ΚεραίαΗ μέτρηση είναι η διαδικασία ποσοτικής αξιολόγησης και ανάλυσης της απόδοσης και των χαρακτηριστικών της κεραίας. Με τη χρήση ειδικού εξοπλισμού δοκιμής και μεθόδων μέτρησης, μετράμε το κέρδος, το μοτίβο ακτινοβολίας, τον λόγο στάσιμου κύματος, την απόκριση συχνότητας και άλλες παραμέτρους της κεραίας για να επαληθεύσουμε εάν οι προδιαγραφές σχεδιασμού της κεραίας πληρούν τις απαιτήσεις, ελέγξουμε την απόδοση της κεραίας και παρέχουν προτάσεις βελτίωσης. Τα αποτελέσματα και τα δεδομένα από τις μετρήσεις της κεραίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της απόδοσης της κεραίας, τη βελτιστοποίηση σχεδίων, τη βελτίωση της απόδοσης του συστήματος και την παροχή καθοδήγησης και ανατροφοδότησης στους κατασκευαστές κεραιών και στους μηχανικούς εφαρμογών.
Απαιτούμενος Εξοπλισμός σε Μετρήσεις Κεραίας
Για τη δοκιμή κεραίας, η πιο θεμελιώδης συσκευή είναι το VNA. Ο απλούστερος τύπος VNA είναι ένα VNA 1 θύρας, το οποίο μπορεί να μετρήσει την αντίσταση μιας κεραίας.
Η μέτρηση του σχεδίου ακτινοβολίας, του κέρδους και της απόδοσης μιας κεραίας είναι πιο δύσκολη και απαιτεί πολύ περισσότερο εξοπλισμό. Θα ονομάσουμε την προς μέτρηση κεραία AUT, που σημαίνει Antenna Under Test. Ο απαιτούμενος εξοπλισμός για τις μετρήσεις κεραίας περιλαμβάνει:
Μια κεραία αναφοράς - Μια κεραία με γνωστά χαρακτηριστικά (κέρδος, σχέδιο, κ.λπ.)
Ένας πομπός ισχύος RF - Ένας τρόπος έγχυσης ενέργειας στο AUT [Κεραία υπό δοκιμή]
Ένα σύστημα δέκτη - Αυτό καθορίζει πόση ενέργεια λαμβάνεται από την κεραία αναφοράς
Ένα σύστημα εντοπισμού θέσης - Αυτό το σύστημα χρησιμοποιείται για την περιστροφή της κεραίας δοκιμής σε σχέση με την κεραία πηγής, για τη μέτρηση του σχεδίου ακτινοβολίας ως συνάρτηση της γωνίας.
Ένα μπλοκ διάγραμμα του παραπάνω εξοπλισμού φαίνεται στο Σχήμα 1.
Εικόνα 1. Διάγραμμα απαιτούμενου εξοπλισμού μέτρησης κεραίας.
Αυτά τα στοιχεία θα συζητηθούν εν συντομία. Η Κεραία Αναφοράς θα πρέπει φυσικά να ακτινοβολεί καλά στην επιθυμητή συχνότητα δοκιμής. Οι κεραίες αναφοράς είναι συχνά κεραίες κόρνας διπλής πόλωσης, έτσι ώστε η οριζόντια και η κάθετη πόλωση να μπορούν να μετρηθούν ταυτόχρονα.
Το Σύστημα Εκπομπής θα πρέπει να είναι ικανό να παράγει ένα σταθερό γνωστό επίπεδο ισχύος. Η συχνότητα εξόδου θα πρέπει επίσης να είναι ρυθμίσιμη (επιλέξιμη) και αρκετά σταθερή (σταθερή σημαίνει ότι η συχνότητα που λαμβάνετε από τον πομπό είναι κοντά στη συχνότητα που θέλετε, δεν ποικίλλει πολύ ανάλογα με τη θερμοκρασία). Ο πομπός πρέπει να περιέχει πολύ λίγη ενέργεια σε όλες τις άλλες συχνότητες (θα υπάρχει πάντα λίγη ενέργεια εκτός της επιθυμητής συχνότητας, αλλά δεν θα πρέπει να υπάρχει πολλή ενέργεια στις αρμονικές, για παράδειγμα).
Το Σύστημα Λήψης χρειάζεται απλώς να καθορίσει πόση ισχύ λαμβάνεται από την κεραία δοκιμής. Αυτό μπορεί να γίνει μέσω ενός απλού μετρητή ισχύος, ο οποίος είναι μια συσκευή μέτρησης ισχύος RF (ραδιοσυχνότητας) και μπορεί να συνδεθεί απευθείας στους ακροδέκτες της κεραίας μέσω μιας γραμμής μετάδοσης (όπως ομοαξονικό καλώδιο με βύσματα τύπου N ή SMA). Συνήθως ο δέκτης είναι ένα σύστημα 50 Ohm, αλλά μπορεί να έχει διαφορετική αντίσταση εάν καθορίζεται.
Σημειώστε ότι το σύστημα μετάδοσης/λήψης αντικαθίσταται συχνά από ένα VNA. Μια μέτρηση S21 εκπέμπει μια συχνότητα από τη θύρα 1 και καταγράφει τη λαμβανόμενη ισχύ στη θύρα 2. Ως εκ τούτου, ένα VNA είναι κατάλληλο για αυτήν την εργασία. ωστόσο δεν είναι η μόνη μέθοδος για την εκτέλεση αυτής της εργασίας.
Το σύστημα εντοπισμού θέσης ελέγχει τον προσανατολισμό της κεραίας δοκιμής. Εφόσον θέλουμε να μετρήσουμε το σχέδιο ακτινοβολίας της κεραίας δοκιμής ως συνάρτηση της γωνίας (συνήθως σε σφαιρικές συντεταγμένες), πρέπει να περιστρέψουμε την κεραία δοκιμής έτσι ώστε η κεραία πηγής να φωτίζει την κεραία δοκιμής από κάθε δυνατή γωνία. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται το σύστημα εντοπισμού θέσης. Στο Σχήμα 1, δείχνουμε το AUT να περιστρέφεται. Σημειώστε ότι υπάρχουν πολλοί τρόποι για να πραγματοποιήσετε αυτήν την περιστροφή. Μερικές φορές η κεραία αναφοράς περιστρέφεται και μερικές φορές η κεραία αναφοράς και η κεραία AUT περιστρέφονται.
Τώρα που έχουμε όλο τον απαιτούμενο εξοπλισμό, μπορούμε να συζητήσουμε πού να κάνουμε τις μετρήσεις.
Πού είναι ένα καλό μέρος για τις μετρήσεις της κεραίας μας; Ίσως θα θέλατε να το κάνετε αυτό στο γκαράζ σας, αλλά οι αντανακλάσεις από τους τοίχους, τις οροφές και το δάπεδο θα έκαναν τις μετρήσεις σας ανακριβείς. Η ιδανική τοποθεσία για την εκτέλεση μετρήσεων κεραίας είναι κάπου στο διάστημα, όπου δεν μπορούν να εμφανιστούν αντανακλάσεις. Ωστόσο, επειδή τα ταξίδια στο διάστημα είναι επί του παρόντος απαγορευτικά ακριβά, θα επικεντρωθούμε σε μέρη μέτρησης που βρίσκονται στην επιφάνεια της Γης. Ένας ανηχοϊκός θάλαμος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απομόνωση της διάταξης δοκιμής κεραίας ενώ απορροφά την ανακλώμενη ενέργεια με αφρό απορροφήσεως ραδιοσυχνοτήτων.
Εύρος Ελεύθερου Χώρου (Anechoic Chambers)
Οι περιοχές ελεύθερου χώρου είναι τοποθεσίες μέτρησης κεραιών που έχουν σχεδιαστεί για την προσομοίωση μετρήσεων που θα εκτελούνταν στο διάστημα. Δηλαδή, όλα τα ανακλώμενα κύματα από κοντινά αντικείμενα και το έδαφος (τα οποία είναι ανεπιθύμητα) καταστέλλονται όσο το δυνατόν περισσότερο. Οι πιο δημοφιλείς σειρές ελεύθερου χώρου είναι οι ανηχοϊκοί θάλαμοι, οι ανυψωμένες περιοχές και η συμπαγής περιοχή.
Ανηχοϊκοί Θάλαμοι
Οι ανηχοϊκοί θάλαμοι είναι σειρές κεραιών εσωτερικού χώρου. Οι τοίχοι, οι οροφές και το δάπεδο είναι επενδεδυμένα με ειδικό υλικό απορρόφησης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Οι εσωτερικές περιοχές είναι επιθυμητές επειδή οι συνθήκες δοκιμής μπορούν να ελέγχονται πολύ πιο αυστηρά από αυτές των εξωτερικών σειρών. Το υλικό έχει επίσης συχνά οδοντωτό σχήμα, καθιστώντας αυτούς τους θαλάμους αρκετά ενδιαφέροντες. Τα σχήματα οδοντωτών τριγώνων έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε ό,τι ανακλάται από αυτά να τείνει να εξαπλώνεται σε τυχαίες κατευθύνσεις και αυτό που προστίθεται μαζί από όλες τις τυχαίες αντανακλάσεις τείνει να προστίθεται ασυνάρτητα και έτσι να καταστέλλεται περαιτέρω. Μια εικόνα ενός ανηχοϊκού θαλάμου φαίνεται στην παρακάτω εικόνα, μαζί με κάποιο εξοπλισμό δοκιμής:
(Η εικόνα δείχνει τη δοκιμή κεραίας RFMISO)
Το μειονέκτημα των ανηχοϊκών θαλάμων είναι ότι συχνά χρειάζεται να είναι αρκετά μεγάλοι. Συχνά οι κεραίες πρέπει να απέχουν τουλάχιστον αρκετά μήκη κύματος το ένα από το άλλο για να προσομοιώνουν συνθήκες μακρινού πεδίου. Ως εκ τούτου, για χαμηλότερες συχνότητες με μεγάλα μήκη κύματος χρειαζόμαστε πολύ μεγάλους θαλάμους, αλλά το κόστος και οι πρακτικοί περιορισμοί συχνά περιορίζουν το μέγεθός τους. Ορισμένες συμβαλλόμενες εταιρείες άμυνας που μετρούν τη διατομή ραντάρ μεγάλων αεροπλάνων ή άλλων αντικειμένων είναι γνωστό ότι έχουν ανηχοϊκούς θαλάμους μεγέθους γηπέδων μπάσκετ, αν και αυτό δεν είναι συνηθισμένο. Τα πανεπιστήμια με ανηχοϊκούς θαλάμους συνήθως έχουν θαλάμους 3-5 μέτρων σε μήκος, πλάτος και ύψος. Λόγω του περιορισμού μεγέθους και επειδή το υλικό απορρόφησης ραδιοσυχνοτήτων συνήθως λειτουργεί καλύτερα σε UHF και υψηλότερα, οι ανηχοϊκοί θάλαμοι χρησιμοποιούνται συχνότερα για συχνότητες άνω των 300 MHz.
Ανυψωμένες σειρές
Οι ανυψωμένες σειρές είναι σειρές εξωτερικών χώρων. Σε αυτή τη ρύθμιση, η πηγή και η κεραία υπό δοκιμή είναι τοποθετημένα πάνω από το έδαφος. Αυτές οι κεραίες μπορούν να βρίσκονται σε βουνά, πύργους, κτίρια ή οπουδήποτε βρίσκει κανείς ότι είναι κατάλληλο. Αυτό γίνεται συχνά για πολύ μεγάλες κεραίες ή σε χαμηλές συχνότητες (VHF και κάτω, <100 MHz) όπου οι εσωτερικές μετρήσεις θα ήταν δύσκολες. Το βασικό διάγραμμα ενός ανυψωμένου εύρους φαίνεται στο Σχήμα 2.
Εικόνα 2. Απεικόνιση ανυψωμένου εύρους.
Η κεραία πηγής (ή η κεραία αναφοράς) δεν βρίσκεται απαραίτητα σε υψηλότερο υψόμετρο από την κεραία δοκιμής, απλώς το έδειξα έτσι εδώ. Η οπτική γωνία (LOS) μεταξύ των δύο κεραιών (που απεικονίζεται από τη μαύρη ακτίνα στο Σχήμα 2) πρέπει να είναι ανεμπόδιστη. Όλες οι άλλες αντανακλάσεις (όπως η κόκκινη ακτίνα που ανακλάται από το έδαφος) είναι ανεπιθύμητες. Για υψηλές περιοχές, μόλις προσδιοριστεί η θέση πηγής και κεραίας δοκιμής, οι χειριστές δοκιμής στη συνέχεια καθορίζουν πού θα συμβούν οι σημαντικές αντανακλάσεις και προσπαθούν να ελαχιστοποιήσουν τις αντανακλάσεις από αυτές τις επιφάνειες. Συχνά για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται υλικό απορρόφησης rf ή άλλο υλικό που εκτρέπει τις ακτίνες μακριά από την κεραία δοκιμής.
Συμπαγείς σειρές
Η κεραία πηγής πρέπει να τοποθετηθεί στο μακρινό πεδίο της κεραίας δοκιμής. Ο λόγος είναι ότι το κύμα που λαμβάνει η κεραία δοκιμής θα πρέπει να είναι ένα επίπεδο κύμα για μέγιστη ακρίβεια. Δεδομένου ότι οι κεραίες ακτινοβολούν σφαιρικά κύματα, η κεραία πρέπει να είναι αρκετά μακριά έτσι ώστε το κύμα που ακτινοβολείται από την κεραία πηγής να είναι περίπου ένα επίπεδο κύμα - βλέπε Εικόνα 3.
Εικόνα 3. Μια κεραία πηγής εκπέμπει ένα κύμα με ένα σφαιρικό μέτωπο κύματος.
Ωστόσο, για τους εσωτερικούς θαλάμους συχνά δεν υπάρχει αρκετός διαχωρισμός για να επιτευχθεί αυτό. Μία μέθοδος για την επίλυση αυτού του προβλήματος είναι μέσω ενός συμπαγούς εύρους. Σε αυτή τη μέθοδο, μια κεραία πηγής προσανατολίζεται προς έναν ανακλαστήρα, του οποίου το σχήμα είναι σχεδιασμένο να αντανακλά το σφαιρικό κύμα με έναν περίπου επίπεδο τρόπο. Αυτό μοιάζει πολύ με την αρχή βάσει της οποίας λειτουργεί μια κεραία πιάτων. Η βασική λειτουργία φαίνεται στο σχήμα 4.
Εικόνα 4. Συμπαγές εύρος - τα σφαιρικά κύματα από την κεραία πηγής ανακλώνται ώστε να είναι επίπεδα (παραλληλισμένα).
Το μήκος του παραβολικού ανακλαστήρα είναι τυπικά επιθυμητό να είναι αρκετές φορές μεγαλύτερο από την κεραία δοκιμής. Η κεραία πηγής στο Σχήμα 4 είναι μετατοπισμένη από τον ανακλαστήρα έτσι ώστε να μην είναι εμπόδιο στις ανακλώμενες ακτίνες. Πρέπει επίσης να δίνεται προσοχή ώστε να διατηρείται οποιαδήποτε άμεση ακτινοβολία (αμοιβαία σύζευξη) από την κεραία πηγής στην κεραία δοκιμής.
Ώρα δημοσίευσης: Ιαν-03-2024
