AntenneMeten is het proces van het kwantitatief evalueren en analyseren van de prestaties en kenmerken van een antenne. 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. Hiermee controleren we of de ontwerpspecificaties van de antenne aan de eisen voldoen, controleren we de prestaties van de antenne en geven we suggesties voor verbetering. De resultaten en gegevens van antennemetingen kunnen worden gebruikt om de antenneprestaties te evalueren, ontwerpen te optimaliseren, de systeemprestaties te verbeteren en richtlijnen en feedback te geven aan antennefabrikanten en applicatie-ingenieurs.
Benodigde apparatuur voor antennemetingen
Voor antennetesten is de VNA (Voice Noise Amplifier) het meest essentiële apparaat. 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 het rendement van een antenne is complexer en vereist veel meer apparatuur. We noemen de te meten antenne de AUT, wat staat voor Antenna Under Test (antenne onder test). De benodigde apparatuur voor antennemetingen omvat:
Een referentieantenne - Een antenne met bekende eigenschappen (versterking, stralingspatroon, enz.)
Een RF-vermogenszender - een manier om energie in de te testen antenne te injecteren.
Een ontvangstsysteem - Dit bepaalt hoeveel vermogen de referentieantenne ontvangt.
Een positioneringssysteem - Dit systeem wordt gebruikt om de testantenne ten opzichte van de bronantenne te roteren, om het stralingspatroon als functie van de hoek te meten.
Een blokschema van de bovenstaande apparatuur is weergegeven in figuur 1.
Figuur 1. Diagram van de benodigde antennemeetapparatuur.
Deze componenten zullen kort worden besproken. De referentieantenne moet uiteraard goed stralen op de gewenste testfrequentie. Referentieantennes zijn vaak dubbelgepolariseerde hoornantennes, zodat horizontale en verticale polarisatie tegelijkertijd kunnen worden gemeten.
Het zendsysteem moet een stabiel, bekend vermogensniveau kunnen leveren. De uitgangsfrequentie moet instelbaar (selecteerbaar) en redelijk stabiel zijn (stabiel betekent dat de frequentie die de zender levert dicht bij de gewenste frequentie ligt en niet veel varieert met de temperatuur). De zender moet zeer weinig energie bevatten bij alle andere frequenties (er zal altijd wel wat energie buiten de gewenste frequentie aanwezig zijn, maar er mag bijvoorbeeld niet veel energie in de harmonischen zitten).
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 antenne-aansluitingen kan worden aangesloten via een transmissielijn (zoals een coaxkabel met N-type of SMA-connectoren). De ontvanger is doorgaans een 50 Ohm-systeem, maar een andere impedantie is mogelijk indien gespecificeerd.
Merk op dat het zend-/ontvangstsysteem vaak wordt vervangen door een VNA. Bij een S21-meting wordt een frequentie via poort 1 uitgezonden en het ontvangen vermogen via poort 2 geregistreerd. Een VNA is daarom 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 (doorgaans in sferische coördinaten), moeten we de testantenne roteren zodat de bronantenne de testantenne vanuit elke mogelijke hoek belicht. Hiervoor gebruiken we het positioneringssysteem. In figuur 1 is te zien hoe de te testen antenne wordt geroteerd. Merk op dat er verschillende manieren zijn om deze rotatie uit te voeren; soms wordt de referentieantenne geroteerd, en soms worden zowel de referentie- als de te testen antenne geroteerd.
Nu we alle benodigde apparatuur hebben, kunnen we bespreken waar we de metingen gaan uitvoeren.
Waar is een goede plek voor onze antennemetingen? Misschien wilt u dit in uw garage doen, maar de reflecties van de muren, het plafond en de 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, zullen we ons richten op meetlocaties op het aardoppervlak. Een echovrije kamer kan worden gebruikt om de antenne-testopstelling te isoleren en tegelijkertijd de gereflecteerde energie te absorberen met RF-absorberend schuim.
Vrije ruimte-testruimtes (echovrije kamers)
Vrije-ruimte-meetopstellingen zijn locaties voor antennemetingen 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 vrije-ruimte-meetopstellingen zijn echovrije kamers, verhoogde opstellingen en de compacte opstelling.
Echovrije kamers
Echovrije kamers zijn binnenruimtes voor antennetests. De wanden, plafonds en vloer zijn bekleed met speciaal materiaal dat elektromagnetische golven absorbeert. Binnenruimtes zijn wenselijk omdat de testomstandigheden veel nauwkeuriger kunnen worden gecontroleerd dan bij buitenruimtes. Het materiaal heeft vaak een grillige vorm, wat deze kamers er interessant uit laat zien. De grillige driehoekige vormen zijn zo ontworpen dat de reflecties zich in willekeurige richtingen verspreiden, en dat de signalen van al deze willekeurige reflecties onsamenhangend worden opgeteld en daardoor verder worden onderdrukt. Een afbeelding van een echovrije kamer, samen met enkele testapparatuur, is te zien in de volgende afbeelding.
(De afbeelding toont de RFMISO-antennetest)
Het nadeel van echovrije kamers is dat ze vaak erg groot moeten zijn. Antennes moeten vaak minstens een aantal golflengten van elkaar verwijderd zijn om verreveldsituaties te simuleren. Daarom hebben we voor lagere frequenties met grote golflengten zeer grote kamers nodig, maar kosten en praktische beperkingen beperken vaak hun afmetingen. Sommige defensiebedrijven die de radardoorsnede van grote vliegtuigen of andere objecten meten, beschikken naar verluidt over echovrije kamers ter grootte van een basketbalveld, hoewel dit niet gebruikelijk is. Universiteiten met echovrije kamers hebben doorgaans kamers van 3 tot 5 meter lang, breed en hoog. Vanwege de beperkingen qua afmetingen en omdat RF-absorberend materiaal doorgaans het beste werkt bij UHF en hogere frequenties, worden echovrije kamers het meest gebruikt voor frequenties boven de 300 MHz.
Verhoogde bergketens
Verhoogde meetopstellingen zijn buitenopstellingen. Bij deze opstelling worden de bron en de te testen antenne boven de grond gemonteerd. Deze antennes kunnen op bergen, torens, gebouwen of waar dan ook geplaatst worden. Dit wordt vaak gedaan voor zeer grote antennes of bij lage frequenties (VHF en lager, <100 MHz) waar metingen binnenshuis onmogelijk zouden zijn. Het basisdiagram van een verhoogde meetopstelling is weergegeven in figuur 2.
Figuur 2. Illustratie van een verhoogd bereik.
De bronantenne (of referentieantenne) hoeft niet per se hoger te staan dan de testantenne; ik heb het hier alleen zo weergegeven. De zichtlijn (LOS) tussen de twee antennes (weergegeven door de zwarte lijn in Figuur 2) moet onbelemmerd zijn. Alle andere reflecties (zoals de rode lijn die van de grond weerkaatst) zijn ongewenst. Voor metingen op grote hoogte bepalen de testopstellingen, zodra de locatie van de bron- en testantenne is vastgesteld, waar de belangrijkste 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 straling van de testantenne afbuigt.
Compacte fornuizen
De zendantenne moet in het verre veld van de testantenne worden geplaatst. De reden hiervoor is dat de golf die door de testantenne wordt ontvangen een vlakke golf moet zijn voor maximale nauwkeurigheid. Omdat antennes bolvormige golven uitzenden, moet de antenne voldoende ver weg zijn zodat de golf die door de zendantenne wordt uitgezonden bij benadering een vlakke golf is - zie figuur 3.
Figuur 3. Een bronantenne straalt een golf uit met een bolvormig golffront.
Voor binnenruimtes is er echter vaak onvoldoende afstand om dit te bereiken. Een methode om dit probleem op te lossen is door middel van een compact bereik. Bij deze methode is een bronantenne gericht op een reflector, waarvan de vorm is ontworpen om de bolvormige golf nagenoeg vlak te reflecteren. Dit is vergelijkbaar met het principe waarop een schotelantenne werkt. De basiswerking wordt weergegeven in figuur 4.
Figuur 4. Compact bereik - de sferische golven van de bronantenne worden gereflecteerd tot een vlakke (gecollimeerde) bundel.
De lengte van de parabolische reflector is doorgaans meerdere malen groter dan de testantenne. De bronantenne in figuur 4 is ten opzichte van de reflector verschoven, zodat deze de gereflecteerde stralen niet blokkeert. Er moet ook voor worden gezorgd dat er geen directe straling (wederzijdse koppeling) van de bronantenne naar de testantenne plaatsvindt.
Geplaatst op: 3 januari 2024
