Hoe Antennepatroonmetingen uit te voeren met Anechoïsche kamers en veldtesten

Het meten van het stralingspatroon van een antenne is essentieel voor het begrijpen van de prestaties, het verifiëren van ontwerpspecificaties en het garanderen van de naleving van de regelgeving. Of het nu gaat om een kleine patchantenne op een consumentenapparaat of een grote satellietreflector, het stralingspatroon toont aan hoe elektromagnetische energie in de ruimte wordt gedistribueerd. Twee primaire methoden domineren het veld: anecho-kamermetingen, die een gecontroleerde, vrije ruimte-achtige omgeving en veldtests bieden, die de reële bedrijfsomstandigheden vastleggen. Elke aanpak heeft unieke sterktes en beperkingen, en de keuze tussen beide is afhankelijk van factoren zoals nauwkeurigheidseisen, antennegrootte, frequentiebereik, budget en de noodzaak van milieurealisme. Dit artikel biedt een gezaghebbende, diepgaande blik op beide technieken, die betrekking hebben op fundamentele concepten, stapsgewijze procedures, overwegingen van apparatuur en geavanceerde onderwerpen, waardoor ingenieurs en technici de meest geschikte methode voor hun antennemeettaken kunnen selecteren en uitvoeren.

Fundamentele elementen van Antenna Stralingspatronen

Voordat je in meetmethoden gaat duiken, is een solide greep van de fundamentele stralingspatronen nodig. Een antennestralingspatroon is een grafische weergave van het relatieve vermogen dat wordt uitgestraald of ontvangen als functie van richting in de ruimte. Gewoonlijk uitgezet in pool- of rechthoekige coördinaten, patronen worden gemeten in twee hoofddelen: het azimutvlak (horizontaal) en het hoogtevlak (verticaal). De belangrijkste parameters die zijn afgeleid van het patroon zijn:

• Gain
• Directiviteit ..Een maat voor het scherpstellen vermogen, onafhankelijk van verliezen.
• Blootbreedte
• Sidelobeniveau
• Front-to-back ratio
• Cross-polarisatie discriminatie . . Het vermogen om orthogonale polarisatie te verwerpen, essentieel in dual-polarized systemen.

Nauwkeurige meting van deze parameters vereist een zorgvuldige controle van de testomgeving. De te testen antenne (AUT) moet worden geplaatst in het verre veldgebied van de bronantenne, waar de uitgestraalde golf een vlakgolf benadert. De afstand tot het verre veld wordt gedefinieerd als R ≥ 2D2/λ, waar D de grootste afmeting van de AUT is en λ de golflengte. Het overtreden van deze voorwaarde leidt tot amplitude- en fasefouten die het gemeten patroon verstoren. Zowel de anecho-kamers als de testlocaties zijn ontworpen om te voldoen aan vervelde criteria, hoewel ze dat op verschillende manieren doen.

Anechoïsche kamermetingen in Diepte

Een anecho-kamer is een kamer bekleed met radio-frequent absorberend materiaal (RAM) om reflecties van muren, plafond en vloer te minimaliseren. Het interieur simuleert vrije ruimte omstandigheden, waardoor herhaalbare, hoge precisie patroon metingen zonder externe interferentie. Kamers komen in verschillende configuraties:

Volledig Anechoische kamers (FAC)

FAC's zijn volledig gevoerd met RAM. Ze zijn de gouden standaard voor antennemetingen, vooral voor lage-gain antennes en testen van de zuiverheid van de polarisatie. De rustige zone .Het volume waar reflecties verwaarloosbaar zijn . must omvatten de AUT. Dergelijke kamers worden gebruikt voor frequenties variërend van VHF tot millimeter-golf banden.

Semi-anchoïsche kamers (SAC)

SAC's hebben een geleidende vloer om een grondvlak te simuleren, gebruikelijk in EMC-tests, maar minder ideaal voor ruimteantennepatronen. Voor antennewerk kan een SAC worden gebruikt als het grondgereflecteerde pad wordt bediend via tijd-domeinafstelling of gespecialiseerde absorptiebehandeling.

Compacte bereikkamers

Voor grotere antennes gebruikt een compacte reeks een reflector om een sferische golf van een feedhoorn om te zetten in een vlakgolf binnen een korte afstand. Dit maakt metingen in een ruimte mogelijk die veel kleiner is dan de traditionele afstand ver weg. Compacte reeksen worden op grote schaal gebruikt voor satellietantennes en gefaseerde arrays.

Uitrusting en installatie voor kamermetingen

Een typisch kamermeetsysteem omvat:

• Positioner .. Een gemotoriseerde draaitafel of robotarm die de AUT draait door azimut- en hoogtehoeken.
• RF bron en ontvanger
• Referentieantenne
• Gegevensovername computer . . Software die de positioner bestuurt, S-parameters vangt en het patroon berekent.

Kalibratieprocedure

Vóór de meting is systeemkalibratie van cruciaal belang. Een typische één-poortskalibratie in de VNA-poort verwijdert kabelverliezen en fasecompensaties. Voor het meten van de winst wordt de referentieantenne vervangen door de AUT en de bekende winst wordt gebruikt om de absolute winst van de AUT af te leiden met behulp van de substitutiemethode. De kalibratie stelt ook het referentieniveau voor relatieve patroonmetingen vast.

Meetstappen

1. Monteer de AUT op de positioner in de kamer rustige zone, gericht op de gewenste polarisatie.
2. Sluit de AUT aan op de VNA poort 1 (doorzenden) en plaats een vaste ontvanger antenne (sonde) aan poort 2, of vice versa voor wederzijdse meting.
3. Stel frequentie, sweep instellingen in, en IF bandbreedte voor een voldoende dynamisch bereik.
4. Voer kalibratie uit (door, reflectie, isolatie en referentieantennemeting indien nodig).
5. Voer een patroonafsnede uit: draai de AUT in azimut (0° tot 360°) terwijl je de transmissiecoëfficiënt (S21) bij elke hoek registreert. Herhaal voor meerdere hoogtehoeken voor een 3D-patroon.
6. polarisatiemetingen toepassen door de AUT of sonde te draaien om co-polaire en cross-polaire componenten vast te leggen.
7. Post-proces gegevens: normaliseren tot maximaal, gain referentie toepassen, en exporteren naar plotting tools.

Voordelen en beperkingen van de kamermetingen

Voordelen:

• Gecontroleerde, herhaalbare omgeving zonder weer, interferentie en multipathische.
• Hoge dynamische range (vaak > 60 dB) voor het meten van lage zijlobben.
• Indoor-bewerking maakt het hele jaar door testen mogelijk.
• Vermogen om polarisatie en fase nauwkeurig te meten.

Miniaturen:

• Kosten en voetafdruk: grote kamers voor hoge gain antennes zijn duur.
• Absorbere prestaties degraderen bij zeer lage frequenties (minder dan 100 MHz) als gevolg van diktelimieten.
• Kan geen replica maken van echte effecten zoals grondreflecties of interactie tussen installatieplatforms.
• Voor extreem grote antennes (bijvoorbeeld radararrays met honderden golflengten over de hele lengte), worden zelfs compacte reeksen onpraktisch.

Voor meer over kamerontwerp, zie Keysight toepassingsnoot over antennemetingen.

Veldtesttechnieken

Veldtesten meten het stralingspatroon in de eigenlijke werkomgeving. Ze zijn onmisbaar voor grote antennes die niet kunnen worden verplaatst (bijvoorbeeld basisstationtorens, satellietschotels, parabolische reflectoren), en voor het verifiëren van prestaties na installatie. Veldtesten vangen ook interacties op met nabijgelegen structuren en grondeffecten.

Soorten veldtestbereiken

Testlocatie voor open gebieden (OATS)

Een OATS is een vlak, open gebied met gecontroleerde grondeigenschappen. Een geleidend grondvlak (bv. metalen gaas) wordt vaak gebruikt om een stabiele reflectie te geven. De AUT wordt op een mast gemonteerd en een testbron wordt op een afstand geplaatst die aan de vervelde conditie voldoet. De testbron kan worden verhoogd naar verschillende hoogten om hoogtes te meten. OATS is gebruikelijk voor metingen van de EMC- en cellulaire basisstationantenne.

Verhoogde reikwijdte

Zowel de AUT als de testbron worden op torens of daken geplaatst om de grondeffecten te minimaliseren. Het lijn-van-zicht pad is boven storende obstakels. Deze methode is typisch voor magnetron-link antennes en radarsystemen. De patroonmeting wordt vaak uitgevoerd door de AUT te draaien terwijl de verre bron een continu golfsignaal uitzendt.

Meting op basis van drone

Voor grote antennes zoals gefaseerde radars of satellietschotels kunnen drones die een RF-sonde of een kleine zender dragen door de antenne vliegen. De positie van de drone wordt gevolgd via GPS of een optisch systeem, en het ontvangen signaal is gekoppeld aan de positie om het patroon in kaart te brengen. Deze techniek is populair geworden voor het testen ter plaatse van grote geïnstalleerde antennes. Zie de Nationale Fysieke Laboratoriumgids over dronemetingen] voor praktisch advies.

Meetstappen voor veldtest

1. Siteselectie en voorbereiding: Kies een locatie met minimale obstakels, multipath en radiostoring. Meet de afstand van de AUT tot de testbron en zorg voor vervelde omstandigheden. Voor grondreflectiecontrole, gebruik een duidelijke lijn van het zicht en optioneel een grondscherm.
2. Apparatuur-opstelling: Plaats de zendantenne op een vaste locatie (vaak op een kleine toren). Verbind deze met een signaalgenerator. De AUT blijft op zijn plaats. Verbind de AUT met een spectrumanalysator of -ontvanger via een laagverlieskabel. Voor het meten van de winst wordt eerst een referentieantenne gemeten.
3. Kalibratie: Voer een kalibratie van het padverlies uit met een bekende referentieantenne. Dit zorgt voor kabelverlies en verlies in vrije ruimte, waardoor absolute winstafleiding mogelijk is. Als u een drone gebruikt, kalibreert u de RF-sonde off-line.
4. Pattern data acquisition: Draai de AUT in azimut (of verplaats de drone eromheen) terwijl u de ontvangen stroom opneemt. Voor hoogtepatronen, tilt u de AUT of verplaatst u de testbron verticaal. Gebruik een datalogger die de tijd-stempels hoek en macht metingen.
5. Postverwerking: Pas correcties toe voor grondreflecties (beeldmethode), atmosferische verlies en kabelbewegingseffecten. Trek de verwijzing af om absolute winst te verkrijgen. Plaats het patroon en haal de belangrijkste parameters uit.

Uitdagingen en mitigaties

• Multipath: Reflecties uit gebouwen, bomen of de grond kunnen het patroon beschadigen. Verminderen door het gebruik van tijd-domein gating (als gebruik van een VNA) of smalband CW signalen met sterke lijn-van-zicht dominantie. Verhoogde bereiken verminderen multipath.
• Weer: Regen, mist en temperatuurvariaties beïnvloeden signaalverbreiding en apparatuur. Voer tests uit bij stabiel weer en bescherm elektronica.
• Interferentie: Medekanaalinterferentie van andere zenders kan worden vermeden door gebruik te maken van een duidelijk frequentiekanaal, bandpassfilters en differentiële meetmethoden.
• Ground reflection nulls: In OATS verstoort de reflectie vanuit de grond het directe pad, waardoor rimpels in het patroon ontstaan. Met behulp van een hoogtescantechniek (met de hoogte van de AUT) kan het gemiddelde van deze effecten worden bereikt.

Voor een gedetailleerde vergelijking van veldtestmethoden, zie IEEE Antenna's en Propagation Magazine artikel over buiten RCS en antennemetingen .

Vergelijkende kamer en veldmetingen

De keuze tussen een kamer- en veldtest hangt af van de afwegingen die per project moeten worden beoordeeld.

Factor	Anechoic Chamber	Field Test
Accuracy and repeatability	Excellent (typical ±0.2 dB)	Moderate (±1 dB or more due to environment)
Cost	High (chamber construction and RAM)	Lower (requires range and travel)
Antenna size	Limited by chamber dimensions	No practical limit
Real-world effects	Not captured	Captured (interactions, ground, obstacles)
Speed	Fast (automated indoors)	Slower (manual setup, weather delays)
Low-frequency capability	Poor (absorber size)	Good (long wavelengths over open ground)
Security	Controlled, no emissions outside	Emissions may be intercepted

In de praktijk combineert de beste aanpak vaak beide: gebruik kamermetingen voor ontwerpvalidatie en nauwkeurige karakterisering, voer vervolgens veldtests uit voor de uiteindelijke acceptatie en installatiecontrole. Veel normen (bijv. IEEE, ETSI) vereisen een van beide methoden afhankelijk van de toepassing.

Geavanceerde overwegingen

Bijna-veld naar Ver-veld transformatie

Wanneer vervelde omstandigheden niet binnen een kamer kunnen worden vervuld (bv. voor grote gefaseerde arrays), biedt near-field scanning een oplossing. Een sonde meet de amplitude en fase van het veld over een vlak, cilinder of bol dicht bij de AUT. Mathematische transformatie (via Fourier optica) berekent het verveldpatroon. Deze methode wordt wijd gebruikt voor satellietantennes en is het onderwerp van Rohde & Schwarz toepassingsnotities over near-field testen.

Tijdsdomein Gating in veldtesten

Met behulp van een VNA met tijd-domein mogelijkheid maakt het mogelijk scheiding van het directe signaal van reflecties. Door het positioneren van de tijdrespons, kan het gemeten patroon worden gereinigd van multipathische artefacten. Deze techniek verbetert de nauwkeurigheid in open-gebied test sites.

Fase-Array en MIMO-Antennameting

Moderne antennes met bundelvorming vereisen meerdere patroonmetingen voor verschillende bundeltoestanden. Over-the-air (OTA) testen in een kamer of veld is essentieel. Geavanceerde kamers met meer-sonde arrays kunnen tegelijkertijd 3D patronen van gefaseerde arrays vastleggen, zoals beschreven in Microwave Journal artikelen over OTA testen.

Conclusie

Antennepatroonmeting is een kritische praktijk in RF engineering, waarbij zorgvuldig rekening wordt gehouden met de testomgeving. Elke methode heeft zijn plaats: kamers voor ontwikkeling en certificering, veldtests voor inbedrijfstelling en probleemoplossing. Ingenieurs moeten de afwegingen in kosten, nauwkeurigheid, grootte en omgeving realisme begrijpen. Door beide benaderingen te combineren wanneer haalbaar, en geavanceerde technieken zoals het scannen en tijd-domeinen te gebruiken, kan men uitgebreide gegevens verkrijgen over de prestaties van de antenne die een optimale werking van het systeem garandeert. Terwijl antennes blijven evolueren met 5G, satellietcommunicatie en radar, blijft het beheersen van deze meetmethoden een onmisbare vaardigheid.