Table of Contents

Het begrijpen van antennewinst en directiviteit is essentieel voor het ontwerpen en evalueren van draadloze communicatiesystemen. Deze fundamentele parameters bepalen hoe effectief een antenne elektromagnetische energie richt in specifieke richtingen, direct beïnvloeden systeemprestaties, dekkingsgebied, en signaalkwaliteit. Nauwkeurige meting van winst, directiviteit en stralingspatronen is nodig om ontwerpen te verifiëren en ervoor te zorgen dat antennes voldoen aan specificaties. Of u nu werkt aan satellietcommunicatie, radarsystemen, 5G-netwerken of IoT-apparaten, het beheersen van deze meettechnieken zorgt ervoor dat uw antennesystemen optimale prestaties leveren in real-world toepassingen.

Fundamentele aspecten van Antenna Gain en Directiviteit

Begrijpen van directiviteit

De richting van een antenne is de verhouding van de vermogensdichtheid van de werkelijke antenne in zijn hoofdrichting tot een hypothetische maar niet-bestaande isotrope radiator die in alle richtingen gelijkmatig uitstraalt. In eenvoudigere termen meet de directiviteit hoe goed een antenne de uitgestraalde kracht in een bepaalde richting concentreert in vergelijking met een ideale isotrope bron die in alle richtingen gelijkmatig uitstraalt.

Een gerichte antenne concentreert zijn uitgestraalde vermogen slechts op een klein deel van het boloppervlak. Deze concentratie van energie is wat geeft directionele antennes hun vermogen om signalen effectiever in specifieke richtingen te verzenden of ontvangen. Directiviteit vertelt je hoe geconcentreerd de straling is in een bepaalde richting in vergelijking met een isotrope radiator. Hogere directiviteit betekent dat de antenne meer energie richt op een specifieke plek, waardoor signaalsterkte op die manier wordt verhoogd.

Het concept van directiviteit is puur theoretisch omdat het een verliesloze antenne veronderstelt. Directiviteit vraagt: Hoe goed focust de antenne energie in vergelijking met een isotroop bron, waarbij geen verliezen worden aangenomen? Dit maakt directiviteit een nuttige parameter voor het begrijpen van het inherente scherpstellen vermogen van de fysieke structuur van een antenne, onafhankelijk van materiële verliezen of inefficiënties.

Begrijpen van Antenna Gain

Gain kwantificeert hoe effectief een antenne straalvermogen concentreert in een bepaalde richting. Het combineert het richtvermogen van de antenne (richting) met zijn ohmische en materiële verliezen (efficiëntie), waardoor het de meest praktische verdienste is voor echte antennes. In tegenstelling tot directiviteit, is gain verantwoordelijk voor alle verliezen in de reële wereld die optreden binnen de antennestructuur.

Antenna gain beschrijft de directiviteit en efficiëntie van een antenne als een gemakkelijk te hanteren parameter. De relatie tussen winst, directiviteit en efficiëntie kan wiskundig worden uitgedrukt, waarbij winst gelijk is aan directiviteit vermenigvuldigd met efficiëntie. Als er een ideale antenne zonder deze verliezen, zou de antenne gain gelijk zijn aan zijn directiviteit.

Een deel van de zendkracht gaat verloren in de antenne op de voedingsleiding bij de ohmische weerstanden. Deze verliezen worden gedefinieerd als de efficiëntie van een antenne. Deze verliezen omvatten geleidersverliezen, diëlektrische verliezen, impedantie mismatche verliezen en polarisatie verliezen. Het begrijpen van dit onderscheid is cruciaal voor antenne ingenieurs, omdat het helpt identificeren of prestatie problemen voortvloeien uit het ontwerp van de antenne van het stralingspatroon of uit materiaal- en constructie inefficiënties.

De relatie tussen winst, directiviteit en beamwidth

Antennewinst heeft een directe correlatie met zowel de antennedirectiviteit als de breedte van de bundel. Hogere winstantennes bereiken extra vermogen door zich te concentreren op een verminderd gebied; dus, hoe groter de winst, hoe kleiner het bestreken gebied (gemeten in graden van straalbreedte). Deze inverse relatie is fundamenteel voor het ontwerp en de selectie van de antenne.

Antennewinst en de breedte van de bundel zijn altijd omgekeerd evenredig. Wanneer u de winst van een antenne verhoogt, vermindert u noodzakelijkerwijs de breedte van de bundel, wat betekent dat de antenne een kleiner hoekgebied bestrijkt. Deze afweging is belangrijk om rekening te houden bij het ontwerpen van draadloze systemen. Voor toepassingen die een brede dekking vereisen, zoals zendantennes of basisstations die grote gebieden bedienen, kunnen lagere gewinantennes met bredere straalbreedtes meer geschikt zijn. Omgekeerd kunnen punt-tot-punt-communicatieverbindingen profiteren van hoge gain, smalle straalbreedte-antennes die energie concentreren op een specifiek pad.

De breedte van de bundel is slechts de hoekbreedte van de hoofdkwab, meestal gemeten waar het signaal 3 dB van de piek daalt. Een smalle breedte van de bundel verhoogt de directiviteit maar krimpt het dekkingsgebied. De breedte van de 3 dB-bundel, ook wel de breedte van de halve vermogensbundel genoemd, vertegenwoordigt de hoekbreedte waar het uitgestraalde vermogen de helft van de maximale waarde is. Deze parameter is van cruciaal belang voor het bepalen van de antennedekkingspatronen en het plannen van draadloze netwerkuitzettingen.

Meeteenheden en referentienormen voor gain

Antennewinst wordt meestal uitgedrukt in decibels ten opzichte van een isotrope radiator (dBi) of ten opzichte van een dipoolantenne (dBd). In sommige industrieën . zoals omroep engineering . fabrikanten kunnen dODd (gain ten opzichte van een dipoolantenne) gebruiken als een metrieke, in plaats van dBi. Merk op dat dBd is inherent groter, gedefinieerd als 2,15 dBi winst. Dit verschil ontstaat omdat een halve golf dipool antenne heeft een directiviteit van ongeveer 2,15 dBi vanwege zijn figuur-acht straling patroon.

De isotroop radiator is handig, omdat het de eenvoudigste referentie is: uniforme straling in elke richting. Geen enkele fysieke antenne is isotroop, maar de directiviteit en winst van elke antenne kan worden vergeleken met het, wat een universele basislijn geeft. Het gebruik van de isotroop radiator als referentie biedt een consistente standaard voor het vergelijken van antennes over verschillende soorten, frequenties en toepassingen.

Voor een verliesloze halfgolfdipool zijn directiviteit en winst beide 2,15 dBi. Dit maakt de dipoolantenne tot een praktische secundaire referentiestandaard, aangezien deze fysiek kan worden geconstrueerd en gemeten, in tegenstelling tot de theoretische isotrope radiator. Veel antennespecificaties verwijzen naar dipoolwinst omdat dipools goed worden begrepen, gemakkelijk worden gefabriceerd en vaak worden gebruikt in praktische toepassingen.

Meettechnieken en -methoden voor antenne

Vergelijkingsmethode voor winst

Er bestaan verschillende technieken voor het meten van de winst, waaronder de winst en de directe winst, die hun eigen voordelen en nadelen hebben op het gebied van nauwkeurigheid, kosten en meettijd. In deze studie wordt de vergelijkingswinsttechniek gebruikt. De winstvergelijkingsmethode is een van de meest gebruikte technieken voor het meten van de antennewinst in laboratorium- en productieomgevingen.

De te testen antenne wordt vergeleken met een standaard gain hoorn met een bekende, gekalibreerde winst. Het verschil in ontvangen vermogen geeft direct het winstverschil. Deze methode vereist een referentie antenne met nauwkeurig bekende gain kenmerken. Standaard gain hoorns worden vaak gebruikt als referentie antennes omdat ze stabiele, voorspelbare winst waarden en kunnen worden gekalibreerd op hoge nauwkeurigheid.

De gain comparison methode biedt verschillende voordelen. Het is relatief eenvoudig te implementeren, biedt een goede nauwkeurigheid bij het gebruik van goed gekalibreerde referentieantennes, en kan worden uitgevoerd in verschillende testomgevingen, waaronder anecho-kamers en buitenbereiken. De methode is bijzonder nuttig voor het testen van de productie waarbij meerdere antennes van hetzelfde type moeten worden gecontroleerd aan de hand van specificaties.

Methoden voor twee-Antenna en drie-Antenna

Twee antennemethode: Twee identieke antennes staan tegenover elkaar bij een bekende scheiding. Je meet de ontvangen kracht en past de Friis vergelijking toe. De Friis transmissievergelijking heeft betrekking op het vermogen dat de ene antenne ontvangt met het vermogen dat door de andere wordt overgedragen, wat de winsten van beide antennes, de afstand tussen beide antennes en de golflengte van de werking weergeeft.

Omdat beide antennes identiek zijn, kan de enige onbekende gain direct worden opgelost. Deze methode is vooral nuttig als je twee identieke antennes hebt maar geen gekalibreerde referentieantenne beschikbaar. Door het meten van de ontvangen kracht en het kennen van alle andere parameters in de Friis vergelijking, kun je oplossen voor de antenne krijgen algebraïsch.

Drie antennemethode: Drie verschillende antennes worden gemeten in paarsgewijze combinaties (A-B, A-C, B-C). De drie Friisvergelijkingen leveren drie onbekenden op, waardoor de winst van elke antenne zonder een vooraf gekalibreerde referentie nodig is. Deze methode is waardevol voor het vaststellen van gain standaarden of wanneer er geen gekalibreerde referentieantenne beschikbaar is. Door drie afzonderlijke metingen met verschillende antenneparen te verrichten, creëer je een systeem van drie vergelijkingen met drie onbekenden die tegelijkertijd kunnen worden opgelost om de winst van alle drie de antennes te bepalen.

Methode voor patroonintegratie

Integratie van het patroon: Meet het volledige 3D-stralingspatroon, integreer vervolgens numeriek de vermogensdichtheid over alle vaste hoeken om het totale uitgestraalde vermogen te vinden. Deze methode geeft een volledige karakterisering van de stralingseigenschappen van de antenne en kan zowel directiviteit als informatie opleveren.

De patroonintegratiemethode omvat het meten van het stralingspatroon van de antenne op vele hoekposities die de gehele bol rond de antenne bedekken. De vermogensdichtheidsmetingen worden dan geïntegreerd over alle richtingen om het totale uitgestraalde vermogen te bepalen. Door de maximale stralingsintensiteit te vergelijken met de gemiddelde stralingsintensiteit, kan de directiviteit worden berekend. In combinatie met inputvermogenmetingen kunnen ook de antenne-efficiëntie en -winst worden bepaald.

Deze methode is bijzonder waardevol voor onderzoek en ontwikkeling toepassingen waar volledige antenne karakterisering nodig is. Echter, het is tijdrovend en vereist geavanceerde meetapparatuur die in staat is om de antenne of sonde te positioneren door middel van een volledig scala van hoekposities. Het gebruik van planaire metingen in de buurt van het veld om de antenne te bepalen is wijdverspreid. Metingstechnieken in de omgeving kunnen de vereiste testafstand en de grootte van de installatie verminderen terwijl het nog steeds nauwkeurige winstmetingen door wiskundige transformatie van de nabij-veld gegevens naar verre-veld patronen.

Meettechnieken voor de nabijgelegen velden

Dit document geeft een vergelijking tussen verschillende meettechnieken voor de hoogte van de antenne en de richtingsschattingen. Daarnaast zijn drie verschillende meetmethoden voor de nabijgelegen velden, waaronder planar, cylindrisch en sferisch, vergeleken voor de schatting van de antennewinst en de directiviteit. Elke meetmethode voor de nabijgelegen velden biedt specifieke voordelen, afhankelijk van het type antenne en de meetvereisten.

In dit document worden praktijkvoorbeelden voor de meting van de eigenschappen van de antenne in de omgeving van het veld beschreven en voor de drie belangrijkste geometrieën worden de metingen in de nabijheid van het veld aanbevolen: cilindrisch, planair en bolvormig. Metingen in de omgeving bieden aanzienlijke voordelen ten opzichte van metingen in het verre veld, met name voor elektrische grote antennes die onpraktisch lange meetafstanden in het verre veld vereisen.

De nauwkeurigheid van de resultaten is sterk afhankelijk van de grootte van het bemonsteringsgebied, vooral wanneer het in beperkte testruimten werkt, wat de nauwkeurigheid van de meetresultaten beïnvloedt. Een goede planning van het meetgebied is essentieel om voldoende informatie over de stralingseigenschappen van de antenne vast te leggen. Onvoldoende scangebied kan leiden tot truncatiefouten die de nauwkeurigheid van het getransformeerde vervelde patroon beïnvloeden en berekeningen van de resultaten opleveren.

De metingen van de vlakteveld zijn bijzonder geschikt voor antennes met gerichte stralingspatronen, zoals arrays en reflectorantennes. De te testen antenne wordt over een vlak oppervlak voor de antenne gescand en de gemeten gegevens van het nabijveld worden wiskundig getransformeerd om vervelde patronen en winst te verkrijgen. De metingen van de cylindrische nabijveldwaarden werken goed voor antennes met omnidirectionele of sectorpatronen, terwijl sferische metingen van de nabijveldmetingen een volledige patroondekking bieden voor antennes met complexe stralingskenmerken.

Testfaciliteiten en -omgevingen voor antenne

Anechoïsche kamers

Een anecho-kamer is een afgeschermde ruimte met RF-absorberend materiaal (gewoonlijk piramidale schuimdempers of ferriettegels) op alle binnenoppervlakken. Dit onderdrukt reflecties en externe interferentie, waarbij de vrije ruimte binnen wordt benaderd. Anecho-kamers zorgen voor gecontroleerde, herhaalbare testomgevingen die essentieel zijn voor nauwkeurige antennemetingen.

Indoor tests gebeuren meestal in een anechoïsche kamer gevoerd met RF-absorberend materiaal. Buitenbereiken vereisen het opzetten in het verre veld gebied. Het RF-absorberende materiaal in anechoïsche kamers is ontworpen om reflecties over een bepaald frequentiebereik te minimaliseren. Het absorptiemateriaal bestaat meestal uit koolstof-geladen schuim of ferriet tegels gevormd in piramidale of wigstructuren die geleidelijk de impedantie van vrije ruimte naar het absorptiemateriaal, het minimaliseren van reflecties.

Binnenbereiken (anechoïsche kamers) onderdrukken reflecties (echo's) door de wanden, de vloer en het plafond met absorberend materiaal te beklimmen. De effectiviteit van een anechoïsche kamer is afhankelijk van de kwaliteit en dikte van het absorberende materiaal, de grootte van de kamer ten opzichte van de te testen antenne en het frequentiebereik. Lagere frequenties vereisen dikker absorptiemateriaal, waardoor anechoïsche kamers voor lagefrequentiemetingen vrij groot en duur kunnen worden.

De rustige zone is het gebied binnen de aechokamer waar de velduniformiteit en lage reflectieniveaus voldoen aan de gestelde eisen. Alle antennemetingen moeten worden uitgevoerd met de antenne die in de rustige zone wordt getest om nauwkeurige resultaten te garanderen. De grootte van de stille zone bepaalt de maximale antennegrootte die in een bepaalde kamer kan worden getest.

Buitentestbereiken

Vrije ruimtebereiken zorgen voor reflectievrije voortplanting. Ze kunnen buiten of binnen zijn. Buiten vrije ruimtebereiken worden zorgvuldig gebouwd op een manier die reflecties van gebouwen en andere objecten tot een minimum beperkt. Buitenbereiken zijn bijzonder nuttig voor het testen van grote antennes of voor metingen bij lagere frequenties waar anecho-kamers onbetaalbaar groot zouden zijn.

Ze kunnen worden gerealiseerd als verhoogde ranges en schuine bereiken. Verhoogde ranges positie zowel de zend- als ontvangende antennes op voldoende hoogte boven de grond om de reflecties van de grond te minimaliseren. De antennes zijn meestal gemonteerd op torens, met de hoogte gekozen om ervoor te zorgen dat de door de grond gereflecteerde signalen komen op de ontvangende antenne met voldoende verschil in de weglengte te worden gescheiden van het directe signaal.

De schuine lijnen hebben minder ruimte nodig dan de verhoogde bereiken. De testantenne is gemonteerd op een vaste hoogte op een niet-geleidende toren (bv. gemaakt van glasvezel), terwijl de bronantenne bij de grond is gemonteerd. De schuine lijnen profiteren van de geometrie om de vereiste horizontale afstand te verminderen terwijl de juiste scheiding tussen directe en gereflecteerde signaalpaden behouden blijft.

Voor antennes die te groot zijn voor een kamer, of voor lagere frequenties waar de prestaties van de absorptiedegradatie wordt gebruikt, worden testbereiken buiten gebruikt. Verhoogde reeksen plaatsen antennes op torens om reflecties op de grond te minimaliseren. Buitenbereiken moeten zorgvuldig worden geplaatst om reflecties uit nabijgelegen gebouwen, terreinkenmerken en andere structuren te voorkomen. Het omliggende gebied moet vrij zijn van obstakels, en het bereik moet worden gericht om interferentie van externe RF bronnen te minimaliseren.

Compacte Antenne testbereiken

Compacte reeksen maken gebruik van een grote parabolische reflector om een vlak golffront op een kortere afstand te creëren, waardoor verre veldmetingen in een kleinere binnenruimte mogelijk zijn. Compacte reeksen pakken de uitdaging aan om verre veldmetingen uit te voeren op grote antennes zonder dat extreem lange testafstanden nodig zijn. De parabolische reflector transformeert de sferische golf van een toevoerantenne in een vlakgolf die de te testen antenne verlicht.

Het compacte bereikconcept vermindert de vereiste capaciteit aanzienlijk in vergelijking met conventionele verveldbereiken. Een goed ontworpen compact bereik kan vervelde omstandigheden simuleren op afstanden die veel korter zijn dan het traditionele vervelde afstandscriterium van 2D2/λ, waarbij D de antennediameter en λ de golflengte is. Dit maakt compacte reeksen bijzonder waardevol voor het testen van elektrische grote antennes zoals satellietantennes, radarantennes en grote communicatiearrays.

De kwaliteit van de vlakgolf die door de compacte afstandreflector wordt geproduceerd is van cruciaal belang voor de meetnauwkeurigheid. De reflector moet nauwkeurig worden gevormd en een hoogwaardige oppervlakteafwerking hebben om fase- en amplitudevariaties in de stille zone te minimaliseren. Randbehandelingen, zoals snaren of opgerolde randen, worden gebruikt om de diffractie van de reflectorranden te verminderen die de meting kunnen besmetten.

Industrienormen voor Antennametingen

IEEE Standard 149: Aanbevolen praktijk voor Antennametingen

De aanbevolen methoden voor het meten van de zend- en ontvangsteigenschappen van de antenne worden gepresenteerd. Gedurende deze standaard wordt aangenomen dat de te meten antenne kan worden behandeld als een passief, lineair en wederkerig apparaat. IEEE Standard 149 is een van de meest gebruikte normen voor antennetesten en wordt gebruikt in de hele overheid, industrie en academische wereld decennia lang.

Een fundamentele eigenschap van elke antenne is het stralingspatroon. De meting van stralingspatronen in een antennetestinstallatie wordt besproken. Het ontwerp van antennetestfaciliteiten wordt beschreven samen met de instrumentatievereisten voor de goede werking van de antennefaciliteit, de richtlijnen voor de evaluatie van een (bestaande) bereik en de werking van de meetbereiken. De norm biedt uitgebreide richtsnoeren voor alle aspecten van antennemeting, van het ontwerp van de installatie tot de analyseprocedures.

Deze standaard wordt gebruikt in de hele overheid, industrie en academische wereld op het gebied van antennetesten. Het biedt veel van de procedures die momenteel worden gebruikt door antennetestorganisatie. De norm is meerdere malen bijgewerkt om nieuwe meettechnologieën en -technieken te integreren. De meest recente versie, IEEE 149-2021, bevat bijgewerkte informatie over moderne meetmethoden, digitale instrumentatie en rekentechnieken.

IEEE Standard 149 omvat een breed scala aan onderwerpen, waaronder metingen van stralingspatronen, winstmetingen, polarisatiemetingen, impedantiemetingen en gespecialiseerde metingen voor specifieke antennetypes. De norm biedt ook richtsnoeren voor analyse van meetonzekerheid, wat essentieel is voor het begrijpen van de nauwkeurigheid en betrouwbaarheid van meetresultaten.

IEEE Standard 1720: Antennametingen nabij het veld

Meetpraktijken voor de kalibratie van sondes die bij metingen in het nabijveld als referentieantennes worden gebruikt, worden ook aanbevolen. IEEE Standard 1720 richt zich specifiek op meettechnieken in de buurt van het veld, die steeds belangrijker worden naarmate antennes groter en complexer worden. De norm bevat gedetailleerde aanbevelingen voor planaire, cilindrische en bolvormige meetsystemen in de buurt van het veld.

Voor metingen in de omgeving zijn speciale sondes nodig die het elektromagnetische veld dicht bij de te testen antenne nemen. De eigenschappen van de sonde, waaronder het stralingspatroon, de zuiverheid van de polarisatie en de frequentierespons, hebben rechtstreeks invloed op de nauwkeurigheid van de meting. IEEE 1720 voorziet in procedures voor de kalibratie en karakterisering van de sonde om nauwkeurige metingen in de buurt te garanderen.

De norm heeft ook betrekking op de wiskundige transformaties die nodig zijn om gegevens van nabij-veldmeting om te zetten in verre-veld stralingspatronen. Deze transformaties zijn gebaseerd op elektromagnetische theorie en vereisen een zorgvuldige implementatie om numerieke fouten en artefacten te voorkomen. Goede bemonstering dichtheid, scan gebied grootte, en sonde positionering zijn alle kritieke factoren die in de standaard worden behandeld.

IEEE-norm 1528 en aanverwante SAR-meetnormen

Terwijl IEEE 1528 hoofdzakelijk betrekking heeft op specifieke absorptiesnelheidsmetingen voor draadloze apparaten in plaats van op traditionele antenne-winstmetingen, is het een belangrijke categorie van antenne-gerelateerde metingen. Een 2 dB-bereik is vereist in IEEE Standard 1528 en IEC 62209-normen. Deze normen zorgen ervoor dat draadloze apparaten voldoen aan de veiligheidsvoorschriften met betrekking tot blootstelling van de mens aan radiofrequentie-energie.

SAR metingen vereisen gespecialiseerde apparatuur en procedures om de elektromagnetische energie die door biologisch weefsel wordt geabsorbeerd nauwkeurig te beoordelen. De meetsystemen moeten worden gekalibreerd en gevalideerd om te garanderen dat aan de regelgevingseisen wordt voldaan. Hoewel SAR metingen gericht zijn op veiligheid in plaats van antenneprestaties, zijn ze nauw verbonden met antenneontwerp en vereisen ze inzicht in de eigenschappen van antennestraling.

ISO/IEC 17025: Algemene eisen voor testlaboratoria

ISO/IEC 17025 stelt algemene eisen voor de bekwaamheid van test- en kalibratielaboratoria. Hoewel deze norm niet specifiek is voor antennemetingen, is deze norm van cruciaal belang voor laboratoria die antennetests uitvoeren, met name die welke accreditatie of metingen voor naleving van de regelgeving willen uitvoeren. De norm heeft betrekking op beheerseisen, technische eisen, kwaliteitsborgingsprocedures en documentatiepraktijken.

De laboratoria die ISO/IEC 17025 volgen, moeten de technische bekwaamheid aantonen, gevalideerde meetmethoden gebruiken, gekalibreerde apparatuur onderhouden, meetonzekerheid schatten en procedures voor kwaliteitscontrole toepassen. Voor antennemetingen omvat dit het handhaven van de traceerbaarheid van referentieantennes volgens nationale of internationale normen, het documenteren van meetprocedures en het regelmatig verifiëren van de prestaties van het meetsysteem.

Essentiële meetapparatuur en -instrumentatie

Vector Netwerkanalysers

De ingangsimpedantie van de antenne wordt berekend als Γ wordt meestal gemeten met behulp van een vectornetwerkanalyser (VNA). De VNA meet de complexe S-parameters van microgolfnetwerken. Vectornetwerkanalysatoren zijn fundamentele instrumenten voor antennemetingen, die zowel magnitude- als faseinformatie over de elektrische eigenschappen van de antenne verschaffen.

VNA's meten verstrooiingsparameters (S-parameters) die beschrijven hoe RF signalen worden gereflecteerd en doorgegeven via de antenne. De S11 parameter, ook wel bekend als de reflectiecoëfficiënt of retourverlies, geeft aan hoe goed de antenne is afgestemd op de transmissielijn. Slechte impedantie matching resulteert in gereflecteerd vermogen dat de efficiëntie van de antenne vermindert en de componenten van de zender kan beschadigen.

Moderne VNA's bieden een breed frequentiebereik, een hoog dynamisch bereik en geavanceerde kalibratieprocedures die systematische fouten uit metingen verwijderen. Met de Time-domeinmogelijkheden kunnen VNA's impedantie-uitval in antennestructuren identificeren en lokaliseren. Veel VNA's bevatten ook ingebouwde functies voor het berekenen van afgeleide parameters zoals spanningsstand-golfverhouding (VSWR), impedantie en Smith-kaarten.

Signaalgeneratoren en -bronnen

Signaalgeneratoren zorgen voor de RF-energie die nodig is voor antennemetingen. Voor metingen van de antenne stuurt de signaalgenerator de te testen antenne, terwijl voor ontvangstmetingen, het een bronantenne bestuurt die de te testen antenne verlicht. Signaalgeneratoren moeten een stabiel uitgangsvermogen, een lage harmonische vervorming en een goede frequentienauwkeurigheid bieden om de meetreproduceerbaarheid te garanderen.

Moderne signaalgeneratoren bieden functies zoals frequentievegen, amplitudemodulatie en pulsmodulatie die nuttig zijn voor verschillende soorten antennemetingen. Frequentiestabiliteit is met name belangrijk voor fasemetingen en voor metingen over langere tijdsperioden. Output-vermogensstabiliteit zorgt voor consistente meetresultaten en maakt nauwkeurige winstvergelijkingen mogelijk.

Voor sommige toepassingen kunnen gespecialiseerde bronnen zoals geluidsbronnen of gepulseerde bronnen nodig zijn. Geluidsbronnen worden gebruikt voor het meten van de temperatuur van het antennegeluid en het geluidsbeeld van het systeem. Gepulseerde bronnen zijn nodig voor het testen van radarantennes en andere gepulseerde systemen waarbij de kenmerken van de antenne kunnen verschillen tussen continue golf en gepulseerde werking.

Referentieantenna's en kalibratienormen

Kalibratie houdt alle meetapparatuur binnen de bekende nauwkeurigheidsgrenzen. Dit omvat signaalgeneratoren, netwerkanalysers en referentieantennes. Testers gebruiken vaak een gekalibreerde referentieantenne met bekende winst om te vergelijken met de Antenna Under Test (AUT). Referentieantennes zijn van cruciaal belang voor het vaststellen van meettraceerbaarheid en het garanderen van nauwkeurigheid.

Standaard gain hoorns zijn de meest voorkomende type referentie antenne gebruikt in antenne testfaciliteiten. Deze hoorns hebben goed gepersonaliseerde winst waarden die kunnen worden berekend uit hun fysieke afmetingen of gemeten tegen de primaire normen. Pyramide hoorns, conische hoorns, en dual-ridge hoorns worden gebruikt, afhankelijk van het frequentiebereik en polarisatie eisen.

De referentieantennes moeten periodiek worden gekalibreerd om hun nauwkeurigheid te behouden. De kalibratie wordt gewoonlijk uitgevoerd door nationale metrologie-instituten of erkende kalibratielaboratoria met behulp van primaire of secundaire normen. Het kalibratiecertificaat geeft de winstwaarden van de antenne bij specifieke frequenties, samen met de bijbehorende meetonzekerheiden.

Dipole antennes dienen ook als referentiestandaarden, vooral bij lagere frequenties waar hun afmetingen praktisch zijn. De theoretische winst van een halfgolfdipool is goed vastgesteld, waardoor het een nuttige referentie is, zelfs zonder formele kalibratie. Echter, echte dipoles hebben een eindige geleider diameter en kunnen baluns of andere componenten die hun werkelijke winst beïnvloeden omvatten, dus gekalibreerd dipoles bieden meer nauwkeurige referenties.

Antennepositioneerders en positiebepalingssystemen

De AUT uitlijnen met de coördinatenassen van het testsysteem. Een roterende positioneerfunctie laat je meten in azimut en hoogte. Het juiste positie krijgen is echt belangrijk, omdat een verkeerde uitlijning de gemeten straalrichting en de winstwaarden kan veranderen. Antennapositioneerders stellen het vereiste hoekscanning in staat om stralingspatronen te meten en de richting van de maximale winst te bepalen.

Positioneerders variëren van eenvoudige handdraaitafels tot geavanceerde multi-assige computergestuurde systemen. Voor volledige patroonmetingen zijn ten minste twee draaiassen nodig om de volledige bol rond de antenne te bedekken. Azimuth-over-elevation en roll-over-azimut zijn gemeenschappelijke positionerconfiguraties, elk met voordelen voor verschillende antennetypes en meetvereisten.

De nauwkeurigheid van de positie is rechtstreeks van invloed op de meetnauwkeurigheid, met name voor antennes met smalle bundelbreedtes. De hoge antennes vereisen een nauwkeurige hoekpositie om de piek van de hoofdbundel nauwkeurig te kunnen lokaliseren en de sidelobeniveaus te meten. Moderne positioneerders gebruiken encoders of resolvers om nauwkeurige hoekterugkoppeling te bieden, met typische nauwkeurigheiden van 0,01 graden of beter.

Voor metingen in de buurt van het veld moeten planaire scanners de sondeantenne in een rasterpatroon over een vlak voor de te testen antenne bewegen. Deze scanners moeten nauwkeurige positieregeling bieden in twee dimensies en een consistente oriëntatie van de sonde handhaven. Cilindrische en bolvormige nabijveldsystemen gebruiken verschillende scangeometrieën maar vereisen dezelfde positioneringsprecisie.

Ontvangers en spectrumanalysers

De ontvanger meet de signaalsterkte die de te testen antenne of een sondeantenne ontvangt bij metingen in het nabijveld. De ontvanger moet voldoende gevoeligheid hebben om lage signaalniveaus te meten, een voldoende dynamisch bereik om zowel sterke als zwakke signalen te hanteren, en een goede frequentieselectiviteit om interferentie en harmonischen te weigeren.

Spectrum analysers dienen als ontvangers in vele antenne meetsystemen, met een brede frequentiedekking en de mogelijkheid om signalen in het frequentiedomein te bekijken. Deze mogelijkheid is waardevol voor het identificeren van ongewenste signalen, harmonischen en interferentie die de nauwkeurigheid van de metingen kunnen beïnvloeden. Spectrum analysers bieden ook markers en sporen functies die het verzamelen en analyseren van gegevens vereenvoudigen.

Voor metingen met hoge nauwkeurigheid kunnen gespecialiseerde ontvangers met fase-vergrendelde detectie of coherente detectie worden gebruikt. Deze ontvangers kunnen zowel amplitude als fase meten, wat essentieel is voor metingen in het nabijveld en voor het karakteriseren van antennearrays. De geluids- en lineariteitskenmerken van de ontvanger beïnvloeden het dynamische bereik en de nauwkeurigheid van het meetsysteem.

Meetprocedures en beste praktijken

Kalibratie en systeemkeuring

Nauwkeurige antennetest vereist een zorgvuldige opstelling, gecontroleerde omstandigheden en nauwkeurige meettechnieken. U moet het testsysteem voorbereiden, betrouwbare gegevens vastleggen en alles wat de resultaten kan verstoren bekijken. Juiste kalibratie- en verificatieprocedures zijn essentiële basis voor nauwkeurige antennemetingen.

Voordat de antennemetingen worden uitgevoerd, moeten alle testapparatuur worden gekalibreerd en geverifieerd, waaronder het kalibreren van het VNA, het verifiëren van signaalgenerator-outputvermogen en frequentienauwkeurigheid, en het bevestigen van de gevoeligheid en lineariteit van de ontvanger. Referentieantennes moeten beschikken over actuele kalibratiecertificaten en hun kalibratiegegevens moeten naar behoren worden toegepast bij de meting.

De systeemkeuring houdt in dat een bekende antenne of norm wordt gemeten om te bevestigen dat het meetsysteem correct functioneert. Deze verificatie moet regelmatig worden uitgevoerd, met name na eventuele wijzigingen in de meetopstelling of apparatuur. De vergelijking van de gemeten resultaten met bekende waarden geeft vertrouwen in de nauwkeurigheid van het meetsysteem en helpt problemen te identificeren voordat deze invloed hebben op de productiemetingen.

Documentatie van kalibratie- en verificatieprocedures is belangrijk voor de kwaliteitsborging en voor het aantonen van de traceerbaarheid van metingen. De registers moeten kalibratiedata, kalibratiebronnen, meetonzekerheden en eventuele aanpassingen of correcties van het meetsysteem omvatten.

Milieubeheersing en -interferentie mitigatie

U moet de testomgeving van ongewenste reflecties te wissen. Indoor tests gebeuren meestal in een anecho-kamer gevoerd met RF-absorberend materiaal. Milieufactoren kunnen significant invloed hebben op de meetnauwkeurigheid, waardoor een goede milieucontrole essentieel voor betrouwbare resultaten.

Temperatuurvariaties kunnen invloed hebben op de kenmerken van de antenne, met name voor antennes met temperatuurgevoelige materialen of onderdelen. Het handhaven van stabiele temperatuuromstandigheden tijdens metingen garandeert herhaalbaarheid en voorkomt thermische drift in zowel de te testen antenne als de meetapparatuur. Voor precisiemetingen kunnen temperatuur-gecontroleerde omgevingen nodig zijn.

Vochtigheid kan de prestaties van de antenne beïnvloeden, met name voor antennes met diëlektrische materialen of voor metingen bij millimetergolffrequenties waar atmosferische absorptie significant wordt. Het controleren van vochtigheidsniveaus of het berekenen van vochtigheidseffecten bij meetanalyse verbetert de nauwkeurigheid.

Externe interferentie van omroepstations, cellulaire netwerken, radarsystemen en andere RF-bronnen kunnen antennemetingen besmetten. Geschilde testfaciliteiten zoals anecho-kamers bieden isolatie van externe interferentie. Voor buitenbereiken moeten site-enquêtes potentiële interferentiebronnen identificeren en metingen moeten worden gepland om tijden van hoge interferentie te vermijden. Spectrumanalyseronderzoeken voordat metingen interferentie kunnen identificeren en helpen bij het selecteren van schone frequentiekanalen voor testen.

Uitlijning en positiebepalingsprocedures

De AUT uitlijnen met de coördinatenassen van het testsysteem. Een roterende positioneerfunctie laat je meten in azimut en hoogte. Het juiste positie krijgen is echt belangrijk, omdat een verkeerde uitlijning de gemeten straalrichting en de waarde van de verkregen waarde kan veranderen. Een juiste uitlijning is cruciaal voor nauwkeurige metingen, vooral voor hoge gain antennes met smalle straalbreedtes.

De te testen antenne moet zo worden geplaatst dat het fasecentrum samenvalt met het draaicentrum van de positioner. Voor antennes met goed gedefinieerde fasecentra, zoals hoorns en kleine dipolen, is deze uitlijning eenvoudig. Voor antennes met gedistribueerde fasecentra, zoals arrays en reflectoren, moet de uitlijning de antenne zo plaatsen dat patroonmetingen worden verwezen naar een zinvol punt.

Polarisatie-uitlijning zorgt ervoor dat de te testen antenne en de bron- of sonde-antenne de juiste polarisatieverhouding hebben. Voor lineair gepolariseerde antennes moeten de polarisatieve vectoren worden uitgelijnd (voor co-polarisatiemetingen) of orthogonale (voor kruispolarisatiemetingen). Polarisatie-misaanpassing brengt fouten in de meetwaarden en patroonmetingen meten.

De afstand tussen de te testen antenne en de bronantenne of sonde moet voldoen aan vervelde criteria voor metingen ter hoogte van het veld. De afstand verveld is meestal gedefinieerd als 2D2/λ of groter, waarbij D de grootste afmeting van de antenne is en λ de golflengte. Voor metingen nabij het veld moet de afstand tussen sonde en antenne dicht genoeg zijn om de afstand nabij het veld te vangen, maar ver genoeg om reactieve effecten in de buurt van het veld te voorkomen.

Verzameling en verwerking van gegevens

Systematische gegevensverzamelingsprocedures zorgen voor een volledige en nauwkeurige karakterisering van de eigenschappen van de antenne. Voor patroonmetingen moet de hoekbemonsteringsdichtheid voldoende zijn om alle patroonkenmerken, inclusief de hoofdbundel, zijlobben en nulpunten, vast te leggen. Het Nyquist-bemonsteringscriterium suggereert dat het hoekbemonsteringsinterval niet groter mag zijn dan λ/(2D) radialen om aliassen te voorkomen.

Meerdere metingen in elke hoekpositie kunnen de meetnauwkeurigheid verbeteren door middel van het gemiddelde van willekeurige geluiden en variaties. Het aantal gemiddelden moet worden gekozen op basis van de vereiste meetnauwkeurigheid en de beschikbare meettijd. Voor productietests kunnen minder gemiddelden aanvaardbaar zijn, terwijl onderzoekmetingen een uitgebreide gemiddelden kunnen gebruiken om maximale nauwkeurigheid te bereiken.

Gegevensverwerking omvat het toepassen van kalibratiecorrecties, normaliseren patronen, en het berekenen van afgeleide parameters zoals de breedte van de bundel, sidelobe niveaus, en gain. Software tools automatiseren veel van deze verwerking, maar het begrijpen van de onderliggende berekeningen is belangrijk voor het identificeren en corrigeren van fouten.

De analyse van de meetonzekerheid geeft een kwantitatieve waarde voor de nauwkeurigheid van de meetresultaten. Onzekerheid levert onder meer apparatuurkalibratieonzekerheid, plaatsfouten, milieueffecten en random meetgeluid op. Door deze onzekerheidscomponenten te combineren volgens de vastgestelde procedures, wordt een algemene meetonzekerheid geboden die moet worden gerapporteerd met meetresultaten.

Geavanceerde meetoverwegingen

Millimeter-golf en hoge frequentiemetingen

Hooggeplaatste antennes kunnen een belangrijk onderdeel zijn van de millimetergolfverbindingen om hun inherent hoge wegverliezen te compenseren. In rommelige scenario's zoals de indoor instellingen van Non-Line-Of-Sight (NLOS) wordt de antennewinst afgebroken door de interactie van de kanaalhoekspreiding met het antennepatroon. Millimetergolfmetingen bieden unieke uitdagingen vanwege de korte golflengten en hoge atmosferische absorptie bij deze frequenties.

Bij millimetergolffrequenties kunnen zelfs kleine positioneringsfouten significante fasefouten veroorzaken. De vereiste positioneringsnauwkeurigheidsschalen met golflengte, dus millimetergolfmetingen vereisen preciezere positionerings- en uitlijnprocedures. Mechanische stabiliteit van de meetopstelling wordt kritiek, aangezien trillingen en thermische expansie meetfouten kunnen introduceren.

De absorptie van de atmosfeer, met name door waterdamp en zuurstof, beïnvloedt de voortplanting van de millimetergolf. Voor buitenbereiken moeten deze absorptie-effecten in de winstmetingen worden meegenomen. Binnenmetingen in gecontroleerde omgevingen minimaliseren de atmosferische effecten, maar vereisen zorgvuldige aandacht voor reflecties en diffractie van kamerstructuren.

Smalle antennes kunnen een aanzienlijke winstdegradatie ervaren in NLOS scenario's, tot 4,4 dB bij het 90e percentiel voor een 6° HPBW antenne. Deze degradatie in reële omgevingen benadrukt het belang van het meten van antennes onder omstandigheden die hun beoogde werkomgeving vertegenwoordigen, niet alleen in ideale vrije ruimte omstandigheden.

Array Antenna metingen

Gefaseerde antennes van de array bieden speciale meetuitdagingen vanwege hun elektronische stuurbekrachtiging en complexe voedingsnetwerken. Arraymetingen moeten niet alleen het algemene arraypatroon maar ook de individuele elementenpatronen, de element-elementkoppeling en de nauwkeurigheid van de bundelstuur karakteriseren.

Actieve arrays met geïntegreerde versterkers en fasewisselaars vereisen metingen onder aangedreven omstandigheden, wat extra complexiteit introduceert. Het stralingspatroon van de array kan afhangen van de instellingen van fasewisselaars en dempings, die metingen vereisen bij meerdere bundelstuurhoeken en configuraties.

Metingen in de omgeving zijn bijzonder waardevol voor array-antennes, omdat ze informatie kunnen geven over individuele elementen-excitaties en defecte of defecte elementen kunnen identificeren. Array-diagnostiek op basis van metingen in het nabijveld kan amplitude- en fasefouten in het array-feednetwerk detecteren.

Polarisatiemetingen

De polarisatie-patroon methode is een gemeenschappelijke partiële methode. Het produceert de polarisatie ellips parameters (axiale verhouding en kantelhoek) in een bepaalde stralingsrichting. Polarisatie metingen karakteriseren hoe de antenne straalt of ontvangt elektromagnetische golven met verschillende polarisatie toestanden.

Complete polarisatie karakterisatie vereist het meten van zowel co-polarisatie als kruis-polarisatie componenten van de antenne straling patroon. Co-polarisatie vertegenwoordigt de gewenste polarisatie, terwijl kruis-polarisatie vertegenwoordigt de orthogonale polarisatie component die meestal de prestaties van het systeem degradeert.

Voor ronde gepolariseerde antennes kwantificeren axiale ratiometingen de kwaliteit van de circulaire polarisatie. Perfecte circulaire polarisatie heeft een axiale verhouding van 0 dB (of 1:1), terwijl praktische antennes doorgaans axiale verhoudingen van 3 dB of beter over hun operationele bandbreedte bereiken. Het axiale ratiopatroon laat zien hoe de polarisatiekwaliteit varieert met richting.

Meting van onzekerheid en foutanalyse

Het begrijpen en kwantificeren van meetonzekerheid is essentieel voor het interpreteren van antennemeetresultaten en voor het vergelijken van metingen uit verschillende faciliteiten of methoden. Meetonzekerheid omvat zowel willekeurige als systematische foutcomponenten.

Willekeurige fouten ontstaan door lawaai in het meetsysteem, omgevingsvariaties en positioneringsrepresentativiteit. Deze fouten kunnen worden verminderd door middel van meerdere metingen en door verbetering van de signaal-ruisverhouding van het meetsysteem. Statistische analyse van herhaalde metingen geeft schattingen van de componenten van willekeurige onzekerheid.

Systematische fouten zijn het gevolg van onvolmaakte kalibratie, uitlijnfouten, reflecties in de testomgeving en andere factoren die consequent vooroordeelmetingen in één richting. Systematische fouten zijn moeilijker te identificeren en te corrigeren dan willekeurige fouten. Zorgvuldige kalibratieprocedures, een goed ontwerp van de faciliteit en vergelijkingsmetingen met bekende normen helpen systematische fouten te minimaliseren.

De gecombineerde meetonzekerheid wordt doorgaans uitgedrukt als een uitgebreide onzekerheid met een gespecificeerde dekkingsfactor, meestal overeenkomend met een 95% betrouwbaarheidsniveau. Voor metingen van de antennewinst variëren de typische onzekerheden van ±0,3 dB voor zorgvuldig gecontroleerde laboratoriummetingen tot ±1 dB of meer voor minder gecontroleerde omgevingen of minder nauwkeurige methoden.

Praktische toepassingen en voorbeelden van de industrie

Draadloze communicatiesystemen

Antennewinst en directiviteitsmetingen zijn van fundamenteel belang voor het ontwerpen en implementeren van draadloze communicatiesystemen. Basisstationantennes voor cellulaire netwerken vereisen nauwkeurige winst- en patroonmetingen om een goede dekking te garanderen en interferentie met aangrenzende cellen te minimaliseren. Het verticale patroon van de antenne, inclusief downtilthoek en straalbreedte, heeft rechtstreeks invloed op het dekkingsgebied en de signaalkwaliteit.

Voor 5G-systemen die werken op millimetergolffrequenties worden antennemetingen nog kritischer door het gebruik van massieve MIMO arrays en bundelvorming. Deze systemen zijn afhankelijk van nauwkeurige antennekarakterisering om bundels sturen algoritmen te implementeren en de netwerkprestaties te optimaliseren. De hoge winst en smalle bundels van 5G antennes vereisen nauwkeurige meettechnieken om de prestaties te verifiëren.

Klanthuisapparatuur zoals Wi-Fi-routers, mobiele apparaten en IoT-sensoren vereisen ook antennemetingen om te garanderen dat ze voldoen aan de prestatiespecificaties en wettelijke eisen. Productietests van deze apparaten maken vaak gebruik van vereenvoudigde meetmethoden die de nauwkeurigheid in evenwicht brengen met de doorvoervereisten.

Satellietcommunicatie

De metingen van de satellietantenne moeten een hoge nauwkeurigheid bereiken door de kritische aard van satellietcommunicatie en de hoge kosten van satellietsystemen. Grondstationsantennes, die vaak grote reflectorantennes met hoge winst zijn, vereisen zorgvuldige meting van de winst, patroon en puntnauwkeurigheid.

Satelliet payload antennes worden uitgebreid getest voordat de lancering om hun prestaties in de ruimteomgeving te verifiëren. Deze metingen moeten rekening houden met de effecten van vacuüm, temperatuur extremes, en mechanische spanningen die de antenne zal ervaren in de baan. Nabijveld meettechnieken worden vaak gebruikt voor grote satelliet antennes vanwege de onpraktischeheid van verre-veld metingen.

De G/T (gain-to-noise-temperatuurverhouding) is een kritische parameter voor satellietontvangstsystemen die antennewinst combineert met systeemgeluidstemperatuur. G/T meten vereist zowel metingen van de antennewinst als metingen van de geluidstemperatuur, meestal uitgevoerd met behulp van radioastronomiebronnen of satellietbakensignalen.

Radarsystemen

Radarantennes vereisen metingen van de winst, het patroon, de sidelobeniveaus en de polarisatiekenmerken. Lage sidelobeniveaus zijn bijzonder belangrijk voor radarsystemen om rommel en interferentie te minimaliseren. Sidelobemetingen vereisen hoge dynamische meetsystemen voor het meten van signaalniveaus 40 dB of meer onder de piek van de hoofdbundel.

Radarantennes werken vaak met gepulseerde signalen, wat extra meetoverwegingen introduceert. De kenmerken van de antenne kunnen verschillen tussen continue golf en gepulseerde werking als gevolg van voorbijgaande effecten in het voedingsnetwerk of actieve componenten. Gepulseerde metingen vereisen gespecialiseerde instrumentatie die in staat is om tijdgebonden signaaldetectie te detecteren.

Monopulsradarantennes genereren meerdere gelijktijdige bundels die worden gebruikt voor het volgen van het doel. Het meten van monopulsantennes vereist het karakteriseren van de som- en verschilpatronen en het verifiëren van de monopulsehelling, die de nauwkeurigheid van het volgen bepaalt. Deze metingen zijn complexer dan metingen van de enkelbundelantenne en vereisen gespecialiseerde testprocedures.

Automotive Radar en V2X Communicatie

Automotive toepassingen bieden unieke antenne meting uitdagingen als gevolg van de noodzaak van metingen op complete voertuigen of voertuig secties. Automotive radar antennes voor adaptieve cruise control, botsing vermijden, en autonoom rijden moeten worden gemeten in aanwezigheid van de voertuig carrosserie, die invloed heeft op de antenne straling patroon.

De communicatieantennes van het voertuig naar alles (V2X) moeten voldoende dekking bieden om het voertuig te beschermen terwijl het op de voertuigcarrosserie wordt gemonteerd. De patroonmetingen op complete voertuigen vereisen grote testfaciliteiten en gespecialiseerde meetprocedures om rekening te houden met de effecten van het voertuig op de prestaties van de antenne.

Productietests van autoantennes moeten snel en kosteneffectief zijn, maar moeten voldoende nauwkeurigheid behouden om ervoor te zorgen dat veiligheidskritische systemen goed functioneren. Geautomatiseerde meetsystemen met snelle positionering en gegevensverzameling maken het mogelijk om auto-antennes met hoge doorvoercapaciteit te testen.

Testen van de luchtoverbelasting (OTA)

Naarmate draadloze apparaten meer geïntegreerd en complex worden, worden traditionele metingen van de antenneprestaties minder praktisch. Over-the-air testen meet de volledige prestaties van het apparaat, waaronder de antenne, RF-circuits en digitale signaalverwerking, in een uitgestraalde omgeving die de reële omstandigheden simuleert.

OTA-testmethoden zijn vooral belangrijk voor apparaten met geïntegreerde antennes die niet via RF-connectoren kunnen worden bereikt. Mobiele telefoons, tablets en IoT-apparaten vereisen doorgaans OTA-tests om hun draadloze prestaties te verifiëren. Gestandaardiseerde OTA-testmethoden zijn ontwikkeld voor verschillende draadloze technologieën, waaronder cellulaire, Wi-Fi en Bluetooth.

Multi-probe anechoic kamers maken het mogelijk OTA testen met gecontroleerde hoekverdeling van signalen, het simuleren van multipath propagatie omgevingen. Deze systemen kunnen de prestaties van het apparaat testen onder realistische kanaal omstandigheden, waaronder vervagen, interferentie, en meerdere signaalpaden. OTA testen wordt steeds belangrijker voor 5G apparaten met bundelvorming mogelijkheden die zich aanpassen aan de voortplanting omgeving.

Computational Elektromagnetics and Meetvalidation

Geavanceerde computationele elektromagnetische tools maken nauwkeurige simulatie van antenneprestaties mogelijk, waardoor de behoefte aan uitgebreide prototypemetingen wordt verminderd. Metingen blijven echter essentieel voor het valideren van simulaties en het verifiëren van productieantennes. De combinatie van simulatie en meting biedt een krachtige benadering van antenneontwikkeling.

Simulatietools kunnen antennewinst, directiviteit en stralingspatronen voorspellen op basis van de geometrie en materiaaleigenschappen van de antenne. Door gesimuleerde en gemeten resultaten te vergelijken, kunnen modelfouten, fabricagevariaties en milieueffecten worden geïdentificeerd die niet in simulaties zijn vastgelegd. Dit iteratieve proces van simulatie en meting versnelt de ontwikkeling van de antenne en verbetert de ontwerpnauwkeurigheid.

Machine learning en kunstmatige intelligentie technieken worden toegepast op antenne metingen om de meetsnelheid, nauwkeurigheid en automatisering te verbeteren. AI algoritmes kunnen meetprocedures optimaliseren, meting anomalieën identificeren en de prestaties van de antenne voorspellen uit beperkte meetgegevens. Deze technieken tonen belofte voor het verminderen van de meettijd terwijl het handhaven of verbeteren van nauwkeurigheid.

Terahertz en subterahertz-metingen

Als draadloze systemen naar hogere frequenties in de sub-terahertz en terahertz bereiken, ontstaan nieuwe meetuitdagingen. Bij deze frequenties wordt atmosferische absorptie ernstig, die metingen in gecontroleerde omgevingen of vacuümkamers vereist. De extreem korte golflengten vereisen positioneringsnauwkeurigheid op het micrometerniveau.

Terahertz meetsystemen gebruiken vaak fotonische of elektronische bronnen en detectoren met andere kenmerken dan conventionele microgolfapparatuur. Kalibratienormen en referentieantennes voor terahertzfrequenties zijn minder rijp dan die voor lagere frequenties, waardoor traceerbaarheid en nauwkeurigheid moeilijker worden.

Toepassingen van terahertz antennes omvatten hoog-data-rate draadloze communicatie, beeldvormingssystemen en sensortoepassingen. Naarmate deze toepassingen ontwikkelen, zullen gestandaardiseerde meetmethoden voor terahertz antennes steeds belangrijker worden.

Veranderbare en adaptieve antennen

Voor herconfigureerbare antennes die hun stralingseigenschappen via elektronische of mechanische middelen kunnen veranderen, zijn nieuwe meetbenaderingen nodig. Deze antennes kunnen schakelen tussen verschillende frequentiebanden, polarisaties of stralingspatronen afhankelijk van de systeemeisen. Het kenmerken van herconfigureerbare antennes vereist metingen in alle bedrijfsconfiguraties.

Adaptieve antennes die in real-time op hun omgeving reageren, bieden nog grotere meetuitdagingen. Om deze antennes te testen, zijn gecontroleerde testomgevingen nodig die de omstandigheden simuleren die de antenne in werking zal hebben. Gesloten-lus testen waarbij de aanpassingsalgoritmen van de antenne actief zijn tijdens de meting levert de meest realistische prestatiebeoordeling.

Metamaterialen en metaoppervlak antennes vertegenwoordigen opkomende technologieën met unieke eigenschappen die speciale meettechnieken vereisen. Deze antennes kunnen ongewone stralingseigenschappen bereiken door middel van ontworpen elektromagnetische materialen in plaats van conventionele antennestructuren. Het begrijpen en meten van hun prestaties vereist zorgvuldige aandacht voor effecten op het nabije veld en materiaaleigenschappen.

Gemeenschappelijke meetuitdagingen en oplossingen

Multipath en reflecties

Ongewenste reflecties van testfaciliteiten, apparatuur en personeel kunnen metingen van de antenne besmetten. Deze reflecties veroorzaken multipathische interferentie die het gemeten stralingspatroon verstoort en fouten in de meetresultaten introduceert. Het identificeren en verzachten van reflecties is essentieel voor nauwkeurige metingen.

De tijd-domein-afstellingstechnieken kunnen reflecties onderdrukken in sommige meetscenario's. Door het omzetten van frequentie-domeinmetingen naar het tijddomein kan het directe signaal worden gescheiden van vertraagde reflecties. Een tijd-domeinpoort selecteert alleen het directe signaal, dat vervolgens wordt omgezet naar het frequentiedomein voor analyse. Deze techniek is bijzonder effectief voor metingen waarbij de directe en gereflecteerde signalen voldoende tijdscheiding hebben.

Een goede opname van de absorptie in de anecho-kamers minimaliseert reflecties van de kamerwanden. Kritische reflectiepunten, waar speculaire reflecties van de wanden de antenne zouden bereiken die onder de test zou worden uitgevoerd, zouden speciale aandacht moeten krijgen. Extra absorptie- of strategisch geplaatste bafels kunnen reflecties van deze kritieke gebieden verminderen.

Dynamische bereikbeperkingen

Het meten van antennezijlobben en kruispolarisatie vereist een hoog dynamisch bereik om laag-niveau signalen te detecteren in aanwezigheid van de veel sterkere hoofdbundel. Het dynamische bereik van het meetsysteem wordt beperkt door geluidsvloer, ontvanger lineariteit en lekkagesignalen.

Het verbeteren van de signaal-ruisverhouding door middel van gemiddelde, smallere bandbreedtes van de ontvanger of hoger zendvermogen breidt het bruikbare dynamische bereik uit. Echter, overmatige transmissievermogen kan leiden tot compressie of schade van de ontvanger, zodat het vermogensniveau zorgvuldig moet worden gecontroleerd.

De leksignalen van een onvolmaakte afscherming of koppeling tussen de transmissie en de ontvangstpaden kunnen het dynamische bereik beperken. Zorgvuldig systeemontwerp, goede aarding en afscherming minimaliseren lekkage. Voor kritische metingen, het meten van het dynamische bereik van het systeem met de te testen antenne vervangen door een bijbehorende belasting identificeert de haalbare meetvloer.

Frequentie-afwijkende effecten

Antenne kenmerken variëren meestal met de frequentie, die metingen over de operationele bandbreedte. Frequentie-afhankelijke effecten omvatten veranderingen in de vorm van het patroon, impedantie matching, en polarisatie. Uitgebreide antenne karakterisatie vereist metingen op meerdere frequenties die de werkingsband.

De eigenschappen van de testfaciliteit variëren ook met de frequentie. De prestaties van de anecho-kamerdemper, de compacte omgevingskwaliteit en de reflectiepatronen van de buitenrand zijn afhankelijk van de frequentie.

Breedbandantennes die over grote frequentiebanden werken, bieden bijzondere meetuitdagingen. De elektrische grootte van de antenne verandert aanzienlijk over de hele werkband, wat invloed heeft op de eisen aan afstand op afstand en de patroonkenmerken. De meetprocedures moeten rekening houden met deze variaties en tegelijkertijd een consistente nauwkeurigheid over het frequentiebereik handhaven.

Middelen en verder leren

Beroepsorganisaties en normalisatie-instellingen

Het Instituut voor Elektronica en Elektronica Engineers (IEEE) handhaaft verschillende normen met betrekking tot antennemetingen en biedt forums voor het delen van meettechnieken en best practices. IEEE Antennas and Propagation Society organiseert conferenties, publiceert tijdschriften en biedt educatieve middelen voor antenne-ingenieurs.

De Internationale Elektrotechnische Commissie (IEC) ontwikkelt internationale normen voor antennemetingen en -tests. IEC-normen harmoniseren vaak met IEEE-normen en voorzien in wereldwijd erkende meetprocedures.

Nationale metrologie-instituten zoals het National Institute of Standards and Technology (NIST) in de Verenigde Staten bieden primaire kalibratienormen en meettraceerbaarheid voor antennemetingen. Deze instituten doen onderzoek naar meettechnieken en handhaven de fundamentele normen die antennekalibratieketens ondersteunen.

Opleiding en certificering

De cursussen zijn gericht op de meetkunde, de praktische technieken en de praktische ervaring met meetapparatuur en -faciliteiten.

Certificatieprogramma's voor antennetesttechnici en ingenieurs leveren erkende referenties die de bekwaamheid aantonen in antennemetingen. Deze programma's vereisen meestal het slagen van examens en het aantonen van praktische meetvaardigheden.

Veel fabrikanten van apparatuur bieden training op hun specifieke meetsystemen en software. Deze training helpt gebruikers de mogelijkheden van hun meetapparatuur te maximaliseren en gemeenschappelijke valkuilen te voorkomen.

Online bronnen en hulpmiddelen

Tal van online bronnen bieden informatie over antennemetingen, waaronder technische artikelen, toepassingsnotities, webinars en video tutorials. De websites van fabrikanten van apparatuur bevatten vaak uitgebreide toepassingsbibliotheken met meetvoorbeelden en begeleiding.

Software tools voor antenne meting data analyse, patroon plotting, en onzekerheid berekening zijn beschikbaar van commerciële leveranciers en als open-source projecten. Deze tools stroomlijnen gegevensverwerking en helpen visualiseren meetresultaten.

Online rekenmachines voor vervelde afstand, beamwidth estimation en gain-directivity relaties bieden snelle referentie tools voor antenne ingenieurs. Hoewel deze rekenmachines bij benadering resultaten leveren, zijn ze nuttig voor het plannen van metingen en het controleren van berekeningen.

Voor meer informatie over antennetests en RF-metingen, bezoek de IEEE website of verken de bronnen van NIST. Aanvullende technische richtsnoeren zijn te vinden via IEC-normen[] en professionele antennetestorganisaties.

Conclusie

Het evalueren van de winst en de directiviteit van de antenne door middel van de juiste meettechnieken is van fundamenteel belang voor de ontwikkeling van draadloze systemen met hoge prestaties. Van het begrijpen van de theoretische grondslagen van directiviteit en het verkrijgen van geavanceerde meetprocedures in anecho-kamers en buitenbereiken, moeten antenne-ingenieurs een breed scala aan vaardigheden en kennis beheersen.

Industrienormen zoals IEEE 149 en IEEE 1720 bieden essentiële richtsnoeren voor het uitvoeren van nauwkeurige, herhaalbare metingen. Door deze normen zorgen we ervoor dat metingen traceerbaar zijn, vergelijkbaar zijn tussen verschillende faciliteiten en voldoen aan de eisen van regelgevende instanties en klanten.

De meetapparatuur en instrumenten die voor antennetests worden gebruikt, blijven evolueren, met moderne vectornetwerkanalysers, nabijveldscanners en geautomatiseerde positioneringssystemen die snellere en nauwkeurigere metingen mogelijk maken dan ooit tevoren. Begrijpen hoe deze apparatuur naar behoren kan worden kalibreerd, bediend en onderhouden is essentieel voor het verkrijgen van betrouwbare resultaten.

Aangezien draadloze technologie zich ontwikkelt in millimetergolffrequenties, massieve MIMO-systemen en herconfigureerbare antennes, moeten meettechnieken blijven evolueren. Opkomende methoden zoals over-the-air testen, computationele validatie en AI-ondersteunde metingen zullen traditionele technieken aanvullen om de uitdagingen van draadloze systemen van de volgende generatie aan te gaan.

Of u nu antennes voor 5G basisstations, satellietcommunicatie, auto-radar of IoT-apparaten ontwerpt, nauwkeurige winst- en directiviteitsmetingen bieden de basis voor het verifiëren van de prestaties en ervoor zorgen dat uw ontwerpen voldoen aan hun specificaties. Door de vastgestelde meetprocedures te volgen, met behulp van goed gekalibreerde apparatuur, en de bronnen van meetonzekerheid te begrijpen, kunnen antenne-ingenieurs de prestaties van de antenne met vertrouwen karakteriseren en systemen leveren die voldoen aan de eisen van moderne draadloze toepassingen.