Antennmätning är processen att kvantitativt utvärdera och analysera antennprestanda och egenskaper. Genom att använda speciell testutrustning och mätmetoder mäter vi förstärkning, strålningsmönster, stående vågförhållande, frekvenssvar och andra parametrar för antennen för att verifiera om antennens designspecifikationer uppfyller kraven, kontrollera antennens prestanda och ge förbättringsförslag. Resultaten och data från antennmätningar kan användas för att utvärdera antennprestanda, optimera design, förbättra systemprestanda och ge vägledning och feedback till antenntillverkare och applikationsingenjörer.
Nödvändig utrustning i antennmått
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 kommer att kalla antennen som ska mätas för AUT, vilket står för Antenna Under Test. Den nödvändiga utrustningen för antennmätningar inkluderar:
En referensantenn - En antenn med kända egenskaper (förstärkning, mönster, etc)
En RF Power Transmitter - Ett sätt att spruta in energi i AUT [Antenn under Test]
Ett mottagarsystem - Detta bestämmer 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. Diagram över nödvändig antennmätutrustning.
Dessa komponenter kommer att diskuteras kort. Referensantennen ska givetvis stråla bra vid önskad testfrekvens. Referensantenner är ofta dubbelpolariserade hornantenner, så att horisontell och vertikal polarisation kan mätas samtidigt.
Sändningssystemet bör kunna mata ut en stabil känd effektnivå. Utgångsfrekvensen bör också vara avstämbar (valbar), och någorlunda stabil (stabil betyder att frekvensen du får från sändaren ligger nära den frekvens du vill ha, varierar inte mycket med temperaturen). Sändaren bör innehålla mycket lite energi vid alla andra frekvenser (det kommer alltid att finnas en del energi utanför den önskade frekvensen, men det ska inte finnas mycket energi vid till exempel övertoner).
Det mottagande systemet behöver helt enkelt bestämma hur mycket ström som tas emot från testantennen. Detta kan göras via en enkel effektmätare, som är en anordning för att mäta RF-effekt (radiofrekvens) och som kan kopplas direkt till antennterminalerna via en transmissionsledning (som en koaxialkabel med N-typ eller SMA-kontakter). Normalt är mottagaren ett 50 Ohm-system, men kan ha en annan impedans om det 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 för att utföra denna uppgift.
Positioneringssystemet kontrollerar orienteringen av testantennen. Eftersom vi vill mäta testantennens strålningsmönster som en funktion av vinkeln (typiskt i sfäriska koordinater) måste vi rotera testantennen så att källantennen lyser upp testantennen från alla möjliga vinklar. Positioneringssystemet används för detta ändamål. I figur 1 visar vi att AUT roteras. Observera att det finns många sätt att utföra denna rotation; ibland roteras referensantennen, och ibland roteras både referens- och AUT-antennen.
Nu när vi har all nödvändig utrustning kan vi diskutera var vi ska göra mätningarna.
Var är en bra plats för våra antennmätningar? Kanske skulle du vilja göra detta i ditt garage, men reflektionerna från väggar, tak och golv skulle göra dina mätningar felaktiga. Den idealiska 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 jordens yta. En ekofri kammare kan användas för att isolera antenntestuppsättningen samtidigt som den absorberar reflekterad energi med RF-absorberande skum.
Free Space Ranges (Anechoic Chambers)
Free space ranges är antennmätplatser utformade för att simulera mätningar som skulle utföras i rymden. Det vill säga att alla reflekterade vågor från närliggande föremål och marken (som är oönskade) dämpas så mycket som möjligt. De mest populära fria utrymmena är ekofria kamrar, förhöjda intervall och den kompakta serien.
Ekofria kamrar
Ekofria kammare är inomhusantennområden. Väggar, tak och golv är fodrade med speciellt elektromagnetiskt vågabsorberande material. Inomhusområden är önskvärda eftersom testförhållandena kan kontrolleras mycket strängare än för utomhusområden. Materialet är också ofta ojämnt i formen, vilket gör dessa kamrar ganska intressanta att se. De taggiga triangelformerna är utformade så att det som reflekteras från dem tenderar att spridas i slumpmässiga riktningar, och det som adderas från alla slumpmässiga reflektioner tenderar att adderas osammanhängande och dämpas därmed ytterligare. En bild av en ekofri 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 från varandra för att simulera fjärrfältsförhållanden. För lägre frekvenser med stora våglängder behöver vi därför mycket stora kammare, men kostnad och praktiska begränsningar begränsar ofta deras storlek. Vissa försvarsentreprenörer som mäter radartvärsnittet av stora flygplan eller andra föremål är kända för att ha ekofria kammare lika stora som basketplaner, även om detta inte är vanligt. Universitet med ekofria kammare har typiskt kammare som är 3-5 meter långa, breda och höjda. 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 intervall
Elevated Ranges är utomhusbanor. I denna uppställning är källan och antennen som testas monterade ovanför marken. Dessa antenner kan vara på berg, torn, byggnader eller var man än hittar det som är lämpligt. Detta görs ofta för mycket stora antenner eller vid låga frekvenser (VHF och lägre, <100 MHz) där inomhusmätningar skulle vara svårhanterliga. Grunddiagrammet för ett förhöjt område 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 bara så här. Siktlinjen (LOS) mellan de två antennerna (illustrerad av den svarta strålen i figur 2) måste vara fri. Alla andra reflektioner (såsom den röda strålen som reflekteras från marken) är oönskade. För förhöjda avstånd, när väl en källa och testantennplacering 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 avleder strålarna bort från testantennen.
Kompakta serier
Källantennen måste placeras i det bortre fältet av testantennen. Anledningen är att vågen som tas emot av testantennen bör vara en plan våg för maximal noggrannhet. Eftersom antenner utstrålar sfäriska vågor måste antennen vara tillräckligt långt så att vågen som utstrålas från källantennen är ungefär en plan våg - se figur 3.
Figur 3. En källantenn utstrålar en våg med en sfärisk vågfront.
Men för inomhuskammare finns det ofta inte tillräckligt med separation för att uppnå detta. En metod för att lösa detta problem är via ett kompakt sortiment. 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 lik principen som en parabolantenn fungerar på. Den grundläggande operationen visas i figur 4.
Figur 4. Kompakt avstånd - de sfäriska vågorna från källantennen reflekteras till att vara plana (kollimerade).
Längden på den paraboliska reflektorn är typiskt önskvärd att vara flera gånger så stor som testantennen. 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 hålla eventuell direkt strålning (ömsesidig koppling) från källantennen till testantennen.
Posttid: Jan-03-2024
