Schnelle Validierung von EMV-Messplätzen über 1 GHz mit Time Domain S(VSWR)

Ihre Anforderung

EMV-Messplätze für die Messung gestrahlter Emissionen im Frequenzbereich von 1 GHz bis 18 GHz sind auf Freiraumbedingungen angewiesen, damit der Einfluss von Reflexionen auf das empfangene Signal minimal bleibt. In der Praxis werden solche Bedingungen durch Verwendung von geschirmten Räumen, die vollständig mit HF-Absorptionsmaterial ausgestattet sind (Vollabsorberraum [Fully Anechoic Room, FAR]), hergestellt.

Abweichungen von den Freiraumbedingungen, die notwendig sind, um das Akzeptanzkriterium für die Durchführung von EMV-Konformitätsmessungen in einem FAR zu erfüllen, werden durch eine Messplatz-Validierung bestimmt. Diese Messplatz-Validierung erfolgt durch eine Messung des Stehwellenverhältnisses des Messplatzes (Site Voltage Standing Wave Ratio, S_VSWR). Dabei handelt es sich um das Verhältnis des maximalen empfangenen Signals zum minimalen empfangenen Signal. Dieses Verhältnis resultiert aus Interferenzen zwischen dem direkten (gewünschten) Signal und Signalreflektionen. Für den Nachweis der Konformität mit dem Akzeptanzkriterium stehen zwei verschiedene Methoden zur Verfügung:

• Die S_VSWR-Methode gemäß CISPR 16-1-4
• Die Time Domain S_VSWR-Methode (TD S_VSWR) gemäß ANSI C63.25

Grundsätzlich wird bei beiden Methoden eine Reihe von Antwortmessungen an einem Paar von Antennen durchgeführt und das gleiche Akzeptanzkriterium von S_VSWR ≤ 6,0 dB verwendet. Bei der CISPR-Methode ist es allerdings notwendig, den Abstand zwischen den beiden Antennen sechsmal anzupassen, um die Phasenbeziehung zwischen der direkten Antennenantwort und den Reflexionen zu variieren. Die ANSI-Zeitbereichsmethode kommt dagegen ohne Bewegen der Antennen aus. Hierbei wird mit Hilfe eines Vektornetzwerkanalysators (VNA) eine komplexe Transmissionsmessung (S₂₁) und eine Zeitbereichstransformation der Frequenzbereichsdaten durchgeführt.

Das Ergebnis zeigt die Impulsantwort zwischen den beiden Antennen. Da die direkte Antenne-zu-Antenne-Antwort mit der kürzesten Strecke zusammenhängt, ist der früheste Impuls die direkte Antennenantwort. Reflexionen des Messplatzes kommen aus größerer Entfernung und treffen daher später ein. Somit ist es möglich, die direkte Antennenantwort mit Hilfe von Time Gating von den Reflexionen zu trennen und das TD S_VSWR zu berechnen.

Lösung von Rohde & Schwarz

Die R&S®ZNB Vektornetzwerkanalysatoren bieten in Verbindung mit der Option R&S®ZNB-K2 Zeitbereichsanalyse eine Messfunktion zum Messen des TD S_VSWR gemäß ANSI C63.25. Für einen Validierungsbereich von 1 GHz bis 18 GHz wird der VNA auf Harmonic Frequency Grid (harmonisches Frequenzraster) mit einer Startfrequenz von 500 MHz, einer Stoppfrequenz von 19,7 GHz, einer Schrittweite von 1 MHz, einem Ausgangspegel von 0 dBm und einer Bandbreite von 1 kHz eingestellt.

Anmerkung: Der zusätzliche Frequenzbereich (oberhalb und unterhalb der relevanten Frequenz) wird benötigt, damit der Windowing-Effekt des Time Gating-Prozesses, wo die Daten an den Bandgrenzen unzuverlässig sind, berücksichtigt wird.

Führen Sie eine vollständige Zweitor-VNA-Kalibrierung an den Enden der Kabel durch, die für die Verbindung der Sende- und Empfangsantenne verwendet werden. Verbinden Sie die Kabel mit den Antennen und bringen die Sendeantenne am Drehtisch in der ersten Messposition und Polarisationsebene an (siehe Abbildung).

Führen Sie eine Transmissionsmessung durch und prüfen die Empfindlichkeit des Aufbaus. Es muss ein Signal-Rausch-Verhältnis von mindestens 20 dB erreicht werden. Aktivieren Sie die TD S_VSWR-Messfunktion im Zeitbereichsmenü des VNA.

Anmerkung: Standardmäßig wird die Hann-Fensterfunktion verwendet. Stellen Sie den Zeittorbereich so ein, dass nur die direkte Antennenantwort und die Abklingzeiten der Antennen in das Zeittor fallen.

Anmerkung: Zweck des Zeittors ist es, die direkte Zeitantwort zwischen den Antennen zu erfassen und alle anderen Antworten zu unterdrücken. Es reicht aus, den Zeittormittelpunkt auf den Peak der Hauptantwort und den Zeittorbereich symmetrisch um den Peak auf die doppelte Antennen-Abklingzeit einzustellen. Verwenden Sie beim R&S®HF907 einen Zeittorbereich von 8 ns.

Führen Sie einen S₂₁-Sweep durch und exportieren die Messkurve zur weiteren Auswertung als formatierte Daten. Wiederholen Sie den Vorgang für alle anderen Sendeantennenpositionen und -polarisationen.

Anmerkung: Alle Positionen – F (vorn), R (rechts), L (links) und C (Mitte) – werden in einer Höhe von 1 m über dem Boden des Prüfvolumens gemessen. Die vordere Position wird zusätzlich in einer Höhe von 2 m gemessen. Die mittlere Position ist optional, falls der Durchmesser des Volumens kleiner oder gleich 1,5 m ist.

Erweiterte Funktionalität

Die Zeitbereichsmethode liefert mehr Informationen über den Messplatz und weist darüber hinaus die Konformität mit den Validierungsanforderungen nach. Beispielsweise können Sie die Ansicht der Zeitbereichs-Impulsantwort nutzen, um Stellen eines FAR zu identifizieren, an denen zusätzliche oder qualitativ bessere Absorber benötigt werden. In einem idealen Messplatz würde die Antennenantwort aus einem einzelnen Impuls bestehen (die direkte Antenne-zu-Antenne-Antwort). Daher lassen sich starke unerwünschte Reflexionen leicht identifizieren. Darüber hinaus kann die Entfernung von der Antenne angezeigt werden, da die Zeit und die Strecke im freien Raum über die Lichtgeschwindigkeit (c ~ 3 × 10⁸ m/s) miteinander verknüpft sind.

Fazit

Der R&S®ZNB20 Zweitor-Netzwerkanalysator mit seinen Zeitbereichsanalysefunktionen ist in Verbindung mit der R&S®HF907 Doppelsteg-Hornantenne die ideale Lösung für schnelle und genaue Messungen zur Messplatzvalidierung mit der TD S_VSWR-Methode gemäß ANSI C63.25.

Die Motivation für die Verwendung der ANSI-Zeitbereichsmethode ist der im Vergleich zur CISPR-Methode geringere Zeitaufwand für die Validierung eines EMV-Messplatzes für Tests über 1 GHz. Ein zusätzlicher Vorteil ist die Möglichkeit, Mängel des Messplatzes oder Absorberraums aufzuspüren.