EMC laboratory measurement equipment validation : coaxial cable attenuation and antenna system impedance matching
Järveläinen, Axel (2025)
Kandidaatintyö
2025
School of Energy Systems, Sähkötekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025050536636
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2025050536636
Tiivistelmä
This paper aims to validate and improve the accuracy of electromagnetic compatibility (EMC) laboratory measurement equipment. The accuracy is investigated according to two phenomena, cable losses in coaxial cables and energy reflections caused by impedance mismatch between components in antenna systems. The effects of these phenomena on EMC testing are analysed and measured in this paper. Measuring these phenomena is crucial to ensure adequate testing capabilities and certainty in test results of an EMC laboratory.
The main measurement device used to measure the cable losses and the quality of the impedance matching in antenna systems is an Anritsu-made S331P vector network analyser, which is specially designed for these kinds of measurements. The S331P is capable of measuring the specific cable losses of a coaxial cable along a wide range of frequencies. In the specific EMC laboratory used in the making of this paper, the relevant test frequencies range from 150 MHz to 6 GHz. The S331P outputs precise frequency-dependent attenuation data, which can be used to verify if a cable is faulty and improve the accuracy of future EMC tests done using the cables in question. Accuracy can be improved through loss compensation, in which the lost energy in the cable is added to the EMC test results by the measurement software, improving the accuracy of the test results. As mentioned, the cable loss measurements are not only done to improve the accuracy of test results by cable loss compensation, but also to ensure that each cable is not faulty. Abnormally high losses, which deviate from expected datasheet values, can indicate that the cable is damaged and not suitable for precision testing. One such cable was found during the cable loss measurements done in this paper. The exterior of the cable had no signs of damage, highlighting the importance of the cable loss measurements. The faulty cable most likely would have continued to be in use due to the lack of external signs of damage.
The impedance matching measurements on antenna systems were done to ensure energy reflections due to mismatch in impedances do not affect EMC measurement accuracy in a significant way. The measurement results proved the impedance matching along the system was at acceptable levels, meaning only minimal reflections occurred, which do not affect measuring accuracy in a significant way. Even though this result was expected, it provides more confidence in the accuracy of future EMC measurements done with the systems, since the actual magnitude of reflections is now known and deemed negligible. Tämän työn tavoitteena on validoida ja parantaa sähkömagneettisen yhteensopivuuden (EMC) laboratoriomittauslaitteiden mittaustarkkuutta. Tarkkuutta tutkitaan kahden ilmiön perusteella: koaksiaalikaapeleiden vaimennuksen ja antennijärjestelmissä esiintyvien impedanssisovituksen virheistä aiheutuvien heijastumien kautta. Näiden ilmiöiden vaikutuksia EMC-testeihin analysoidaan ja mitataan tässä työssä. Näiden ilmiöiden mittaaminen on olennaista riittävien testausvalmiuksien ja mittaustulosten varmuuden varmistamiseksi.
Pääasiallinen mittauslaite, jota käytetään kaapelihäviöiden ja antennijärjestelmien impedanssisovituksen laadun mittaamiseen, on Anritsun valmistama S331P-vektoriverkkoanalysaattori, joka on erityisesti suunniteltu tämänkaltaisiin mittauksiin. S331P kykenee mittaamaan koaksiaalikaapelin taajuuskohtaisia häviöitä laajalla taajuusalueella. Tässä laboratoriossa olennaiset mittaustaajuudet vaihtelevat 150 MHz:n ja 6 GHz:n välillä. S331P mahdollistaa koaksiaalikaapeleiden suorituskyvyn tarkan karakterisoinnin tarjoamalla taajuusriippuvaista vaimennusdataa. Mittaustulosten avulla tulevia EMC-testejä voidaan parantaa tekemällä häviökompensaatioita, mikä parantaa testitulosten tarkkuutta.
Kaapelihäviömittauksia tehdään paitsi testitulosten tarkkuuden parantamiseksi häviökompensaation avulla, myös varmistamaan, etteivät kaapelit ole viallisia. Poikkeuksellisen suuret häviöt, jotka poikkeavat odotetuista valmistajan ilmoittamista arvoista, voivat viitata kaapelin vaurioitumiseen ja siihen, ettei kaapeli sovellu tarkkuustestaukseen. Yksi tällainen viallinen kaapeli löydettiin tämän työn aikana suoritetuissa kaapelihäviömittauksissa. Kaapelin ulkoisessa kunnossa ei ollut näkyviä vaurioita, mikä korostaa kaapelihäviömittausten tärkeyttä.
Antennijärjestelmien impedanssisovituksen mittaukset tehtiin varmistamaan, etteivät impedanssin eroista johtuvat heijastumat vaikuta merkittävästi EMC-mittausten tarkkuuteen. Mittaustulokset osoittivat, että järjestelmän impedanssisovitus oli hyväksyttävällä tasolla, mikä tarkoittaa, että heijastumat ovat vähäisiä eivätkä vaikuta mittaustarkkuuteen merkittävästi. Vaikka tämä tulos oli odotettu, se lisää luottamusta tulevien järjestelmällä tehtävien EMC-mittausten tarkkuuteen. (Suomenkielinen tiivistelmä käännätetty englanninkielisestä käyttäen tekoälyä)
The main measurement device used to measure the cable losses and the quality of the impedance matching in antenna systems is an Anritsu-made S331P vector network analyser, which is specially designed for these kinds of measurements. The S331P is capable of measuring the specific cable losses of a coaxial cable along a wide range of frequencies. In the specific EMC laboratory used in the making of this paper, the relevant test frequencies range from 150 MHz to 6 GHz. The S331P outputs precise frequency-dependent attenuation data, which can be used to verify if a cable is faulty and improve the accuracy of future EMC tests done using the cables in question. Accuracy can be improved through loss compensation, in which the lost energy in the cable is added to the EMC test results by the measurement software, improving the accuracy of the test results. As mentioned, the cable loss measurements are not only done to improve the accuracy of test results by cable loss compensation, but also to ensure that each cable is not faulty. Abnormally high losses, which deviate from expected datasheet values, can indicate that the cable is damaged and not suitable for precision testing. One such cable was found during the cable loss measurements done in this paper. The exterior of the cable had no signs of damage, highlighting the importance of the cable loss measurements. The faulty cable most likely would have continued to be in use due to the lack of external signs of damage.
The impedance matching measurements on antenna systems were done to ensure energy reflections due to mismatch in impedances do not affect EMC measurement accuracy in a significant way. The measurement results proved the impedance matching along the system was at acceptable levels, meaning only minimal reflections occurred, which do not affect measuring accuracy in a significant way. Even though this result was expected, it provides more confidence in the accuracy of future EMC measurements done with the systems, since the actual magnitude of reflections is now known and deemed negligible.
Pääasiallinen mittauslaite, jota käytetään kaapelihäviöiden ja antennijärjestelmien impedanssisovituksen laadun mittaamiseen, on Anritsun valmistama S331P-vektoriverkkoanalysaattori, joka on erityisesti suunniteltu tämänkaltaisiin mittauksiin. S331P kykenee mittaamaan koaksiaalikaapelin taajuuskohtaisia häviöitä laajalla taajuusalueella. Tässä laboratoriossa olennaiset mittaustaajuudet vaihtelevat 150 MHz:n ja 6 GHz:n välillä. S331P mahdollistaa koaksiaalikaapeleiden suorituskyvyn tarkan karakterisoinnin tarjoamalla taajuusriippuvaista vaimennusdataa. Mittaustulosten avulla tulevia EMC-testejä voidaan parantaa tekemällä häviökompensaatioita, mikä parantaa testitulosten tarkkuutta.
Kaapelihäviömittauksia tehdään paitsi testitulosten tarkkuuden parantamiseksi häviökompensaation avulla, myös varmistamaan, etteivät kaapelit ole viallisia. Poikkeuksellisen suuret häviöt, jotka poikkeavat odotetuista valmistajan ilmoittamista arvoista, voivat viitata kaapelin vaurioitumiseen ja siihen, ettei kaapeli sovellu tarkkuustestaukseen. Yksi tällainen viallinen kaapeli löydettiin tämän työn aikana suoritetuissa kaapelihäviömittauksissa. Kaapelin ulkoisessa kunnossa ei ollut näkyviä vaurioita, mikä korostaa kaapelihäviömittausten tärkeyttä.
Antennijärjestelmien impedanssisovituksen mittaukset tehtiin varmistamaan, etteivät impedanssin eroista johtuvat heijastumat vaikuta merkittävästi EMC-mittausten tarkkuuteen. Mittaustulokset osoittivat, että järjestelmän impedanssisovitus oli hyväksyttävällä tasolla, mikä tarkoittaa, että heijastumat ovat vähäisiä eivätkä vaikuta mittaustarkkuuteen merkittävästi. Vaikka tämä tulos oli odotettu, se lisää luottamusta tulevien järjestelmällä tehtävien EMC-mittausten tarkkuuteen. (Suomenkielinen tiivistelmä käännätetty englanninkielisestä käyttäen tekoälyä)