ΚεραίαΗ μέτρηση είναι η διαδικασία ποσοτικής αξιολόγησης και ανάλυσης της απόδοσης και των χαρακτηριστικών της κεραίας. Χρησιμοποιώντας ειδικό εξοπλισμό δοκιμών και μεθόδους μέτρησης, μετράμε το κέρδος, το διάγραμμα ακτινοβολίας, τον λόγο στάσιμων κυμάτων, την απόκριση συχνότητας και άλλες παραμέτρους της κεραίας για να επαληθεύσουμε εάν οι προδιαγραφές σχεδιασμού της κεραίας πληρούν τις απαιτήσεις, να ελέγξουμε την απόδοση της κεραίας και να παρέχουμε προτάσεις βελτίωσης. Τα αποτελέσματα και τα δεδομένα από τις μετρήσεις της κεραίας μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αξιολόγηση της απόδοσης της κεραίας, τη βελτιστοποίηση των σχεδίων, τη βελτίωση της απόδοσης του συστήματος και την παροχή καθοδήγησης και ανατροφοδότησης στους κατασκευαστές κεραιών και τους μηχανικούς εφαρμογών.
Απαιτούμενος εξοπλισμός στις μετρήσεις κεραίας
Για τον έλεγχο κεραιών, η πιο βασική συσκευή είναι το VNA. Ο απλούστερος τύπος VNA είναι ένα VNA 1 θύρας, το οποίο είναι σε θέση να μετρήσει την αντίσταση μιας κεραίας.
Η μέτρηση του διαγράμματος ακτινοβολίας, του κέρδους και της απόδοσης μιας κεραίας είναι πιο δύσκολη και απαιτεί πολύ περισσότερο εξοπλισμό. Θα ονομάσουμε την κεραία που θα μετρηθεί AUT, που σημαίνει Antenna Under Test (Κεραία υπό δοκιμή). Ο απαιτούμενος εξοπλισμός για τις μετρήσεις της κεραίας περιλαμβάνει:
Μια κεραία αναφοράς - Μια κεραία με γνωστά χαρακτηριστικά (κέρδος, μοτίβο κ.λπ.)
Ένας πομπός ισχύος RF - Ένας τρόπος έγχυσης ενέργειας στο AUT [Κεραία υπό δοκιμή]
Ένα σύστημα δέκτη - Αυτό καθορίζει πόση ισχύ λαμβάνει η κεραία αναφοράς
Σύστημα εντοπισμού θέσης - Αυτό το σύστημα χρησιμοποιείται για την περιστροφή της κεραίας δοκιμής σε σχέση με την κεραία πηγής, για τη μέτρηση του διαγράμματος ακτινοβολίας ως συνάρτηση της γωνίας.
Ένα διάγραμμα μπλοκ του παραπάνω εξοπλισμού φαίνεται στο Σχήμα 1.
Σχήμα 1. Διάγραμμα του 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 Μετάδοσης θα πρέπει να είναι ικανό να εκπέμπει ένα σταθερό γνωστό επίπεδο ισχύος. Η συχνότητα εξόδου θα πρέπει επίσης να είναι ρυθμιζόμενη (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 θα πρέπει να περιέχει πολύ λίγη ενέργεια σε όλες τις άλλες συχνότητες (θα υπάρχει πάντα κάποια ενέργεια εκτός της επιθυμητής συχνότητας, αλλά δεν θα πρέπει να υπάρχει πολλή ενέργεια στις αρμονικές, για παράδειγμα).
Το Σύστημα Λήψης χρειάζεται απλώς να προσδιορίσει πόση ισχύ λαμβάνει 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 ένα ομοαξονικό καλώδιο με υποδοχές τύπου N ή SMA). Συνήθως ο δέκτης είναι ένα σύστημα 50 Ohm, αλλά μπορεί να έχει διαφορετική σύνθετη αντίσταση, εάν καθοριστεί.
Σημειώστε ότι το σύστημα μετάδοσης/λήψης συχνά αντικαθίσταται από ένα VNA. Μια μέτρηση S21 μεταδίδει μια συχνότητα από τη θύρα 1 και καταγράφει την λαμβανόμενη ισχύ στη θύρα 2. Επομένως, ένα VNA είναι κατάλληλο για αυτήν την εργασία. Ωστόσο, δεν είναι η μόνη μέθοδος εκτέλεσης αυτής της εργασίας.
Το Σύστημα Εντοπισμού Θέσης ελέγχει τον προσανατολισμό της κεραίας δοκιμής. Δεδομένου ότι θέλουμε να μετρήσουμε το διάγραμμα 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 πιθανή γωνία. Το σύστημα εντοπισμού θέσης χρησιμοποιείται για αυτόν τον σκοπό. Στο Σχήμα 1, δείχνουμε την AUT να περιστρέφεται. Σημειώστε ότι υπάρχουν πολλοί τρόποι για να εκτελέσετε αυτήν την περιστροφή. μερικές φορές η κεραία αναφοράς περιστρέφεται και μερικές φορές περιστρέφονται τόσο η κεραία αναφοράς όσο και η κεραία AUT.
Τώρα που έχουμε όλο τον απαραίτητο εξοπλισμό, μπορούμε να συζητήσουμε πού θα 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 ανακλάσεις από τους τοίχους, τις οροφές και το πάτωμα θα καθιστούσαν τις μετρήσεις σας ανακριβείς. Η ιδανική τοποθεσία για να πραγματοποιήσετε μετρήσεις κεραίας είναι κάπου στο διάστημα, όπου δεν μπορούν να υπάρξουν ανακλάσεις. Ωστόσο, επειδή τα διαστημικά ταξίδια είναι προς το παρόν απαγορευτικά ακριβά, θα επικεντρωθούμε σε σημεία μέτρησης που βρίσκονται στην επιφάνεια της Γης. Ένας ανηχοϊκός θάλαμος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την απομόνωση της διάταξης δοκιμής της κεραίας, απορροφώντας παράλληλα την ανακλώμενη ενέργεια με αφρό απορρόφησης RF.
Ελεύθεροι Χώροι (Ανηχοϊκοί Θάλαμοι)
Οι περιοχές μέτρησης ελεύθερου χώρου είναι θέσεις μέτρησης κεραιών που έχουν σχεδιαστεί για να προσομοιώνουν μετρήσεις 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 περιοχές μέτρησης ελεύθερου χώρου είναι οι ανηχοϊκοί θάλαμοι, οι υπερυψωμένες περιοχές μέτρησης και η συμπαγής περιοχή μέτρησης.
Ανηχοϊκοί Θάλαμοι
Οι ανηχοϊκοί θάλαμοι είναι εσωτερικές εστίες κεραιών. Οι τοίχοι, οι οροφές και το δάπεδο είναι επενδυμένα με ειδικό υλικό απορρόφησης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Οι εσωτερικές εστίες είναι επιθυμητές επειδή οι συνθήκες δοκιμής μπορούν να ελεγχθούν πολύ πιο αυστηρά από ό,τι οι εξωτερικές εστίες. Το υλικό έχει συχνά και οδοντωτό σχήμα, καθιστώντας αυτούς τους θαλάμους αρκετά ενδιαφέροντες. Τα οδοντωτά τριγωνικά σχήματα έχουν σχεδιαστεί έτσι ώστε αυτό που ανακλάται από αυτά να τείνει να εξαπλώνεται σε τυχαίες κατευθύνσεις και αυτό που προστίθεται από όλες τις τυχαίες ανακλάσεις τείνει να προστίθεται ασυνάρτητα και έτσι καταστέλλεται περαιτέρω. Μια εικόνα ενός ανηχοϊκού θαλάμου φαίνεται στην ακόλουθη εικόνα, μαζί με κάποιο εξοπλισμό δοκιμής:
(Η εικόνα δείχνει τη δοκιμή κεραίας RFMISO)
Το μειονέκτημα των ανηχοϊκών θαλάμων είναι ότι συχνά πρέπει να είναι αρκετά μεγάλοι. Συχνά οι κεραίες πρέπει να απέχουν αρκετά μήκη κύματος η μία από την άλλη τουλάχιστον για να προσομοιώσουν 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 εταιρείες αμυντικών συμβάσεων που μετρούν την διατομή ραντάρ μεγάλων αεροπλάνων ή άλλων αντικειμένων είναι γνωστό ότι διαθέτουν ανηχοϊκούς θαλάμους στο μέγεθος γηπέδων μπάσκετ, αν και αυτό δεν είναι συνηθισμένο. Τα πανεπιστήμια με ανηχοϊκούς θαλάμους έχουν συνήθως θαλάμους μήκους, πλάτους και ύψους 3-5 μέτρων. Λόγω του περιορισμού μεγέθους και επειδή το υλικό απορρόφησης RF συνήθως λειτουργεί καλύτερα σε UHF και υψηλότερα, οι ανηχοϊκοί θάλαμοι χρησιμοποιούνται συχνότερα για συχνότητες άνω των 300 MHz.
Υπερυψωμένες ακτίνες
Οι υπερυψωμένες εστίες είναι εξωτερικές εστίες. Σε αυτήν τη διάταξη, η πηγή και η κεραία που δοκιμάζονται τοποθετούνται πάνω από το έδαφος. Αυτές οι κεραίες μπορούν να βρίσκονται σε βουνά, πύργους, κτίρια ή οπουδήποτε αλλού είναι κατάλληλο. Αυτό γίνεται συχνά για πολύ μεγάλες κεραίες ή σε χαμηλές συχνότητες (VHF και κάτω, <100 MHz) όπου οι μετρήσεις σε εσωτερικούς χώρους θα ήταν δυσεύρετες. Το βασικό διάγραμμα μιας υπερυψωμένης εστίας φαίνεται στο Σχήμα 2.
Σχήμα 2. Απεικόνιση υπερυψωμένου εύρους.
Η κεραία πηγής (ή η κεραία αναφοράς) δεν βρίσκεται απαραίτητα σε μεγαλύτερο υψόμετρο από την κεραία δοκιμής, απλώς την έδειξα έτσι εδώ. Η γραμμή ορατότητας (LOS) μεταξύ των δύο κεραιών (που απεικονίζεται από τη μαύρη ακτίνα στο Σχήμα 2) πρέπει να είναι ανεμπόδιστη. Όλες οι άλλες ανακλάσεις (όπως η κόκκινη ακτίνα που ανακλάται από το έδαφος) είναι ανεπιθύμητες. Για υπερυψωμένες αποστάσεις, μόλις προσδιοριστεί η θέση της πηγής και της κεραίας δοκιμής, οι χειριστές δοκιμών καθορίζουν στη συνέχεια πού θα συμβούν οι σημαντικές ανακλάσεις και προσπαθούν να ελαχιστοποιήσουν τις ανακλάσεις από αυτές τις επιφάνειες. Συχνά χρησιμοποιείται υλικό απορρόφησης RF για αυτόν τον σκοπό ή άλλο υλικό που εκτρέπει τις ακτίνες μακριά από την κεραία δοκιμής.
Μικρές σειρές
Η κεραία πηγής πρέπει να τοποθετηθεί στο μακρινό πεδίο της κεραίας δοκιμής. Ο λόγος είναι ότι το κύμα που λαμβάνεται από την κεραία δοκιμής θα πρέπει να είναι επίπεδο κύμα για μέγιστη ακρίβεια. Δεδομένου ότι οι κεραίες εκπέμπουν σφαιρικά κύματα, η κεραία πρέπει να βρίσκεται αρκετά μακριά, έτσι ώστε το κύμα που εκπέμπεται από την κεραία πηγής να είναι περίπου επίπεδο κύμα - βλ. Σχήμα 3.
Σχήμα 3. Μια κεραία πηγής εκπέμπει ένα κύμα με σφαιρικό μέτωπο κύματος.
Ωστόσο, για τους εσωτερικούς θαλάμους συχνά δεν υπάρχει αρκετός διαχωρισμός για να επιτευχθεί αυτό. Μια μέθοδος για την επίλυση αυτού του προβλήματος είναι μέσω μιας συμπαγούς εμβέλειας. Σε αυτήν τη μέθοδο, μια κεραία πηγής προσανατολίζεται προς έναν ανακλαστήρα, του οποίου το σχήμα έχει σχεδιαστεί για να αντανακλά το σφαιρικό κύμα με περίπου επίπεδο τρόπο. Αυτό είναι πολύ παρόμοιο με την αρχή λειτουργίας μιας κεραίας πιάτου. Η βασική λειτουργία φαίνεται στο Σχήμα 4.
Σχήμα 4. Συμπαγής εμβέλεια - τα σφαιρικά κύματα από την κεραία πηγής ανακλώνται σε επίπεδα (ευθυγραμμισμένα).
Το μήκος του παραβολικού ανακλαστήρα είναι συνήθως επιθυμητό να είναι αρκετές φορές μεγαλύτερο από το μήκος της κεραίας δοκιμής. Η κεραία πηγής στο Σχήμα 4 είναι μετατοπισμένη από τον ανακλαστήρα έτσι ώστε να μην εμποδίζει τις ανακλώμενες ακτίνες. Πρέπει επίσης να δίνεται προσοχή ώστε να αποφεύγεται οποιαδήποτε άμεση ακτινοβολία (αμοιβαία σύζευξη) από την κεραία πηγής στην κεραία δοκιμής.
Ώρα δημοσίευσης: 03 Ιανουαρίου 2024
