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La comprensione del guadagno dell'antenna e della direttività è essenziale per la progettazione e la valutazione dei sistemi di comunicazione wireless. Questi parametri fondamentali determinano in che modo un'antenna concentra l'energia elettromagnetica in direzioni specifiche, impatto diretto prestazioni del sistema, area di copertura e qualità del segnale.
Fondamenti di Antenna Gain e Regia
Comprensione della direttività
La direttività di un'antenna è il rapporto tra la densità di potenza dell'antenna reale nella sua direzione principale e un radiatore isotropico ipotetico ma non esistente che irradia uniformemente in tutte le direzioni. In termini più semplici, la direttività misura quanto bene un'antenna concentra la potenza irradiata in una direzione particolare rispetto ad una fonte isotropica ideale che irradia ugualmente in tutte le direzioni.
Questa concentrazione di energia è ciò che dà antenne direzionali la loro capacità di trasmettere o ricevere segnali più efficacemente in direzioni specifiche. La regia vi dice come concentrata la radiazione è in una direzione particolare rispetto a un radiatore isotropico. La direttività più alta significa che l'antenna concentra più energia in un punto specifico, aumentando la forza del segnale in quel modo.
La direttività chiede: Quanto bene l'energia di messa a fuoco dell'antenna rispetto ad una fonte isotropica, assumendo nessuna perdita? Questo rende la direttività un parametro utile per comprendere la capacità di messa a fuoco intrinseca della struttura fisica di un'antenna, indipendente dalle perdite materiali o dalle inefficienze.
Comprendere il Gain Antenna
Guadagna quantificare quanto efficacemente un'antenna concentra la potenza irradiata in una determinata direzione. Combina la capacità di messa a fuoco direzionale dell'antenna (direttività) con le sue perdite ohmiche e materiali (efficienza), rendendolo la figura più pratica del merito per le antenne reali.
Il guadagno di Antenna descrive la direttività e l'efficienza di un'antenna come un parametro facile da gestire. Il rapporto tra guadagno, direttività ed efficienza può essere espresso matematicamente, dove il guadagno di pari direttività moltiplicato per efficienza. Se c'era un'antenna ideale senza queste perdite, il guadagno dell'antenna sarebbe pari alla sua direttività.
Parte della potenza dei trasmettitori viene persa all'interno dell'antenna sulla linea di alimentazione alle sue resistenze ohmiche. Queste perdite sono definite come l'efficienza di un'antenna. Queste perdite includono perdite di conduttore, perdite dielettriche, perdite di errore di impedenza e perdite di polarizzazione.
La relazione tra guadagno, direttività e Beamwidth
Il guadagno di antenna ha una correlazione diretta sia alla direttività dell'antenna che alla larghezza di trave. Le antenne di guadagno più elevate raggiungono un'energia extra concentrandosi su una zona ridotta; quindi, maggiore è il guadagno, più piccolo l'area coperta (misurata in gradi di larghezza di trave).
Quando si aumenta il guadagno di un'antenna, si riduce necessariamente la sua larghezza di trave, il che significa che l'antenna copre una regione angolare più piccola. Questo trade-off è importante considerare quando si progetta sistemi wireless. Per applicazioni che richiedono una copertura ampia, come le antenne di trasmissione o le stazioni di base che servono grandi aree, antenne di guadagno più basso con larghezza di banda più ampia può essere più appropriato.
La larghezza di banda è solo la larghezza angolare del lobo principale, solitamente misurata dove il segnale scende di 3 dB dal picco. Una larghezza di trave stretta aumenta la direttività ma riduce l'area di copertura. La larghezza di raggio 3 dB, nota anche come la larghezza di trave a metà potenza, rappresenta la larghezza angolare in cui la potenza irradiata è metà del suo valore massimo. Questo parametro è fondamentale per determinare i modelli di distribuzione della rete wireless.
Unità di misura del guadagno e standard di riferimento
Il guadagno di antenna è generalmente espresso in decibel rispetto ad un radiatore isotropico (dBi) o rispetto ad un'antenna dipolo (dBd). In alcune industrie — come l'ingegneria broadcast — i produttori possono utilizzare dBd (gain relativo a un'antenna dipolo) come un metrico, piuttosto che dBi. Nota che dBd è intrinsecamente maggiore, definito come guadagno 2.15 dBi. Questa differenza deriva dal fatto che un'ante di due otta di polarità di polarità di lunghezza d'onda ha circa il modello di antenna diretta.
Il radiatore isotropico è utile proprio perché è il riferimento più semplice possibile: radiazione uniforme in ogni direzione. Nessuna antenna fisica è isotropica, ma ogni antenna e guadagno può essere paragonato a esso, dando una linea di base universale. Utilizzando il radiatore isotropico come riferimento fornisce uno standard coerente per confrontare le antenne tra diversi tipi, frequenze e applicazioni.
Per un dipolo a mezza onda senza perdita, la direttività e il guadagno sono entrambi 2.15 dBi. Questo rende l'antenna dipolo uno standard di riferimento secondario pratico, come può essere fisicamente costruito e misurato, a differenza del radiatore isotropico teorico. Molte specifiche dell'antenna di riferimento guadagno dipolo perché i dipoli sono ben compresi, facilmente fabbricati e comunemente utilizzati in applicazioni pratiche.
Tecniche e metodi di misurazione dell'antenna
Metodo di confronto Gain
Esistono diverse tecniche di misurazione del guadagno, tra cui il guadagno di confronto e il guadagno diretto, che hanno i propri vantaggi e svantaggi in termini di precisione, costo e tempo di misura. In questo studio viene utilizzata la tecnica di guadagno di confronto. Il metodo di confronto di guadagno è una delle tecniche più utilizzate per misurare il guadagno dell'antenna in ambienti di laboratorio e di produzione.
L'antenna sotto test viene confrontata con un normale corno di guadagno con un guadagno noto e calibrato. La differenza di potenza ricevuta dà direttamente la differenza di guadagno. Questo metodo richiede un'antenna di riferimento con caratteristiche di guadagno note con precisione. Le corna di guadagno standard sono comunemente utilizzate come antenne di riferimento perché hanno valori di guadagno stabili e prevedibili e possono essere calibrate ad alta precisione.
Il metodo di confronto di guadagno offre diversi vantaggi: è relativamente semplice da implementare, fornisce una buona precisione quando si utilizzano antenne di riferimento calibrate correttamente e può essere eseguito in vari ambienti di prova, tra cui camere anecoiche e gamme esterne. Il metodo è particolarmente utile per il test di produzione in cui più antenne dello stesso tipo devono essere verificate contro le specifiche.
Metodi a due antenne e tre antenna
Metodo a due antenne: due antenne identiche si affrontano a una separazione conosciuta. Misurate la potenza ricevuta e applicate l'equazione di Friis. L'equazione di trasmissione Friis riguarda la potenza ricevuta da un'antenna alla potenza trasmessa da un'altra, tenendo conto dei guadagni di entrambe le antenne, della distanza tra loro e della lunghezza d'onda di funzionamento.
Poiché entrambe le antenne sono identiche, il singolo guadagno sconosciuto può essere risolto direttamente. Questo metodo è particolarmente utile quando si dispone di due antenne identiche ma non è disponibile antenna di riferimento calibrata. Misurando la potenza ricevuta e conoscendo tutti gli altri parametri nell'equazione Friis, è possibile risolvere per il guadagno dell'antenna algebraicamente.
Metodo a tre antenne: Tre antenne diverse sono misurate in combinazioni di coppia (A-B, A-C, B-C). Le tre equazioni Friis producono tre sconosciute, dando il guadagno di ogni antenna senza bisogno di un riferimento pre-calibrato. Questo metodo è prezioso per stabilire standard di guadagno o quando non è disponibile un'antenna di riferimento calibrata.
Metodo di integrazione del modello
Integrazione del modello: Misurare il modello di radiazione 3D completo, quindi integrare numericamente la densità di potenza su tutti gli angoli solidi per trovare la potenza totale irradiata. Questo metodo fornisce una caratterizzazione completa delle proprietà di radiazione dell'antenna e può produrre sia la direttività che ottenere informazioni.
Il metodo di integrazione del modello prevede la misurazione del modello di radiazione dell'antenna in molte posizioni angolari che coprono l'intera sfera intorno all'antenna. Le misurazioni della densità di potenza sono poi integrate su tutte le direzioni per determinare la potenza totale irradiata.
Questo metodo è particolarmente prezioso per applicazioni di ricerca e sviluppo dove è necessaria una caratterizzazione completa dell'antenna. Tuttavia, è di lunga durata e richiede sofisticate apparecchiature di misura in grado di posizionare l'antenna o la sonda attraverso una gamma completa di posizioni angolari. L'uso di misure planari vicino al campo per determinare il guadagno dell'antenna è molto diffuso.
Tecniche di misura vicino al Field
Questo documento fornisce un confronto tra diverse tecniche di misura vicino al campo per il guadagno dell'antenna e le stime di direttività. Inoltre, tre diversi metodi di misura vicino al campo, tra cui planare, cilindrico e sferico sono stati confrontati per il guadagno dell'antenna e la stima della direttività.
Le pratiche di test a campo vicino per la misurazione delle proprietà dell'antenna sono descritte in questo documento e nelle pratiche di misura vicino al campo per le tre geometrie principali: cilindriche, planari e sferica sono raccomandate. Le misurazioni a campo vicino offrono vantaggi significativi rispetto alle misurazioni di campo lontano, in particolare per le antenne elettriche di grandi dimensioni che richiedono distanze di misura impraticabili nel campo lontano.
L'accuratezza dei risultati dipende fortemente dalle dimensioni dell'area di campionamento, soprattutto quando si lavora in spazi di prova limitati, che influiscono sulla precisione delle misurazioni di guadagno. La corretta pianificazione dell'area di scansione di misura è essenziale per catturare informazioni sufficienti sulle caratteristiche di radiazione dell'antenna.
Le misurazioni planari nei pressi del campo sono particolarmente adatte per le antenne con i modelli di radiazione direzionale, come array e antenne riflettori. L'antenna sotto test viene scansionata su una superficie planare di fronte all'antenna, e i dati misurati vicino al campo vengono matematicamente trasformati per ottenere modelli di campo lontano e ottenere.
Impianti di prova e ambienti di Antenna
Camere anecoiche
Una camera anecoica è una stanza schermata foderata con materiale assorbente RF (tipicamente ammortizzatori di schiuma piramidale o piastrelle ferrite) su tutte le superfici interne. Questo sopprime riflessi e interferenze esterne, approssimando le condizioni di spazio libero all'interno. Le camere anecoiche forniscono ambienti di prova controllati e ripetibili che sono essenziali per misure accurate dell'antenna.
Le prove interne di solito avvengono in una camera anecoica foderata con materiale assorbente RF. Le gamme esterne richiedono l'installazione nella regione di campo lontano. Il materiale assorbente RF in camere anecoiche è progettato per minimizzare i riflessi attraverso una specifica gamma di frequenza. Il materiale assorbente è tipicamente costituito da espanso caricati a carbone o piastrelle di ferrite formate in strutture piramidali o di cuneo che gradualmente transizione l'impedenza da spazio libero assorbente.
Interni interni (camere anecoiche) soppongono riflessi (eco) foderando le pareti, il pavimento e il soffitto con materiale assorbente. L'efficacia di una camera anecoica dipende dalla qualità e dallo spessore del materiale assorbente, la dimensione della camera rispetto all'antenna che viene testata e la gamma di frequenza di funzionamento.
La zona tranquilla è la regione all'interno della camera anecoica dove l'uniformità del campo e i livelli di riflessione bassi soddisfano i requisiti specificati. Tutte le misure dell'antenna devono essere eseguite con l'antenna sotto test posizionata all'interno della zona tranquilla per garantire risultati precisi.
Gamma di prova all'aperto
Le gamme di spazio libero offrono una propagazione senza riflessi, possono essere all'aperto o all'interno. Le gamme esterne free-space sono accuratamente costruite in modo tale da ridurre al minimo i riflessi degli edifici e di altri oggetti. Le gamme esterne sono particolarmente utili per testare grandi antenne o per misurare a frequenze inferiori dove le camere anechoic sarebbero proibitivamente grandi.
Le gamme elevate posizionano sia le antenne trasmittenti che riceventi a altezza sufficiente sopra il terreno per minimizzare le riflessi di terra. Le antenne sono tipicamente montate su torri, con l'altezza scelta per garantire che i segnali a terra vengano all'antenna ricevente con una sufficiente differenza di lunghezza del percorso da separarsi dal segnale diretto.
Le gamme di inclinazione hanno bisogno di meno spazio rispetto ai range elevati. L'antenna di prova è montata ad un'altezza fissa su una torre non di conduzione (ad esempio in vetro di fibra), mentre l'antenna di sorgente è montata vicino al terreno. Le gamme di inclinazione sfruttano la geometria per ridurre la distanza orizzontale richiesta mantenendo un'adeguata separazione tra i percorsi di segnale diretti e riflessi.
Per le antenne troppo grandi per una camera, o per le frequenze più basse dove le prestazioni dell'assortitore si degrada, i campi di prova esterni sono utilizzati. Le gamme elevate posizionano le antenne sulle torri per minimizzare le riflessioni sul terreno. Le gamme esterne devono essere accuratamente posizionate per evitare riflessi da edifici vicini, caratteristiche del terreno e altre strutture. L'area circostante dovrebbe essere chiara degli ostacoli, e la gamma dovrebbe essere orientata per minimizzare le interferenze da fonti esterne di RF.
Gamma di prova di antenna compatta
Le gamme compatte utilizzano un grande riflettore parabolico per creare un fronte d'onda planare a distanza più breve, consentendo misurazioni di campo lontano in uno spazio interno più piccolo. Le gamme compatte affrontano la sfida di eseguire misurazioni di campo lontano su grandi antenne senza richiedere distanze di prova estremamente lunghe. Il riflettore parabolico trasforma l'onda sferica da un'antenna di alimentazione in un'onda piana che illumina l'antenna sotto test.
Un range compatto ben progettato può simulare condizioni di campo lontano a distanze molto più brevi rispetto al tradizionale criterio di distanza di campo di 2D2/λ, dove D è il diametro dell'antenna e λ è la lunghezza d'onda. Questo rende gamme compatte particolarmente preziose per la prova di antenne elettriche, antenne radar e grandi array di comunicazione.
La qualità dell'onda piana prodotta dal riflettore compatto della gamma è fondamentale per la precisione di misura. Il riflettore deve essere modellato con precisione e ha una finitura superficiale di alta qualità per ridurre le variazioni di fase e ampiezza nella zona tranquilla.
Standard di settore per le misure di antenna
IEEE Standard 149: Pratiche consigliate per le misurazioni dell'antenna
Le pratiche raccomandate per la misurazione delle proprietà di trasmissione e ricezione dell'antenna sono presentate. In questo standard si presume che l'antenna da misurare possa essere trattata come dispositivo passivo, lineare e reciproco. IEEE Standard 149 è uno degli standard più ampiamente riferiti per i test dell'antenna ed è stato utilizzato in tutto il governo, l'industria e l'accademia per decenni.
La misurazione dei modelli di radiazione in un impianto di prova dell'antenna è discussa. La progettazione di impianti di prova dell'antenna è descritta insieme ai requisiti di strumentazione per il corretto funzionamento della struttura dell'antenna, le direzioni per la valutazione di una gamma (esistente) e il funzionamento di intervalli è discusso. Lo standard fornisce una guida completa su tutti gli aspetti della misurazione dell'antenna, dalla progettazione di impianti alle procedure di analisi dei dati.
Questo standard viene utilizzato in tutto il governo, l'industria e l'accademia nell'area di test dell'antenna. Fornisce molte delle procedure attualmente utilizzate dall'organizzazione di test dell'antenna. Lo standard è stato aggiornato più volte per incorporare nuove tecnologie e tecniche di misura. La versione più recente, IEEE 149-2021, include informazioni aggiornate sui metodi di misura moderni, la strumentazione digitale e le tecniche di calcolo.
IEEE Standard 149 copre una vasta gamma di argomenti, tra cui misurazioni del modello di radiazione, misurazioni di guadagno, misurazioni di polarizzazione, misurazioni di impedenza e misurazioni specializzate per specifiche tipologie di antenne.
IEEE Standard 1720: Misure antennale a fiancata
Si raccomanda inoltre di effettuare delle prove di misura per la calibrazione delle sonde utilizzate come antenne di riferimento nelle misurazioni a campo vicino. IEEE Standard 1720 si rivolge specificamente alle tecniche di misura a campo vicino, che sono diventate sempre più importanti in quanto le antenne sono cresciute più grandi e complesse.
Le caratteristiche della sonda, tra cui il suo modello di radiazione, la purezza di polarizzazione e la risposta di frequenza, influiscono direttamente sulla precisione di misura. IEE 1720 fornisce procedure per la calibrazione e la caratterizzazione della sonda per garantire misurazioni accurate vicino al campo.
Lo standard si rivolge anche alle trasformazioni matematiche necessarie per convertire i dati di misura vicino al campo in modelli di radiazione di campo lontano. Queste trasformazioni sono basate sulla teoria elettromagnetica e richiedono un'attenta implementazione per evitare errori numerici e artefatti.
IEEE Standard 1528 e Standard di misura SAR correlati
Mentre IEEE 1528 affronta principalmente misure specifiche di tasso di assorbimento (SAR) per dispositivi wireless piuttosto che misure tradizionali di guadagno dell'antenna, rappresenta una categoria importante di misure relative all'antenna.
Le misurazioni SAR richiedono attrezzature e procedure specializzate per valutare con precisione l'energia elettromagnetica assorbita dal tessuto biologico. I sistemi di misura devono essere calibrati e convalidati per garantire il rispetto dei requisiti normativi. Sebbene le misurazioni SAR si concentrino sulla sicurezza piuttosto che sulle prestazioni dell'antenna, sono strettamente correlati alla progettazione dell'antenna e richiedono la comprensione delle caratteristiche della radiazione dell'antenna.
ISO/IEC 17025: Requisiti generali per i laboratori di prova
ISO/IEC 17025 stabilisce requisiti generali per la competenza dei laboratori di test e taratura. Sebbene non specifici per le misurazioni dell'antenna, questo standard è fondamentale per i laboratori che eseguono test di antenne, in particolare per coloro che cercano l'accreditamento o forniscono misure per la conformità alle normative.
I laboratori che seguono ISO/IEC 17025 devono dimostrare competenza tecnica, utilizzare metodi di misura convalidati, mantenere apparecchiature calibrate, valutare l'incertezza e implementare procedure di controllo della qualità.Per le misurazioni dell'antenna, questo include il mantenimento della tracciabilità delle antenne di riferimento agli standard nazionali o internazionali, documentare le procedure di misura e verificare regolarmente le prestazioni del sistema di misura.
Attrezzature e strumenti di misura essenziali
Analizzatori di rete vettoriale
L'impedenza di ingresso dell'antenna viene calcolata come l'Ul viene solitamente misurata utilizzando un analizzatore di rete vettoriale (VNA). Il VNA misura i parametri S complessi delle reti a microonde. Gli analizzatori di rete vettoriali sono strumenti fondamentali per le misurazioni dell'antenna, fornendo sia informazioni di magnitudo che di fase sulle caratteristiche elettriche dell'antenna.
I parametri di dispersione (parametri S) che descrivono come i segnali RF vengono riflessi e trasmessi attraverso l'antenna. Il parametro S11, noto anche come coefficiente di riflessione o perdita di ritorno, indica quanto l'antenna sia abbinata alla sua linea di trasmissione.
Le moderne VNA offrono una copertura di frequenza ampia, un'elevata gamma dinamica e procedure di calibrazione sofisticate che eliminano gli errori sistematici dalle misurazioni. Le funzionalità Time-domain consentono ai VNA di identificare e individuare le discontinuità di impedenza all'interno delle strutture dell'antenna. Molte VNA includono anche funzioni integrate per il calcolo dei parametri derivati come il rapporto di onda in tensione (VSWR), l'impedance e le esposizioni del grafico Smith.
Generatori di segnale e sorgenti
Per la trasmissione delle misurazioni, il generatore di segnale guida l'antenna sotto test, mentre per ricevere le misurazioni, guida un'antenna sorgente che illumina l'antenna sotto test. I generatori di segnale devono fornire potenza di uscita stabile, bassa distorsione armonica e buona precisione di frequenza per garantire la ripetibilità della misura.
I generatori di segnale moderni offrono caratteristiche come la spazzatura di frequenza, la modulazione di ampiezza e la modulazione di impulso che sono utili per diversi tipi di misure dell'antenna. La stabilità di frequenza è particolarmente importante per le misurazioni di fase e per le misurazioni durante i periodi di tempo prolungati.
Per alcune applicazioni, possono essere richieste fonti specializzate come sorgenti di rumore o fonti pulsate. Le fonti di rumore sono utilizzate per misurare la temperatura del rumore dell'antenna e la figura del rumore del sistema. Le fonti di impulso sono necessarie per testare le antenne radar e altri sistemi pulsati in cui le caratteristiche dell'antenna possono differire tra l'onda continua e il funzionamento pulsato.
Antenna di riferimento e standard di calibrazione
La calibrazione mantiene tutte le apparecchiature di misura che funzionano entro limiti di precisione noti. Questo copre generatori di segnale, analizzatori di rete e antenne di riferimento. I tester spesso utilizzano un'antenna di riferimento calibrata con un guadagno noto per confrontare contro l'antenna sotto test (AUT).
Le corna di guadagno standard sono il tipo più comune di antenna di riferimento utilizzata nelle strutture di prova dell'antenna. Queste corna hanno valori di guadagno ben caratterizzati che possono essere calcolati dalle loro dimensioni fisiche o misurati contro gli standard primari.
Le antenne di riferimento devono essere calibrate periodicamente per mantenere la loro accuratezza. La calibrazione è tipicamente eseguita da istituti di metrologia nazionali o laboratori di taratura accreditati utilizzando standard primari o secondari. Il certificato di taratura fornisce i valori di guadagno dell'antenna a frequenze specifiche insieme alle incertezze di misura associate.
Le antenne di dipolo servono anche come standard di riferimento, in particolare a frequenze inferiori dove le loro dimensioni sono pratiche. Il guadagno teorico di un dipolo a mezza onda è ben stabilito, rendendolo un riferimento utile anche senza calibrazione formale. Tuttavia, i veri dipoli hanno diametro del conduttore finito e possono includere balun o altri componenti che influiscono sul loro guadagno reale, così dipoli calibrati forniscono riferimenti più accurati.
Posizionatori e sistemi di posizionamento
Allineare l'AUT con gli assi coordinati del sistema di prova. Un posizionatore rotante consente di misurare in azimuth e in altezza. Ottenere la posizione è veramente importante, poiché il disallineamento può cambiare la direzione del fascio misurato e valori di guadagno.
Per le misurazioni complete del modello, sono necessarie almeno due assi di rotazione per coprire la sfera completa intorno all'antenna. Azimuth-over-elevation e roll-over-azimuth sono configurazioni di posizionamento comuni, ciascuno con vantaggi per diversi tipi di antenna e requisiti di misura.
L'accuratezza di posizionamento influisce direttamente sulla precisione di misura, in particolare per le antenne con larghezza di travatura stretta. Le antenne ad alta velocità richiedono un preciso posizionamento angolare per individuare con precisione il picco del fascio principale e misurare i livelli del sidelobe.
Per le misurazioni in campo vicino, gli scanner planari spostano l'antenna della sonda in un modello raster su un piano di fronte all'antenna sotto test. Questi scanner devono fornire un controllo preciso della posizione in due dimensioni mantenendo l'orientamento costante della sonda.
Ricevitori e analizzatori di spettro
I ricevitori misurano la forza del segnale ricevuta dall'antenna sotto prova o da un'antenna sonda nelle misurazioni a campo vicino. Il ricevitore deve avere una sensibilità sufficiente per misurare i livelli di segnale bassi, un'adeguata gamma dinamica per gestire segnali forti e deboli, e una buona selettività di frequenza per rifiutare le interferenze e le armoniche.
Gli analizzatori di spettro servono come ricevitori in molti sistemi di misura dell'antenna, offrendo una copertura di frequenza larga e la capacità di visualizzare i segnali nel dominio di frequenza. Questa capacità è preziosa per identificare segnali spuri, armoniche e interferenze che potrebbero influenzare l'accuratezza della misura.
Per misure di elevata precisione, possono essere utilizzati ricevitori specializzati con rilevamento o rilevamento coerente a blocchi di fase, che possono misurare sia l'ampiezza che la fase, essenziale per le misurazioni a campo vicino e per la caratterizzazione di array di antenne.
Procedure di Misurazione e Migliori Pratiche
Calibrazione e verifica del sistema
Il test accurato dell'antenna richiede un'attenta configurazione, condizioni controllate e tecniche di misura precise. È necessario preparare il sistema di prova, catturare dati affidabili e guardare fuori per tutto ciò che potrebbe falsare i risultati.
Prima di eseguire le misurazioni dell'antenna, tutte le apparecchiature di prova devono essere calibrate e verificate, che includono la calibrazione del VNA, la verifica della potenza di uscita del generatore di segnale e la precisione della frequenza, e la conferma della sensibilità e della linearità del ricevitore.
La verifica del sistema comporta la misurazione di un'antenna o di uno standard noto per confermare che il sistema di misura funziona correttamente. Questa verifica deve essere eseguita regolarmente, in particolare dopo eventuali modifiche alla configurazione o all'apparecchiatura di misura.
La documentazione delle procedure di calibrazione e verifica è importante per la garanzia della qualità e per la dimostrazione della tracciabilità delle misurazioni. I record dovrebbero includere date di calibrazione, fonti di calibrazione, incertezze di misura e eventuali modifiche o correzioni applicate al sistema di misura.
Controllo ambientale e Interferenza Mitigazione
I test interni di solito avvengono in una camera anecoica foderata con materiale assorbente RF. I fattori ambientali possono influenzare significativamente l'accuratezza della misura, rendendo il corretto controllo ambientale essenziale per risultati affidabili.
Le variazioni di temperatura possono influenzare le caratteristiche dell'antenna, in particolare per le antenne con materiali o componenti sensibili alla temperatura. Il mantenimento delle condizioni di temperatura stabili durante le misurazioni garantisce la ripetibilità e impedisce la deriva termica sia nell'antenna sotto test che nelle apparecchiature di misura.
L'umidità può influenzare le prestazioni dell'antenna, in particolare per le antenne con materiali dielettrici o per le misurazioni a frequenze di onde millimetriche dove l'assorbimento atmosferico diventa significativo.
Le interferenze esterne da stazioni di trasmissione, reti cellulari, sistemi radar e altre fonti RF possono contaminare le misurazioni dell'antenna. Le strutture di test schermate come le camere anecoiche forniscono l'isolamento da interferenze esterne. Per le gamme esterne, le indagini sul sito dovrebbero identificare le potenziali fonti di interferenza e le misurazioni dovrebbero essere programmate per evitare tempi di interferenze elevate.
Procedure di allineamento e di posizionamento
Allineare l'AUT con gli assi coordinati del sistema di prova. Un posizionatore rotante consente di misurare in azimuth e in altezza. Ottenere la posizione giusta realmente conta, poiché il disallineamento può cambiare la direzione del fascio misurato e valori di guadagno.
Per antenne con centri di fase ben definiti, come corna e piccoli dipoli, questo allineamento è semplice. Per antenne con centri di fase distribuiti, come array e riflettori, l'allineamento dovrebbe posizionare l'antenna in modo che le misurazioni del modello siano riferite a un punto significativo.
Per le antenne polarizzate lineari, i vettori di polarizzazione devono essere allineati (per misurazioni di copolarizzazione) o ortogonali (per misurazioni di polarizzazione incrociata).
La distanza tra l'antenna sotto test e l'antenna o la sonda deve soddisfare criteri di campo lontano per le misurazioni di campo lontano. La distanza di campo è generalmente definita come 2D2/λ o maggiore, dove D è la dimensione più grande dell'antenna e λ è la lunghezza d'onda. Per le misurazioni di campo vicino, la distanza di sonda-a-antenna deve essere abbastanza vicina per catturare la distribuzione di campo vicino ma abbastanza lontano da evitare effetti reattivi vicino.
Raccolta e trattamento dei dati
Per le misurazioni del modello, la densità di campionamento angolare deve essere sufficiente per catturare tutte le caratteristiche del modello, tra cui il fascio principale, i sidelobes e i nulls. Il criterio di campionamento del Nyquist suggerisce che l'intervallo di campionamento angolare non dovrebbe essere maggiore di λ/(2D) radians per evitare l'alising.
Le misurazioni multiple in ogni posizione angolare possono migliorare l'accuratezza delle misurazioni evitando rumori e variazioni casuali. Il numero di medie dovrebbe essere scelto in base alla precisione di misura richiesta e al tempo di misura disponibile. Per i test di produzione, possono essere accettate meno medie, mentre le misurazioni di ricerca possono utilizzare una media estesa per raggiungere la massima precisione.
Il trattamento dei dati include l'applicazione di correzioni di calibrazione, modelli di normalizzazione e il calcolo dei parametri derivati come la larghezza di trave, i livelli del lobo laterale e il guadagno.
L'analisi dell'incertezza di misura quantifica l'accuratezza dei risultati di misura. I contributi incerti includono le incertezze di calibrazione delle apparecchiature, gli errori di posizionamento, gli effetti ambientali e il rumore di misura casuale. Combinando questi componenti di incertezza secondo le procedure stabilite, fornisce un'incertezza di misura generale che dovrebbe essere segnalato con i risultati di misura.
Considerazioni di misurazione avanzate
Misurazioni di millimetro-acqua e ad alta frequenza
In scenari distinguibili come le impostazioni interne Non-Line-Of-Sight (NLOS) il guadagno dell'antenna è degradato dall'interazione del canale di diffusione angolare con il modello dell'antenna. Le misurazioni Millimeter-wave presentano sfide uniche a causa delle brevi lunghezze d'onda e dell'assorbimento atmosferico elevato a queste frequenze.
Le scale di precisione di posizionamento richieste con lunghezza d'onda, quindi le misurazioni di millimetro-onda richiedono più precise procedure di posizionamento e allineamento. La stabilità meccanica della configurazione di misura diventa critica, in quanto le vibrazioni e l'espansione termica possono introdurre errori di misura.
Per gli ambienti esterni, questi effetti di assorbimento devono essere contabilizzati in misurazioni di guadagno. Le misurazioni interne in ambienti controllati minimizzano gli effetti atmosferici, ma richiedono un'attenta attenzione ai riflessi e alla diffrazione delle strutture camerali.
Le antenne a trave a trave a trave a trave possono subire un notevole degrado di guadagno negli scenari NLOS, fino a 4,4 dB al 90esimo per cento per un'antenna a 6 HPBW. Questo deterioramento di guadagno in ambienti reali evidenzia l'importanza di misurare le antenne in condizioni che rappresentano il loro ambiente operativo previsto, non solo in condizioni ideali di spazio libero.
Misurazioni dell'antenna a raggi infrarossi
Le antenne a schiera a fase presentano particolari sfide di misura grazie alle loro capacità di sterzatura elettronica e alle reti di alimentazione complesse. Le misure a raggi devono caratterizzare non solo il modello di array complessivo ma anche i modelli di elementi individuali, l'accoppiamento degli elementi e l'accuratezza dello sterzo del fascio.
Gli array attivi con amplificatori integrati e turnisti di fase richiedono misurazioni in condizioni di potenza, che introduce una maggiore complessità; il modello di radiazione dell'array può dipendere dalle impostazioni dei turnisti di fase e degli attenuatori, richiedendo misurazioni con angoli e configurazioni di sterzo a più fasci.
Le misurazioni del campo vicino sono particolarmente preziose per le antenne di serie, in quanto possono fornire informazioni sulle eccitazioni dei singoli elementi e identificare gli elementi non funzionanti o malfunzionanti.
Misurazioni di polarizzazione
Il metodo polarizzazione-pattern è un metodo parziale comune, produce i parametri di polarizzazione dell'ellisse (angolo di inclinazione e di rapporto assiale) in una determinata direzione della radiazione. Le misurazioni di polarizzazione caratterizzano come l'antenna irradia o riceve onde elettromagnetiche con diversi stati di polarizzazione.
La caratterizzazione completa di polarizzazione richiede la misurazione sia della copolarizzazione che dei componenti di polarizzazione incrociata del modello di radiazione dell'antenna. La polarizzazione co-polarizzata rappresenta la polarizzazione desiderata, mentre la polarizzazione trasversale rappresenta il componente di polarizzazione ortogonale che degrada tipicamente le prestazioni del sistema.
Per le antenne polarizzate circolari, le misurazioni del rapporto assiale quantificano la qualità della polarizzazione circolare. La perfetta polarizzazione circolare ha un rapporto assiale di 0 dB (o 1:1), mentre le antenne pratiche tipicamente raggiungono rapporti assiali di 3 dB o meglio sulla larghezza di banda operativa. Il modello di rapporto assiale mostra come la qualità di polarizzazione varia con direzione.
Analisi di errore e di incertezza di misura
L'incertezza di misurazione è essenziale per interpretare i risultati delle misurazioni dell'antenna e per confrontare le misurazioni da diversi impianti o metodi.
Gli errori casuali derivano dal rumore del sistema di misura, dalle variazioni ambientali e dalla ripetibilità del posizionamento, che possono essere ridotti mediando più misurazioni e migliorando il rapporto segnale-rumore del sistema di misura.
Gli errori sistemici derivano da un'imperfetta calibrazione, errori di allineamento, riflessi nell'ambiente di prova e altri fattori che costantemente bias misurano in una direzione. Gli errori sistemici sono più difficili da identificare e correggere di errori casuali.
L'incertezza di misura combinata è generalmente espressa come un'incertezza espansa con un fattore di copertura specificato, di solito corrispondente a un livello di fiducia del 95%.Per le misurazioni di guadagno dell'antenna, le incertezze tipiche variano da ±0,3 dB per le misurazioni di laboratorio accuratamente controllate a ±1 dB o più per ambienti meno controllati o metodi meno accurati.
Applicazioni pratiche e esempi di industria
Sistemi di comunicazione wireless
Le misure di guadagno e di direttività sono fondamentali per la progettazione e la distribuzione di sistemi di comunicazione wireless. Le antenne di base per reti cellulari richiedono misure precise di guadagno e di modello per garantire una corretta copertura e ridurre al minimo le interferenze con le celle adiacenti. Il modello verticale dell'antenna, compreso angolo di downtilt e larghezza di trave, influisce direttamente sull'area di copertura e sulla qualità del segnale.
Per i sistemi 5G che operano a frequenze millimetriche, le misurazioni dell'antenna diventano ancora più critiche grazie all'utilizzo di massicci array MIMO e di teletrasformazione. Questi sistemi si basano su una precisa caratterizzazione dell'antenna per implementare algoritmi di sterzo del fascio e ottimizzare le prestazioni della rete.
Le apparecchiature dei locali clienti come router Wi-Fi, dispositivi mobili e sensori IoT richiedono anche misure di antenna per garantire che soddisfino le specifiche delle prestazioni e requisiti normativi.
Comunicazioni via satellite
Le misurazioni dell'antenna satellitare devono raggiungere un'elevata precisione grazie alla natura critica delle comunicazioni satellitari e all'alto costo dei sistemi satellitari. Le antenne della stazione di terra, che sono spesso grandi antenne riflettori con un alto guadagno, richiedono una misurazione accurata del guadagno, del modello e della precisione di punta.
Le antenne a carico satellitare sono sottoposte a test approfonditi prima del lancio per verificare le loro prestazioni nell'ambiente spaziale. Queste misure devono tener conto degli effetti di vuoto, temperature estreme e sollecitazioni meccaniche che l'antenna sperimenterà in orbita. Le tecniche di misura vicino al campo sono comunemente utilizzate per grandi antenne satellitari a causa della impraticabilità delle misurazioni di campo lontano.
Il G/T (gain-to-noise-temperature ratio) è un parametro critico per i sistemi di ricezione satellitare che combina il guadagno dell'antenna con la temperatura del rumore del sistema. Misurare G/T richiede sia misure di guadagno dell'antenna che misurazioni della temperatura del rumore, tipicamente eseguite utilizzando sorgenti di astronomia radio o segnali di beacon satellitari.
Sistemi radar
Le antenne radar richiedono misure di guadagno, pattern, livelli sidelobe e caratteristiche di polarizzazione. I bassi livelli di lobo laterale sono particolarmente importanti per i sistemi radar per ridurre al minimo le ingombrature e le interferenze. Le misurazioni del sidelobe richiedono sistemi di misura di gamma dinamica elevati in grado di misurare i livelli di segnale 40 dB o più sotto il picco principale del fascio.
Le antenne radar funzionano spesso con segnali pulsati, che introduce ulteriori considerazioni di misura. Le caratteristiche dell'antenna possono differire tra l'onda continua e il funzionamento pulsato a causa di effetti transitori nella rete di alimentazione o componenti attivi.
Le antenne radar monopulse generano più travi simultanee utilizzate per il tracciamento del bersaglio. La misurazione delle antenne monopulse richiede la caratterizzazione dei modelli di somma e differenza e la verifica del pendio monopulso, che determina l'accuratezza del tracciamento.
Automobilismo Radar e V2X Comunicazioni
Le applicazioni automobilistiche presentano sfide di misura dell'antenna uniche a causa della necessità di misurazioni su veicoli completi o sezioni del veicolo. Le antenne radar automobilistiche per il controllo di crociera adattativo, l'elusione di collisione e la guida autonoma devono essere misurate in presenza del corpo del veicolo, che colpisce il modello di radiazione dell'antenna.
Le antenne di comunicazione V2X (V2X) devono fornire una copertura adeguata intorno al veicolo mentre sono montate sul corpo del veicolo. Le misure del modello sui veicoli completi richiedono grandi strutture di prova e procedure di misura specializzate per tener conto degli effetti del veicolo sulle prestazioni dell'antenna.
I test di produzione delle antenne automobilistiche devono essere veloci e convenienti, mantenendo sufficiente precisione per garantire la corretta funzionalità dei sistemi critici per la sicurezza.
Tendenze emergenti e sviluppi futuri
Testing over-the-Air (OTA)
I dispositivi wireless diventano più integrati e complessi, le misurazioni tradizionali condotte delle prestazioni dell'antenna diventano meno pratiche. I test over-the-air misurano le prestazioni complete del dispositivo, tra cui l'antenna, il circuito RF e l'elaborazione digitale del segnale, in un ambiente irradiato che simula le condizioni del mondo reale.
I metodi di prova OTA sono particolarmente importanti per i dispositivi con antenne integrate che non possono essere accessibili tramite connettori RF. I telefoni cellulari, tablet e dispositivi IoT richiedono tipicamente test OTA per verificare le loro prestazioni wireless.
Le camere anechoiche multi-probe consentono di testare OTA con distribuzione angolare controllata dei segnali, simulando ambienti di propagazione multipath, in grado di testare le prestazioni dei dispositivi in condizioni realistiche dei canali, tra cui dissolvenza, interferenza e percorsi di segnale multipli.
Elettromagnetica computazionale e Convalida di Misura
Gli strumenti avanzati di elettromagnetico computazionale consentono una simulazione accurata delle prestazioni dell'antenna, riducendo la necessità di misurazioni di prototipi estese. Tuttavia, le misurazioni rimangono essenziali per la convalida delle simulazioni e la verifica delle antenne di produzione.
Gli strumenti di simulazione possono prevedere l'acquisizione dell'antenna, la direttività e i modelli di radiazione basati sulla geometria e sulle proprietà dei materiali dell'antenna. Il confronto dei risultati simulati e misurati aiuta a identificare gli errori di modellazione, le variazioni di produzione e gli effetti ambientali non catturati nelle simulazioni.
Le tecniche di apprendimento automatico e di intelligenza artificiale vengono applicate alle misurazioni dell'antenna per migliorare la velocità di misura, l'accuratezza e l'automazione. Gli algoritmi dell'IA possono ottimizzare le procedure di misura, identificare le anomalie di misura e prevedere le prestazioni dell'antenna da dati di misura limitati.
Misure Terahertz e Sub-Terahertz
I sistemi wireless spingono verso frequenze più elevate nelle gamme sub-terahertz e terahertz, emerge una nuova sfida di misura: a queste frequenze, l'assorbimento atmosferico diventa grave, richiedendo misurazioni in ambienti controllati o in ambienti sottovuoto.
I sistemi di misura Terahertz utilizzano spesso sorgenti fotoniche o elettroniche e rivelatori con caratteristiche diverse rispetto alle apparecchiature tradizionali a microonde.Gli standard di calibrazione e le antenne di riferimento per le frequenze terahertz sono meno maturi di quelli per le frequenze più basse, rendendo la tracciabilità e la precisione più impegnativa.
Le applicazioni delle antenne terahertz includono comunicazioni wireless ad alta velocità, sistemi di imaging e applicazioni di rilevamento. Come queste applicazioni si sviluppano, i metodi di misura standardizzati per le antenne terahertz diventeranno sempre più importanti.
Antenne riconfigurabili e adattive
Le antenne riconfigurabili che possono cambiare le loro caratteristiche di radiazione attraverso mezzi elettronici o meccanici richiedono nuovi approcci di misura. Queste antenne possono passare tra bande di frequenza diverse, polarizzazioni o modelli di radiazione a seconda dei requisiti di sistema.
Le antenne adattiva che rispondono al loro ambiente in tempo reale presentano ancora maggiori sfide di misura. Testare queste antenne richiede la creazione di ambienti di prova controllati che simulano le condizioni che l'antenna incontrerà in funzione.
Le antenne metasfacce e metasfoglia rappresentano tecnologie emergenti con proprietà uniche che possono richiedere tecniche di misura specializzate, che possono raggiungere caratteristiche di radiazione insolite attraverso materiali elettromagnetici progettati piuttosto che con strutture antenne convenzionali.
Sfide e soluzioni di misura comuni
Multipate e riflessioni
Riflessioni indesiderate dalle strutture di test, dalle attrezzature e dal personale possono contaminare le misurazioni dell'antenna, creando interferenze multipath che distorcono il modello di radiazione misurata e introduce errori nelle misurazioni di guadagno.
Le tecniche di gating time-domain possono sopprimere le riflessioni in alcuni scenari di misura. Trasformando le misurazioni della frequenza-dominio nel dominio del tempo, il segnale diretto può essere separato da riflessi ritardati. Un cancello del dominio del tempo seleziona solo il segnale diretto, che viene poi trasformato al dominio di frequenza per l'analisi. Questa tecnica è particolarmente efficace per le misurazioni in cui i segnali diretti e riflessi hanno una sufficiente separazione del tempo.
Il corretto posizionamento degli assorbenti nelle camere anecoiche minimizza i riflessi dalle pareti delle camere. I punti di riflessione critici, dove i riflessi speculari delle pareti raggiungerebbero l'antenna sotto prova, dovrebbero ricevere un'attenzione speciale.
Limitazioni di gamma dinamica
La misurazione dei sidelobe dell'antenna e la polarizzazione trasversale richiede un'elevata gamma dinamica per rilevare segnali a basso livello in presenza del raggio principale molto più forte. La gamma dinamica del sistema di misura è limitata dal rumore del pavimento, dalla linearità del ricevitore e dai segnali di perdita.
Migliorare il rapporto segnale-rumore attraverso la mediazione, le larghezza di banda del ricevitore più strette, o maggiore potenza di trasmissione estende la gamma dinamica utilizzabile. Tuttavia, l'eccessiva potenza di trasmissione può causare compressione o danni del ricevitore, così i livelli di potenza devono essere controllati con attenzione.
Segnali di leakage da schermatura imperfetta o accoppiamento tra trasmissione e ricezione dei percorsi possono limitare la gamma dinamica. Progettazione accurata del sistema, messa a terra corretta e schermatura minimizzare perdite.Per misurazioni critiche, misurare la gamma dinamica del sistema con l'antenna sotto test sostituita da un carico abbinato identifica il piano di misura realizzabile.
Effetti di frequenza-dipendenti
Le caratteristiche di antenna variano in genere con la frequenza, richiedendo misurazioni attraverso la larghezza di banda operativa. Gli effetti dipendenti dalla frequenza includono cambiamenti di guadagno, forma del modello, corrispondenza di impedenza e polarizzazione.
Le caratteristiche della struttura di prova variano anche con la frequenza. Le prestazioni dell'assorbente da camera anecoico, la qualità della zona tranquilla compatta e i modelli di riflessione a distanza esterna dipendono tutti dalla frequenza.
Le antenne a banda larga che operano su ampie gamme di frequenza presentano particolari sfide di misura. Le dimensioni elettriche dell'antenna cambiano in modo significativo attraverso la banda di comando, che interessano i requisiti di distanza di campo lontano e le caratteristiche del modello.
Risorse e Ulteriori informazioni
Organizzazioni professionali e Organismi di norma
L'Istituto di ingegneri elettrici ed elettronici (IEEE) mantiene diversi standard relativi alle misurazioni dell'antenna e fornisce forum per la condivisione delle tecniche di misura e delle migliori pratiche. L'EEE Antennas e Propagation Society organizza conferenze, pubblica riviste e offre risorse educative per gli ingegneri dell'antenna.
La Commissione Elettrotecnica Internazionale (IEC) sviluppa standard internazionali per le misurazioni e i test delle antenne. Le norme IEC spesso armonizzano con gli standard IEEE e forniscono procedure di misura riconosciute a livello globale.
Gli istituti nazionali di metrologia come l'Istituto Nazionale di Standard e Tecnologia (NIST) negli Stati Uniti forniscono standard di taratura e tracciabilità di misura per le misurazioni dell'antenna.
Formazione e certificazione
I corsi di formazione professionale nelle misurazioni delle antenne sono offerti da università, organizzazioni professionali e fornitori di formazione commerciale, che coprono la teoria della misurazione, le tecniche pratiche e l'esperienza pratica con attrezzature di misura e strutture.
I programmi di certificazione per i tecnici e gli ingegneri di prova dell'antenna forniscono credenziali riconosciute che dimostrano la competenza nelle misurazioni dell'antenna.
Molti produttori di attrezzature offrono formazione sui loro sistemi di misura e software specifici, che aiutano gli utenti a massimizzare le capacità delle loro apparecchiature di misura ed evitare insidie comuni.
Risorse e strumenti online
Numerose risorse online forniscono informazioni sulle misure dell'antenna, inclusi articoli tecnici, note di applicazione, webinar e tutorial video. I siti web dei produttori di apparecchiature spesso includono librerie di applicazioni estese con esempi di misura e guida.
Strumenti software per l'analisi dei dati di misurazione dell'antenna, la tracciatura dei modelli e il calcolo dell'incertezza sono disponibili da venditori commerciali e come progetti open source.
Calcolatori online per distanze lontane, stima della larghezza di trave e rapporti di direzione di guadagno forniscono strumenti di riferimento rapidi per gli ingegneri dell'antenna.
Per ulteriori informazioni sui test di antenna e sulle misurazioni RF, visitare il sito IEEE[] o esplorare le risorse da []NIST]. Ulteriori indicazioni tecniche possono essere trovate attraverso ]]]] e le organizzazioni professionali di test dell'antenna.
Conclusioni
La valutazione del guadagno dell'antenna e della direttività attraverso le tecniche di misura adeguate è fondamentale per lo sviluppo di sistemi wireless ad alte prestazioni. Dalla comprensione delle basi teoriche della direttività e del guadagno all'attuazione di procedure di misura sofisticate in camere anecoiche e in ambienti esterni, gli ingegneri dell'antenna devono padroneggiare una vasta gamma di competenze e conoscenze.
Gli standard industriali come IEEE 149 e IEEE 1720 forniscono una guida essenziale per eseguire misurazioni accurate e ripetibili. In seguito a queste norme, le misurazioni sono tracciabili, comparabili in diverse strutture e soddisfano i requisiti degli enti normativi e dei clienti.
L'attrezzatura di misura e la strumentazione utilizzata per il test dell'antenna continua ad evolversi, con moderni analizzatori di rete vettoriali, scanner di campo vicino e sistemi di posizionamento automatizzati che consentono misurazioni più veloci e accurate che mai. Capire come calibrare, operare e mantenere questa apparecchiatura è essenziale per ottenere risultati affidabili.
La tecnologia wireless si sviluppa in frequenze di onde millimetriche, sistemi MIMO massicci e antenne riconfigurabili, le tecniche di misura devono continuare ad evolversi. I metodi emergenti come test over-the-air, validazione computazionale e misurazioni assistite dall'IA completano le tecniche tradizionali per soddisfare le sfide dei sistemi wireless di nuova generazione.
Sia che si tratti di progettare antenne per stazioni di base 5G, comunicazioni satellitari, radar automobilistico o dispositivi IoT, misure di guadagno e di direttività accurate forniscono la base per verificare le prestazioni e garantire che i vostri progetti soddisfino le loro specifiche.