АнтеннаИзмерение – это процесс количественной оценки и анализа характеристик антенны. Используя специальное испытательное оборудование и методы измерений, мы измеряем коэффициент усиления, диаграмму направленности, коэффициент стоячей волны, частотную характеристику и другие параметры антенны, чтобы проверить соответствие проектных характеристик антенны требованиям, проверить её характеристики и предоставить предложения по улучшению. Результаты и данные измерений антенны могут быть использованы для оценки характеристик антенны, оптимизации конструкции, повышения производительности системы, а также для предоставления рекомендаций и обратной связи производителям антенн и инженерам по применению.
Необходимое оборудование для антенных измерений
Для тестирования антенн наиболее простым устройством является векторный анализатор цепей (VNA). Простейшим типом VNA является однопортовый векторный анализатор цепей (VNA), который способен измерять импеданс антенны.
Измерение диаграммы направленности, коэффициента усиления и эффективности антенны — более сложная задача, требующая гораздо большего количества оборудования. Мы будем называть измеряемую антенну AUT (тестируемая антенна). Для измерения антенн требуется следующее оборудование:
Эталонная антенна — антенна с известными характеристиками (коэффициент усиления, диаграмма направленности и т. д.)
Передатчик радиочастотной энергии — способ подачи энергии в испытываемую антенну (AUT)
Система приемника. Она определяет, сколько мощности принимает опорная антенна.
Система позиционирования. Эта система используется для поворота испытательной антенны относительно исходной антенны для измерения диаграммы направленности как функции угла.
Блок-схема вышеуказанного оборудования представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема необходимого антенно-измерительного оборудования.
Эти компоненты будут кратко рассмотрены. Эталонная антенна, конечно же, должна обеспечивать хорошее излучение на желаемой тестовой частоте. Эталонные антенны часто представляют собой рупорные антенны с двойной поляризацией, что позволяет одновременно измерять горизонтальную и вертикальную поляризацию.
Передающая система должна обеспечивать стабильный уровень выходной мощности. Выходная частота также должна быть настраиваемой (выбираемой) и достаточно стабильной (стабильность означает, что частота, получаемая от передатчика, близка к требуемой и не сильно меняется с температурой). Передатчик должен содержать очень мало энергии на всех остальных частотах (некоторая энергия вне требуемой частоты всегда будет присутствовать, но, например, на гармониках её должно быть немного).
Приёмной системе необходимо просто определить мощность сигнала, принимаемого от тестовой антенны. Это можно сделать с помощью простого измерителя мощности, представляющего собой прибор для измерения мощности радиочастотного сигнала, подключаемый непосредственно к клеммам антенны через линию передачи (например, коаксиальный кабель с разъёмами N-типа или SMA). Обычно приёмник имеет сопротивление 50 Ом, но может иметь и другое сопротивление, если это указано.
Обратите внимание, что система приёма/передачи часто заменяется векторным анализатором цепей (VNA). При измерении S21 частота передаётся с порта 1, а мощность принимаемого сигнала регистрируется на порту 2. Таким образом, векторный анализатор цепей (VNA) хорошо подходит для решения этой задачи, однако это не единственный способ её решения.
Система позиционирования управляет ориентацией испытательной антенны. Поскольку мы хотим измерить диаграмму направленности испытательной антенны как функцию угла (обычно в сферических координатах), необходимо повернуть испытательную антенну так, чтобы исходная антенна освещала испытательную антенну со всех возможных углов. Для этой цели используется система позиционирования. На рисунке 1 показан поворот проверяемого устройства (AUT). Обратите внимание, что существует множество способов выполнить этот поворот: иногда вращается опорная антенна, а иногда вращаются обе антенны: опорная и AUT.
Теперь, когда у нас есть все необходимое оборудование, мы можем обсудить, где проводить измерения.
Где лучше всего проводить измерения антенн? Возможно, вы предпочтёте сделать это в гараже, но отражения от стен, потолка и пола сделают ваши измерения неточными. Идеальное место для измерений антенн — где-нибудь в космосе, где отражения отсутствуют. Однако, поскольку космические полёты в настоящее время чрезвычайно дороги, мы сосредоточимся на местах измерений на поверхности Земли. Для изоляции испытательной установки антенны можно использовать безэховую камеру, поглощающую отражённую энергию с помощью поглощающей радиочастотную энергию пены.
Свободные пространства (безэховые камеры)
Полигоны для измерения в открытом пространстве — это места для измерения антенн, предназначенные для имитации измерений, проводимых в космосе. Это означает, что все нежелательные отраженные волны от близлежащих объектов и земли максимально подавляются. Наиболее популярными полигонами для измерения в открытом пространстве являются безэховые камеры, полигоны с возвышенным расположением и компактные полигоны.
Безэховые камеры
Безэховые камеры – это внутренние антенные полигоны. Стены, потолки и пол покрыты специальным материалом, поглощающим электромагнитные волны. Внутренние полигоны предпочтительны, поскольку позволяют гораздо точнее контролировать условия испытаний, чем наружные. Материал часто имеет неровную форму, что делает эти камеры весьма интересными для наблюдения. Зубчатые треугольные формы спроектированы таким образом, что отраженный от них сигнал имеет тенденцию распространяться в случайных направлениях, а суммарный сигнал всех случайных отражений имеет тенденцию суммироваться некогерентно и, таким образом, ещё больше подавляется. 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. Часто антенны должны находиться 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 компании-подрядчики в сфере обороны, которые измеряют ЭПР больших самолетов или других объектов, имеют безэховые камеры размером с баскетбольные площадки, хотя это необычно. Университеты с безэховыми камерами обычно имеют камеры 3-5 метров в длину, ширину и высоту. Из-за ограничений по размеру, а также потому, что поглощающий радиочастоты материал обычно лучше всего работает в диапазоне УВЧ и выше, безэховые камеры чаще всего используются для частот выше 300 МГц.
Возвышенные хребты
Надземные полигоны – это полигоны для работы вне помещений. В этой конфигурации источник и исследуемая антенна устанавливаются над землёй. Эти антенны могут располагаться на горах, башнях, зданиях или в любом другом удобном месте. Это часто применяется для очень больших антенн или на низких частотах (ОВЧ и ниже, <100 МГц), где измерения внутри помещений затруднительны. Принципиальная схема надземного полигона показана на рисунке 2.
Рисунок 2. Иллюстрация возвышенного диапазона.
Источник излучения (или эталонная антенна) не обязательно находится выше испытательной антенны, я просто показал это здесь. Линия прямой видимости (LOS) между двумя антеннами (показана чёрным лучом на рисунке 2) должна быть беспрепятственной. Все остальные отражения (например, красный луч, отражённый от земли) нежелательны. На больших расстояниях, после определения местоположения источника и испытательной антенны, операторы испытаний определяют, где будут возникать значимые отражения, и стараются минимизировать их. Часто для этой цели используется материал, поглощающий радиочастоты, или другой материал, отклоняющий лучи от испытательной антенны.
Компактные серии
Антенна-источник должна быть расположена в дальней зоне измерительной антенны. Это связано с тем, что для максимальной точности волна, принимаемая измерительной антенной, должна быть плоской. Поскольку антенны излучают сферические волны, антенна должна располагаться достаточно далеко, чтобы волна, излучаемая антенной-источником, была приблизительно плоской (см. рисунок 3).
Рисунок 3. Исходная антенна излучает волну со сферическим волновым фронтом.
Однако в закрытых помещениях для достижения этой цели зачастую недостаточно разделения. Одним из способов решения этой проблемы является использование компактного полигона. В этом случае антенна-источник направлена на рефлектор, форма которого разработана таким образом, чтобы отражать сферическую волну практически плоско. Это очень похоже на принцип работы параболической антенны. Принцип работы показан на рисунке 4.
Рисунок 4. Компактный диапазон — сферические волны от исходной антенны отражаются и становятся плоскими (коллимированными).
Обычно желательно, чтобы длина параболического рефлектора была в несколько раз больше длины испытательной антенны. Излучающая антенна на рисунке 4 смещена относительно рефлектора, чтобы не препятствовать отраженным лучам. Также необходимо следить за тем, чтобы исключить прямое излучение (взаимную связь) от излучающей антенны к испытательной антенне.
Время публикации: 03 января 2024 г.
