EMC試験サイトの資格：サイト電圧定在波比対時間領域反射率測定

概念的には、SVSWRメソッドは非常に単純で簡単に理解できます。 他のVSWR測定と同様に、目的は、図1に示すように、定在波の最大値と最小値を測定することです。これらの値の比率がVSWRです。 VSWR測定の最も一般的な用途は、送電線の評価です。 伝送線路のインピーダンスと負荷のインピーダンスの間に伝送線路の端でインピーダンスの不一致がある場合（たとえば）、反射波をもたらす境界条件があります。 反射波は、伝送線路上のさまざまな場所で、ソースからの連続波と建設的または破壊的に相互作用します。 結果として得られる構成（直接波と反射波の組み合わせ）は定在波です。 この簡単な例は、CISPR14-1のアプライアンスに必要な伝導電力テストにあります。 このテストでは、対象の周波数範囲で電源コードの最大電圧を測定するために、トランスデューサー（電源クランプ）を製品の延長された電源コードに沿って移動します。 同じイベントが不完全なテストサイトで実現されます。 伝送線路は、被試験機器から受信アンテナまでの経路です。 反射波は、テスト環境内の他のオブジェクトから作成されます。 それらのオブジェクトは、部屋の壁から建物や車（オープンエリアのテストサイト）にまで及ぶ可能性があります。 伝送線路の場合と同様に、定在波が発生します。 サイトVSWRまたはSVSWRテスト用に設定されたテストを図2に示します。

定在波の物理的寸法は、定在波を正確に測定する上で重要な要素です。 ここでも、目的は最大値と最小値を見つけることです。 CISPR 16-1-4のSVSWRテストでは、送信アンテナをチャンバー内の直線に沿って移動し、製品テストに使用される通常の場所で放射アンテナを使用して受信電圧を測定することにより、テストサイトの定在波を測定することを提案しています。 伝導電力テストまたは同様のVSWR測定の場合と同様に、定在波の最大値と最小値を確実にキャプチャするには、トランスデューサの継続的な移動、またはSVSWRの場合は送信アンテナが必要です。 これは各周波数で実行できますが、かなりの費用と時間がかかります。 その結果、CISPRワーキンググループは、各体積位置について3つの物理的位置のみを妥協して測定することを決定しました（図50を参照）。 テスト時間を短縮するための他の唯一のオプションは、測定の周波数分解能を下げることでした（たとえば、より少ない周波数を測定しますが、各周波数でより多くの位置を測定します）。 このオプションの問題は、反射する多くのオブジェクトが狭いスペクトル特性を持つ可能性があることです。 言い換えると、一部の材料は、狭い周波数範囲で大幅に反射する可能性があります。 その結果、ワーキンググループはテストに最大340 MHzのステップサイズを適用することを決定し、図1に示すように、18〜3 GHzの最小XNUMXの周波数が、XNUMXつの位置のみになりました。

図3：SVSWR測定の場所と位置
離散的な数の位置での定在波のサンプリングは、ステップのサイズに応じて、おおよそのSVSWRを計算するのに十分な精度を提供する可能性があります。 ただし、別の妥協案は、アンテナを動かして周波数を掃引することでテストが時間を節約できるように、すべての周波数に対して同じ規定位置を設定することでした。 選択した位置は0、+ 2、+ 10、+ 18、+ 30、+ 40cmです。 4つのマークが付いた定規にサイン波を重ね合わせたものを想像してみてください。 ここで、符号波をますます短い波長に圧縮することを想像してください。 図XNUMXは、この思考実験を示しています。 選択した場所が符号波の真の最大値または最小値に決して近づかない周波数があります。 これは妥協案であり、コンプライアンスバイアスが発生します。たとえば、結果は常に真のSVSWRよりも低くなります。 このバイアスは誤差項であり、測定の不確かさの寄与と混同しないでください。

図4：SVSWR測定位置と波長
誤差項の大きさはどれくらいですか？ 図4に示されている例を考えると、波長が2センチメートルであることは明らかです。 これは15GHzの符号波になります。 その周波数では、波長が2 cmで、他の場所も2の倍数（10、18、30、40 cm）であるため、定在波は測定されません。 もちろん、同じ問題が7.5GHzでも発生します。 事実上すべての周波数で、サンプリングの結果、最大値も最小値も測定されません。

ラボは、CISPR 3-16-1に従って、図4に示すように1つの極性と少なくとも18つの高さで1つの場所を測定する必要があります。 測定範囲は6〜6GHzです。 最近まで、パターン要件を満たす利用可能なアンテナは、18〜1 GHzおよびXNUMX〜XNUMXGHzモデルでのみ利用可能でした。 その結果、テスト時間は式XNUMXに示されます。

ここで、tx =機能xを実行する時間、ny =アクティビティYを実行する必要がある回数。


式1：SVSWRのテスト時間を見積もる
位置、場所、極性、高さ、アンテナのこの組み合わせの結果、かなり長いテストになります。 この時間は、研究室にとっての機会費用を表しています。
機会費用は、この長いテストを実施する代わりに実現できたはずの収益です。 例として、このテストの一般的なテスト時間は、少なくとも2,000つのテストシフトです。 ラボがシフトに6,000米ドルを請求する場合、このテストは、サイトが推奨どおりに毎年チェックされると仮定すると、少なくとも12,000〜14,000米ドルの年間機会費用を表します。 これには、特別なアンテナの初期費用（$ XNUMX USD）は含まれていません。


ポジショニングの不確実性
SVSWR方式の各測定では、指定された位置（0、2、10、18、30、40 cm）に送信アンテナを配置する必要があります。 計算は距離に対して補正されるため、測位の再現性と再現性は測定の不確かさに直接影響します。 問題は、アンテナの配置が2cm程度の小さな増分でどの程度再現性と再現性があるかということです。 ULで実施された最近のゲージ研究では、この寄与が約2.5 mm、つまり15 GHz波長の約18％であることが示されています。 この寄与の大きさは、周波数と定在波の振幅（不明）に依存します。

ポジショニングに関連する16番目の要因は、アンテナパターンに対する角度です。 CISPR 4-1-2のアンテナパターン要件には、H面で約+/- 3または5dBの変動があり、E面ではさらに広くなります。 パターンが異なるXNUMXつのアンテナを選択しても、両方がパターン要件を満たしている場合、結果は大きく異なる可能性があります。 このアンテナ間の変動（再現性の問題）に加えて、送信に使用されるアンテナは、標準に示されているように完全に対称的なパターンを持っていません（たとえば、パターンは角度の小さな増分で変化します）。 結果として、送信アンテナと受信アンテナの位置合わせが変更されると、受信電圧が変更されます（再現性の問題）。 図XNUMXは、角度を少しずつ増やしたSVSWRアンテナの実際のパターン変化を示しています。 これらの真のパターン特性により、角度による位置決めのばらつきが大きくなります。


図5：SVSWRアンテナパターン
比較的小さな角度回転の関数としてのアンテナゲインの変化は、示されている例では1dBもの変動を引き起こします。SVSWRを取得するための時間領域法

CISPR 16-1-4のSVSWR法は、アンテナを空間的に移動させて、チャンバーの欠陥からの直接波と反射波の間の位相関係を変化させることに基づいています。 前に説明したように、波が建設的に追加されると、XNUMXつのアンテナ間にピーク応答（Emax）があり、波が破壊的に追加されると、最小応答（Emin）があります。 トランスミッションは次のように表すことができます

ここで、Eは受信電界強度です。

EDは直接経路信号、Nはサイトからの反射の総数です（これには、チャンバー壁またはオープンエリアサイトの欠陥からの単一または複数の反射が含まれる可能性があります）。 ER（i）はI番目の反射信号です。 導出を容易にするために、反射信号がXNUMXつだけであると仮定します（これにより一般性が失われることはありません）。 サイトのサイトVSWR（または相対リップルサイズ）は、次のように表すことができます。

式3を解くことにより、反射信号と直接信号の比率を求めます。
式4からわかるように、16つの項、つまり反射対直接信号比（Erelative）とサイトVSWR（S）は、同じ物理量、つまりサイトでの反射レベルの尺度を表します。 サイトVSWRを測定することにより（CISPR 1-4-0の場合のように）、反射波が直接波と比較してどれだけ大きいかを判断できます。 理想的な状況では、反射がないため、Erelative = 1、S = XNUMXになります。

前述のように、反射信号と直接信号の比率を検出するために、CISPR 16-1-4のサイトVSWR法では、分離距離を変更して、直接経路と反射信号の位相関係を変化させることができます。 続いて、これらのスカラー応答からSVSWRを導出します。 アンテナを物理的に動かすことなく、ベクトル（電圧と位相）測定を使用して同じSVSWRを取得できることがわかりました。 これは、最新のベクトルネットワークアナライザー（VNA）と時間領域変換を使用して実行できます。 式2から4は、周波数領域または時間領域のいずれにも当てはまることに注意してください。 ただし、時間領域では、受信アンテナに到達する時点が異なるため、反射信号と直接信号を区別できます。 これは、送信アンテナから送信されるパルスと見なすことができます。 時間領域では、直接波が最初に受信アンテナに到着し、反射波が後で到着します。 タイムゲーティング（タイムフィルター）を適用することにより、直接信号の影響を反射信号の影響から分離することができます。

実際の測定は、VNAを使用して周波数領域で実行されます。 次に、結果は逆フーリエ変換を使用して時間領域に変換されます。 時間領域では、時間ゲーティングを適用して、直接信号と反射信号を解析します。 図6は、7つのアンテナ間の時間領域応答の例を示しています（周波数領域測定からの逆フーリエ変換を使用）。 図7は、直接信号がゲートアウトされた場合の同じ時間領域応答を示しています。 時間領域データ（解析後）は、フーリエ変換を使用して最終的に周波数領域に変換されます。 たとえば、図XNUMXのデータを周波数領域に変換して戻すと、ERと周波数が表されます。 最終的に、CISPR空間変動法と同じErelativeを取得しますが、異なるルートを経由します。 逆フーリエ変換（または後続のフーリエ変換）は困難な作業のように聞こえますが、実際には最新のVNAに組み込まれている関数です。 いくつかのボタンを押すだけです。

図6：1つのボアサイトアンテナ間の時間領域応答（VNAデータの逆フーリエ変換から）。 マーカー10は、送信アンテナから3 ns x（108 x 3 m / s）= XNUMXmで発生する直接信号を示しています。

図7：直接信号がゲートアウトされた場合の時間領域応答–遅い到着（反射）信号のみを残します。
次のステップ：時間領域SVSWRメソッドをさらに改善する空間移動によるSVSWRと時間領域によるSVSWRが同等のデータを生成することを確立しました。 経験的測定により、この点を検証できます。 まだ残っている質問は、これが被試験機器（EUT）の最も代表的なデータであるかどうか、およびアンテナの選択によって達成できる不確実性は何かということです。 式2を参照すると、すべての反射は、合計される前にアンテナパターンによって変更されます。 簡単にするために、多重反射が無視できるテストチャンバーを考えてみましょう。 次に、伝送パスに16つの項、つまり直接信号と、天井と床の1つの壁からの反射があります。 CISPR 4-6-16では、送信アンテナパターンに非常に特定の要件があります。 実用上の理由から、これらの要件は決して制限的なものではありません。 たとえば、後壁の反射が主な欠陥であり、アンテナの前後比が2 dB（CISPR 6仕様内）であると仮定します。 完全な等方性アンテナを使用して測定されたSVSWR = 1（3 dB）のサイトの場合、ER / EDは6/XNUMXです。 前後比XNUMXdBのアンテナを使用すると、測定されたSVSWRは次のようになります。前後比が6dBのアンテナは、SVSWRを20 * log（2.0 / 1.4）= 2.9dB過小評価しています。 上記の例は明らかに過度に単純化されています。 チャンバーの他のすべての反射、およびアンテナパターンのすべてのバリエーションを考慮すると、潜在的な不確実性はさらに大きくなります。 他の偏波（E面）では、物理的な等方性アンテナを使用することはできません。 すべての実際の物理アンテナが満たさなければならない厳密なアンテナパターンを定義することは、さらに大きな課題です。

パターン変動に関連する問題は、送信アンテナを回転させることで解決できます。 この方式では、広いビームのアンテナは必要ありません。この周波数範囲で一般的に使用されているおなじみのダブルリッジ導波管アンテナで問題なく動作します。 前面と背面の比率を大きくすることをお勧めします（アンテナの後ろに小さな吸収体を配置することで簡単に改善できます）。 実装は、送信アンテナを360°回転させて最大ホールドを実行することを除いて、時間領域法について前述したものと同じです。 このスキームでは、すべての壁を同時に照らそうとするのではなく、一度にXNUMXつずつ照らします。 この方法では、すべての壁に同時にブロードキャストしようとする試みとはわずかに異なる結果が得られる可能性があります。 実際のEUTは、特別に細工されたアンテナのように見えるのではなく、ビームが狭い可能性が高いため、サイトのパフォーマンスのより良い指標であると主張できます。 アンテナパターンによる厄介な状況を回避することに加えて、チャンバーまたはOATSのどこで欠陥が発生しているかを特定できます。 場所は、回転角と信号の移動に必要な時間（つまり、反射が発生する場所までの距離）から特定できます。


まとめ

時間領域法の利点は数多くあります。 これにより、前述のサンプリング不足の問題の落とし穴を回避できます。 この方法は、アンテナをいくつかの個別の場所に物理的に移動することに依存せず、時間領域からのSVSWRはサイトの真の価値を表します。 また、CISPR方式では、パス長による影響を正規化するために、アンテナ間の正確な距離を知る必要があります。 距離に起因する不確実性は、SVSWRの不確実性に変換されます（必要な小さな増分を考慮すると、さらに困難です）。 時間領域では、距離の正規化の不確実性はありません。 さらに、エンドユーザーにとっておそらく最も魅力的な機能は、時間領域SVSWRの時間がはるかに短いことです。 テスト時間はほぼ1分のXNUMXに短縮されます（式XNUMXを参照）。

完全無響室は、室のXNUMXつの壁、床、天井すべてに吸収材処理を施しています。 時間領域反射率（TDR）測定は、このようなテストサイトの正確な評価を提供するだけでなく、理想的なサイトからの逸脱の最大の原因がどこから来ているかなどの追加情報も提供できます。

CISPR法では、アンテナが移動するため、反射点がチャンバーの壁上を移動し、欠陥のより多くの領域がカバーされるため、議論したくなるかもしれません。 これは赤いニシンです。 受信アンテナを移動する目的は、位相関係のみを変更することです。 変化する総距離は40cmです。 これは、ジオメトリの変換により、壁の20 cm（7.9インチ）のカバレッジに変換されます（伝送パスがチャンバーの壁に平行である場合）。 理論がうまくいくためには、実際、吸収体の反射特性が20cm全体に沿って均一であると仮定する必要があります。 より多くの領域をカバーするには、CISPR 16-1-4（正面、中央、左右の位置）で行われているように、アンテナをはるかに大幅に移動する必要があります。 ファビコン

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