Антеннаизмерение — это процесс количественной оценки и анализа производительности и характеристик антенны. Используя специальное испытательное оборудование и методы измерения, мы измеряем усиление, диаграмму направленности, коэффициент стоячей волны, частотную характеристику и другие параметры антенны, чтобы проверить, соответствуют ли проектные характеристики антенны требованиям, проверить производительность антенны и предоставить предложения по улучшению. Результаты и данные измерений антенны могут быть использованы для оценки производительности антенны, оптимизации конструкций, улучшения 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 фундаментальным устройством является векторный анализатор цепей (VNA). Самый простой тип векторного анализатора цепей — это однопортовый векторный анализатор цепей (VNA), который способен измерять импеданс антенны.
Измерение диаграммы направленности антенны, усиления и эффективности более сложно и требует гораздо больше оборудования. Мы будем называть измеряемую антенну AUT, что означает Antenna Under Test (тестируемая антенна). Необходимое оборудование для измерения антенны включает:
Эталонная антенна — антенна с известными характеристиками (усиление, диаграмма направленности и т. д.)
Передатчик радиочастотной мощности — способ подачи энергии в испытываемую антенну (AUT)
Система приемника — определяет, какую мощность принимает опорная антенна.
Система позиционирования. Эта система используется для поворота тестовой антенны относительно исходной антенны с целью измерения диаграммы направленности в зависимости от угла.
Структурная схема вышеуказанного оборудования представлена на рисунке 1.
Рисунок 1. Схема необходимого антенно-измерительного оборудования.
Эти компоненты будут кратко рассмотрены. Конечно, эталонная антенна должна хорошо излучать на желаемой тестовой частоте. Эталонные антенны часто представляют собой двухполяризованные рупорные антенны, так что горизонтальную и вертикальную поляризацию можно измерять одновременно.
Передающая система должна быть способна выводить стабильный известный уровень мощности. Выходная частота также должна быть настраиваемой (выбираемой) и достаточно стабильной (стабильность означает, что частота, которую вы получаете от передатчика, близка к желаемой частоте и не сильно меняется с температурой). Передатчик должен содержать очень мало энергии на всех других частотах (всегда будет некоторая энергия за пределами желаемой частоты, но не должно быть много энергии на гармониках, например).
Приемной системе просто нужно определить, сколько мощности принимает тестовая антенна. Это можно сделать с помощью простого измерителя мощности, который представляет собой устройство для измерения мощности РЧ (радиочастотной) и может быть подключен непосредственно к клеммам антенны через линию передачи (например, коаксиальный кабель с разъемами N-типа или SMA). Обычно приемник представляет собой систему с сопротивлением 50 Ом, но может иметь и другое сопротивление, если указано.
Обратите внимание, что система передачи/приема часто заменяется VNA. Измерение S21 передает частоту из порта 1 и регистрирует полученную мощность на порту 2. Таким образом, VNA хорошо подходит для этой задачи; однако это не единственный метод выполнения этой задачи.
Система позиционирования управляет ориентацией тестовой антенны. Поскольку мы хотим измерить диаграмму направленности тестовой антенны как функцию угла (обычно в сферических координатах), нам нужно повернуть тестовую антенну так, чтобы исходная антенна освещала тестовую антенну со всех возможных углов. Для этой цели используется система позиционирования. На рисунке 1 мы показываем, как AUT поворачивается. Обратите внимание, что существует много способов выполнить это вращение; иногда поворачивается опорная антенна, а иногда поворачиваются и опорная, и AUT антенны.
Теперь, когда у нас есть все необходимое оборудование, мы можем обсудить, где проводить измерения.
Где хорошее место для наших антенных измерений? Возможно, вы хотели бы сделать это в своем гараже, но отражения от стен, потолка и пола сделают ваши измерения неточными. Идеальное место для выполнения антенных измерений — где-то в открытом космосе, где не может быть отражений. Однако, поскольку космические полеты в настоящее время чрезмерно дороги, мы сосредоточимся на местах измерений, которые находятся на поверхности Земли. Безэховая камера может использоваться для изоляции испытательной установки антенны, поглощая отраженную энергию с помощью поглощающей РЧ пены.
Свободные пространственные диапазоны (безэховые камеры)
Полигоны свободного пространства — это места измерения антенн, предназначенные для имитации измерений, которые будут проводиться в космосе. То есть все отраженные волны от близлежащих объектов и земли (которые нежелательны) подавляются максимально. Наиболее популярными полигонами свободного пространства являются безэховые камеры, приподнятые полигоны и компактный полигон.
Безэховые камеры
Безэховые камеры — это внутренние антенные полигоны. Стены, потолки и пол облицованы специальным материалом, поглощающим электромагнитные волны. Внутренние полигоны желательны, поскольку условия испытаний можно контролировать гораздо более строго, чем на внешних полигонах. Материал часто имеет зубчатую форму, что делает эти камеры довольно интересными для наблюдения. Зубчатые треугольные формы спроектированы таким образом, что то, что отражается от них, имеет тенденцию распространяться в случайных направлениях, а то, что суммируется из всех случайных отражений, имеет тенденцию суммироваться некогерентно и, таким образом, еще больше подавляется. Изображение безэховой камеры показано на следующем рисунке 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 нескольких длин волн друг от друга как минимум для имитации условий дальнего поля. 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 эффективную площадь рассеяния больших самолетов или других объектов, имеют безэховые камеры размером с баскетбольные площадки, хотя это необычно. Университеты с безэховыми камерами обычно имеют камеры длиной, шириной и высотой 3-5 метров. Из-за ограничений по размеру и потому, что поглощающий радиочастоты материал обычно лучше всего работает на УВЧ и выше, безэховые камеры чаще всего используются для частот выше 300 МГц.
Возвышенные хребты
Приподнятые диапазоны — это наружные диапазоны. В этой установке источник и тестируемая антенна устанавливаются над землей. Эти антенны могут быть 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. Основная схема приподнятого диапазона показана на рисунке 2.
Рисунок 2. Иллюстрация возвышенного диапазона.
Исходная антенна (или опорная антенна) не обязательно находится на большей высоте, чем испытательная антенна, я просто показал это здесь. Линия прямой видимости (LOS) между двумя антеннами (показана черным лучом на рисунке 2) должна быть беспрепятственной. Все другие отражения (например, красный луч, отраженный от земли) нежелательны. Для возвышенных диапазонов, как только определены местоположение источника и испытательной антенны, операторы испытаний затем определяют, где будут происходить значительные отражения, и пытаются минимизировать отражения от этих поверхностей. Часто для этой цели используется поглощающий радиочастоты материал или другой материал, который отклоняет лучи от испытательной антенны.
Компактные диапазоны
Исходная антенна должна быть размещена в дальней зоне испытательной антенны. Причина в том, что волна, принимаемая испытательной антенной, должна быть плоской волной для максимальной точности. Поскольку антенны излучают сферические волны, антенна должна находиться достаточно далеко, чтобы волна, излучаемая исходной антенной, была приблизительно плоской волной - см. Рисунок 3.
Рисунок 3. Антенна-источник излучает волну со сферическим волновым фронтом.
Однако для комнатных камер часто недостаточно разделения, чтобы достичь этого. Один из методов решения этой проблемы — компактный диапазон. В этом методе исходная антенна ориентируется на рефлектор, форма которого разработана для отражения сферической волны приблизительно плоским образом. Это очень похоже на принцип, по которому работает антенна-тарелка. Основная операция показана на рисунке 4.
Рисунок 4. Компактный диапазон — сферические волны от исходной антенны отражаются и становятся плоскими (коллимированными).
Длина параболического рефлектора обычно должна быть в несколько раз больше длины испытательной антенны. Исходная антенна на рисунке 4 смещена относительно рефлектора, чтобы не мешать отраженным лучам. Необходимо также проявлять осторожность, чтобы не допустить прямого излучения (взаимной связи) от исходной антенны к испытательной антенне.
Время публикации: 03.01.2024
