Om mätmottagaren eller spektrumanalysatorn blir överstyrd kan mätresultaten bli grovt felaktiga. Att lägga till förselektion (”pre-selection”) är nödvändigt för att uppfylla de nya kraven enligt CISPR 16-1-1.

För att mäta EMC krävs en mätmottagare eller spektrumanalysator. I allt högre grad bygger dessa på SDR-teknik. Blir de överstyrda betyder det att vi får felaktiga mätvärden! Det gäller förstås även för superheterodynmottagare.

Per Isacsson, produktansvarig för EMC-system och projekt hos Rohde & Schwarz i Sverige, tog under ett EMC-seminarium under våren 2017 upp vikten av att använda förselektion vid EMC-mätningar.

– Det är en nödvändighet för att klara av de nya kraven i CISPR 16-1-1.

Nya krav för CISPR 16
Generellt sett vid EMC-mätningar gäller att vi från början inte vet vilka signalkomponenter vi skall mäta på. Om kortvariga pulser förekommer kan dessa överstyra mottagaren eller spektrumanalysatorn, vilket resulterar i ett felaktigt mätvärde.

De nya kraven enligt CISPR 16-1-1 har kommit till för att mätinstrumenten skall ge rättvisande värden även om en puls med hög amplitud förekommer.

I det följande återger vi några av illustrationerna från Rohde & Schwarz seminarium.

Här ser vi en kort puls, med hög amplitud, återgiven i tidsplanet. Under denna visas motsvarande spektrum, i frekvensplanet.

För att exemplifiera användes en kort puls, Ti = 750 ps, med låg repetitionsfrekvens, PRF = 1,953 MHz i en simulering av FFT i Excel. Frekvensområdet är på grund av Excel begränsat upp till 2 GHz.
Pulsens toppspänning är 20 V (146 dBµV).

Problemets lösning
Låt oss se på hur man skulle kunna lösa problemet med att en hög puls stör mätningen genom överstyrning av mottagaringången.

Några förslag är:
* Dämpa signalen! Nej, det går inte eftersom brusgolvet höjs varvid svaga signaler försvinner i bruset! Dessutom måste man veta amplituden på pulsen för att veta hur mycket man skall dämpa.

* Skydda blandaren (mottagaringången) med hjälp av en limiter! Nej, denna innehåller dioder som på grund av sin olinjäritet genererar övertoner. Detta är totalt olämpligt.

* Det enda som kan lösa problemet är att använda förselektion!

Förselektion i EMI-mätmottagare kan i huvudsak rädda två situationer:

* Att spektrala frekvenskomponenter utanför det som visas överstyr mottagarblandaren (samplingskretsen eller A/D-omvandlaren).

* Att en mycket kort puls, som den som definieras i CISPR 16-1-1 orsakar överstyrning. En kort puls betyder ett brett spektrum: Pulsen har en hög nivå i tidsplanet men sprids ut i frekvensplanet. Pulsen kanske inte har så hög energi, men spänningen kan vara hög.

Här har mätmottagaren försetts med filter före blandaren.

För att vår mätning skall täcka frekvenser upp till exempelvis 2 GHz måste mätningarna med de olika frekvenssegmenten sammanfogas.

Kalibrering inför CISPR 16-1-1
Innan mätningarna enligt CISPR 16-1-1 utförs måste en absolut kalibrering av mätmottagaren med kvasi-toppdetektor ske. Testpulsens karakteristik skall följa värdena i tabellen nedan.

Pulserna definieras som a) µVs emf vid 50 ohms källimpedans med ett likformigt spektrum upp till b) MHz, med c) Hz repetitionsfrekvens. Alla avstämda frekvenser motsvara en omodulerad sinussignal med 2 mV amplitud (66 dB µV).

Hur stor betydelse har mottagarens bandpassfilter? I ett exempel nedan är bandbredden 2 GHz, men den kan reduceras till 95 MHz med ett förselektionsfilter. Vi mäter på en 800 MHz signal med 120 kHz mellanfrekvensbandbredd.

Illustrationen visar vilka markanta förbättringar en preselector kan ge: Max indikerat område höjs från 35 dBµV till 61 dBµV, dvs en förbättring med 26 dBµV!

Rohde & Schwarz mätmottagare ESR och ESW innehåller båda filter för förselektion. ESW är främst avsedd för utrustning för militära operationer. ESR täcker övriga marknadssegment.

Historiskt problem löst med förselektion
När transistorer på 70-talet ersatte rör i smalbandsmottagare ledde det till att man kunde bygga mottagare med bredbandig ingång. Det blev billigare och enklare att tillverka eftersom man kunde ersätta en dyrbar flergangskondensator med ett antal bandpassfilter. Mätmässigt kunde man nå lika bra, eller bättre, intermodulationsegenskaper med balanserade diodblandare som på ”rörtiden”. Men i praktiken blev resultatet i många fall katastrof.

Orsaken var förstås en mätmetod som inte gav rättvisande resultat: 2-signalmätningen av intermodulation (eller 3 signaler där den tredje signalen förlades på en förväntad im-frekvens som orsakade 3 dB försämring av SINAD) genomfördes ofta med 20 kHz frekvensskillnad. Metoden gav dock inte skilda resultat om mottagarens ingångsbandbredd var smal eller bred, medan man i praktiken kunde uppleva dramatiska skillnader.

Erfarenheter från civila och militära signalspanare och radioamatörer visade mycket snart att förselektion var A och O för ett gott resultat. Det gäller idag i ännu högre grad eftersom man idag många gånger har ersatt superheterodynmottagaren med ”software defined radio”, SDR. Grunden för denna är ju en A/D-omvandlare som tar emot ett mycket stort frekvensområde, såvida signalerna inte först får passera ett filter. Alla ingående signaler, med deras temporära faslägen, summeras vektoriellt. Med flera starka signaler samtidigt finns det risk för att A/D-omvandlaren styrs ut över sina gränsvärden, med en katastrofal ökning av intermodulation.

Jag har tidigare tagit upp hur mycket lämpligare det är att karakterisera SDR-mottagares intermodulationsegenskaper med brus i stället för kontinuerliga signaler. Se https://www.elinor.se/mat-intermodulationen-med-brus.html. Det är ett av flera förslag för att karaktärisera mottagare.

Läs mer från R&S EMC-seminarium på: https://www.elinor.se/emc-mat-iot-via-luftgranssnittet.html/

Filed under: Teknikartiklar