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La compréhension du gain et de la directivité des antennes est essentielle pour la conception et l'évaluation des systèmes de communication sans fil. Ces paramètres fondamentaux déterminent l'efficacité avec laquelle une antenne concentre l'énergie électromagnétique dans des directions spécifiques, ce qui a une incidence directe sur les performances du système, la zone de couverture et la qualité du signal.

Les fondamentaux de l'antenne Gain et Directivité

Comprendre la Directivité

La direction d'une antenne est le rapport de la densité de puissance de l'antenne réelle dans sa direction principale à un radiographe isotrope hypothétique mais inexistant qui rayonnerait uniformément dans toutes les directions. En termes plus simples, la direction mesure la façon dont une antenne concentre la puissance apparente dans une direction particulière par rapport à une source isotrope idéale qui rayonne également dans toutes les directions.

Une antenne directionnelle concentre sa puissance apparente uniquement sur une petite partie de la surface de la sphère. Cette concentration d'énergie donne aux antennes directionnelles leur capacité de transmettre ou de recevoir des signaux plus efficacement dans des directions spécifiques. La direction vous indique comment le rayonnement est concentré dans une direction particulière par rapport à un radiateur isotrope.

La notion de directivité est purement théorique en ce qu'elle suppose une antenne sans perte. Directivité demande : Dans quelle mesure l'énergie de focalisation de l'antenne par rapport à une source isotrope, en supposant qu'elle ne perd pas ? Cela fait de la directivité un paramètre utile pour comprendre la capacité de focalisation inhérente de la structure physique d'une antenne, indépendamment des pertes de matériaux ou des inefficacités.

Comprendre le gain d'antenne

Gain quantifie l'efficacité d'une antenne à concentrer la puissance apparente dans une direction donnée. Elle combine la capacité de focalisation directionnelle de l'antenne (direction) avec ses pertes ohmiques et matérielles (efficacité), ce qui en fait la figure la plus pratique du mérite pour les antennes réelles.

Le gain d'antenne décrit la directivité et l'efficacité d'une antenne comme un paramètre facile à manipuler. La relation entre le gain, la directivité et l'efficacité peut être exprimée mathématiquement, où le gain équivaut à la directivité multipliée par l'efficacité.

Une partie de la puissance des émetteurs est perdue dans l'antenne de la ligne d'alimentation à ses résistances ohmiques. Ces pertes sont définies comme l'efficacité d'une antenne.Ces pertes comprennent les pertes de conducteurs, les pertes diélectriques, les pertes d'inadéquation d'impédance et les pertes de polarisation.

La relation entre le gain, la direction et la beamwidth

Les antennes à gain supérieur produisent une puissance supplémentaire en se concentrant sur une zone réduite; donc, plus le gain est grand, plus la zone couverte est petite (mesurée en degrés de largeur de faisceau). Cette relation inverse est fondamentale pour la conception et la sélection des antennes.

Lorsque vous augmentez le gain d'une antenne, vous réduisez nécessairement sa largeur de faisceau, ce qui signifie que l'antenne couvre une région angulaire plus petite. Ce compromis est important à considérer lors de la conception de systèmes sans fil. Pour les applications nécessitant une large couverture, telles que les antennes de radiodiffusion ou les stations de base desservant de grandes zones, les antennes à gain inférieur avec des largeurs de faisceau plus larges peuvent être plus appropriées.

La largeur de faisceau est juste la largeur angulaire du lobe principal, habituellement mesurée lorsque le signal tombe de 3 dB du pic. Une largeur de faisceau étroite augmente la direction mais réduit la zone de couverture. La largeur de faisceau de 3 dB, également connue sous le nom de largeur de faisceau de demi-puissance, représente la largeur angulaire où la puissance apparente est la moitié de sa valeur maximale. Ce paramètre est essentiel pour déterminer les modèles de couverture de l'antenne et planifier les déploiements de réseau sans fil.

Unités de mesure des gains et normes de référence

Dans certaines industries, comme l'ingénierie de la radiodiffusion, les fabricants peuvent utiliser dBd (gain par rapport à une antenne dipolaire) comme métrique plutôt que dBi. Notez que dBd est intrinsèquement plus grand, défini comme 2.15 dBi gain. Cette différence se produit parce qu'une antenne dipolaire à demi-onde a une directivité d'environ 2.15 dBi en raison de son schéma de rayonnement de la figure-huit.

Le radiateur isotrope est utile précisément parce qu'il est la référence la plus simple possible : un rayonnement uniforme dans toutes les directions. Aucune antenne physique n'est isotrope, mais la directivité et le gain de chaque antenne peuvent être comparés avec elle, donnant une référence universelle. L'utilisation du radiateur isotrope comme référence fournit une norme cohérente pour comparer les antennes entre différents types, fréquences et applications.

Pour un dipole sans perte, la directivité et le gain sont à la fois 2,15 dBi. Cela fait de l'antenne dipolaire une norme de référence secondaire pratique, car elle peut être construite et mesurée physiquement, contrairement au radiateur isotrope théorique. Beaucoup d'antennes spécifient le gain dipolaire de référence parce que les dipoles sont bien compris, faciles à fabriquer et couramment utilisés dans des applications pratiques.

Techniques et méthodes de mesure des antennes

Méthode de comparaison des gains

Plusieurs techniques de mesure des gains existent, notamment le gain de comparaison et le gain direct, qui ont leurs propres avantages et inconvénients en termes de précision, de coût et de temps de mesure. Dans cette étude, la technique de comparaison des gains est utilisée. La méthode de comparaison des gains est l'une des techniques les plus utilisées pour mesurer les gains d'antenne dans les environnements de laboratoire et de production.

La différence de puissance reçue donne directement la différence de gain. Cette méthode nécessite une antenne de référence avec des caractéristiques de gain connues avec précision. Les cornes de gain standard sont couramment utilisées comme antennes de référence parce qu'elles ont des valeurs de gain stables et prévisibles et peuvent être étalonnées à haute précision.

La méthode de comparaison des gains offre plusieurs avantages : elle est relativement simple à mettre en œuvre, elle fournit une bonne précision lors de l'utilisation d'antennes de référence correctement étalonnées et peut être réalisée dans divers environnements d'essai, y compris les chambres anéchoïques et les plages extérieures.

Méthodes à deux antennes et à trois antennes

Méthode à deux antennes : Deux antennes identiques se font face l'une à une séparation connue. Vous mesurez la puissance reçue et appliquez l'équation Friis. L'équation de transmission Friis relie la puissance reçue par une antenne à la puissance transmise par une autre, en tenant compte des gains des deux antennes, de la distance entre elles et de la longueur d'onde de fonctionnement.

Comme les deux antennes sont identiques, le gain unique inconnu peut être résolu directement. Cette méthode est particulièrement utile lorsque vous avez deux antennes identiques mais pas d'antenne de référence étalonnée disponible. En mesurant la puissance reçue et en connaissant tous les autres paramètres de l'équation Friis, vous pouvez résoudre pour l'antenne gagner algébriquement.

Méthode à trois antennes : Trois antennes différentes sont mesurées en combinaisons appariées (A-B, A-C, B-C). Les trois équations Friis donnent trois inconnues, donnant le gain de chaque antenne sans avoir besoin d'une référence pré-étalonnage. Cette méthode est utile pour établir des normes de gain ou quand aucune antenne de référence étalonnée n'est disponible. En effectuant trois mesures distinctes avec différentes paires d'antennes, vous créez un système de trois équations avec trois inconnues qui peuvent être résolues simultanément pour déterminer le gain des trois antennes.

Méthode d'intégration des modèles

Intégration du modèle : Mesurez le modèle de rayonnement 3D complet, puis intégrez numériquement la densité de puissance sur tous les angles solides pour trouver la puissance apparente totale. Cette méthode fournit une caractérisation complète des propriétés de rayonnement de l'antenne et peut donner à la fois la direction et l'information de gain.

La méthode d'intégration des motifs consiste à mesurer le profil de rayonnement de l'antenne à de nombreuses positions angulaires couvrant toute la sphère autour de l'antenne. Les mesures de la densité de puissance sont ensuite intégrées dans toutes les directions pour déterminer la puissance totale apparente. En comparant l'intensité maximale de rayonnement à l'intensité moyenne de rayonnement, on peut calculer la directivité.

Cette méthode est particulièrement utile pour les applications de recherche et développement où une caractérisation complète de l'antenne est nécessaire. Cependant, elle prend beaucoup de temps et nécessite un équipement de mesure sophistiqué capable de positionner l'antenne ou la sonde à travers une gamme complète de positions angulaires. L'utilisation de mesures planaires à proximité du champ pour déterminer le gain d'antenne est répandue.

Techniques de mesure à proximité du champ

Cet article présente une comparaison entre différentes techniques de mesure du gain d'antenne et des estimations de la directivité. En outre, trois méthodes de mesure du champ proche, y compris plan, cylindrique et sphérique, ont été comparées pour le gain d'antenne et l'estimation de la directivité.

Les méthodes d'essai sur terrain proche pour la mesure des propriétés des antennes sont décrites dans le présent document et les pratiques de mesure sur terrain proche pour les trois géométries principales sont recommandées : cylindrique, planaire et sphérique.

La précision des résultats dépend fortement de la taille de la zone d'échantillonnage, surtout lorsque l'on travaille dans des espaces d'essai limités, ce qui influe sur la précision des mesures de gain. Une bonne planification de la zone de mesure est essentielle pour saisir suffisamment d'information sur les caractéristiques de rayonnement de l'antenne.

Les mesures planes à champ proche sont particulièrement adaptées aux antennes à rayonnement directionnel, comme les réseaux et les antennes réflecteurs. L'antenne à l'essai est balayée sur une surface plane devant l'antenne, et les données mesurées à champ proche sont mathématiquement transformées pour obtenir des profils et des gains à champ lointain.

Installations d'essai d'antenne et environnement

Chambres anéchoïques

Une chambre anéchoïque est une pièce blindée bordée de matériau d'absorption RF (habituellement des absorbeurs de mousse pyramidale ou des carreaux ferrites) sur toutes les surfaces intérieures. Cela supprime les réflexions et les interférences externes, en approximant les conditions d'espace libre à l'intérieur.

Les essais à l'intérieur se déroulent habituellement dans une chambre anéchoïque doublée de matériau absorbant RF. Les gammes extérieures nécessitent une installation dans la région lointaine. Le matériau absorbant RF dans les chambres anéchoïques est conçu pour minimiser les réflexions sur une plage de fréquences spécifique. Le matériau absorbant est généralement constitué de mousse ou de tuiles ferrites à teneur en carbone, façonnées en structures pyramidales ou en coin qui transforment progressivement l'impédance de l'espace libre en matériau absorbant, réduisant ainsi les réflexions.

Les gammes intérieures (chambres anéchoïques) suppriment les reflets (échos) en encadrant les parois, le plancher et le plafond avec un matériau absorbant. L'efficacité d'une chambre anéchoïque dépend de la qualité et de l'épaisseur du matériau absorbant, de la taille de la chambre par rapport à l'antenne testée, et de la fréquence de fonctionnement.

La zone de calme est la région située dans la chambre anéchoïque où l'uniformité du champ et les faibles niveaux de réflexion satisfont aux exigences spécifiées. Toutes les mesures d'antenne doivent être effectuées avec l'antenne sous test positionnée dans la zone de calme pour assurer des résultats précis. La taille de la zone de silence détermine la taille maximale d'antenne qui peut être testée dans une chambre particulière.

Plages d'essais extérieures

Les gammes d'espace libre permettent une propagation sans réflexion. Elles peuvent être extérieures ou intérieures. Les gammes d'espace libre extérieur sont soigneusement construites de façon à minimiser les réflexions des bâtiments et autres objets. Les gammes d'espaces extérieurs sont particulièrement utiles pour tester de grandes antennes ou pour des mesures à des fréquences inférieures où les chambres anéchoïques seraient prohibitivement grandes.

Elles peuvent être réalisées sous forme de portées élevées et de portées inclinées. Les antennes émettrices et récepteurs sont placées à une hauteur suffisante au-dessus du sol pour minimiser les réflexions au sol. Les antennes sont généralement montées sur des tours, la hauteur étant choisie pour assurer que les signaux réflecteurs au sol arrivent à l'antenne récepteur avec une différence de longueur de chemin suffisante pour être séparées du signal direct.

Les plages d'inclinaisons ont besoin de moins d'espace que les plages élevées. L'antenne d'essai est montée à une hauteur fixe sur une tour non-conductrice (p. ex. en fibre de verre), tandis que l'antenne source est montée près du sol. Les plages d'inclinaisons profitent de la géométrie pour réduire la distance horizontale requise tout en maintenant une séparation adéquate entre les voies de signalisation directe et réfléchie.

Pour les antennes trop grandes pour une chambre ou pour les fréquences inférieures où les performances de l'absorbeur se dégradent, des gammes d'essais extérieures sont utilisées. Des gammes élevées placent des antennes sur des tours pour minimiser les réflexions au sol. Les gammes extérieures doivent être soigneusement situées pour éviter les réflexions des bâtiments voisins, des caractéristiques du terrain et d'autres structures.

Gammes d'essais d'antennes compactes

Les gammes compactes utilisent un grand réflecteur parabolique pour créer un front d'onde planaire à une distance plus courte, permettant des mesures à distance dans un espace intérieur plus petit. Les gammes compactes répondent au défi de réaliser des mesures à distance sur de grandes antennes sans nécessiter de distances d'essai extrêmement longues.

Le concept de gamme compacte réduit considérablement la taille de l'installation par rapport aux gammes de champs lointains classiques. Une gamme compacte bien conçue peut simuler des conditions de champ lointain à des distances beaucoup plus courtes que le critère traditionnel de distance de champ lointain de 2D2/λ, où D est le diamètre de l'antenne et λ est la longueur d'onde.

La qualité de l'onde plane produite par le réflecteur compact est essentielle à la précision de mesure. Le réflecteur doit être précisément façonné et avoir une finition de surface de haute qualité pour minimiser les variations de phase et d'amplitude dans la zone tranquille. Les traitements de bord, tels que les serrations ou les bords roulés, sont utilisés pour réduire la diffraction des bords du réflecteur qui pourraient contaminer la mesure.

Normes industrielles pour les mesures des antennes

Norme 149 de l'IEEE: Pratique recommandée pour les mesures d'antennes

Les pratiques recommandées pour la mesure des propriétés de transmission et de réception des antennes sont présentées.Tout au long de cette norme, on suppose que l'antenne à mesurer peut être traitée comme un dispositif passif, linéaire et réciproque. La norme IEEE 149 est l'une des normes les plus référencées pour les essais d'antennes et est utilisée dans l'ensemble du gouvernement, de l'industrie et du milieu universitaire depuis des décennies.

La mesure des caractéristiques de rayonnement dans une installation d'essai d'antenne est discutée. La conception des installations d'essai d'antenne est décrite en même temps que les exigences relatives à l'instrumentation pour le bon fonctionnement de l'installation d'antenne, les directives pour l'évaluation d'une plage (existante) et l'exploitation des plages sont discutées. La norme fournit des directives détaillées sur tous les aspects de la mesure d'antenne, de la conception de l'installation aux procédures d'analyse des données.

Cette norme est utilisée dans le domaine des essais d'antennes par le gouvernement, l'industrie et le milieu universitaire. Elle fournit un grand nombre des procédures actuellement utilisées par l'organisme d'essais d'antennes. La norme a été mise à jour à plusieurs reprises pour intégrer de nouvelles technologies et techniques de mesure.

La norme IEEE 149 couvre une vaste gamme de sujets, notamment les mesures de la configuration des rayonnements, les mesures de gain, les mesures de polarisation, les mesures d'impédance et les mesures spécialisées pour des types d'antennes spécifiques.

Norme IEEE 1720 : Mesures de l'antenne près du champ

La norme IEEE 1720 traite spécifiquement des techniques de mesure des champs proches, qui sont devenues de plus en plus importantes à mesure que les antennes se sont agrandies et qu'elles sont plus complexes. La norme contient des recommandations détaillées pour les systèmes de mesure des champs proches planaires, cylindriques et sphériques.

Les mesures à proximité du champ nécessitent des sondes spécialisées qui échantillonnent le champ électromagnétique près de l'antenne à l'essai. Les caractéristiques de la sonde, y compris son profil de rayonnement, sa pureté en polarisation et sa réponse en fréquence, affectent directement la précision de la mesure.

La norme traite également des transformations mathématiques nécessaires pour convertir les données de mesure en champ proche en modèles de rayonnement lointains, qui sont basées sur la théorie électromagnétique et nécessitent une mise en oeuvre minutieuse pour éviter les erreurs numériques et les artefacts.

Norme 1528 de l'IEEE et normes de mesure SAR connexes

Bien que l'IEEE 1528 traite principalement des mesures du taux d'absorption (SAR) spécifiques pour les appareils sans fil plutôt que des mesures traditionnelles de gain d'antenne, il représente une catégorie importante de mesures liées à l'antenne. Une plage de 2 dB est requise dans les normes IEEE 1528 et CEI 62209.

Les mesures de R-S nécessitent un équipement et des procédures spécialisés pour évaluer avec précision l'énergie électromagnétique absorbée par les tissus biologiques. Les systèmes de mesure doivent être étalonnés et validés pour assurer la conformité aux exigences réglementaires.

ISO/IEC 17025: Exigences générales pour les laboratoires d'essais

La norme ISO/IEC 17025 établit des exigences générales concernant la compétence des laboratoires d'essais et d'étalonnage. Bien que non spécifiques aux mesures d'antenne, cette norme est essentielle pour les laboratoires qui effectuent des essais d'antenne, en particulier ceux qui demandent l'accréditation ou fournissent des mesures pour la conformité réglementaire.

Les laboratoires qui suivent la norme ISO/CEI 17025 doivent démontrer leur compétence technique, utiliser des méthodes de mesure validées, maintenir un équipement étalonné, estimer l'incertitude de mesure et mettre en oeuvre des procédures de contrôle de la qualité.

Matériel de mesure et instrumentation essentiels

Analyseurs de réseaux vectoriaux

L'impédance d'entrée d'antenne est calculée comme étant habituellement mesurée à l'aide d'un analyseur de réseau vectoriel (VNA). L'analyseur VNA mesure les paramètres S complexes des réseaux micro-ondes.

Les VNA mesurent les paramètres de diffusion (paramètres S) qui décrivent la façon dont les signaux RF sont réfléchis et transmis par l'antenne. Le paramètre S11, aussi connu sous le nom de coefficient de réflexion ou perte de retour, indique comment l'antenne est bien adaptée à sa ligne de transmission.

Les VNA modernes offrent une large couverture de fréquence, une grande portée dynamique et des procédures d'étalonnage sophistiquées qui éliminent les erreurs systématiques des mesures. Les capacités du domaine temporel permettent aux VNA d'identifier et de localiser les discontinuités d'impédance dans les structures d'antenne.

Générateurs et sources de signaux

Pour les mesures de transmission, le générateur de signal conduit l'antenne à l'essai, tandis que pour les mesures de réception, il conduit une antenne source qui éclaire l'antenne à l'essai. Les générateurs de signal doivent fournir une puissance de sortie stable, une faible distorsion harmonique et une bonne précision de fréquence pour assurer la répétabilité de la mesure.

Les générateurs de signaux modernes offrent des caractéristiques telles que le balayage de fréquence, la modulation d'amplitude et la modulation d'impulsions qui sont utiles pour différents types de mesures d'antenne. La stabilité de fréquence est particulièrement importante pour les mesures de phase et pour les mesures sur de longues périodes.

Pour certaines applications, des sources spécialisées telles que les sources sonores ou les sources pulsées peuvent être nécessaires. Les sources de bruit sont utilisées pour mesurer la température du bruit des antennes et la valeur du bruit du système.

Antennes de référence et normes d'étalonnage

L'étalonnage maintient tous les appareils de mesure dans des limites de précision connues, ce qui englobe les générateurs de signaux, les analyseurs de réseau et les antennes de référence. Les testeurs utilisent souvent une antenne de référence étalonnée avec gain connu pour se comparer à l'antenne à l'essai (AUT).

Les cornes de gain standard sont le type d'antenne de référence le plus courant utilisé dans les installations d'essai d'antennes. Ces cornes ont des valeurs de gain bien caractérisées qui peuvent être calculées à partir de leurs dimensions physiques ou mesurées par rapport aux normes primaires.

Les antennes de référence doivent être étalonnées périodiquement pour maintenir leur précision. L'étalonnage est généralement effectué par des instituts nationaux de métrologie ou des laboratoires d'étalonnage accrédités utilisant des étalons primaires ou secondaires. Le certificat d'étalonnage fournit les valeurs de gain de l'antenne à des fréquences précises ainsi que les incertitudes de mesure associées.

Les antennes dipolaires servent également de référence, en particulier aux fréquences inférieures où leurs dimensions sont pratiques. Le gain théorique d'un dipolaire à demi-onde est bien établi, ce qui en fait une référence utile même sans calibrage formel. Cependant, les dipolaires réels ont un diamètre fini du conducteur et peuvent inclure des baluns ou d'autres composants qui affectent leur gain réel, de sorte que les dipolaires étalonnés fournissent des références plus précises.

Positionneurs et systèmes de positionnement des antennes

Alignez l'AUT avec les axes de coordonnées du système de test. Un positionneur rotatif vous permet de mesurer en azimut et en altitude. La bonne position est vraiment importante, car le désalignement peut changer la direction du faisceau mesuré et gagner des valeurs. Les positions d'antenne permettent le balayage angulaire nécessaire pour mesurer les patrons de rayonnement et localiser la direction du gain maximum.

Pour des mesures complètes de la configuration, il faut au moins deux axes de rotation pour couvrir la totalité de la sphère autour de l'antenne. L'azimut-sur-élévation et le roulage-sur-azimut sont des configurations de positionneurs communes, chacune offrant des avantages pour différents types d'antennes et des exigences de mesure.

La précision de positionnement affecte directement la précision de mesure, en particulier pour les antennes à largeur de faisceau étroite. Les antennes à gain élevé nécessitent un positionnement angulaire précis pour localiser avec précision le pic du faisceau principal et mesurer les niveaux de lobe latéral.

Pour les mesures à champ proche, les scanners planaires déplacent l'antenne de la sonde dans un motif raster sur un plan devant l'antenne à l'essai. Ces scanners doivent fournir un contrôle précis de la position dans deux dimensions tout en maintenant une orientation cohérente de la sonde.

Récepteurs et analyseurs de spectre

Les récepteurs mesurent la force du signal reçu par l'antenne à l'essai ou par une antenne à sonde dans les mesures à champ proche. Le récepteur doit avoir une sensibilité suffisante pour mesurer les faibles niveaux de signal, une plage dynamique adéquate pour gérer les signaux forts et faibles, et une bonne sélectivité de fréquence pour rejeter les interférences et les harmoniques.

Les analyseurs de spectre servent de récepteurs dans de nombreux systèmes de mesure d'antenne, offrant une large couverture de fréquence et la possibilité de voir les signaux dans le domaine de la fréquence. Cette capacité est utile pour identifier les signaux fallacieux, les harmoniques et les interférences qui pourraient affecter la précision de la mesure.

Pour les mesures à haute précision, on peut utiliser des récepteurs spécialisés avec détection verrouillée par phase ou détection cohérente. Ces récepteurs peuvent mesurer à la fois l'amplitude et la phase, ce qui est essentiel pour les mesures à champ proche et pour caractériser les réseaux d'antennes.

Procédures de mesure et pratiques exemplaires

Étalonnage et vérification du système

Des tests précis d'antennes prennent une configuration soignée, des conditions contrôlées et des techniques de mesure précises. Vous devez préparer le système de test, capturer des données fiables et surveiller tout ce qui pourrait fausser les résultats.

Avant d'effectuer des mesures d'antenne, tous les équipements d'essai doivent être étalonnés et vérifiés, notamment l'étalonnage de l'ARN, la vérification de la puissance de sortie du générateur de signal et de la précision de la fréquence, et la confirmation de la sensibilité et de la linéarité du récepteur.

La vérification du système consiste à mesurer une antenne ou une norme connue pour confirmer que le système de mesure fonctionne correctement. Cette vérification doit être effectuée régulièrement, en particulier après toute modification de l'installation ou de l'équipement de mesure.

La documentation des procédures d'étalonnage et de vérification est importante pour l'assurance de la qualité et pour la démonstration de la traçabilité des mesures, notamment les dates d'étalonnage, les sources d'étalonnage, les incertitudes de mesure et tout ajustement ou correction appliqué au système de mesure.

Lutte contre l'environnement et atténuation des interférences

Vous devez nettoyer l'environnement de test des réflexions indésirables. Les tests intérieurs se produisent généralement dans une chambre anéchoïque doublée de matériau absorbant RF. Les facteurs environnementaux peuvent affecter significativement la précision de mesure, rendant le contrôle environnemental approprié essentiel pour des résultats fiables.

Les variations de température peuvent affecter les caractéristiques de l'antenne, en particulier pour les antennes à matériaux ou composants sensibles à la température. Le maintien de conditions de température stables pendant les mesures assure la répétabilité et empêche la dérive thermique dans l'antenne à l'essai et dans l'équipement de mesure.

L'humidité peut affecter les performances des antennes, en particulier pour les antennes à matériaux diélectriques ou pour les mesures à des fréquences millimétriques où l'absorption atmosphérique devient importante.

Les installations d'essai blindées comme les chambres anéchoïques permettent d'isoler les interférences externes. Pour les aires de répartition extérieures, les relevés de site devraient identifier les sources potentielles d'interférence et les mesures devraient être planifiées pour éviter les temps de forte interférence.

Procédures d'alignement et de positionnement

Alignez l'AUT avec les axes de coordonnées du système d'essai. Un positionneur rotatif vous permet de mesurer en azimut et en altitude. La bonne position est vraiment importante, car le désalignement peut changer la direction du faisceau mesuré et gagner des valeurs. Un bon alignement est essentiel pour des mesures précises, particulièrement pour les antennes à gain élevé avec largeurs de faisceau étroites.

L'antenne soumise à l'essai doit être placée de façon à ce que son centre de phase coïncide avec le centre de rotation du positionneur. Pour les antennes avec des centres de phase bien définis, tels que les cornes et les petits dipôles, cet alignement est simple. Pour les antennes avec des centres de phase distribués, tels que les réseaux et les réflecteurs, l'alignement doit positionner l'antenne de façon à ce que les mesures de patron soient référencées à un point significatif.

L'alignement de polarisation garantit que l'antenne en cours d'essai et l'antenne source ou sonde ont la relation de polarisation correcte. Pour les antennes polarisées linéairement, les vecteurs de polarisation doivent être alignés (pour les mesures de copolarisation) ou orthogonaux (pour les mesures de polarisation croisée).

La distance entre l'antenne soumise à l'essai et l'antenne ou la sonde source doit satisfaire aux critères de champ lointain pour les mesures en champ lointain. La distance de champ lointain est généralement définie comme 2D2/λ ou plus, où D est la plus grande dimension de l'antenne et λ est la longueur d'onde.

Collecte et traitement des données

Pour les mesures de patron, la densité d'échantillonnage angulaire doit être suffisante pour saisir toutes les caractéristiques de patron, y compris le faisceau principal, les lobes latéraux et les nuls. Le critère d'échantillonnage Nyquist suggère que l'intervalle d'échantillonnage angulaire ne doit pas dépasser λ/(2D) radians pour éviter tout alias.

Les mesures multiples à chaque position angulaire peuvent améliorer la précision de la mesure en faisant la moyenne du bruit aléatoire et des variations. Le nombre de moyennes doit être choisi en fonction de la précision de la mesure requise et du temps de mesure disponible.

Le traitement des données comprend l'application de corrections d'étalonnage, les modèles de normalisation et le calcul de paramètres dérivés tels que la largeur du faisceau, les niveaux de lobe latéral et le gain.

L'analyse de l'incertitude quant à la mesure quantifie l'exactitude des résultats de mesure.Les contributions d'incertitude comprennent les incertitudes liées à l'étalonnage de l'équipement, les erreurs de positionnement, les effets environnementaux et le bruit de mesure aléatoire.

Considérations avancées en matière de mesure

Mesure des vitesses de millimètre et des fréquences élevées

Dans les scénarios encombrés comme les paramètres intérieurs de la non-ligne de vue (LNO), le gain d'antenne est dégradé par l'interaction de la propagation angulaire du canal avec le modèle d'antenne. Les mesures de l'onde millimétrique présentent des défis uniques en raison des longueurs d'onde courtes et de l'absorption atmosphérique élevée à ces fréquences.

Aux fréquences millimétriques, même de petites erreurs de positionnement peuvent causer des erreurs de phase importantes. La précision de positionnement requise avec longueur d'onde, de sorte que les mesures millimétriques-onde exigent des positionneurs plus précis et des procédures d'alignement. La stabilité mécanique de la configuration de mesure devient critique, car les vibrations et l'expansion thermique peuvent introduire des erreurs de mesure.

L'absorption atmosphérique, en particulier par la vapeur d'eau et l'oxygène, affecte la propagation des ondes millimétriques. Pour les zones extérieures, ces effets d'absorption doivent être pris en compte dans les mesures de gain.

Les antennes à faisceaux étroits peuvent connaître une dégradation substantielle des gains dans les scénarios NLOS, jusqu'à 4,4 dB au 90e percentile pour une antenne HPBW de 6°. Cette dégradation des gains dans les environnements réels souligne l'importance de mesurer les antennes dans des conditions qui représentent leur environnement d'exploitation prévu, pas seulement dans des conditions idéales de libre-espace.

Mesure des antennes d'array

Les antennes à réseaux gradués présentent des défis particuliers en matière de mesure en raison de leurs capacités de direction du faisceau électronique et de leurs réseaux d'alimentation complexes.

Les tableaux actifs avec amplificateurs intégrés et les sélecteurs de phase nécessitent des mesures dans des conditions de fonctionnement, ce qui introduit une complexité supplémentaire. Le modèle de rayonnement de la matrice peut dépendre des réglages des sélecteurs de phase et des atténuateurs, nécessitant des mesures à des angles et des configurations de direction multiples de faisceau.

Les mesures à champ proche sont particulièrement utiles pour les antennes de réseau, car elles peuvent fournir des informations sur les excitations individuelles des éléments et identifier les éléments défaillants ou dysfonctionnements.

Mesures de polarisation

La méthode de polarisation-pattern est une méthode partielle courante. Elle produit les paramètres d'ellipse de polarisation (rapport axial et angle d'inclinaison) dans une direction donnée de rayonnement.

La caractérisation complète de la polarisation nécessite la mesure des composantes de la copolarisation et de la polarisation croisée du modèle de rayonnement de l'antenne. La copolarisation représente la polarisation souhaitée, tandis que la polarisation croisée représente la composante de polarisation orthogonale qui dégrade généralement les performances du système.

Pour les antennes polarisées circulairement, les mesures du rapport axial quantifient la qualité de la polarisation circulaire. La polarisation circulaire parfaite a un rapport axial de 0 dB (ou 1:1), tandis que les antennes pratiques obtiennent généralement des rapports axiaux de 3 dB ou mieux sur leur bande passante de fonctionnement.

Mesure de l'incertitude et analyse des erreurs

La compréhension et la quantification de l'incertitude de mesure sont essentielles pour interpréter les résultats de la mesure de l'antenne et pour comparer les mesures effectuées dans différentes installations ou méthodes.

Les erreurs aléatoires sont dues au bruit dans le système de mesure, aux variations environnementales et à la répétabilité du positionnement. Ces erreurs peuvent être réduites en mesurant en moyenne plusieurs mesures et en améliorant le rapport signal-bruit du système de mesure.

Les erreurs systématiques résultent d'un étalonnage imparfait, d'erreurs d'alignement, de réflexions dans l'environnement d'essai et d'autres facteurs qui faussent systématiquement les mesures dans une direction. Les erreurs systématiques sont plus difficiles à identifier et à corriger que les erreurs aléatoires.

L'incertitude combinée de mesure est généralement exprimée comme une incertitude élargie avec un facteur de couverture spécifié, correspondant habituellement à un niveau de confiance de 95 %. Pour les mesures de gain d'antenne, les incertitudes typiques vont de ±0,3 dB pour des mesures de laboratoire soigneusement contrôlées à ±1 dB ou plus pour des environnements moins contrôlés ou des méthodes moins précises.

Applications pratiques et exemples industriels

Systèmes de communication sans fil

Les mesures de gain et de directivité des antennes sont essentielles pour concevoir et déployer des systèmes de communication sans fil. Les antennes des stations de base pour les réseaux cellulaires nécessitent des mesures précises de gain et de patrons pour assurer une couverture adéquate et minimiser les interférences avec les cellules adjacentes.

Pour les systèmes 5G fonctionnant à des fréquences millimétriques, les mesures d'antenne deviennent encore plus critiques en raison de l'utilisation de réseaux MIMO massifs et de la formation de faisceaux. Ces systèmes reposent sur une caractérisation précise des antennes pour mettre en œuvre des algorithmes de direction de faisceau et optimiser les performances du réseau.

Les équipements de locaux clients tels que les routeurs Wi-Fi, les appareils mobiles et les capteurs IoT nécessitent également des mesures d'antenne pour s'assurer qu'ils répondent aux spécifications de performance et aux exigences réglementaires.

Communications par satellite

Les mesures des antennes satellites doivent atteindre une précision élevée en raison de la nature critique des communications par satellite et du coût élevé des systèmes par satellite. Les antennes de stations au sol, qui sont souvent de grandes antennes réflecteurs à gain élevé, nécessitent une mesure minutieuse du gain, de la configuration et de la précision des points.

Les antennes de charge utile par satellite subissent des essais approfondis avant leur lancement pour vérifier leur performance dans l'environnement spatial.Ces mesures doivent tenir compte des effets du vide, des températures extrêmes et des contraintes mécaniques que l'antenne subira en orbite.

Le rapport G/T (gain-bruit-température) est un paramètre critique pour les systèmes de réception par satellite qui combine gain d'antenne et température du bruit du système. La mesure de G/T nécessite des mesures de gain d'antenne et des mesures de température du bruit, généralement effectuées à l'aide de sources radioastronomie ou de signaux de balise satellite.

Systèmes radar

Les antennes radar nécessitent des mesures de gain, de patron, de niveaux de lobe latéral et de polarisation. Les niveaux de lobe latéral faibles sont particulièrement importants pour les systèmes radar afin de minimiser les encombrements et les interférences.

Les antennes radar fonctionnent souvent avec des signaux pulsés, ce qui introduit des considérations de mesure supplémentaires. Les caractéristiques de l'antenne peuvent différer entre les ondes continues et le fonctionnement pulsé en raison des effets transitoires dans le réseau d'alimentation ou les composants actifs.

Les antennes radar monopulses génèrent plusieurs faisceaux simultanés utilisés pour le suivi des cibles. La mesure des antennes monopulses nécessite la caractérisation des patrons de somme et de différence et la vérification de la pente monopulse, qui détermine la précision du suivi.

Radar automobile et communications V2X

Les applications automobiles présentent des défis uniques en matière de mesure des antennes en raison de la nécessité de mesures sur des véhicules complets ou des sections de véhicules. Les antennes radars automobiles pour la régulation adaptative des croisières, l'évitement des collisions et la conduite autonome doivent être mesurées en présence de la carrosserie du véhicule, ce qui affecte le rayonnement de l'antenne.

Les antennes de communication V2X doivent assurer une couverture adéquate autour du véhicule lorsqu'elles sont montées sur la carrosserie du véhicule. Les mesures de configuration sur des véhicules complets nécessitent de grandes installations d'essai et des procédures de mesure spécialisées pour tenir compte des effets du véhicule sur la performance de l'antenne.

Les essais de production des antennes automobiles doivent être rapides et rentables tout en maintenant une précision suffisante pour assurer le bon fonctionnement des systèmes critiques en matière de sécurité.

Tendances nouvelles et développements futurs

Essais en direct (OTA)

À mesure que les appareils sans fil deviennent plus intégrés et complexes, les mesures traditionnelles de la performance de l'antenne deviennent moins pratiques. Les essais en direct mesurent la performance complète de l'appareil, y compris l'antenne, les circuits RF et le traitement numérique du signal, dans un environnement rayonné qui simule les conditions réelles.

Les méthodes de test OTA sont particulièrement importantes pour les appareils à antennes intégrées qui ne peuvent être accessibles par des connecteurs RF. Les téléphones mobiles, les tablettes et les appareils IoT exigent généralement des tests OTA pour vérifier leur performance sans fil. Des méthodes de test OTA normalisées ont été développées pour diverses technologies sans fil, y compris les téléphones cellulaires, Wi-Fi et Bluetooth.

Les chambres anéchoïques multi-sondes permettent de tester l'OTA avec une distribution angulaire contrôlée des signaux, simulant des environnements de propagation multi-pathes. Ces systèmes peuvent tester la performance du dispositif dans des conditions de canal réalistes, y compris la décoloration, l'interférence et plusieurs chemins de signal.

Electromagnétique computationnelle et validation de mesure

Des outils avancés de calcul électromagnétiques permettent une simulation précise des performances de l'antenne, réduisant ainsi le besoin de mesures prototypes étendues. Cependant, les mesures demeurent essentielles pour valider les simulations et vérifier les antennes de production.

Les outils de simulation peuvent prédire le gain d'antenne, la directivité et les modèles de rayonnement en fonction de la géométrie et des propriétés du matériau de l'antenne. La comparaison des résultats simulés et mesurés permet de déceler les erreurs de modélisation, les variations de fabrication et les effets environnementaux non saisis dans les simulations.

Les algorithmes d'IA peuvent optimiser les procédures de mesure, identifier les anomalies de mesure et prédire les performances des antennes à partir de données de mesure limitées. Ces techniques sont prometteuses pour réduire le temps de mesure tout en maintenant ou en améliorant la précision.

Mesures de Térahertz et de sous-Térahertz

À mesure que les systèmes sans fil poussent vers des fréquences plus élevées dans les gammes de sous-terahertz et de terahertz, de nouveaux défis de mesure émergent. À ces fréquences, l'absorption atmosphérique devient sévère, nécessitant des mesures dans des environnements contrôlés ou des chambres à vide.

Les systèmes de mesure Terahertz utilisent souvent des sources et des détecteurs photoniques ou électroniques ayant des caractéristiques différentes de celles des équipements à micro-ondes classiques. Les normes d'étalonnage et les antennes de référence pour les fréquences terahertz sont moins matures que pour les fréquences inférieures, ce qui rend la traçabilité et la précision plus difficiles.

Les applications des antennes térahertz comprennent des communications sans fil à haut débit de données, des systèmes d'imagerie et des applications de détection.

Antennes reconfigurables et adaptatives

Les antennes reconfigurables qui peuvent modifier leurs caractéristiques de rayonnement par des moyens électroniques ou mécaniques nécessitent de nouvelles approches de mesure. Ces antennes peuvent changer entre différentes bandes de fréquences, polarisations ou modèles de rayonnement selon les exigences du système.

Les antennes adaptatives qui répondent à leur environnement en temps réel présentent des défis encore plus grands en matière de mesure. L'essai de ces antennes nécessite la création d'environnements d'essai contrôlés qui simulent les conditions auxquelles l'antenne sera confrontée en fonctionnement.

Les antennes métamatériaux et métasurfaces représentent des technologies émergentes aux propriétés uniques qui peuvent nécessiter des techniques de mesure spécialisées.Ces antennes peuvent atteindre des caractéristiques de rayonnement inhabituelles par des matériaux électromagnétiques conçus plutôt que par des structures d'antenne conventionnelles.

Défis et solutions communs en matière de mesure

Multipathe et réflexions

Les réflexions non désirées des structures, de l'équipement et du personnel de l'installation d'essai peuvent contaminer les mesures d'antennes, qui créent des interférences multipathes qui faussent le modèle de rayonnement mesuré et entraînent des erreurs dans les mesures de gain.

En transformant les mesures de fréquence-domaine en temps, le signal direct peut être séparé des réflexions retardées. Une porte de domaine temporel sélectionne seulement le signal direct, qui est ensuite transformé en domaine de fréquence pour analyse. Cette technique est particulièrement efficace pour les mesures où les signaux directs et réfléchis ont une séparation de temps suffisante.

Les points de réflexion critiques, où les réflexions spéculaires des murs arriveraient à l'antenne sous test, devraient recevoir une attention particulière. Des baffles absorbants supplémentaires ou placés stratégiquement peuvent réduire les réflexions de ces zones critiques.

Limites de portée dynamique

La mesure des lobes latéraux et de la polarisation croisée des antennes nécessite une plage dynamique élevée pour détecter les signaux de faible niveau en présence du faisceau principal beaucoup plus fort. La plage dynamique du système de mesure est limitée par le bruit du plancher, la linéarité du récepteur et les signaux de fuite.

Améliorer le rapport signal-bruit par la moyenne, des bandes de bande passantes plus étroites ou une puissance de transmission plus élevée étend la plage dynamique utilisable. Cependant, une puissance de transmission excessive peut causer une compression ou des dommages du récepteur, de sorte que les niveaux de puissance doivent être soigneusement contrôlés.

La conception prudente du système, la mise à la terre appropriée et le blindage réduisent les fuites. Pour les mesures critiques, la mesure de la plage dynamique du système avec l'antenne à l'essai remplacée par une charge correspondante identifie le plancher de mesure réalisable.

Effets de la fréquence sur les besoins

Les caractéristiques des antennes varient habituellement en fonction de la fréquence, exigeant des mesures sur toute la bande passante de fonctionnement. Les effets dépendants de la fréquence comprennent les changements de gain, de forme de motif, de correspondance des impédances et de polarisation.

Les caractéristiques de l'installation d'essai varient également en fonction de la fréquence. La performance de l'absorbeur de chambre anéchoïque, la qualité de la zone de mesure compacte et les modèles de réflexion de la plage extérieure dépendent de la fréquence.

Les antennes à large bande qui fonctionnent sur de larges gammes de fréquences présentent des défis particuliers en matière de mesure. La taille de l'antenne électrique change considérablement dans toute la bande de fonctionnement, ce qui affecte les exigences de distance de champ lointain et les caractéristiques de configuration.

Ressources et apprentissages ultérieurs

Organismes professionnels et organismes de normalisation

L'Institut des ingénieurs en électricité et en électronique (IEEE) maintient plusieurs normes relatives aux mesures d'antennes et offre des forums pour le partage des techniques de mesure et des meilleures pratiques.

La Commission électrotechnique internationale (CEI) élabore des normes internationales pour les mesures et les essais d'antennes. Les normes de la CEI s'harmonisent souvent avec les normes de l'IEEE et fournissent des procédures de mesure reconnues à l'échelle mondiale.

Les instituts nationaux de métrologie, comme le National Institute of Standards and Technology (NIST) des États-Unis, fournissent des normes primaires d'étalonnage et de traçabilité des mesures pour les mesures des antennes, qui effectuent des recherches sur les techniques de mesure et maintiennent les normes fondamentales qui soutiennent les chaînes d'étalonnage des antennes.

Formation et certification

Des cours de formation professionnelle sur les mesures d'antenne sont offerts par des universités, des organisations professionnelles et des fournisseurs de formation commerciale, qui couvrent la théorie de la mesure, les techniques pratiques et l'expérience pratique avec les équipements et les installations de mesure.

Les programmes de certification des techniciens et ingénieurs d'essais d'antennes fournissent des compétences reconnues démontrant leur compétence en mesure d'antennes, qui exigent généralement des examens de réussite et des compétences pratiques en mesure.

De nombreux fabricants d'équipements offrent une formation sur leurs systèmes de mesure et logiciels spécifiques. Cette formation aide les utilisateurs à maximiser les capacités de leur équipement de mesure et d'éviter les pièges communs.

Ressources et outils en ligne

De nombreuses ressources en ligne fournissent des informations sur les mesures d'antenne, y compris des articles techniques, des notes d'application, des webinaires et des tutoriels vidéo.

Des logiciels d'analyse des données de mesure des antennes, de tracé des patrons et de calcul de l'incertitude sont disponibles auprès de fournisseurs commerciaux et dans le cadre de projets open-source.

Les calculatrices en ligne pour la distance de champ lointain, l'estimation de la largeur de faisceau et les relations gain-direction fournissent des outils de référence rapides pour les ingénieurs d'antenne. Bien que ces calculatrices fournissent des résultats approximatifs, elles sont utiles pour planifier les mesures et vérifier les calculs.

Pour plus d'information sur les essais d'antennes et les mesures RF, visitez le site Web IEEE ou explorez les ressources de NIST[. Vous trouverez d'autres conseils techniques dans Normes CEI et organisations professionnelles d'essais d'antennes.

Conclusion

L'évaluation de la productivité et de la productivité de l'antenne par des techniques de mesure appropriées est essentielle au développement de systèmes sans fil à haute performance.

Les normes industrielles telles que IEEE 149 et IEEE 1720 fournissent des conseils essentiels pour effectuer des mesures précises et répétables.

L'équipement de mesure et l'instrumentation utilisés pour les essais d'antennes continuent d'évoluer, avec des analyseurs de réseau vectoriel modernes, des scanners de champ proche et des systèmes de positionnement automatisés permettant des mesures plus rapides et plus précises que jamais.

À mesure que la technologie sans fil se transforme en fréquences millimétriques, en systèmes MIMO massifs et en antennes reconfigurables, les techniques de mesure doivent continuer d'évoluer.

Que vous conçoyiez des antennes pour stations de base 5G, des communications par satellite, des radars automobiles ou des appareils IoT, des mesures précises de gain et de la direction fournissent la base pour vérifier les performances et assurer que vos conceptions répondent à leurs spécifications.En suivant les procédures de mesure établies, en utilisant un équipement correctement étalonné et en comprenant les sources d'incertitude de mesure, les ingénieurs d'antenne peuvent caractériser en toute confiance les performances d'antenne et fournir des systèmes qui répondent aux exigences des applications sans fil modernes.