AntennMätning är processen att kvantitativt utvärdera och analysera antennens prestanda och egenskaper. Med hjälp av speciell testutrustning och mätmetoder mäter vi antennens förstärkning, strålningsmönster, ståendevågsförhållande, frekvenssvar och andra parametrar för att verifiera om antennens designspecifikationer uppfyller kraven, kontrollera antennens prestanda och ge förbättringsförslag. Resultaten och data från antennmätningarna kan användas för att utvärdera antennens prestanda, optimera design, förbättra systemprestanda och ge vägledning och feedback till antenntillverkare och applikationsingenjörer.
Nödvändig utrustning vid antennmätningar
För antenntestning är den mest grundläggande enheten VNA. Den enklaste typen av VNA är en 1-ports VNA, som kan mäta impedansen hos en antenn.
Att mäta en antenns strålningsmönster, förstärkning och effektivitet är svårare och kräver mycket mer utrustning. Vi kallar antennen som ska mätas för AUT, vilket står för Antenna Under Test. Den utrustning som krävs för antennmätningar inkluderar:
En referensantenn - En antenn med kända egenskaper (förstärkning, mönster etc.)
En RF-effektsändare - Ett sätt att injicera energi i AUT [Antenn under test]
Ett mottagarsystem - Detta avgör hur mycket effekt som tas emot av referensantennen
Ett positioneringssystem - Detta system används för att rotera testantennen i förhållande till källantennen, för att mäta strålningsmönstret som en funktion av vinkeln.
Ett blockschema över ovanstående utrustning visas i figur 1.
Figur 1. Schema över nödvändig antennmätningsutrustning.
Dessa komponenter kommer att diskuteras kortfattat. Referensantennen bör naturligtvis stråla bra vid önskad testfrekvens. Referensantenner är ofta dubbelpolariserade hornantenner, så att horisontell och vertikal polarisering kan mätas samtidigt.
Sändarsystemet bör kunna mata ut en stabil känd effektnivå. Utfrekvensen bör också vara inställbar (valbar) och någorlunda stabil (stabil betyder att frekvensen du får från sändaren är nära den frekvens du vill ha och inte varierar mycket med temperaturen). Sändaren bör innehålla väldigt lite energi vid alla andra frekvenser (det kommer alltid att finnas energi utanför den önskade frekvensen, men det bör till exempel inte finnas mycket energi vid övertoner).
Mottagningssystemet behöver helt enkelt avgöra hur mycket effekt som tas emot från testantennen. Detta kan göras via en enkel effektmätare, som är en anordning för att mäta RF-effekt (radiofrekvens) och kan anslutas direkt till antennterminalerna via en transmissionsledning (t.ex. en koaxialkabel med N-typ- eller SMA-kontakter). Vanligtvis är mottagaren ett 50 ohm-system, men kan ha en annan impedans om så anges.
Observera att sändnings-/mottagningssystemet ofta ersätts av en VNA. En S21-mätning sänder en frekvens ut från port 1 och registrerar den mottagna effekten vid port 2. Därför är en VNA väl lämpad för denna uppgift; det är dock inte den enda metoden att utföra denna uppgift.
Positioneringssystemet styr testantennens orientering. Eftersom vi vill mäta testantennens strålningsmönster som en funktion av vinkeln (vanligtvis i sfäriska koordinater), behöver vi rotera testantennen så att källantennen belyser testantennen från alla möjliga vinklar. Positioneringssystemet används för detta ändamål. I figur 1 visar vi AUT:n roterad. Observera att det finns många sätt att utföra denna rotation; ibland roteras referensantennen, och ibland roteras både referens- och AUT-antennerna.
Nu när vi har all nödvändig utrustning kan vi diskutera var mätningarna ska göras.
Var är en bra plats för våra antennmätningar? Du kanske vill göra detta i ditt garage, men reflektionerna från väggar, tak och golv skulle göra dina mätningar felaktiga. Den ideala platsen för att utföra antennmätningar är någonstans i yttre rymden, där inga reflektioner kan uppstå. Men eftersom rymdresor för närvarande är oöverkomligt dyra kommer vi att fokusera på mätplatser som finns på jordytan. En ekofria kammare kan användas för att isolera antenntestuppställningen samtidigt som reflekterad energi absorberas med RF-absorberande skum.
Fria rymdsområden (ekofria kammare)
Fria rymdsområden är antennmätplatser utformade för att simulera mätningar som skulle utföras i rymden. Det vill säga att alla reflekterade vågor från närliggande objekt och marken (som är oönskade) undertrycks så mycket som möjligt. De mest populära fria rymdsområdena är ekofria kammare, förhöjda områden och det kompakta området.
Anekoiska kammare
Antennfria kammare är inomhusantennområden. Väggarna, taken och golvet är klädda med ett speciellt material som absorberar elektromagnetiska vågor. Inomhusantenner är önskvärda eftersom testförhållandena kan kontrolleras mycket noggrannare än för utomhusantenner. Materialet har ofta också en ojämn form, vilket gör dessa kammare ganska intressanta att se. De ojämna triangelformerna är utformade så att det som reflekteras från dem tenderar att spridas i slumpmässiga riktningar, och det som läggs ihop från alla slumpmässiga reflektioner tenderar att läggas ihop osammanhängande och undertrycks därmed ytterligare. En bild av en anekoisk kammare visas i följande bild, tillsammans med lite testutrustning:
(Bilden visar RFMISO-antenntestet)
Nackdelen med ekofria kammare är att de ofta behöver vara ganska stora. Ofta behöver antenner vara minst flera våglängder ifrån varandra för att simulera fjärrfältsförhållanden. Därför behöver vi för lägre frekvenser med stora våglängder mycket stora kammare, men kostnad och praktiska begränsningar begränsar ofta deras storlek. Vissa försvarsentreprenörer som mäter radarns tvärsnitt på stora flygplan eller andra objekt är kända för att ha ekofria kammare i storlek med basketplaner, även om detta inte är vanligt. Universitet med ekofria kammare har vanligtvis kammare som är 3–5 meter långa, breda och höga. På grund av storleksbegränsningen, och eftersom RF-absorberande material vanligtvis fungerar bäst vid UHF och högre, används ekofria kammare oftast för frekvenser över 300 MHz.
Förhöjda höjder
Förhöjda räckvidder är utomhusräckvidder. I den här uppställningen monteras källan och antennen som testas ovanför marken. Dessa antenner kan placeras på berg, torn, byggnader eller var som helst man finner det lämpligt. Detta görs ofta för mycket stora antenner eller vid låga frekvenser (VHF och lägre, <100 MHz) där inomhusmätningar skulle vara svåra att utföra. Grunddiagrammet för ett förhöjt räckvidd visas i figur 2.
Figur 2. Illustration av förhöjd räckvidd.
Källantennen (eller referensantennen) är inte nödvändigtvis på en högre höjd än testantennen, jag visade det just så här. Siktlinjen (LOS) mellan de två antennerna (illustrerad av den svarta strålen i figur 2) måste vara fri. Alla andra reflektioner (som den röda strålen som reflekteras från marken) är oönskade. För höga avstånd, när en källa och testantennplats har bestämts, bestämmer testoperatörerna var de signifikanta reflektionerna kommer att inträffa och försöker minimera reflektionerna från dessa ytor. Ofta används RF-absorberande material för detta ändamål, eller annat material som avböjer strålarna bort från testantennen.
Kompakta spisar
Källantennen måste placeras i testantennens fjärrfält. Anledningen är att vågen som tas emot av testantennen bör vara en planvåg för maximal noggrannhet. Eftersom antenner utstrålar sfäriska vågor måste antennen vara tillräckligt långt borta så att vågen som utstrålas från källantennen är ungefär en planvåg - se figur 3.
Figur 3. En källantenn utstrålar en våg med en sfärisk vågfront.
För inomhuskammare finns det dock ofta inte tillräckligt med avstånd för att uppnå detta. En metod för att åtgärda detta problem är via en kompakt räckvidd. I denna metod är en källantenn orienterad mot en reflektor, vars form är utformad för att reflektera den sfäriska vågen på ett ungefär plant sätt. Detta är mycket likt principen som en parabolantenn fungerar efter. Den grundläggande funktionen visas i figur 4.
Figur 4. Kompakt räckvidd - de sfäriska vågorna från källantennen reflekteras för att vara plana (kollimerade).
Det är vanligtvis önskvärt att den paraboliska reflektorns längd ska vara flera gånger så stor som testantennens. Källantennen i figur 4 är förskjuten från reflektorn så att den inte är i vägen för de reflekterade strålarna. Försiktighet måste också iakttas för att undvika direkt strålning (ömsesidig koppling) från källantennen till testantennen.
Publiceringstid: 3 januari 2024
