Comb Generator Coassiale Controllo di sistema con Refrad e accoppiatore d antenna HAIDER, H. Arc Seibersdorf research GmbH, A- 2444 Seisberdorf, Austria, harald.haider@arcs.ac.at KOLB, G. Arc Seibersdorf research GmbH, A- 2444 Seisberdorf, Austria, gerhard.kolb@arcs.ac.at DEALESSI, M. (Traduzione) TESEO SPA, Via Meucci 1/A, 10040 Druento (TO), mdealessi@teseo.net Riassunto La presentazione inizia con una breve analisi teorica dei segnali nel dominio del tempo e della frequenza per poi affrontare la tematica della misura del segnale di uscita di un Comb Generator e degli accorgimenti necessari per evitare misure errate. In seguito si descrive una procedura innovativa basata sull impiego di un Comb Generator e un accoppiatore di antenna per verificare il funzionamento di una antenna ricevente e associata catena di misura del campo. Si troveranno le possibili sorgenti di errore nella misura di ampiezza del segnale riconducibili all antenna, ai connettori, ai cavi, al ricevitore o al suo software. Queste verifiche di routine assicurano il livello di qualità delle misure del laboratorio EMC o in ambito ambientale (vedi ISO/IEC 17025 ) [1]. A) INTRODUZIONE Immaginate di avere scoperto in occasione della ricalibrazione annuale un problema relativamente ad una antenna che usate per le prove per conto dei vostri clienti. Per via di uno o più elementi radianti non ben avvitati, il fattore di antenna è sbagliato su una certa gamma di frequenze. Vengono di conseguenza messi in dubbio i risultati delle misure già eseguite che, a rigore, dovrebbero essere ripetute (cosa tra l altro non sempre possibile oltrechè costosa). Per evitare l inconveniente sono necessari (e disponibili) controlli periodici aggiuntivi alla calibrazione. B) COERENZA DEI DOMINI DEL TEMPO E DELLA FREQUENZA La trasformata di Fourier di un segnale funzione del tempo fornisce le componenti spettrali nel dominio delle frequenze. La formula (1) si applica a segnali con periodicità T(t) [2]. f a0 = + ( an cos nω t + bn sin nω t) = A0 + An cos ( nω t + ϕ ) ( t) n 2 n= 1 n= 1 with ω = 2π (1) T Un segnale periodico nel tempo si trasforma nel dominio delle frequenze in uno spettro discreto consistente in singole frequenze con ampiezza Ai distanziate di nωt lungo l asse delle frequenze. Un semplice segnale sinusoidale nel dominio del tempo si trasforma in una sola linea nel dominio delle frequenze, mentre una sequenza continua di impulsi di durata infinitesima e ampiezza infinita (impulsi di Dirac) nel dominio del tempo con periodicità pari a T, si trasformerebbe nel dominio delle frequenze in un numero infinito di linee spettrali con spaziatura 1/T. Quest ultimo segnale costituisce il modello perfetto di un Comb Generator. Nella pratica gli impulsi reali hanno durata non infinitesima e ampiezza finita. Come rappresentazione matematica del segnale di uscita di un Comb Generator consideriamo una sequenza continua con periodo T di impulsi di durata breve τ come in Figura 1. La figura 1 fornisce anche lo spettro del segnale. La distanza delle linee spettrali dipende dal periodo degli impulsi, l ampiezza ha andamento secondo la funzione cosω/ω. Il primo minimo dell inviluppo dell ampiezza si trova alla frequenza 1/τ. Nel Comb Generator reale il periodo del segnale temporale determina l inizio dello spettro (cioè la prima linea) mentre la lunghezza degli impulsi determina il primo minimo dell inviluppo dello spettro. Tipicamente l ampiezza dello spettro deve essere molto maggiore del rumore di fondo dello strumento di misura, sia esso un analizzatore di spettro od un ricevitore. Questa caratteristica limita la frequenza massima di impiego del Comb Generator.
Figura 1. Modello matematico dell uscita di un Comb Generator nei domini del tempo e della frequenza. 1,2 a 1 0,8 0,6 0,4 0,2 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 T Time A 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 Frequency C) USCITA COASSIALE DI COMB GENERATOR E PROBLEMI CONNESSI ALLA SUA MISURA In Figura 2 è rappresentato il segnale reale all uscita del Comb Generator modello RefRad3000 di Seibersdorf. Ogni microsecondo viene generato un impulso di ampiezza di circa 22 Volt e durata 250 picosecondi. Il segnale è temporizzato da un quarzo a 1 MHz. 25 Figura 2. Uscita coassiale nel dominio del tempo del RefRad3000 20 Output Level [V] 15 10 5 0-5 -5-3 -1 1 3 5 Time [µsec.] Per misurare il segnale nel dominio del tempo occorre verificare che la larghezza di banda dell oscilloscopio sia sufficiente (almeno 1.5 GHz).
La Figura 3 ingrandisce una piccola porzione dello spettro acquisito tramite ricevitore od analizzatore, mostrando le linee spettrali (curva verde) distanziate di 1 MHz e larghezza di 250 Hz nonchè il loro inviluppo (curva blu) tipicamente usato per indicare il livello di uscita nel dominio delle frequenze. Lo spettro di uscita del RefRad3000 è illustrato nella Figura 4 (la misura è eseguita con attenuatore da 20 db). Figura 3: Rappresentazione delle linee spettrali e relativo inviluppo nel dominio delle frequenze. -60-70 -80-90 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 Figura 4: Tipico segnale di uscita coassiale del RefRad3000 nel dominio delle frequenze -15-25 -35-45 1 10 100 1000 10000 Anche se la potenza di ciascuna linea spettrale è molto bassa (come esempio una linea con 15 dbm rappresenta una potenza di circa 0,03 mw), la potenza complessiva della somma di tutte le linee spettrali che si presenta al connettore dell analizzatore è di circa 8.4 dbm ( 6,9 mw). Con attenuatore da 20 db si evita di danneggiare lo strumento di misura. Si raccomanda di eseguire la misura con passi di frequenza corrispondenti alle linee spettrali (o a multipli di esse per risparmiare tempo) in modo da ottenere una curva di inviluppo corretta. Per il RefRad3000 il passo è di 1 MHz (o multipli). La banda delle linee spettrali è molto piccola (250Hz circa) cosicché la banda di risoluzione (RBW) del ricevitore può essere anch essa piccola offrendo quindi i vantaggi di dinamica elevata e bassa soglia di rumore. La RBW usata non dovrebbe influire sulla misura dell ampiezza (RBW tipica di 10 o 100 khz) finché si mantiene sotto la spaziatura delle linee spettrali.
Variazioni dell ampiezza sono causate dalle incertezze della misura ed un piccolo offset si registra per via dei diversi contributi di rumore con diverse impostazioni del filtro RBW. Differenze più consistenti (circa 0,4 db) indicano un problema nel ricevitore. Questo è riconducibile ad errata calibrazione, errata impostazione dei parametri che causa una saturazione del mixer o un livello troppo basso all ingresso del medesimo oppure a un guasto effettivo del ricevitore medesimo. Con RBW maggiore della distanza tra le linee spettrali, il ricevitore riceve contemporaneamente più di una frequenza per ciascun punto di misura e indica una potenza maggiore di quella delle linee spettrali originali (vedi Figura 5). Figura 5: Influenza dell impostazione della banda di risoluzione sull inviluppo misurato Output Level [dbm -16-18 -22-24 -26-28 RBW 10kHz RBW 100kHz RBW 200kHz RBW 500kHz RBW 1MHz RBW 2MHz RBW 5MHz -32 10 0 1000 C è tuttavia un altro effetto che porta a risultati sbagliati della misura ed è associato al oscillatore che genera gli impulsi a 1 MHz. Il cristallo ha un offset di frequenza dell ordine di parti in un milione (per esempio 50 parti per milione per il RefRad3000) dovuto sia ad imprecisioni di costruzione che all innalzamento della temperatura. Per le prime linee l effetto è trascurabile, ma per la frequenza di 3 GHz l offset, di per sé piccolo, deve essere moltiplicato per 3000 (cioè +/- 150 khz per un cristallo con stabilità 50 ppm).anche per il ricevitore deve esse considerato un offset di frequenza e il Comb Generator non è solitamente sincronizzato in alcun modo con il ricevitore. Però, soprattutto alle alte frequenze potrebbe capitare che il filtro RBW non si sovrapponga (o lo faccia solo parzialmente) con le linee spettrali alle frequenze di misura determinate dal passo di frequenza del ricevitore. Il problema si elimina con uno span aggiuntivo del ricevitore attorno ad ogni frequenza o punto di misura. La Figura 6 illustra il fenomeno. Finché lo span a ciascuna frequenza di misura è sufficientemente grande da far sovrapporre il filtro RBW alla corrispondente linea spettrale, i risultanti sono coerenti. Alle frequenze più alte l offset cresce e soltanto con una selezione corretta dello span si può garantire la sovrapposizione. Se non dovesse succedere, il filtro di RBW non si sovrapporrebbe e la misura fornirebbe un risultato sbagliato (più basso). Figura 6: Influenza dell impostazione dello span sull inviluppo del segnale coassiale -60 SPAN 100kHz SPAN 300kHz SPAN 80kHz SPAN 40kHz SPAN 20kHz SPAN 10kHz SPAN 0Hz -70 10 100 1000 10000
Con riferimento al diagramma del segnale uscente si possono definire delle specifiche tecniche importanti per il Comb Generator. Innanzitutto c è la banda operativa che parte dalla prima frequenza. La fine di questa banda non è una frequenza fissa anche se nel data sheet del generatore c è un valore identificato come banda operativa nominale (3 GHz). In effetti la minima dinamica occorrente per l applicazione limita la banda operativa. La frequenza massima potrebbe essere inferiore al valore nominale, ma anche superiore, perché lo spettro continua oltre al valore nominale con ampiezze delle linee spettrali decrescenti. La spaziatura fra le linee spettrali determina la minima frequenza di risoluzione e dovrebbe essere abbastanza ridotta per una corretta valutazione dello strumento ricevente nel dominio delle frequenze. Ultima, ma non meno importante, è l ampiezza delle linee spettrali. Dall ampiezza dipende la dinamica per l esecuzione della misura del campo elettrico generato a una certa distanza dall antenna collegata al Comb Generator. Per la ripetitività delle misure è essenziale la stabilità dell ampiezza delle linee spettrali al variare di temperatura e livello di carica della batteria, mentre non è così essenziale l andamento della curva di inviluppo. Non costituisce un problema se due RefRad hanno inviluppi diversi tra loro e differenti dalla curva tipica. Quello che conta è che l inviluppo del singolo generatore misurato, al connettore coassiale di uscita, si mantenga stabile. In Figura 7 si osservano gli inviluppi di diversi esemplari di RefRad3000. L uscita di ciascun generatore è ottimizzata manualmente in modo da fornire una ampiezza che non stia mai al di sotto di una curva minima. Figura 7:Uscita coassiale di vari Refrad3000 e curva (rossa) di livello minimo Figura 8: Accoppiatore di antenna fissato alla punta dell antenna ricevente (log-periodica) -15-25 -35-45 -55 1 10 100 1000 10000 D) VERIFICA DI SISTEMA CON REFRAD3000 E ACCOPPIATORE DI ANTENNA L impiego di un Comb Generator come il RefRad3000 e di un accoppiatore di antenna dedicato consente la verifica di una antenna ricevente e dello strumento di misura collegato in modo veloce, semplice e ripetitivo. Il segnale del Comb Generator viene irradiato da un piccolo dipolo integrato nell accoppiatore, a sua volta posizionato in modo preciso in prossimità dell antenna ricevente come da Figura 8. Lo strumento ricevente misura la tensione al suo connettore di ingresso (dbm o dbuv) o, se si preferisce, il campo captato dall antenna ricevente (dbuv/m) Una misura accurata viene eseguita una prima volta creando un riferimento e ripetuta per confronto prima di iniziare una campagna di prove o quando nascano dei dubbi sulla validità dei risultati delle prove. Un difetto non visibile nell antenna (saldatura difettosa), nel cavo (connettore non ben serrato) o nell analizzatore stesso (attenuatore di ingresso rotto) o nel RefRad3000 stesso viene visualizzato immediatamente e senza fatica evitando misure sbagliate. La verifica risulta insensibile all ambiente circostante e può essere eseguita anche con dispositivi irradianti (EUT o trasmettitori) in camera e fuori. Tale verifica migliora la qualità delle misure dei campi (EMC o EMF) come da ISO 17025. La Figura 9 confronta i risultati di più verifiche di sistema eseguite in camera anecoica senza ferriti con il RefRad3000, accoppiatore modello CU6112 per antenna Bilog CBL 6112 A e ricevitore ESI 7. La Figura 10 mostra i risultati delle verifiche precedenti in forma più leggibile e più intuitiva per l identificazione della causa degli scostamenti tra le verifiche ed il riferimento.
-55-60 Figura 9: Misure per verifiche di sistema con antenna bilog CBL 6112 A. Output Level [dbm -65-70 -75-80 -85-90 -95 Reference Check 1 (ok) Check 2 (ok) Problem 1 Att. offset slack connector Problem 2 Problem 3 10 100 1000 10000 8 Figura 10: Risultati finali delle verifiche di sistema 6 4 Deviation [db] 2 0-2 Reference Check 1 (ok) -4 Check 2 (ok) Problem 1-6 Att. offset slack connector Problem 2 Problem 3-8 10 100 1000 10000 Il livello del segnale misurato, a causa dei cavi e dell accoppiamento tra antenna bilog e accoppiatore, fortemente dipendente dalla frequenza, è molto più basso del livello al connettore coassiale e più dipendente dalla frequenza. Si consiglia in caso di uso di software automatico di far rientrare nella verifica di sistema anche la routine software impiegata e le impostazioni dei parametri. Per ottenere le differenze evidenziate in Figura 9 abbiamo aggiunto un attenuatore nella catena di misura lato ricevitore, allentato un connettore oppure mascherato con assorbitori RF alcuni elementi dell antenna ricevente. Gli effetti, tipicamente selettivi in frequenza, consentono all operatore, dopo un minimo di pratica, una rapida identificazione della causa del problema. E) IMPATTO SULLA VERIFICA DI SISTEMA DI DIVERSI SET-UP E PERCORSI CAVI Per scoprire i limiti di impiego della procedura, sono stati fatti svariati esperimenti variando i percorsi dei cavi e la posizione dell antenna in camera. Le variazioni dei diagrammi al variare delle caratteristiche del set-up sono a volte minimi, a volte evidenti soltanto alle basse frequenze (la camera non aveva ferriti) ed in casi limiti molto marcati a varie frequenze di risonanza. Le curve risultanti, che sono disponibili a chi fosse interessato, non inserite nel documento per ragioni di spazio, sono molto utili per accrescere la sensibilità dell operatore e consentirgli di localizzare rapidamente e con sicurezza le cause delle anomalie che i diagrammi rivelano. Bibliografia [1] - EN ISO/IEC 17025 edizione 2005-08-01 [2] - H. J. Dirschmid Mathematische Grundlagen der Elektronik Friedr. Vieweg & Sohm Verlagsgesellshaft, Braunsweig, 1986, ISBN 3-528-03034-8