АнтеннаИзмерение — это процесс количественной оценки и анализа характеристик и параметров антенны. С помощью специального испытательного оборудования и методов измерения мы измеряем коэффициент усиления, диаграмму направленности, коэффициент стоячей волны, частотную характеристику и другие параметры антенны, чтобы проверить соответствие проектных характеристик требованиям, оценить производительность антенны и предложить рекомендации по ее улучшению. Результаты и данные измерений антенны могут быть использованы для оценки характеристик антенны, оптимизации конструкции, улучшения производительности системы, а также для предоставления рекомендаций и обратной связи производителям антенн и инженерам-разработчикам.
Необходимое оборудование для измерений антенн.
Для тестирования антенн наиболее фундаментальным устройством является векторный анализатор цепей (VNA). Простейший тип VNA — это однопортовый анализатор цепей, способный измерять импеданс антенны.
Измерение диаграммы направленности, коэффициента усиления и эффективности антенны — более сложная задача, требующая значительно большего оборудования. Мы будем называть измеряемую антенну AUT, что означает «антенна под испытанием». Необходимое оборудование для измерений антенны включает в себя:
Эталонная антенна — это антенна с известными характеристиками (коэффициент усиления, диаграмма направленности и т. д.).
Радиочастотный передатчик энергии — способ подачи энергии в испытываемую антенну.
Приёмная система — это система, определяющая, сколько мощности принимает эталонная антенна.
Система позиционирования — эта система используется для вращения тестовой антенны относительно антенны-источника с целью измерения диаграммы направленности излучения в зависимости от угла.
Блок-схема вышеуказанного оборудования показана на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема необходимого оборудования для измерения характеристик антенны.
Эти компоненты будут кратко рассмотрены. Референсная антенна, разумеется, должна хорошо излучать на желаемой тестовой частоте. Референсные антенны часто представляют собой двухполяризационные рупорные антенны, позволяющие одновременно измерять горизонтальную и вертикальную поляризацию.
Передающая система должна быть способна выдавать стабильный известный уровень мощности. Выходная частота также должна быть настраиваемой (выбираемой) и достаточно стабильной (стабильность означает, что частота, получаемая от передатчика, близка к желаемой частоте и не сильно меняется с температурой). Передатчик должен содержать очень мало энергии на всех остальных частотах (некоторая энергия всегда будет присутствовать за пределами желаемой частоты, но, например, на гармониках энергии должно быть немного).
Приемной системе достаточно определить, какая мощность принимается от тестовой антенны. Это можно сделать с помощью простого измерителя мощности, который представляет собой устройство для измерения мощности радиочастотного сигнала и может быть подключен непосредственно к клеммам антенны через линию передачи (например, коаксиальный кабель с разъемами N-типа или SMA). Обычно приемник имеет сопротивление 50 Ом, но при необходимости может иметь и другое сопротивление.
Следует отметить, что система передачи/приема часто заменяется векторным анализатором цепей (VNA). Измерение S21 передает частоту через порт 1 и регистрирует принимаемую мощность на порту 2. Следовательно, VNA хорошо подходит для этой задачи; однако это не единственный метод ее выполнения.
Система позиционирования контролирует ориентацию тестовой антенны. Поскольку мы хотим измерить диаграмму направленности тестовой антенны в зависимости от угла (обычно в сферических координатах), нам необходимо повернуть тестовую антенну так, чтобы антенна-источник освещала тестовую антенну под всеми возможными углами. Для этой цели используется система позиционирования. На рисунке 1 показано вращение тестируемой антенны. Следует отметить, что существует множество способов выполнения этого вращения; иногда поворачивается эталонная антенна, а иногда поворачиваются и эталонная, и тестируемая антенны.
Теперь, когда у нас есть все необходимое оборудование, мы можем обсудить, где проводить замеры.
Где лучше всего проводить измерения антенны? Возможно, вы хотели бы сделать это в своем гараже, но отражения от стен, потолка и пола сделают ваши измерения неточными. Идеальное место для проведения измерений антенны — это какой-нибудь уголок космоса, где не происходит отражений. Однако, поскольку космические путешествия в настоящее время непомерно дороги, мы сосредоточимся на местах измерений на поверхности Земли. Безэховая камера может использоваться для изоляции измерительной установки антенны, одновременно поглощая отраженную энергию с помощью радиочастотной поглощающей пены.
Безэховые камеры (диапазоны свободного пространства)
Измерительные полигоны свободного пространства — это площадки для антенных измерений, предназначенные для имитации измерений, которые проводились бы в космосе. То есть, все отраженные волны от близлежащих объектов и земли (которые нежелательны) подавляются в максимально возможной степени. Наиболее популярными измерительными полигонами свободного пространства являются безэховые камеры, возвышенные полигоны и компактные полигоны.
Безэховые камеры
Безэховые камеры представляют собой внутренние полигоны для испытаний антенн. Стены, потолок и пол облицованы специальным материалом, поглощающим электромагнитные волны. Внутренние полигоны предпочтительны, поскольку условия испытаний можно контролировать гораздо строже, чем на открытых площадках. Материал часто имеет зубчатую форму, что делает эти камеры довольно интересными для наблюдения. Зубчатые треугольные формы спроектированы таким образом, что отраженный от них сигнал имеет тенденцию распространяться в случайных направлениях, а сумма всех случайных отражений имеет тенденцию складываться некогерентно и, таким образом, дополнительно подавляться. На следующем рисунке показана безэховая камера вместе с некоторым испытательным оборудованием:
(На рисунке показан тест антенны RFMISO)
Недостатком безэховых камер является то, что они часто должны быть довольно большими. Зачастую антенны должны располагаться на расстоянии как минимум нескольких длин волн друг от друга, чтобы имитировать условия дальней зоны. Следовательно, для более низких частот с большими длинами волн нам нужны очень большие камеры, но стоимость и практические ограничения часто ограничивают их размер. Известно, что некоторые оборонные компании, занимающиеся измерением радиолокационной заметности крупных самолетов или других объектов, имеют безэховые камеры размером с баскетбольную площадку, хотя это и не является обычным явлением. В университетах, где есть безэховые камеры, обычно используются камеры длиной, шириной и высотой 3-5 метров. Из-за ограничений по размеру и потому, что радиочастотные поглощающие материалы обычно лучше всего работают на частотах УВЧ и выше, безэховые камеры чаще всего используются для частот выше 300 МГц.
Возвышенные хребты
Высотные полигоны — это полигоны открытого типа. В такой конфигурации источник и тестируемая антенна устанавливаются над землей. Эти антенны могут располагаться на горах, башнях, зданиях или в любом другом подходящем месте. Это часто делается для очень больших антенн или на низких частотах (ОВЧ и ниже, <100 МГц), где измерения в помещении были бы невозможны. Базовая схема возвышенного полигона показана на рисунке 2.
Рисунок 2. Иллюстрация увеличенного диапазона.
Антенна-источник (или эталонная антенна) не обязательно должна находиться на большей высоте, чем испытательная антенна, я просто показал это таким образом. Прямая видимость между двумя антеннами (показана черным лучом на рисунке 2) должна быть беспрепятственной. Все остальные отражения (например, красный луч, отраженный от земли) нежелательны. На больших расстояниях, после определения местоположения антенны-источника и испытательной антенны, операторы определяют, где будут происходить значительные отражения, и пытаются минимизировать отражения от этих поверхностей. Часто для этой цели используется радиочастотный поглощающий материал или другой материал, отклоняющий лучи от испытательной антенны.
Компактные плиты
Антенна-источник должна быть размещена в дальней зоне измерительной антенны. Причина в том, что для максимальной точности принимаемая измерительной антенной волна должна быть плоской. Поскольку антенны излучают сферические волны, антенна должна находиться достаточно далеко, чтобы излучаемая антенной-источником волна была приблизительно плоской (см. рисунок 3).
Рисунок 3. Антенна-источник излучает волну со сферическим волновым фронтом.
Однако в закрытых помещениях часто недостаточно места для достижения этой цели. Один из способов решения этой проблемы — использование компактного диапазона. В этом методе антенна-источник ориентируется на отражатель, форма которого разработана таким образом, чтобы отражать сферическую волну приблизительно в плоскости. Это очень похоже на принцип работы параболической антенны. Основной принцип работы показан на рисунке 4.
Рисунок 4. Компактный диапазон — сферические волны от антенны-источника отражаются, образуя плоскую (коллимированную) форму.
Длина параболического отражателя обычно желательно в несколько раз больше длины тестовой антенны. Антенна-источник на рисунке 4 смещена относительно отражателя таким образом, чтобы не препятствовать отражению лучей. Также необходимо соблюдать осторожность, чтобы исключить прямое излучение (взаимную связь) от антенны-источника к тестовой антенне.
Дата публикации: 03.01.2024
