Para entender su rendimiento, verificar las especificaciones de diseño y asegurar el cumplimiento de la normativa. Tanto si se trata de una pequeña antena de parche en un dispositivo de consumo o un reflector de satélite grande, el patrón de radiación revela cómo se distribuye energía electromagnética en el espacio. Dos metodologías primarias dominan el campo: mediciones de cámara anécica, que proporcionan un entorno controlado, de libre espacio, y pruebas de campo, que capturan las condiciones de funcionamiento de medida.

Fundamentos de los patrones de radiación de Antena

Antes de sumergirse en métodos de medición, es necesario un sólido captar los fundamentos del patrón de radiación. Un patrón de radiación de la antena es una representación gráfica del poder relativo irradiado o recibido como una función de dirección en el espacio. Típicamente trazado en coordenadas polares o rectangulares, los patrones se miden en dos cortes principales: el plano azimut (horizontal) y el plano de elevación (vertical).

  • Gain] – La proporción de la potencia radiada en una dirección dada a la de un radiador isotrópico, a menudo expresado en dBi.
  • Directividad – Medida de la capacidad de enfoque, independiente de las pérdidas.
  • Anchura] – La anchura angular en puntos de media potencia (-3 dB), especificada normalmente tanto para vigas principales como para sidelobes.
  • Nivel de sida] – El poder relativo del sidelobe más alto comparado con el rayo principal, crítico en la gestión de interferencias.
  • ratio de fundición a espalda – La proporción de potencia radiada hacia adelante contra hacia atrás, importante para las antenas direccionales.
  • Discriminación de la poliarización de la escoria] – La capacidad de rechazar la polarización ortogonal, vital en sistemas duales.

La medición precisa de estos parámetros requiere un control cuidadoso del entorno de prueba. La antena bajo prueba (AUT) debe ser colocada en la región de campo lejano de la antena fuente, donde la onda radiada se aproxima a una onda de avión. La distancia de campo lejano se define como R ≥ 2D2/λ[Fcho:1], donde D es la dimensión más grande del error AUT y λne

Mediciones de la cámara anéclica en profundidad

Una cámara anecólica es una sala forrada con material de absorción de frecuencias radiales (RAM) para minimizar las reflexiones de paredes, techos y suelos. El interior simula condiciones de espacio libre, permitiendo mediciones de patrón de alta precisión y repetibles sin interferencia externa. Las cámaras vienen en varias configuraciones:

Cámaras anecópicas (FAC)

Las FAC están completamente alineadas con RAM. Son el estándar de oro para mediciones de antenas, especialmente para antenas de baja ganancia y pruebas de pureza de polarización. La zona tranquila, el volumen donde las reflexiones son insignificantes, debe abarcar el AUT. Tales cámaras se utilizan para frecuencias que van desde VHF a bandas de onda milímetro.

Cámaras semi-anecópicas (SAC)

Los SAC tienen un piso conductivo para simular un plano de tierra, común en pruebas EMC pero menos ideal para patrones de antena de espacio libre. Para el trabajo de antena, un SAC puede ser utilizado si el camino reflexivo terrestre es controlado mediante el control de tiempo-dominio o tratamiento de absorbente especializado.

Cámaras de rango compacto

Para antenas más grandes, un rango compacto utiliza un reflector para transformar una onda esférica desde un cuerno de alimentación en una onda de avión a corta distancia. Esto permite mediciones de campo lejano en una cámara mucho más pequeña que la distancia tradicional de campo lejano. Los rangos compactos son ampliamente utilizados para antenas de satélite y arrays escalonados.

Equipo y configuración para mediciones de cámara

Un sistema de medición de cámara típico comprende:

  • Positioner] – Un brazo giratorio o robótico motorizado que gira el AUT a través de ángulos de elevación y azimutación.
  • Fuente y receptor de RF – Analizador de red vectorial (VNA) o analizador de espectro con generador de seguimiento.
  • Antena de referencia] – Un cuerno de ganancia estándar calibrado para mediciones de ganancia absoluta.
  • Computador de adquisición de datos – Software que controla el posicionador, captura los parámetros S y computa el patrón.

Procedimiento de calibración

Antes de la medición, la calibración del sistema es crítica. Una calibración típica de un puerto en el puerto VNA elimina las pérdidas de cable y los desplazamientos de fase. Para la medición de ganancia, la antena de referencia se sustituye por la AUT y su ganancia conocida se utiliza para obtener el beneficio absoluto del AUT utilizando el método de sustitución. La calibración también establece el nivel de referencia para mediciones de patrones relativos.

Pasos de medición

  1. Montar el AUT en el posicionador en la zona tranquila de la cámara, orientado a la polarización deseada.
  2. Conectar el AUT al puerto 1 (transmitir) del VNA y colocar una antena de recepción fija (probe) en el puerto 2, o viceversa para la medición recíproca.
  3. Establecer frecuencia, configuración de barrido y ancho de banda IF para un rango dinámico adecuado.
  4. Realizar calibración (a través de la medición de la reflexión, el aislamiento y la antena de referencia si es necesario).
  5. Ejecute un corte de patrón: gire el AUT en azimut (0° a 360°) mientras grabe el coeficiente de transmisión (S21) en cada ángulo. Repita para múltiples ángulos de elevación para un patrón 3D.
  6. Aplicar mediciones de polarización girando la sonda AUT o capturar componentes copolares y cruzados.
  7. Datos post-proceso: normalizar al máximo, aplicar referencia de ganancia y exportar a herramientas de trazado.

Ventajas y limitaciones de las mediciones de cámara

Proyecciones:

  • Ambiente controlado y repetible libre de clima, interferencia y multipatriz.
  • Alta gama dinámica (a menudo √60 dB) que permite la medición de los bajos sidelobes.
  • La operación en interiores permite realizar pruebas durante todo el año.
  • Capacidad para medir la polarización y la fase con precisión.

Limitations:

  • Costo y huella: grandes cámaras para antenas de alta ganancia son costosas.
  • El rendimiento del Absorber se degrada en frecuencias muy bajas (bajo 100 MHz) debido a los límites de espesor.
  • No puede replicar efectos reales como reflejos de tierra o interacciones de plataforma de instalación.
  • Para antenas extremadamente grandes (por ejemplo, los arrays de radar cientos de longitudes de onda a través), incluso los rangos compactos se vuelven poco prácticos.

Para más información sobre el diseño de la cámara, consulte la nota de aplicación Keysight sobre las mediciones de la antena.

Técnicas de ensayo de campo

Las pruebas de campo miden el patrón de radiación en el entorno operativo real. Son indispensables para grandes antenas que no pueden ser movidas (por ejemplo, torres de estación base, platos satélites, reflectores parabólicos), y para verificar el rendimiento después de la instalación. Las pruebas de campo también capturan interacciones con estructuras cercanas y efectos de tierra.

Tipos de rangos de pruebas de campo

Sitio de prueba de área abierta (OATS)

Un OATS es un área plana y abierta con propiedades controladas de tierra. Un plano de tierra conductiva (por ejemplo, malla metálica) se utiliza a menudo para proporcionar un reflejo estable. El AUT se monta en un mástil, y una fuente de prueba se coloca a una distancia que satisface la condición de campo lejano. La fuente de prueba se puede elevar a diferentes alturas para medir cortes de altura. OATS es común para mediciones de estación base celular y EMC.

Elevated Range

Tanto la AUT como la fuente de prueba se colocan en torres o techos para minimizar los efectos en tierra. La vía de línea de visión está por encima de las obstrucciónes intervenientes. Este método es típico para antenas de enlace de microondas y sistemas de radar. La medición de patrón se realiza a menudo girando la AUT mientras que la fuente distante transmite una señal de onda continua.

Medición basada en el seno

Para grandes antenas como radares de rayos escalonados o platos satélites, los drones que llevan una sonda RF o un pequeño transmisor pueden volar a través de la región de campo lejano de la antena. La posición del drone se rastrea a través de GPS o un sistema óptico, y la señal recibida está correlacionada con la posición de mapear el patrón. Esta técnica ha ganado popularidad para la prueba in situ de grandes antenas instaladas.

Pasos de medición de los ensayos de campo

  1. Selección y preparación de la selección de la selección: Elige una ubicación con obstáculos mínimos, multipataje y interferencia de radio. Medir la distancia desde la AUT a la fuente de prueba y asegurar condiciones de campo lejano. Para el control de la reflexión terrestre, utilice una línea clara de visión y, opcionalmente, instale una pantalla de tierra.
  2. ]Equipment setup: Colocar la antena de transmisión en una ubicación fija (a menudo en una pequeña torre). Conéctelo a un generador de señal. La AUT permanece en su lugar. Conectar la AUT a un analizador de espectro o receptor a través de un cable de baja pérdida. Para la medición de ganancia, se mide primero una antena de referencia.
  3. Calibración: Realizar una calibración de pérdida de ruta utilizando una antena de referencia conocida. Esto explica pérdidas de cables y pérdida de espacio libre, permitiendo derivación de ganancia absoluta. Si se utiliza un drone, calibra la sonda RF del dron fuera de línea.
  4. Adquisición de datos de cartón: Rota el AUT en azimut (o mueve el dron alrededor de él) mientras graba el poder recibido. Para patrones de elevación, inclina el AUT o mueve verticalmente la fuente de prueba. Usa un registrador de datos que muestre el ángulo de tiempo y las lecturas de potencia.
  5. Procesamiento de postes: Aplicar correcciones para las reflexiones de tierra (método de imagen), pérdida atmosférica y efectos de movimiento por cable. Subir la referencia para obtener ganancia absoluta. Llenar el patrón y extraer parámetros clave.

Desafíos y mitigación

  • Multipath: Las reflexiones de edificios, árboles o el suelo pueden corromper el patrón. Mitigate utilizando el tiempo-dominio de las señales de control (si se utiliza un VNA) o banda estrecha CW con fuerte dominio de línea de visión.
  • Weather: Las variaciones de lluvia, niebla y temperatura afectan la propagación de señales y el equipo. Realizar pruebas en clima estable y proteger la electrónica.
  • Interferencia: La interferencia de los canales de otros transmisores puede evitarse mediante un canal de frecuencia claro, filtros de bandas y métodos de medición diferenciales.
  • Nulces de reflexión alrededor: En OATS, la reflexión desde el suelo interfiere con el camino directo, provocando ondas en el patrón. Usando una técnica de talla (varying the AUT height) puede promediar estos efectos.

Para una comparación detallada de los métodos de prueba de campo, consulte el artículo IEEE Antenas y revista de promoción sobre mediciones de RCS y antenas al aire libre.

Comparación de las mediciones de cámara y campo

Elegir entre una prueba de cámara y campo depende de los cambios que deben ser evaluados por proyecto.

FactorAnechoic ChamberField Test
Accuracy and repeatabilityExcellent (typical ±0.2 dB)Moderate (±1 dB or more due to environment)
CostHigh (chamber construction and RAM)Lower (requires range and travel)
Antenna sizeLimited by chamber dimensionsNo practical limit
Real-world effectsNot capturedCaptured (interactions, ground, obstacles)
SpeedFast (automated indoors)Slower (manual setup, weather delays)
Low-frequency capabilityPoor (absorber size)Good (long wavelengths over open ground)
SecurityControlled, no emissions outsideEmissions may be intercepted

En la práctica, el mejor enfoque a menudo combina ambas: utilizar mediciones de cámara para la validación del diseño y caracterización precisa, luego realizar pruebas de campo para la aceptación final y verificación de la instalación. Muchos estándares (por ejemplo, IEEE, ETSI) requieren un método dependiendo de la aplicación.

Consideraciones avanzadas

Transformación de cerca de Field a Far-Field

Cuando las condiciones de campo lejano no pueden ser alcanzadas dentro de una cámara (por ejemplo, para grandes arrays escalonados), el escaneado cerca del campo ofrece una solución. Una sonda mide la amplitud y fase del campo sobre un plano, cilindro o esfera cerca de la AUT. Transformación matemática (a través de óptica Fourier) compute el patrón de campo lejano. Este método es ampliamente utilizado para las antenas satelitales y es el tema de la aplicación [LT] [Rowarh

Tiempo-dominio de la ganancia en pruebas de campo

Utilizando un VNA con capacidad de dominio del tiempo permite la separación de la señal directa de las reflexiones. Al medir la respuesta del tiempo, el patrón medido se puede limpiar de artefactos multipatáticos. Esta técnica mejora dramáticamente la precisión en los sitios de prueba de área abierta.

Medición de la antena de rayos de fase y MIMO

Las antenas modernas con forma de haz requieren mediciones de patrones múltiples para diferentes estados de haz. Las pruebas de aire (OTA) en una cámara o campo son esenciales. Las cámaras avanzadas con arrays multiprobe pueden capturar simultáneamente patrones 3D de arrays escalonados, como se describe en Microwave Journal artículos sobre pruebas OTA].

Conclusión

La medición de patrones de antena es una práctica crítica en ingeniería RF, exigiendo una cuidadosa consideración del entorno de prueba. Las cámaras anecoicas proporcionan resultados controlados, precisos y repetibles ideales para caracterizar el diseño, mientras que las pruebas de campo revelan el comportamiento real de las antenas instaladas. Cada método tiene su lugar: cámaras para el desarrollo y certificación, pruebas de campo para la puesta en marcha y solución de problemas.