АнтенаВимірювання – це процес кількісної оцінки та аналізу продуктивності та характеристик антени. За допомогою спеціального випробувального обладнання та методів вимірювання ми вимірюємо коефіцієнт підсилення, діаграму спрямованості, коефіцієнт стоячої хвилі, частотну характеристику та інші параметри антени, щоб перевірити, чи відповідають проектні характеристики антени вимогам, перевірити продуктивність антени та надати пропозиції щодо покращення. Результати та дані вимірювань антени можуть бути використані для оцінки продуктивності антени, оптимізації конструкцій, покращення продуктивності системи, а також надання рекомендацій та зворотного зв'язку виробникам антен та інженерам-застосовувачам.
Необхідне обладнання для вимірювань антен
Для тестування антен найфундаментальнішим пристроєм є векторний аналізатор послідовних ланцюжків (VNA). Найпростішим типом VNA є однопортовий VNA, який здатний вимірювати імпеданс антени.
Вимірювання діаграми спрямованості, коефіцієнта посилення та ефективності антени є складнішим і вимагає набагато більше обладнання. Ми називатимемо антену, яку потрібно виміряти, AUT, що розшифровується як Антенна, що тестується (Antena Under Test). Необхідне обладнання для вимірювань антени включає:
Опорна антена - антена з відомими характеристиками (коефіцієнт посилення, діаграма спрямованості тощо)
Передавач потужності радіочастотного сигналу – спосіб подачі енергії в антену, що тестується [Antenna Under Test]
Приймальна система — визначає, яку потужність приймає опорна антена.
Система позиціонування – ця система використовується для обертання тестової антени відносно антени джерела, щоб виміряти діаграму спрямованості як функцію кута.
Блок-схема вищезгаданого обладнання показана на рисунку 1.
Рисунок 1. Схема необхідного вимірювального обладнання антени.
Ці компоненти будуть коротко обговорені. Еталонна антена, звичайно, повинна добре випромінювати на потрібній тестовій частоті. Еталонні антени часто є рупорними антенами з подвійною поляризацією, тому горизонтальну та вертикальну поляризацію можна вимірювати одночасно.
Передавальна система повинна бути здатною видавати стабільний відомий рівень потужності. Вихідна частота також повинна бути налаштовуваною (вибираною) та досить стабільною (стабільна означає, що частота, яку ви отримуєте від передавача, близька до потрібної частоти, не сильно змінюється залежно від температури). Передавач повинен містити дуже мало енергії на всіх інших частотах (завжди буде певна енергія поза потрібною частотою, але, наприклад, на гармоніках не повинно бути багато енергії).
Приймальній системі просто потрібно визначити, яка потужність отримується від тестованої антени. Це можна зробити за допомогою простого вимірювача потужності, який є пристроєм для вимірювання потужності радіочастот (РЧ) і може бути підключений безпосередньо до клем антени через лінію передачі (наприклад, коаксіальний кабель з роз'ємами N-типу або SMA). Зазвичай приймач має опір 50 Ом, але може мати інший імпеданс, якщо вказано інше.
Зверніть увагу, що система передачі/прийому часто замінюється векторним аналізатором послідовностей (VNA). Вимірювання S21 передає частоту з порту 1 та записує прийняту потужність на порту 2. Отже, VNA добре підходить для цього завдання; однак це не єдиний метод виконання цього завдання.
Система позиціонування контролює орієнтацію тестової антени. Оскільки ми хочемо виміряти діаграму спрямованості тестової антени як функцію кута (зазвичай у сферичних координатах), нам потрібно повернути тестову антену так, щоб вихідна антена освітлювала тестову антену з усіх можливих кутів. Для цієї мети використовується система позиціонування. На рисунку 1 показано обертання AUT. Зауважте, що існує багато способів виконати це обертання; іноді повертається опорна антена, а іноді обертаються як опорна, так і AUT антени.
Тепер, коли у нас є все необхідне обладнання, ми можемо обговорити, де проводити вимірювання.
Де знайти гарне місце для вимірювань антени? Можливо, ви хотіли б зробити це у своєму гаражі, але відбиття від стін, стель та підлоги зроблять ваші вимірювання неточними. Ідеальне місце для проведення вимірювань антени – це десь у космосі, де не може виникати відбиттів. Однак, оскільки космічні польоти наразі є непомірно дорогими, ми зосередимося на місцях вимірювань, які знаходяться на поверхні Землі. Безлунну камеру можна використовувати для ізоляції випробувальної установки антени, поглинаючи відбиту енергію за допомогою піни, що поглинає радіочастоти.
Вільні просторові діапазони (безлунні камери)
Діапазони у вільному просторі – це місця вимірювання антен, призначені для імітації вимірювань, які б проводилися в космосі. Тобто, всі відбиті хвилі від сусідніх об'єктів та землі (які є небажаними) максимально пригнічуються. Найпопулярнішими діапазонами у вільному просторі є безлунні камери, підняті діапазони та компактний діапазон.
Безлунні камери
Безлунні камери – це внутрішні антенні полігони. Стіни, стелі та підлога викладені спеціальним матеріалом, що поглинає електромагнітні хвилі. Внутрішні полігони є бажаними, оскільки умови випробувань можна набагато чіткіше контролювати, ніж на зовнішніх полігонах. Матеріал також часто має зубчасту форму, що робить ці камери досить цікавими для спостереження. Зубчасті трикутні форми розроблені таким чином, що те, що відбивається від них, має тенденцію поширюватися у випадкових напрямках, а те, що додається з усіх випадкових відбиттів, має тенденцію до некогерентного додавання і таким чином ще більше пригнічується. Зображення безлунної камери показано на наступному малюнку разом із деяким випробувальним обладнанням:
(На зображенні показано тест антени RFMISO)
Недоліком безехових камер є те, що вони часто повинні бути досить великими. Часто антени повинні знаходитися щонайменше на відстані кількох довжин хвиль одна від одної, щоб імітувати умови далекого поля. Отже, для нижчих частот з великими довжинами хвиль нам потрібні дуже великі камери, але вартість та практичні обмеження часто обмежують їхній розмір. Відомо, що деякі оборонні підрядні компанії, які вимірюють радіолокаційний поперечний переріз великих літаків або інших об'єктів, мають безехові камери розміром з баскетбольні майданчики, хоча це не є звичайним явищем. Університети з безеховими камерами зазвичай мають камери довжиною, шириною та висотою 3-5 метрів. Через обмеження розміру, а також тому, що матеріал, що поглинає радіочастоти, зазвичай найкраще працює в діапазоні УВЧ і вище, безехові камери найчастіше використовуються для частот вище 300 МГц.
Підняті хребти
Підняті діапазони – це зовнішні діапазони. У цій установці джерело та антена, що тестується, встановлені над землею. Ці антени можуть бути розташовані на горах, вежах, будівлях або будь-якому іншому підходящому місці. Це часто робиться для дуже великих антен або на низьких частотах (УКХ і нижче, <100 МГц), де вимірювання в приміщенні були б неможливими. Основна схема піднятого діапазону показана на рисунку 2.
Рисунок 2. Ілюстрація підвищеного діапазону.
Джерело антени (або опорна антена) не обов'язково розташовується вище, ніж тестова антена, я просто показав це тут. Лінія зору (LOS) між двома антенами (показана чорним променем на рисунку 2) повинна бути вільною. Усі інші відбиття (такі як червоний промінь, відбитий від землі) є небажаними. Для високих діапазонів, після визначення місця розташування джерела та тестової антени, оператори випробувань визначають, де відбуватимуться значні відбиття, і намагаються мінімізувати відбиття від цих поверхонь. Часто для цієї мети використовується матеріал, що поглинає радіочастотні хвилі, або інший матеріал, який відхиляє промені від тестової антени.
Компактні лінійки
Джерело антени має бути розміщене в дальній зоні випробуваної антени. Причина полягає в тому, що хвиля, яку приймає випробувана антена, має бути плоскою хвилею для максимальної точності. Оскільки антени випромінюють сферичні хвилі, антена повинна бути достатньо далеко, щоб хвиля, що випромінюється джерелом антени, була приблизно плоскою хвилею - див. Рисунок 3.
Рисунок 3. Джерело антени випромінює хвилю зі сферичним хвильовим фронтом.
Однак, для внутрішніх камер часто недостатньо розділення, щоб досягти цього. Один із методів вирішення цієї проблеми — компактний діапазон. У цьому методі антена-джерело орієнтована на рефлектор, форма якого розроблена для відбиття сферичної хвилі приблизно площинним чином. Це дуже схоже на принцип, за яким працює параболічна антена. Основний принцип роботи показано на рисунку 4.
Рисунок 4. Компактний діапазон – сферичні хвилі від антени джерела відбиваються, стаючи плоскими (колімованими).
Зазвичай бажано, щоб довжина параболічного рефлектора була в кілька разів більшою за довжину тестової антени. Джерело антени на рисунку 4 зміщено відносно рефлектора, щоб не заважати відбитим променям. Також слід бути обережним, щоб запобігти будь-якому прямому випромінюванню (взаємному зв'язку) від джерела антени до тестової антени.
Час публікації: 03 січня 2024 р.
