Emissionsmåling i reverberation kammer Hurtigere metoder til udstrålingsmålinger

Oktober 2015 TN10 Emissionsmåling i reverberation kammer Hurtigere metoder til udstrålingsmålinger Jeppe Pilgaard Bjerre - DELTA Venlighedsvej 4 2970 Hørsholm Danmark Tlf. +45 72 19 40 00 delta@delta.dk delta.dk

Indhold Resume... 3 Baggrund... 4 Reverberation kammeret... 6 Måling af elektromagnetisk emission i reverberation kammer... 7 Eksempler på brug af emissionsmålinger i reverberation kammer... 10 Konklusion... 13 Yderligere eksemplarer af rapporten kan rekvireres hos DELTA på mail delta@delta.dk Side 2

Resume DELTA er for nylig begyndt at benytte reverberation kammer til at undersøge emission fra elektriske produkter. I dette notat beskrives, hvad der er muligt at lave i et reverberation kammer og hvilke fordele og ulemper, der kan være. DELTAs reverberation kammer fra 2012 er blevet benyttet med stor succes til at identificere immunitetsproblemer i elektroniske produkter, som beskrevet i TEK notatet Reverb kammer fra December 2014. I nyere tid er kammeret også blevet benyttet til at måle elektromagnetisk emission. I dette TEK notat beskrives kort teorien for, hvordan et reverberation kammer virker, hvordan det kan benyttes til at afdække udstrålingskarakteristiker, og til slut gives eksempler på, hvordan det kan benyttes i en udviklingsprocess for et produkt. Metoder, for hvordan kammeret benyttes til at måle udstråling, beskrives med udgangspunkt i eksisterende standarder. Der gives eksempler på, hvilke fordele og ulemper der er ved at benytte denne metode frem for at måle i et anekoisk kammer. Dette TEK notat har til formål at oplyse omkring hovedtrækkene ved at benytte et reverberation kammer til at karakterisere emission. Beskrivelsen af reverberation kammeret gennemgår kort, hvilke elementer der indgår, og hvordan disse fungerer. Jeppe Pilgaard Bjerre Konsulent DELTA Side 3

Baggrund Måling af den elektromagnetiske emission fra produkter er vigtige at håndtere som produktdesigner, uanset om man laver radioudstyr eller køkkenmaskiner. Der er nemlig for begge produkter lovmæssige krav, som skal overholdes. Ud over de lovmæssige krav er det for radioudstyr også essentielt at verificere, at produktet lever op til de specifikationer, der er sat, blandt andet for den udstrålede effekt, effektivitet, eventuel antenne diversitet og mange andre aspekter, som er med til at sikre, at produktets tekniske performance lever op til specifikationen. Ligeledes er det vigtigt at måle emission for produkter, der ikke har en radiokommunikation. Grunden er, at det skal sikres, at produkter ikke forstyrrer miljøet mere end tilladt og derved ikke hæmmer fx Wi-Fi eller mobiltelefonkommunikation i nærområdet. Normalt vil en emissionsmåling være foretaget i et anekoisk kammer, hvor en modtageantenne måler det signal, som produktet, Equipment Under Test (EUT), sender imod den. Dette kan give et billede af udstrålingsmønsteret fra EUT, samt amplituden af signalet. Det kan dog være omstændeligt at foretage disse målinger, da de kræver en hel del tid samt behov for dyre måleforstærkere, der er i stand til at måle signaler med små amplituder. Figur 1 Billede af anekoisk kammer hos DELTA i Sverige Det er her, at et reverberation kammer med fordel kan benyttes i stedet for det anekoiske. Nogle af fordelene ved at benytte et reverberation kammer er blandt andet, at dette ikke er retningsbestemt, men måler den totale udstrålede effekt fra EUT, da alle radiobølger fra EUT bliver reflekteret fra væggene og ender i modtagerantennen. Dette gør det muligt at estimere antenneeffektivitet, antenne mismatches, utilsigtede udstrålende elementer og meget andet på en hurtigere og billigere end den klassiske metode. Dog er der også ulemper ved den nye metode. Man kan for eksempel ikke umiddelbart sige ret meget om udstrålingsmønsteret eller polariseringer for EUT. Dette er dog som oftest kun relevant for antenner. Side 4

Figur 2 Billede fra DELTAs reverberation kammer i Århus. En af fordelene ved at lave en emissionsmåling i et reverberation kammer er, at man måler den totale udstrålede effekt. Fordelen ved dette er, at man ikke skal måle mange små signaler, men kun det samlede resultat, da de stående bølger i kammeret er et produkt af testemnets udstråling i alle retninger og derved også den totale udstrålede effekt. Amplitudemæssigt får man et kraftigere signal, fordi det er summen af udstrålingen i alle retninger. Derved behøver man ikke lige så kraftige (og dyre) forstærkere til at måle med. Man kan nærmest sige, at kammeret har sin egen forstærkning, som er med til at give kraftigere signaler og derved yderligere afhjælpe udfordringer med at måle små signaler, som ofte betragtes i EMC. Læs mere Side 5

Reverberation kammeret Et EMC reverberation kammer består af 5 primære dele: 1. Signalgenerator og forstærker 2. Sende- og modtageantenne 3. Et skærmet rum 4. En stirrer 5. Kontrol software. Figur 3 Oversigt over et reverberation kammer og dets delkomponenter Sådan virker et reverberation kammer Man kan sammenligne virkningen med dét at bevæge et stempel op og ned i vand. Hvis det gøres på en stille sø, kan man se, at bølgerne bevæger sig væk fra stemplet i ringe. Gør man det samme i et badekar, vil bølgerne blive reflekteret fra karets kanter, og mønsteret bliver mere kaotisk med bølgetoppe, der opstår forskellige steder. Observerer man nærmere, vil man se, at toppen kommer og går med en fast periode, og hvis man sætter en skrå plade, en stirrer, ned i vandet, ændres billedet af, hvor toppene opstår. Det vil sige, at placeres pladen i tilstrækkelig mange skrå positioner, vil man til sidst have haft toppe alle steder i karret. Når denne vandanalogi overføres til funktionen i et reverberation kammer, er karret det skærmede rum, der ydermere består af en sendeantenne (stemplet), en mode-stirrer (den skrå plade) samt en modtageantenne, der afslører, om der har været toppe nok det vil sige, om feltstyrken har været høj nok alle steder i kammeret. Når vi så benytter kammeret til at måle emission, betyder det, at vi bruger testemnet til at agere stempel, således at de felter, der opstår i kammeret, er direkte afhængige af de elektromagnetiske felter, som testemnet genererer. Her benytter vi stirreren til at flytte bølgetoppene for at måle den højeste feltstyrke og dermed, hvor meget testemnet udstråler. Side 6

Måling af elektromagnetisk emission i reverberation kammer Ved måling af elektromagnetisk udstråling, ElectroMagnetic Interference (EMI), fra apparater har mange stiftet bekendtskab med de traditionelle målinger på såkaldte OATS, SAC eller FARtestfaciliteter. Kravene, til hvor meget et produkt må udstråle, er givet ved det maksimale niveau, som produktet må udstråle i nogen retning. De to første metoder simulerer en kobling mellem støjkilde (apparatet som testes) og støjofferet som illustreret i Figur 4. En kobling som består af en direkte kobling og en refleksion i jorden eller gulvet. For FAR-metoden måles dog kun den direkte kobling. Derfor opfanges den elektromagnetiske udstråling fra apparatet kun i en meget lille vinkel, og det er nødvendigt at hæve og sænke modtageantennen samt at rotere apparatet for at sikre, at dette er målt i alle retninger. Figur 4 Skitse over strålingsveje. Hvordan et støjoffer modtager et elektromagnetisk støjsignal, er dog som oftest mere kompliceret og med mange flere refleksioner. Den støj, som et støjoffer modtager, kan være en sum over flere retninger. Det kan både være refleksioner af den støj, som en støjkilde udsender, det kan være flere støjkilder samtidigt eller begge dele på en gang. Princippet ses illustreret på Figur 5. Det kan derfor være relevant at kigge på den totale effekt, som en støjkilde udsender. Figur 5 Skitse strålingsveje i et bymiljø. I et reverberation kammer sker der mange refleksioner, og målemetoden består i at optimere summen af alle disse refleksioner. Det målte niveau er derfor et udtryk for den totale effekt, som støjkilden Side 7

TN10 udsender. Ud fra den målte totale udstrålede effekt kan man estimere niveauet i den retning, hvor støjkilden har sin maksimale udstråling, men man kan ikke sige noget om, i hvilken retning udstrålingen er. Fordelen ved at benytte denne metode er, at man ikke skal bevæge måleantennen op eller ned, og testobjektet skal heller ikke roteres, fordi det er den totale udstrålede effekt, der måles. Figur 6 viser den normal måleopstilling, som der måles efter i CISPR 16-2-3 i, det vil sige sådan som der måles i anekoiske rum. Her kan det blandt andet ses, at man standardiserer, hvordan kabler placeres. Årsagen hertil er, at under ca. 300 MHz udstråles den elektromagnetiske støj primært af kablerne. Ved måling af udstråling i reverberation kammer har man i IEC 61000-4-21 ii valgt at fastholde denne måleopstilling, således at resultater opnået i et reverberation kammer bliver mere sammenlignelige med resultater fra målinger i andre typer af faciliteter. Figur 6 Måleopstilling for CISPR 16-2-3 En anden problemstilling er, at selvom apparatet roteres, og antennen hæves og sænkes i en anekoisk test, så roteres apparatet typisk kun om en enkelt akse. Inden målingen startes, skal man således tage stilling til, hvordan apparatet skal vende under test, da man ikke umiddelbart tester alle retninger. Da reverberation kammeret summerer udstrålingen fra alle retninger, opfanger det alt elektromagnetisk udstålet effekt. En anden fordel ved reverberation kammeret er, at det er hurtigere at optimere summen af refleksionerne, end det er at søge efter den maksimale udstråling med de traditionelle metoder. Målemetode Målemetoden er baseret på IEC 61000-4-21. Det første skridt er at verificere, at et testemne ikke belaster kammaret for meget. Altså at det ikke hæmmer genklangen i en grad, så kammeret ikke kan fungere. I praksis er det en måling af tabet i kammeret, når en kendt effekt indstråles. Denne kan sammenlignes med kammerets naturlige tab for at sikre, at felt-uniformiteten er bibeholdt og derved sikre, at de statistiske estimater stadig er valide. Side 8

Selve emissionsmålingen sker ved at måle feltstyrken i kammeret ved normal operation af testemnet. Når testemnet udstråler felt i kammeret, bliver dette forstærket grundet refleksioner fra kammerets sider. Denne forstærkning er med til at skabe stående bølger, og det er disse bølgers amplitude, der bliver målt. For at kunne skabe stående bølger ved en given frekvens er det nødvendigt, at geometrien i kammeret kan tilpasses den frekvens, man gerne vil måle ved. Dette opnås ved hjælp af den stirrer, som er omtalt i afsnittet Reverberation kammeret. Stirreren kan have forskellige udformninger, men funktionen er altid den samme, nemlig at justere kammerets resonansfrekvens. Når et passende sæt målinger er fortaget, kan disse relateres til den udstrålede effekt fra testemnet ved hjælp af formlen hvor de nævnte elementer er PP RRRRRRRRRRRRRRRR = PP AAAAAAAAAAAAηη TTTT CCCCCC PRADIATED er den udstrålede effekt fra testemnet inden for målebåndbredden. CVF er en kammervalideringsfaktor, der er den normaliserede modtagne effekt i tomt kammer. PAveRec er gennemsnitseffekt målt over antallet af tuner skridt. ηη TTTT er antenneeffektiviteten for den sendeantenne, der er benyttet under kalibrering. En dybere forklaring på disse elementer, og hvad der har indflydelse på dem, kan findes i IEC 61000-4-21 Annex B og E. Side 9

Eksempler på brug af emissionsmålinger i reverberation kammer Generel udstråling Hvis man ikke laver et trådløst produkt, er det sjælendt, at man er interesseret i andet end, hvor meget støj apparatet genererer i forhold til de lovmæssige krav. Her kan et reverberation kammer hjælpe med til få et overblik over eventuelle udstrålingsproblemer på en hurtig og kosteffektiv måde. Dette kan især være interessant for mindre virksomheder og start-ups, som ikke altid har megen kapital i ryggen, da det muliggør flere løbende tests igennem en udviklingsproces, så udstrålingsproblemer kan opdages tidligere i processen. Dette har blandt andet den fordel, at problemer kan håndteres tidligere og hjælpe med til at tidsplaner og/eller budgetter ikke overskrides, hvilket kan være katastrofalt i et start-up regi. I forbindelse med udviklingen af produkter til Internet-of-Things vil der være behov for hurtigt og nemt at kunne karakterisere udstrålingen, da disse kan komme til at befinde sig tæt op af andre produkter, som de kan ende med at forstyrre, hvis der ikke er styr på respektafstande og andre forholdsregler. Samtidigt kan en udstrålet effekt, der er lavere en det tilsigtede på grund af en dårlig antenneimplementering, drastisk reducere rækkevidden for det trådløse produkt. Derved vil det af brugeren blive oplevet som et dårligere produkt end konkurrenternes. Derfor er det vigtigt at sikre den optimale udstrålede effekt. Måling af antenneeffektivitet Når man skal måle antenneeffektiviteten på et system, er det vigtigt at få en nøjagtig måling af, hvor meget effekt man reelt udstråler. Ved en klassisk udstrålingsmåling ser man på størrelsen af den målte effekt ved en række positioner og regner derefter PP rrrrrr som 2ππ ππ PP rrrrrr = BB 0 PP(θ, ϕ)ssssssθ ddθ dϕ θ=0 ϕ=0 For at dette resultat er sigende, skal der måles ved adskillige positioner i et anekoisk kammer, og derefter skal alle disse målinger integreres - altså ligges sammen - for at have den totale udstrålede effekt. Da der her er tale om diskrete målepunkter, kan dette føre til unøjagtige resultater, da integrationen bør være kontinuert. Denne måleprocedure kan være enormt tidskrævende - især ved ikke-isotropiske udstrålinger. Ofte er det man egentlig prøver at måle antenneeffektiviteten, da det er en begrænset antenneeffektivitet, som er den svage parameter i mange trådløse produkter. Denne kan beregnes som εε RR = PP rrrrrr PP iiii For at kunne beregne antenneeffektiviteten er det nødvendigt at kende den totale udstrålede effekt. Det er netop, hvad man kan måle direkte i et reverberation kammer, da dette ikke er retningsafhængigt, og man ved, hvor meget effekt man tilfører systemet. Ved at observere den elektriske feltstyrke i kammeret kan man ved én måling udlede den totale udstrålede effekt fra systemet. Så hvis man ikke har behov for en præcis måling af udstrålingsmønsteret, er det langt mere effektivt at måle den udstrålede effekt i et reverberation kammer og derved få en let vurdering af antenne og modulimplementeringen. Side 10

Ligeledes er der fordele ved at måle udstrålet effekt i et reverberation kammer i forhold til EIRP. Dette bliver normalt udledt af det maksimalt observerede elektriske felt i en given retning i et anekoisk rum, hvilket kan bevirke, at EIRP bliver kunstigt højt, hvis ikke udstrålingen er tilstrækkelig isotropisk. Figur 7 Skitse af udstrålingsmønster Figur 7 viser antenne gain målt for en antenne. Hvis det trådløse modul har en udgangseffekt på 0 dbm, betyder det at, ved 0 udstråler senderen cirka 20 dbm. Hvis denne sender i et bånd og en teknologi, som stiller krav om en maksimal EIRP-værdi på 0 dbm, skal den reelle udgangseffekt nedjusteres med 20 db. Dette skyldes, at definitionen af EIRP til regulatoriske målinger antager et antenne gain på 0 db. Konsekvensen af dette (modul med -20 dbm udgangseffekt og 20 db antenne gain) er, at den fremadrettede udstråling er så stor, som den må være for en sådan radiosender. Den bagud vendte udstråling vil være under -28 dbm (modul med -20 dbm udgangseffekt og -8 db antenne gain). Dette betyder, at senderen i denne retning er udkonkurreret af produkterne fra andre producenter med disse 28 db. Dette vil i alle scenarier give en voldsom reduceret brugeroplevelse i forhold til den oplevede rækkevidde. Måling af MIMO-systemer Flere og flere trådløse systemer benytter i dag MIMO-teknologi. Dette er en teknologi, som kan mangedoble datakapaciteten og blandt andet findes i Wi-Fi-routere og i mobiltelefoner med LTEteknologi. Fx kan det ses ved, at det ofte er Wi-Fi-routere, som har flere antenner implementeret til samme frekvensbånd. En udfordring ved at måle på MIMO-systemer er, at det kræves, at der er multipath fading udbredelse i måleopstillingen. Dette er en nødvendighed for, at denne type systemer kan fungere korrekt, fordi der skal være en tilstrækkelig forskel i path loss for hver enkelt kanal. Side 11

Figur 8 Skitse af multipath fading i MIMO system Normalt for trådløse systemer er der tale om enten kanaler i tid eller i frekvens. I tid kan der være to kanaler i et system, hvor den ene sender først, og så sender den anden bagefter, men hvor de sender på samme frekvens. Dette kaldes tids-multiplexing. I frekvens er kanalerne placeret på to forskellige frekvenser, derfor kan de sende samtidigt, men benytter ikke samme frekvens. For systemet på Figur 8 kræves det, at der skal være tilstrækkelig variation i pathloss for de fire kanaler, der vises. Dette skyldes, at de ikke er delt i tid eller frekvens, men er delt i koder. Dette TEK notat er for kort til at beskrive disse koder tilstrækkeligt, men det kan nævnes, at det svarer til, at der skal være tilpas afstand mellem antennerne, og at signalerne skal have forskellige udbredelsesforhold. Disse fire kanaler ligger her fra Tx1 Rx1, Tx1 Rx2, Tx2 Rx1 og Tx2 Rx2. Grundet dette krav vil tabet direkte mellem en sender og en modtager ofte ikke være tilstrækkeligt til korrekt funktion. Dette bevirker også, at det ikke direkte er muligt at lave en grundig karakterisering af MIMO-systemer i et anekoisk kammer, hvis man kun har én modtageantenne, da tabet her bliver for højt, og der ikke kommer tilstrækkelig effekt til modtageren, samt at der ikke er den krævede forskel i udbredelsesforhold. Det er derfor nødvendigt at benytte adskillige antenner (>10) for at kunne simulere den nødvendige kanalvariation - den såkaldte fading. I modsætning til de anekoiske rum er den basale funktion af reverberation kammeret baseret på, at der er multi-path fading i kammeret. Derved bliver det ideelt til at kunne teste MIMO-systemer. Det kan ligefrem være en udfordring, at der er for meget multi-path fading, og derfor skal denne justeres til at være korrekt i forhold til den ønskede trådløse kommunikationskanal. Derfor er det muligt at lave hurtige go/no-go målinger af MIMO-systemer i reverberation kammeret, som kan vurdere både den udstrålede effekt og den opnåelige datakapacitet baseret på antennediversiteten og MIMOteknologien. Side 12

Konklusion Måling af emission i et reverberation kammer har nogle klare fordele i forhold til at måle i et anekoisk kammer. Flere af disse målinger kan gøres mere kosteffektivt, da de kan udføres mindre tidskrævende og kræver mindre udstyr. Kammeret kan også bruges til at måle aspekter af emission, som kan være besværlige og kræve meget udstyr i et anekoisk kammer, fx MIMO-kapacitet. Der er dog ting, som ikke kan måles i et reverberation kammer, men hvor det anekoiske skal benyttes, fx udstrålingsmønsteret. Dette er dog mest gældende for trådløst udstyr, hvor udstrålingsmønsteret ønsket undersøgt. Det vigtige er selvfølgelig at holde for øje, at det at test kan udføres hurtigere og med billigere udstyr gør, at der kan udføres state-of-the-art test til en pris, der gør, at det også kan benyttes i udviklingsforløbet og benyttes som en del af krav- og designspecifikationen. I dette TEK notat er der givet eksempler på, hvorledes man kan måle udstråling i et reverberation kammer, og hvilke standarder der kan benyttes. Disse er kort gennemgået sammen med metoder og måleopstillinger. Ved eksempler er det præsenteret, hvordan der kan måles på basale karakteristika som antenneeffektivitet og generel udstråling samt mere komplekse systemer som MIMO, der er krævende at måle i et anekoisk miljø. Side 13

Om TEK notat DELTA udgiver regelmæssigt rapporter i TEK notat-serien for at kommunikere den nyeste internationale viden indenfor vores fagområder. Formålet er at understøtte en fremrykning af tidspunktet, hvor nye teknologiske landvindinger giver et forretningsmæssigt afkast til danske virksomheder. Om DELTA DELTA hjælper sine kunder med effektiv anvendelse af avancerede teknologier, der skal opnå kommerciel succes i en kompleks verden. Vi varetager design, udvikling, test, certificering og rådgivning indenfor elektronik, mikroelektronik, softwareteknologi, lys, optik, akustik, vibration og sensorsystemer. DELTA er ét af Europas førende udviklingshuse samt ét af de ni Godkendte Teknologiske Serviceinstitutter (GTS) i Danmark. Vores 270 medarbejdere i Danmark, Sverige og Storbritannien samarbejder med kunder i over 50 lande. i Den standard der normalt anvendes til måling ved OATS, SAC eller FAR. ii Standarden der normalt anvendes til måling i reverberation kammer. Side 14