کاملاً متقارنی نیستند (به عنوان مثال الگوها با زاویه های کوچک تغییر می کنند) همانطور که در استاندارد نشان داده شده است. در نتیجه ، هر تغییری در ترازوی آنتن فرستنده به آنتن گیرنده منجر به تغییر ولتاژ دریافتی می شود (یک مسئله تکرارپذیری). شکل 5 تغییرات الگوی واقعی آنتن SVSWR را با افزایش کمی در زاویه نشان می دهد. این ویژگی های الگوی واقعی منجر به تغییرپذیری قابل توجهی در موقعیت زاویه ای می شود.


شکل 5: الگوی آنتن SVSWR
تغییرات در افزایش آنتن به عنوان تابعی از چرخش های زاویه ای نسبتاً کوچک ، باعث ایجاد 1 dB تنوع در مثال نشان داده شده می شود.روش دامنه زمان برای بدست آوردن SVSWR

روش SVSWR در CISPR 16-1-4 مبتنی بر حرکت آنتنهای فضایی است تا رابطه فاز بین موج مستقیم و امواج منعکس شده از نقص محفظه را تغییر دهد. همانطور که قبلاً بحث شد ، هنگامی که امواج به طور سازنده اضافه می شوند ، یک واکنش اوج (Emax) بین دو آنتن وجود دارد و هنگامی که امواج مخرب اضافه می شوند ، حداقل پاسخ (Emin) وجود دارد. انتقال را می توان به صورت بیان کرد

که در آن E قدرت میدان دریافت شده است.

ED سیگنال مسیر مستقیم است ، N تعداد انعکاس کلی از محل است (این می تواند شامل بازتابهای منفرد یا چندگانه از دیواره های محفظه یا نقص سایت محل باز باشد). ER (i) سیگنال منعکس شده Ith است. برای سهولت در استخراج ، فرض کنید فقط یک سیگنال منعکس شده وجود دارد (این امر کلیت را از دست نخواهد داد). سایت VSWR (یا اندازه موج نسبی) سایت را می توان به صورت زیر بیان کرد

با حل معادله 3 ، نسبت سیگنال منعکس شده به سیگنال مستقیم را بدست می آوریم
همانطور که از معادله 4 مشاهده می شود ، دو اصطلاح ، یعنی نسبت سیگنال منعکس شده به مستقیم (Erelative) و سایت VSWR (S) همان کمیت فیزیکی را توصیف می کنند - اندازه گیری سطح بازتاب در سایت. با اندازه گیری سایت VSWR (همانطور که در CISPR 16-1-4 اتفاق می افتد) ، می توان اندازه امواج منعکس شده نسبت به موج مستقیم را تعیین کرد. در یک موقعیت ایده آل ، هیچ بازتابی وجود ندارد ، در نتیجه Erelative = 0 ، و S = 1 است.

همانطور که قبلاً بحث شد ، برای تشخیص نسبت بین سیگنال منعکس شده و مستقیم ، در روش VSWR سایت در CISPR 16-1-4 ، ما فاصله جدایی را تغییر می دهیم تا رابطه فاز بین مسیر مستقیم و سیگنال های منعکس شده متفاوت باشد. پس از آن ، ما SVSWR را از این پاسخ های مقیاسی استخراج می کنیم. به نظر می رسد که ما می توانیم همان SVSWR را با استفاده از اندازه گیری برداری (ولتاژ و فاز) بدون نیاز به حرکت فیزیکی آنتن ها بدست آوریم. این کار را می توان با کمک تجزیه و تحلیل شبکه برداری مدرن (VNA) و تبدیلات دامنه زمانی انجام داد. توجه داشته باشید که معادلات 2 تا 4 در دامنه فرکانس یا در حوزه زمان صادق هستند. با این حال ، در حوزه زمان ، می توان سیگنال های منعکس شده را از سیگنال مستقیم تشخیص داد زیرا زمان رسیدن آنها به آنتن گیرنده متفاوت است. این می تواند به عنوان یک پالس ارسال شده از آنتن انتقال مشاهده شود. در حوزه زمان ، موج مستقیم ابتدا به آنتن دریافت کننده می رسد و موج منعکس شده بعداً می رسد. با استفاده از زمان دهی (فیلتر زمان) می توان تأثیر سیگنال مستقیم را از سیگنال های منعکس شده جدا کرد.

اندازه گیری های واقعی در حوزه فرکانس با VNA انجام می شود. سپس نتایج با استفاده از تبدیل فوریه معکوس به حوزه زمان تبدیل می شوند. در حوزه زمان ، زمان بندی برای تجزیه سیگنالهای مستقیم و منعکس شده اعمال می شود. شکل 6 نمونه ای از پاسخ دامنه زمانی بین دو آنتن (با استفاده از تبدیل فوریه معکوس از اندازه گیری های دامنه فرکانس) را نشان می دهد. شکل 7 همان پاسخ دامنه زمانی را با سیگنال مستقیم دردار نشان می دهد. داده های حوزه زمان (پس از تجزیه) در نهایت با استفاده از تبدیل فوریه به دامنه فرکانس تبدیل می شوند. به عنوان مثال ، هنگامی که داده ها در شکل 7 به دامنه فرکانس تبدیل می شوند ، آنها نشان دهنده ER در برابر فرکانس هستند. در پایان ، ما همان Erelative را می توانیم با روش تغییر فضایی CISPR بدست آوریم ، اما با طی مسیری متفاوت. اگرچه تبدیل معکوس فوریه (یا تبدیل فوریه بعدی) به نظر یک کار دلهره آور است ، اما در واقع یک عملکرد داخلی در VNA مدرن است. بیشتر از فشار دادن چند دکمه طول نمی کشد.

شکل 6: پاسخ حوزه زمانی (از معکوس تبدیل فوریه داده های VNA) بین دو آنتن بینایی مته سوراخ. نشانگر 1 سیگنال مستقیم را نشان می دهد که با 10 نانومتر x (3 108 3 متر بر ثانیه) = XNUMX متر از آنتن انتقال پیدا می کند.

شکل 7: پاسخ دامنه زمانی با سیگنال مستقیم در خارج - تنها سیگنالهای دیر رسیدن (منعکس شده) باقی مانده است.
گام های بعدی: بهبود روش SVSWR دامنه زمان بیشترما ثابت کرده ایم که SVSWR با حرکت فضایی و SVSWR با دامنه زمان داده های معادل را تولید می کنند. اندازه گیری های تجربی می تواند این نکته را تأیید کند. س Quesالاتی که هنوز باقی مانده اند این است: آیا این نماینده ترین داده ها برای تجهیزات تحت آزمایش (EUT) است ، و به دلیل انتخاب آنتن ، می توانیم به چه عدم اطمینان برسیم؟ با مراجعه به معادله 2 ، تمام بازتاب ها قبل از جمع بندی توسط الگوی آنتن اصلاح می شوند. برای سادگی ، اجازه دهید یک محفظه آزمایش را در نظر بگیریم که در آن بازتابهای چندان قابل اغماض نیست. سپس هفت اصطلاح در مسیر انتقال داریم ، یعنی سیگنال مستقیم ، و بازتاب از چهار دیواره ، سقف و کف. در CISPR 16-1-4 ، الگوی مورد نیاز آنتن بسیار مشخصی وجود دارد. به دلایل عملی ، این الزامات به هیچ وجه محدود کننده نیستند. به عنوان مثال ، تصور کنید که بازتاب دیواره پشت نقص غالب است ، و نسبت جلو به عقب آنتن 6 دسی بل است (طبق مشخصات CISPR 16). برای سایتی با اندازه گیری SVSWR = 2 (6 دسی بل) با استفاده از آنتن ایزوتروپیک مناسب ، ER / ED 1/3 است. اگر از آنتن با نسبت جلو به عقب 6 دسی بل استفاده کنیم ، SVSWR اندازه گیری شده تبدیل می شودآنتن با نسبت جلو به عقب 6 دسی بل SVSWR را با 20 * log (2.0 / 1.4) = 2.9 dB دست کم می گیرد. مثال فوق بدیهی است بیش از حد ساده شده است. هنگام در نظر گرفتن تمام بازتاب های دیگر محفظه و تمام تغییرات الگوی آنتن ، عدم اطمینان بالقوه حتی بیشتر است. در قطبش دیگر (در صفحه E) وجود آنتن ایزوتروپیک فیزیکی امکان پذیر نیست. تعریف یک الگوی دقیق آنتن ، که تمام آنتن های فیزیکی واقعی باید از آن برخوردار باشند ، حتی یک چالش بزرگتر است.

با چرخش آنتن فرستنده ، وضعیت مربوط به تغییرات الگو را می توان حل کرد. در این طرح ، ما به آنتن با پرتوی گسترده احتیاج نداریم - آنتن موجبر دو رج آشنا که معمولاً در این دامنه فرکانس استفاده می شود ، خوب عمل خواهد کرد. هنوز هم داشتن نسبت بزرگ جلو به عقب ترجیح داده می شود (که با قرار دادن یک قطعه کوچک جاذب در پشت آنتن به راحتی بهبود می یابد). پیاده سازی همان روشی است که قبلاً برای روش دامنه زمانی بیان شد ، با این تفاوت که ما آنتن فرستنده را نیز 360 درجه می چرخانیم و حداکثر نگهداری را انجام می دهیم. این طرح به جای تلاش برای نورپردازی همزمان همه دیوارها ، این کار را یکجا انجام می دهد. این روش ممکن است نتایجی بدست آورد که اندکی متفاوت از ATTEMPTING برای پخش همزمان به همه دیوارها باشد. می توان ادعا کرد که این یک معیار بهتر برای عملکرد سایت است ، زیرا یک EUT واقعی به جای اینکه مانند یک آنتن خاص ساخته شده باشد ، دارای پرتوی باریک است. علاوه بر جلوگیری از اوضاع نامناسب به دلیل الگوهای آنتن ، می توانیم محل نقص در محفظه یا OATS را مشخص کنیم. مکان را می توان از زاویه چرخش ، و زمان مورد نیاز برای حرکت سیگنال (بنابراین فاصله تا محل انعکاس) تشخیص داد.


نتیجه

مزایای روش حوزه زمانی بسیار زیاد است. از دام مسئله زیر نمونه برداری که قبلاً بحث شد جلوگیری می کند. این روش به جابجایی فیزیکی آنتن ها به چند مکان گسسته بستگی ندارد و SVSWR از حوزه زمان مقدار واقعی سایت را نشان می دهد. همچنین ، در روش CISPR ، برای عادی سازی تأثیر به دلیل طول مسیر ، باید فاصله دقیق آنتن ها مشخص شود. هرگونه عدم قطعیت ناشی از مسافت به عدم قطعیت SVSWR تبدیل می شود (با توجه به افزایش اندک مورد نیاز ، حتی چالش برانگیزتر است). در حوزه زمان ، هیچ عدم قطعیت عادی سازی فاصله وجود ندارد. علاوه بر این ، شاید جذاب ترین ویژگی برای کاربر نهایی این است که SVSWR دامنه زمان بسیار کمتری زمان بر است. زمان آزمون تقریبا شش برابر کاهش می یابد (به معادله 1 مراجعه کنید).

یک محفظه کاملا غیرهوئیک دارای ویژگی جذب جاذب در هر چهار دیواره ، کف و سقف محفظه است. اندازه گیری بازتابندگی دامنه زمان (TDR) نه تنها می تواند ارزیابی دقیقی از یک سایت آزمایشی مانند این ارائه دهد ، بلکه می تواند اطلاعات اضافی مانند محل بزرگترین عوامل انحراف از یک سایت ایده آل را فراهم کند.

ممکن است وسوسه شود که در روش CISPR ، به دلیل جابجایی آنتن ها ، نقاط انعکاس روی دیواره های محفظه حرکت می کنند و مناطق بیشتری از نقص ها پوشیده می شوند. این یک شاه ماهی قرمز است. هدف از جابجایی آنتن گیرنده فقط تغییر روابط فاز است. فاصله کلی متفاوت 40 سانتی متر است. به دلیل ترجمه هندسه (اگر مسیر انتقال موازی با دیواره محفظه باشد) به پوشش 20 سانتی متری (7.9 اینچ) روی دیوار ترجمه می شود. برای عملی شدن نظریه ، در واقع باید تصور کنیم که خصوصیات انعکاس جاذب ها در کل 20 سانتی متر یکنواخت هستند. برای تحت پوشش قرار دادن مناطق بیشتر ، باید آنتن ها را خیلی شدیدتر جابجا کنید ، همانطور که در CISPR 16-1-4 (مکان های جلو ، مرکز ، چپ و راست) انجام می شود. فاویکون

ترک یک پیام 

فهرست پیام