Antennemeten is het proces van het kwantitatief evalueren en analyseren van de prestaties en kenmerken van antennes. Door gebruik te maken van speciale testapparatuur en meetmethoden meten we de versterking, het stralingspatroon, de staande golfverhouding, de frequentierespons en andere parameters van de antenne om te verifiëren of de ontwerpspecificaties van de antenne aan de eisen voldoen, controleren we de prestaties van de antenne en verbetersuggesties geven. De resultaten en gegevens van antennemetingen kunnen worden gebruikt om de antenneprestaties te evalueren, ontwerpen te optimaliseren, de systeemprestaties te verbeteren en begeleiding en feedback te bieden aan antennefabrikanten en applicatie-ingenieurs.
Benodigde apparatuur voor antennemetingen
Voor het testen van antennes is het meest fundamentele apparaat de VNA. Het eenvoudigste type VNA is een 1-poorts VNA, die de impedantie van een antenne kan meten.
Het meten van het stralingspatroon, de versterking en de efficiëntie van een antenne is moeilijker en vereist veel meer apparatuur. De te meten antenne noemen we de AUT, wat staat voor Antenna Under Test. De benodigde apparatuur voor antennemetingen omvat:
Een referentieantenne - Een antenne met bekende kenmerken (versterking, patroon, enz.)
Een RF-vermogenszender - Een manier om energie in de AUT te injecteren [Antenna Under Test]
Een ontvangersysteem - Dit bepaalt hoeveel stroom wordt ontvangen door de referentieantenne
Een positioneringssysteem - Dit systeem wordt gebruikt om de testantenne ten opzichte van de bronantenne te draaien, om het stralingspatroon te meten als functie van de hoek.
Een blokdiagram van de bovengenoemde apparatuur wordt getoond in Figuur 1.
Figuur 1. Schema van de benodigde antennemeetapparatuur.
Deze onderdelen zullen kort besproken worden. De Referentieantenne moet uiteraard goed uitstralen op de gewenste testfrequentie. Referentieantennes zijn vaak dubbelgepolariseerde hoornantennes, waardoor horizontale en verticale polarisatie tegelijkertijd gemeten kunnen worden.
Het zendsysteem moet in staat zijn een stabiel bekend vermogensniveau uit te voeren. De uitgangsfrequentie moet ook afstembaar (selecteerbaar) en redelijk stabiel zijn (stabiel betekent dat de frequentie die u van de zender krijgt dicht bij de gewenste frequentie ligt, varieert niet veel met de temperatuur). De zender moet op alle andere frequenties heel weinig energie bevatten (er zal altijd wat energie zijn buiten de gewenste frequentie, maar er mag bijvoorbeeld niet veel energie zijn op harmonischen).
Het ontvangstsysteem hoeft alleen maar te bepalen hoeveel stroom er van de testantenne wordt ontvangen. Dit kan worden gedaan via een eenvoudige vermogensmeter, een apparaat voor het meten van RF-vermogen (radiofrequentie) en dat rechtstreeks kan worden aangesloten op de antenne-aansluitingen via een transmissielijn (zoals een coaxkabel met N-type of SMA-connectoren). Normaal gesproken is de ontvanger een 50 Ohm-systeem, maar deze kan, indien gespecificeerd, een andere impedantie hebben.
Merk op dat het zend-/ontvangstsysteem vaak wordt vervangen door een VNA. Een S21-meting zendt een frequentie uit poort 1 en registreert het ontvangen vermogen op poort 2. Een VNA is dus zeer geschikt voor deze taak; het is echter niet de enige methode om deze taak uit te voeren.
Het positioneringssysteem regelt de oriëntatie van de testantenne. Omdat we het stralingspatroon van de testantenne willen meten als functie van de hoek (meestal in sferische coördinaten), moeten we de testantenne zo draaien dat de bronantenne de testantenne vanuit elke mogelijke hoek verlicht. Hiervoor wordt gebruik gemaakt van het positioneringssysteem. In Figuur 1 laten we zien dat de AUT wordt geroteerd. Merk op dat er veel manieren zijn om deze rotatie uit te voeren; soms wordt de referentieantenne gedraaid, en soms worden zowel de referentie- als de AUT-antenne gedraaid.
Nu we over alle benodigde apparatuur beschikken, kunnen we bespreken waar we de metingen gaan doen.
Wat is een goede plek voor onze antennemetingen? Misschien zou u dit graag in uw garage willen doen, maar door de reflecties van de muren, plafonds en vloer worden uw metingen onnauwkeurig. De ideale locatie om antennemetingen uit te voeren is ergens in de ruimte, waar geen reflecties kunnen optreden. Omdat ruimtevaart momenteel echter onbetaalbaar is, zullen we ons concentreren op meetplekken die zich op het aardoppervlak bevinden. Een echovrije kamer kan worden gebruikt om de antennetestopstelling te isoleren terwijl gereflecteerde energie wordt geabsorbeerd met RF-absorberend schuim.
Vrije ruimtebereiken (echoïsche kamers)
Bereiken in de vrije ruimte zijn antennemeetlocaties die zijn ontworpen om metingen te simuleren die in de ruimte zouden worden uitgevoerd. Dat wil zeggen dat alle gereflecteerde golven van nabijgelegen objecten en de grond (die ongewenst zijn) zoveel mogelijk worden onderdrukt. De meest populaire vrijeruimtereeksen zijn echovrije kamers, verhoogde reeksen en de compacte reeks.
Echovrije kamers
Echovrije kamers zijn binnenantennebereiken. De wanden, plafonds en vloer zijn bekleed met speciaal elektromagnetisch golfabsorberend materiaal. Binnenbereiken zijn wenselijk omdat de testomstandigheden veel strenger kunnen worden gecontroleerd dan die van buitenbereiken. Het materiaal is ook vaak grillig van vorm, waardoor deze kamers behoorlijk interessant zijn om te zien. De grillige driehoeksvormen zijn zo ontworpen dat wat erdoor wordt gereflecteerd de neiging heeft zich in willekeurige richtingen te verspreiden, en wat uit alle willekeurige reflecties wordt opgeteld de neiging heeft onsamenhangend op te tellen en dus verder wordt onderdrukt. Een afbeelding van een echovrije kamer wordt weergegeven in de volgende afbeelding, samen met enkele testapparatuur:
(De afbeelding toont de RFMISO-antennetest)
Het nadeel van echovrije kamers is dat ze vaak behoorlijk groot moeten zijn. Vaak moeten antennes minimaal meerdere golflengten van elkaar verwijderd zijn om verre veldomstandigheden te simuleren. Voor lagere frequenties met grote golflengten hebben we dus zeer grote kamers nodig, maar de kosten en praktische beperkingen beperken vaak de grootte ervan. Van sommige defensiebedrijven die de radardwarsdoorsnede van grote vliegtuigen of andere objecten meten, is bekend dat ze echovrije kamers ter grootte van basketbalvelden hebben, hoewel dit niet gebruikelijk is. Universiteiten met echovrije kamers hebben doorgaans kamers met een lengte, breedte en hoogte van 3 tot 5 meter. Vanwege de beperkte afmetingen en omdat RF-absorberend materiaal doorgaans het beste werkt bij UHF en hoger, worden echovrije kamers het vaakst gebruikt voor frequenties boven 300 MHz.
Verhoogde bereiken
Verhoogde bereiken zijn buitenbereiken. In deze opstelling worden de te testen bron en antenne boven de grond gemonteerd. Deze antennes kunnen op bergen, torens, gebouwen of waar dan ook geschikt zijn. Dit wordt vaak gedaan voor zeer grote antennes of bij lage frequenties (VHF en lager, <100 MHz), waar metingen binnenshuis lastig zouden zijn. Het basisdiagram van een verhoogd bereik wordt getoond in Figuur 2.
Figuur 2. Illustratie van verhoogd bereik.
De bronantenne (of referentieantenne) bevindt zich niet noodzakelijkerwijs op een grotere hoogte dan de testantenne, ik heb het hier zojuist zo laten zien. De zichtlijn (LOS) tussen de twee antennes (geïllustreerd door de zwarte straal in figuur 2) moet onbelemmerd zijn. Alle andere reflecties (zoals de rode straal die door de grond wordt gereflecteerd) zijn ongewenst. Voor grotere afstanden bepalen de testoperators, zodra de locatie van de bron en de testantenne is bepaald, waar de significante reflecties zullen optreden, en proberen ze de reflecties van deze oppervlakken te minimaliseren. Vaak wordt hiervoor rf-absorberend materiaal gebruikt, of ander materiaal dat de stralen van de testantenne afbuigt.
Compacte bereiken
De bronantenne moet in het verre veld van de testantenne worden geplaatst. De reden is dat de door de testantenne ontvangen golf een vlakke golf moet zijn voor maximale nauwkeurigheid. Omdat antennes sferische golven uitstralen, moet de antenne zo ver geplaatst zijn dat de door de bronantenne uitgestraalde golf ongeveer een vlakke golf is - zie Figuur 3.
Figuur 3. Een bronantenne straalt een golf uit met een bolvormig golffront.
Voor binnenkamers is er echter vaak niet voldoende scheiding om dit te bereiken. Eén methode om dit probleem op te lossen is via een compact bereik. Bij deze methode wordt een bronantenne gericht op een reflector, waarvan de vorm is ontworpen om de sferische golf op een ongeveer vlakke manier te reflecteren. Dit lijkt sterk op het principe waarop een schotelantenne werkt. De basisbediening wordt getoond in Figuur 4.
Figuur 4. Compact bereik - de sferische golven van de bronantenne worden planair (gecollimeerd) gereflecteerd.
Het is doorgaans wenselijk dat de lengte van de parabolische reflector meerdere malen zo groot is als die van de testantenne. De bronantenne in figuur 4 is verschoven ten opzichte van de reflector, zodat deze de gereflecteerde stralen niet in de weg zit. Er moet ook op worden gelet dat er geen directe straling (onderlinge koppeling) van de bronantenne naar de testantenne ontstaat.
Posttijd: 03-jan-2024
