AntenneMeten is het proces van het kwantitatief evalueren en analyseren van de prestaties en kenmerken van een antenne. Met behulp 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, de prestaties van de antenne te controleren en suggesties voor verbetering te doen. De resultaten en gegevens van antennemetingen kunnen worden gebruikt om de prestaties van de antenne te evalueren, ontwerpen te optimaliseren, de systeemprestaties te verbeteren en richtlijnen en feedback te geven aan antennefabrikanten en applicatie-engineers.
Benodigde apparatuur bij antennemetingen
Het meest fundamentele apparaat voor het testen van antennes is de VNA. Het eenvoudigste type VNA is een 1-poorts VNA, waarmee de impedantie van een antenne kan worden gemeten.
Het meten van het stralingspatroon, de versterking en de efficiëntie van een antenne is moeilijker en vereist veel meer apparatuur. We noemen de te meten antenne de AUT, wat staat voor Antenna Under Test. De benodigde apparatuur voor antennemetingen omvat:
Een referentie-antenne - Een antenne met bekende kenmerken (versterking, patroon, enz.)
Een RF-vermogenszender - Een manier om energie in de AUT te injecteren [Antenne Under Test]
Een ontvangersysteem - Dit bepaalt hoeveel vermogen er door de referentie-antenne wordt ontvangen
Een positioneringssysteem - Dit systeem wordt gebruikt om de testantenne te draaien ten opzichte van de bronantenne, om het stralingspatroon te meten als functie van de hoek.
Een blokdiagram van de bovenstaande apparatuur wordt weergegeven in Figuur 1.
Figuur 1. Schema van de benodigde antennemeetapparatuur.
Deze componenten worden kort besproken. De referentieantenne moet uiteraard goed uitstralen op de gewenste testfrequentie. Referentieantennes zijn vaak dubbel gepolariseerde hoornantennes, zodat horizontale en verticale polarisatie tegelijkertijd gemeten kunnen worden.
Het zendsysteem moet een stabiel, bekend vermogensniveau kunnen leveren. De uitgangsfrequentie moet ook instelbaar (selecteerbaar) en redelijk stabiel zijn (stabiel betekent dat de frequentie die u van de zender ontvangt dicht bij de gewenste frequentie ligt en niet veel varieert met de temperatuur). De zender moet bij alle andere frequenties zeer weinig energie bevatten (er zal altijd wel wat energie buiten de gewenste frequentie zijn, maar er mag bijvoorbeeld niet veel energie zijn bij harmonischen).
Het ontvangstsysteem hoeft alleen maar te bepalen hoeveel vermogen er van de testantenne wordt ontvangen. Dit kan met een eenvoudige vermogensmeter, een apparaat voor het meten van RF-vermogen (radiofrequentie) dat rechtstreeks op de antenneaansluitingen kan worden aangesloten via een transmissielijn (zoals een coaxkabel met N-type of SMA-connectoren). De ontvanger is doorgaans een 50 Ohm-systeem, maar kan indien gespecificeerd een andere impedantie hebben.
Houd er rekening mee dat het zend-/ontvangstsysteem vaak wordt vervangen door een VNA. Een S21-meting verzendt een frequentie via poort 1 en registreert het ontvangen vermogen via poort 2. Een VNA is daarom zeer geschikt voor deze taak; het is echter niet de enige methode om deze taak uit te voeren.
Het positioneringssysteem bepaalt de oriëntatie van de testantenne. Omdat we het stralingspatroon van de testantenne willen meten als functie van de hoek (meestal in bolcoördinaten), moeten we de testantenne zo draaien dat de bronantenne de testantenne vanuit elke mogelijke hoek verlicht. Hiervoor wordt het positioneringssysteem gebruikt. In figuur 1 zien we de AUT draaien. Merk op dat er verschillende 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 uitvoeren.
Wat is een goede plek voor onze antennemetingen? Misschien wilt u dit in uw garage doen, maar de reflecties van de muren, plafonds en vloer zouden uw metingen onnauwkeurig maken. De ideale locatie voor antennemetingen is ergens in de ruimte, waar geen reflecties kunnen optreden. Omdat ruimtereizen momenteel echter onbetaalbaar zijn, richten we ons op meetlocaties op het aardoppervlak. Een echovrije kamer kan worden gebruikt om de antennetestopstelling te isoleren en tegelijkertijd de gereflecteerde energie te absorberen met RF-absorberend schuim.
Vrije ruimtebereiken (anechoïsche kamers)
Vrije-ruimtebereiken zijn antennemeetlocaties die ontworpen zijn 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 vrije-ruimtebereiken zijn echovrije kamers, verhoogde bereiken en het compacte bereik.
Echovrije kamers
Echovrije kamers zijn binnenantenne-afspeelplaatsen. De wanden, plafonds en vloer zijn bekleed met speciaal materiaal dat elektromagnetische golven absorbeert. Binnen-afspeelplaatsen zijn wenselijk omdat de testomstandigheden veel nauwkeuriger gecontroleerd kunnen worden dan buiten-afspeelplaatsen. Het materiaal is vaak ook gekarteld, wat deze kamers interessant maakt om te zien. De gekartelde driehoekige vormen zijn zo ontworpen dat wat erdoor wordt gereflecteerd zich in willekeurige richtingen verspreidt, en wat door alle willekeurige reflecties wordt samengevoegd, zich vaak incoherent optelt en daardoor verder wordt onderdrukt. Een afbeelding van een echovrije kamer is te zien in de volgende afbeelding, samen met wat testapparatuur:
(De afbeelding toont de RFMISO-antennetest)
Het nadeel van echovrije kamers is dat ze vaak vrij groot moeten zijn. Antennes moeten vaak minimaal enkele golflengten van elkaar verwijderd zijn om verre veldomstandigheden te simuleren. Daarom hebben we voor lagere frequenties met grote golflengten zeer grote kamers nodig, maar de kosten en praktische beperkingen beperken hun omvang vaak. Sommige defensie-aannemers die de radardoorsnede van grote vliegtuigen of andere objecten meten, staan erom bekend echovrije kamers te hebben ter grootte van een basketbalveld, hoewel dit niet gebruikelijk is. Universiteiten met echovrije kamers hebben doorgaans kamers van 3-5 meter lang, breed en hoog. Vanwege de beperkte afmetingen en omdat RF-absorberend materiaal doorgaans het beste werkt bij UHF en hoger, worden echovrije kamers meestal gebruikt voor frequenties boven 300 MHz.
Verhoogde bergketens
Elevated Ranges zijn buitenbereiken. In deze opstelling worden de te testen bron en antenne boven de grond gemonteerd. Deze antennes kunnen zich op bergen, torens, gebouwen of waar dan ook bevinden waar men dat geschikt vindt. 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 verhoogde range is weergegeven in figuur 2.
Figuur 2. Illustratie van verhoogd bereik.
De bronantenne (of referentie-antenne) bevindt zich niet noodzakelijkerwijs op een hogere hoogte dan de testantenne; ik heb dat hier alleen zo weergegeven. De zichtlijn (LOS) tussen de twee antennes (geïllustreerd door de zwarte straal in figuur 2) moet vrij zijn. Alle andere reflecties (zoals de rode straal die door de grond wordt gereflecteerd) zijn ongewenst. Voor hogere afstanden bepalen de testoperators, nadat 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 hiervoor is dat de golf die de testantenne ontvangt een vlakke golf moet zijn voor maximale nauwkeurigheid. Omdat antennes sferische golven uitstralen, moet de antenne voldoende ver weg staan, zodat de golf die door de bronantenne wordt uitgestraald, 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 onvoldoende afstand om dit te bereiken. Een 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 ongeveer vlak te reflecteren. Dit is zeer vergelijkbaar met het principe waarop een schotelantenne werkt. De basiswerking is weergegeven in figuur 4.
Figuur 4. Compact bereik - de sferische golven van de bronantenne worden planair (gecollimeerd) gereflecteerd.
De lengte van de parabolische reflector moet doorgaans enkele malen groter zijn dan 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. Zorg er ook voor dat er geen directe straling (wederzijdse koppeling) van de bronantenne naar de testantenne komt.
Plaatsingstijd: 03-01-2024
