AntenaPomiar to proces ilościowej oceny i analizy działania oraz charakterystyki anteny. Używając specjalistycznego sprzętu testowego i metod pomiarowych, mierzymy wzmocnienie, charakterystykę promieniowania, współczynnik fali stojącej, odpowiedź częstotliwościową i inne parametry anteny, aby sprawdzić, czy specyfikacje projektowe anteny spełniają wymagania, sprawdzić jej wydajność i przedstawić sugestie dotyczące ulepszeń. Wyniki i dane z pomiarów anten mogą być wykorzystane do oceny działania anteny, optymalizacji projektów, poprawy wydajności systemu oraz do udzielania wskazówek i informacji zwrotnych producentom anten i inżynierom aplikacji.
Wymagany sprzęt do pomiarów antenowych
Do testowania anten najbardziej podstawowym urządzeniem jest VNA. Najprostszym typem VNA jest model VNA z 1 portem, który umożliwia pomiar impedancji anteny.
Pomiar charakterystyki promieniowania, zysku i wydajności anteny jest trudniejszy i wymaga znacznie więcej sprzętu. Antenę, która ma być mierzona, nazwiemy AUT, co oznacza „antena w trakcie testu”. Sprzęt wymagany do pomiaru anteny obejmuje:
Antena referencyjna – antena o znanych parametrach (zysk, charakterystyka itp.)
Nadajnik mocy RF – sposób wprowadzania energii do AUT [anteny pod testem]
System odbiorczy – określa, ile mocy odbiera antena referencyjna
System pozycjonowania – System ten służy do obracania anteny testowej względem anteny źródłowej w celu pomiaru charakterystyki promieniowania jako funkcji kąta.
Schemat blokowy powyższego sprzętu pokazano na rysunku 1.
Rysunek 1. Schemat niezbędnego sprzętu do pomiaru anten.
Te elementy zostaną pokrótce omówione. Antena referencyjna powinna oczywiście dobrze promieniować na żądanej częstotliwości testowej. Anteny referencyjne to często anteny tubowe o podwójnej polaryzacji, co umożliwia jednoczesny pomiar polaryzacji poziomej i pionowej.
System nadawczy powinien być zdolny do generowania stabilnego, znanego poziomu mocy wyjściowej. Częstotliwość wyjściowa powinna być również dostrajalna (wybieralna) i w miarę stabilna (stabilna oznacza, że częstotliwość odbierana z nadajnika jest zbliżona do częstotliwości docelowej i nie zmienia się znacząco wraz z temperaturą). Nadajnik powinien zawierać bardzo mało energii przy wszystkich pozostałych częstotliwościach (zawsze będzie występować pewna ilość energii poza częstotliwością docelową, ale na przykład przy harmonicznych nie powinno być jej dużo).
System odbiorczy musi jedynie określić moc odbieraną z anteny testowej. Można to zrobić za pomocą prostego miernika mocy, który jest urządzeniem do pomiaru mocy RF (częstotliwości radiowej) i może być podłączony bezpośrednio do zacisków antenowych za pomocą linii transmisyjnej (takiej jak kabel koncentryczny ze złączami typu N lub SMA). Zazwyczaj odbiornik to system o impedancji 50 omów, ale może mieć inną impedancję, jeśli jest to wymagane.
Należy pamiętać, że system nadawczo-odbiorczy jest często zastępowany przez analizator wektorów (VNA). Pomiar S21 przesyła częstotliwość z portu 1 i rejestruje moc odbieraną w porcie 2. W związku z tym analizator wektorów (VNA) doskonale nadaje się do tego zadania; nie jest to jednak jedyna metoda realizacji tego zadania.
System pozycjonowania kontroluje orientację anteny testowej. Ponieważ chcemy zmierzyć charakterystykę promieniowania anteny testowej w funkcji kąta (zazwyczaj we współrzędnych sferycznych), musimy obrócić antenę testową tak, aby antena źródłowa oświetlała ją pod każdym możliwym kątem. W tym celu wykorzystywany jest system pozycjonowania. Na rysunku 1 przedstawiono obrót AUT. Należy zauważyć, że istnieje wiele sposobów wykonania tego obrotu; czasami obraca się antenę referencyjną, a czasami obraca się zarówno antenę referencyjną, jak i AUT.
Teraz, gdy mamy już cały potrzebny sprzęt, możemy omówić miejsce wykonania pomiarów.
Gdzie najlepiej wykonać pomiary anten? Być może chciałbyś to zrobić w swoim garażu, ale odbicia od ścian, sufitów i podłogi sprawiłyby, że pomiary byłyby niedokładne. Idealnym miejscem do przeprowadzenia pomiarów anten jest przestrzeń kosmiczna, gdzie odbicia nie występują. Jednak ze względu na wysokie koszty podróży kosmicznych, skupimy się na miejscach pomiarowych na powierzchni Ziemi. Komora bezechowa może być użyta do odizolowania stanowiska testowego anteny, a jednocześnie pochłaniać odbite promieniowanie za pomocą pianki pochłaniającej fale radiowe.
Komory bezechowe (przestrzenie wolne)
Zasięgi w wolnej przestrzeni to miejsca pomiarów antenowych zaprojektowane w celu symulacji pomiarów, które byłyby wykonywane w kosmosie. Oznacza to, że wszystkie fale odbite od pobliskich obiektów i gruntu (które są niepożądane) są tłumione w maksymalnym możliwym stopniu. Najpopularniejsze zasięgi w wolnej przestrzeni to komory bezechowe, zasięgi podwyższone i zasięg kompaktowy.
Komory bezechowe
Komory bezechowe to wewnętrzne anteny spektralne. Ściany, sufity i podłoga pokryte są specjalnym materiałem pochłaniającym fale elektromagnetyczne. Zasięgi wewnętrzne są pożądane, ponieważ pozwalają na znacznie ściślejszą kontrolę warunków testowych niż w przypadku anten zewnętrznych. Materiał często ma również nieregularny kształt, co czyni te komory niezwykle interesującymi. Nieregularne, trójkątne kształty są zaprojektowane tak, aby odbite od nich fale rozpraszały się w przypadkowych kierunkach, a suma wszystkich przypadkowych odbić powodowała niespójne sumowanie i w ten sposób dalsze tłumienie. Na poniższym rysunku przedstawiono komorę bezechową wraz z niektórymi urządzeniami testowymi:
(Na zdjęciu widoczny jest test anteny RFMISO)
Wadą komór bezechowych jest to, że często muszą być dość duże. Często anteny muszą być oddalone od siebie o co najmniej kilka długości fal, aby symulować warunki dalekiego pola. Dlatego dla niższych częstotliwości o dużych długościach fal potrzebujemy bardzo dużych komór, ale koszty i ograniczenia praktyczne często ograniczają ich rozmiar. Wiadomo, że niektóre firmy obronne, które mierzą przekrój czynny radaru dużych samolotów lub innych obiektów, mają komory bezechowe wielkości boiska do koszykówki, choć nie jest to powszechne. Uniwersytety z komorami bezechowymi zazwyczaj mają komory o długości, szerokości i wysokości 3-5 metrów. Ze względu na ograniczenia dotyczące rozmiaru oraz ponieważ materiał pochłaniający fale radiowe zazwyczaj najlepiej sprawdza się w zakresie UHF i wyższych, komory bezechowe są najczęściej używane dla częstotliwości powyżej 300 MHz.
Podwyższone zakresy
Zakresy podwyższone to zakresy zewnętrzne. W tym przypadku źródło i testowana antena są zamontowane nad ziemią. Anteny te mogą znajdować się na górach, wieżach, budynkach lub w dowolnym innym odpowiednim miejscu. Często stosuje się to w przypadku bardzo dużych anten lub niskich częstotliwości (VHF i niższych, <100 MHz), gdzie pomiary w pomieszczeniach byłyby trudne do wykonania. Podstawowy schemat zakresu podwyższonego przedstawiono na rysunku 2.
Rysunek 2. Ilustracja zakresu podwyższonego.
Antena źródłowa (lub antena odniesienia) niekoniecznie znajduje się wyżej niż antena testowa, co właśnie pokazałem tutaj. Linia widzenia (LOS) między dwiema antenami (oznaczona czarnym promieniem na rysunku 2) musi być niczym niezakłócona. Wszelkie inne odbicia (takie jak czerwony promień odbity od podłoża) są niepożądane. W przypadku odległości na dużej wysokości, po ustaleniu lokalizacji źródła i anteny testowej, operatorzy testowi określają miejsca występowania znaczących odbić i starają się zminimalizować odbicia od tych powierzchni. Często w tym celu stosuje się materiał pochłaniający fale radiowe (RF) lub inny materiał, który odbija promienie od anteny testowej.
Kompaktowe zakresy
Antena źródłowa musi być umieszczona w polu dalekim anteny testowej. Wynika to z faktu, że fala odbierana przez antenę testową powinna być falą płaską, aby zapewnić maksymalną dokładność. Ponieważ anteny emitują fale sferyczne, antena musi być umieszczona wystarczająco daleko, aby fala emitowana z anteny źródłowej była w przybliżeniu falą płaską – patrz rysunek 3.
Rysunek 3. Antena źródłowa emituje falę o kulistym froncie fali.
Jednak w przypadku komór wewnętrznych często nie ma wystarczającej separacji, aby to osiągnąć. Jedną z metod rozwiązania tego problemu jest zastosowanie kompaktowego zakresu. W tej metodzie antena źródłowa jest skierowana w stronę reflektora, którego kształt jest zaprojektowany tak, aby odbijać falę sferyczną w sposób zbliżony do płaskiego. Jest to bardzo podobne do zasady działania anteny talerzowej. Podstawową zasadę działania przedstawiono na rysunku 4.
Rysunek 4. Zasięg kompaktowy – fale sferyczne od anteny źródłowej są odbijane i stają się płaskie (skolimowane).
Długość reflektora parabolicznego powinna być zazwyczaj kilkakrotnie większa od długości anteny testowej. Antena źródłowa na rysunku 4 jest przesunięta względem reflektora, aby nie przeszkadzała promieniom odbitym. Należy również zachować ostrożność, aby zapobiec bezpośredniemu promieniowaniu (wzajemnemu sprzężeniu) między anteną źródłową a anteną testową.
Czas publikacji: 03-01-2024
