Как выполнить измерения антенного шаблона с помощью анехических камер и полевых испытаний

Измерение радиационного рисунка антенны имеет важное значение для понимания ее характеристик, проверки спецификаций конструкции и обеспечения соответствия нормативным требованиям. Независимо от того, для небольшой антенны-патча на потребительском устройстве или большом спутниковом отражателе, радиационный рисунок показывает, как электромагнитная энергия распределяется в пространстве. В поле доминируют две первичные методологии: измерения в безэховой камере, которые обеспечивают контролируемую, свободную подобную среде, и полевые испытания, которые захватывают реальные условия эксплуатации. Каждый подход имеет уникальные сильные стороны и ограничения, и выбор между ними зависит от таких факторов, как требования к точности, размер антенны, диапазон частот, бюджет и потребность в экологическом реализме. Эта статья обеспечивает авторитетный, углубленный взгляд на обе технологии, охватывающие фундаментальные концепции, пошаговые процедуры, соображения оборудования и продвинутые темы, позволяющие инженерам и техникам выбирать и выполнять наиболее подходящий метод для своих задач измерения антенны.

Основы радиационных паттернов антенны

Перед погружением в методы измерения необходимо твердое понимание основ радиационного рисунка. Антенно-лучевой рисунок представляет собой графическое представление относительной мощности, излучаемой или принимаемой в качестве функции направления в пространстве. Как правило, нанесены на график в полярных или прямоугольных координатах, узоры измеряются в двух основных разрезах: плоскости азимута (горизонтальной) и плоскости возвышения (вертикальной). Ключевые параметры, полученные из рисунка, включают:

Gain — отношение мощности, излучаемой в заданном направлении, к мощности изотропного радиатора, часто выраженной в dBi.
Директивность — мера способности фокусировки, не зависящая от потерь.
Пучок шириной — угловая ширина в точках полумощности (-3 дБ), обычно задаваемая как для основного луча, так и для боковых лучей.
Уровень сиденоба — относительная мощность самой высокой боковой панели по сравнению с основным лучом, критическая в управлении помехами.
Отношение «спереди к спине» — отношение мощности, излучаемой вперед и назад, важно для направленной антенны.
Кроссполяризация — способность отвергать ортогональную поляризацию, жизненно важную в двухполяризованных системах.

Точное измерение этих параметров требует тщательного контроля испытательной среды. Антенна, подвергающаяся испытанию (AUT), должна быть размещена в области дальнего поля исходной антенны, где излучаемая волна приближается к плоской волне. Расстояние дальнего поля определяется как R ≥ 2D2/λ , где D является наибольшим измерением AUT и λ является длиной волны. Нарушение этого условия приводит к амплитуде и фазовым ошибкам, которые искажают измеренный рисунок. Обе безэховые камеры и полигонные испытательные площадки предназначены для удовлетворения критериев дальнего поля, хотя они делают это по-разному.

Анехические измерения камеры в глубине

Анехическая камера представляет собой помещение, облицованное радиочастотным поглощающим материалом (ОЗУ), чтобы минимизировать отражения от стен, потолка и пола. Внутреннее пространство имитирует условия свободного пространства, позволяя повторяемые высокоточные измерения рисунка без внешних помех. Камеры бывают нескольких конфигураций:

Полностью безэховые камеры (FAC)

FAC полностью выложены ОЗУ. Они являются золотым стандартом для измерений антенн, особенно для антенн с низким коэффициентом усиления и тестирования чистоты поляризации. Тихая зона - объем, где отражения незначительны - должна охватывать AUT. Такие камеры используются для частот от VHF до миллиметровых диапазонов волн.

Полуанихогенные камеры (SAC)

SAC имеют проводящий пол для имитации наземной плоскости, что характерно для испытаний EMC, но менее идеально подходит для моделей антенн свободного пространства. Для работы антенны SAC может использоваться, если отраженный от земли путь контролируется с помощью датчика временной области или специализированной обработки поглотителя.

Компактные камеры диапазона

Для больших антенн компактный диапазон использует отражатель для преобразования сферической волны из рога подачи в плоскую волну на небольшом расстоянии. Это позволяет проводить измерения дальнего поля в камере, намного меньшей, чем традиционное расстояние дальнего поля. Компактные диапазоны широко используются для спутниковых антенн и фазированных массивов.

Оборудование и установка камерных измерений

Типичная камерная система измерения включает:

Позиционер — моторизованная поворотная или роботизированная рука, которая вращает AUT через азимут и углы возвышения.
RF источник и приемник — векторный сетевой анализатор (VNA) или анализатор спектра с генератором отслеживания.
Справочная антенна — калиброванный стандартный рог усиления для абсолютных измерений усиления.
Компьютер сбора данных — программное обеспечение, которое управляет позиционером, захватывает S-параметры и вычисляет шаблон.

Процедура калибровки

Перед измерением критически важна калибровка системы. Типичная однопортовая калибровка в порту VNA устраняет потери кабеля и фазовые смещения. Для измерения усиления эталонная антенна заменяется AUT и для получения абсолютного усиления AUT используется известный коэффициент усиления с использованием метода замены. Калибровка также устанавливает эталонный уровень для относительных измерений рисунка.

Шаги измерения

Нажмите AUT на позиционер в тихой зоне камеры, ориентированной на желаемую поляризацию.
Подключите AUT к порту 1 VNA (передачи) и установите антенну (зонд) фиксированного приема в порту 2 или наоборот для взаимного измерения.
Установите частоту, настройки разметки и пропускную способность IF для адекватного динамического диапазона.
Выполняйте калибровку (через, отражение, изоляцию и измерение эталонной антенны, если это необходимо).
Выполните разрез рисунка: поверните AUT в азимуте (0° до 360°) при регистрации коэффициента передачи (S21) под каждым углом. Повторите для нескольких углов возвышения для 3D-образца.
Применяйте измерения поляризации, вращая AUT или зонд для захвата сополярных и кросс-полярных компонентов.
Данные пост-процесса: нормализуйтесь до максимума, применяйте ссылки на прирост и экспортируйте в инструменты построения графиков.

Преимущества и ограничения камерных измерений

Преимущества:

Контролируемая, повторяемая среда, свободная от погоды, помех и многолучевых.
Высокий динамический диапазон (часто >60 дБ), позволяющий измерять низкие боковые панели.
Работа в помещении позволяет проводить круглогодичные испытания.
Способность точно измерять поляризацию и фазу.

Ограничения:

Стоимость и площадь: большие камеры для антенн с высокой долей мощности стоят дорого.
Производительность абсорбента ухудшается на очень низких частотах (ниже 100 МГц) из-за пределов толщины.
Не может воспроизвести реальные эффекты, такие как наземные отражения или взаимодействия с установочной платформой.
Для очень больших антенн (например, радиолокационных решёток с сотнями длин волн) даже компактные диапазоны становятся непрактичными.

Подробнее о конструкции камеры см. в примечании к применению Keysight по измерениям антенны .

Методы полевых испытаний

Полевые испытания измеряют характер излучения в реальной рабочей среде. Они необходимы для больших антенн, которые не могут быть перемещены (например, башни базовых станций, спутниковые антенны, параболические отражатели), и для проверки производительности после установки. Полевые испытания также фиксируют взаимодействия с близлежащими структурами и наземными эффектами.

Типы испытательных полигонов

Тестовый полигон Open Area (OATS)

ОАТС представляет собой плоскую открытую площадку с контролируемыми свойствами грунта. Для обеспечения стабильного отражения часто используется проводящая наземная плоскость (например, металлическая сетка). АУТ устанавливается на мачте, а испытательный источник размещается на расстоянии, удовлетворяющем условиям дальнего поля. Источник испытания может быть поднят на разные высоты для измерения разрезов высот. ОАТС является общим для измерений антенн EMC и сотовой базовой станции.

Повышенный диапазон

И АУТ, и испытательный источник размещаются на башнях или крышах для минимизации наземных воздействий. Линия прямой видимости проходит над промежуточными препятствиями. Этот метод характерен для антенн микроволновых линий связи и радиолокационных систем. Измерение шаблона часто выполняется при вращении АУТ, в то время как удаленный источник передает непрерывный волновой сигнал.

Измерение на основе дронов

Для больших антенн, таких как радары с фазированной антенной решеткой или спутниковые антенны, дроны, несущие радиочастотный зонд или небольшой передатчик, могут летать через область дальнего поля антенны. Положение дрона отслеживается через GPS или оптическую систему, и полученный сигнал коррелирует с положением для отображения рисунка. Этот метод приобрел популярность для тестирования на месте больших установленных антенн. См. руководство Национальной физической лаборатории по измерениям дронов для практических советов.

Шаги измерения полевых испытаний

Выбор и подготовка площадки: Выберите место с минимальными препятствиями, многолучевыми и радиопомехами. Измерьте расстояние от AUT до источника испытания и обеспечьте условия дальнего поля. Для управления отражением земли используйте четкую линию обзора и необязательно установите экран земли.
Настройка оборудования: Поместите передающую антенну в фиксированное место (часто на небольшой башне). Подключите ее к генератору сигналов. AUT остается на месте. Подключите AUT к анализатору спектра или приемнику через кабель с низким уровнем потерь. Для измерения коэффициента усиления сначала измеряется эталонная антенна.
Калибровка: Выполняйте калибровку потерь пути с использованием известной эталонной антенны. Это учитывает потери кабеля и потери свободного пространства, что позволяет получить абсолютный выигрыш. Если использовать дрон, откалибровать радиочастотный зонд дрона в автономном режиме.
Получение данных шаблона: Вращение AUT в азимуте (или перемещение дрона вокруг него) при записи полученной мощности. Для моделей высоты наклоните AUT или переместите источник тестирования вертикально. Используйте регистратор данных, который измеряет угол времени и показания мощности.
Постобработка: Применять поправки к отражениям грунта (метод изображения), атмосферным потерям и эффектам движения кабеля. Вычтите ссылку, чтобы получить абсолютный прирост. Зафиксируйте рисунок и вычтите ключевые параметры.

Проблемы и смягчения

Мультипат: Отражение от зданий, деревьев или земли может повредить рисунок. Митигат с помощью галочки временной области (если используется VNA) или узкополосные сигналы CW с сильным доминированием линии зрения. Повышенные диапазоны уменьшают мультипат.
Погода: Дождь, туман и колебания температуры влияют на распространение сигнала и оборудование. Проведите испытания в стабильную погоду и защитите электронику.
Помехи: Помехи соканалов от других передатчиков можно избежать с помощью четкого частотного канала, полосовых фильтров и методов дифференциального измерения.
Наземное отражение не имеет значения: В ОАТС отражение от земли мешает прямому пути, вызывая рябь в рисунке. Использование техники сканирования высоты (изменение высоты AUT) может усреднить эти эффекты.

Для детального сравнения методов полевых испытаний обратитесь к статье IEEE Antennas and Propagation Magazine о наружных измерениях RCS и антеннах.

Сравнение камерных и полевых измерений

Выбор между камерой и полевым испытанием зависит от компромиссов, которые должны быть оценены в каждом проекте.

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

На практике наилучший подход часто сочетает в себе оба: использование камерных измерений для проверки конструкции и точной характеристики, затем выполнение полевых испытаний для окончательной приемки и проверки установки.Многие стандарты (например, IEEE, ETSI) требуют либо метода в зависимости от применения.

Передовые соображения

Ближайшая к дальней трансформации поля

Когда условия дальнего поля не могут быть выполнены в камере (например, для больших фазированных массивов), сканирование ближнего поля предлагает решение. Зонд измеряет амплитуду и фазу поля над плоскостью, цилиндром или сферой, близкой к AUT. Математическая трансформация (через оптику Фурье) вычисляет рисунок дальнего поля. Этот метод широко используется для спутниковых антенн и является предметом примечаний приложения Rohde & Schwarz по тестированию ближнего поля .

Time-Domain тестируется на местах

Использование VNA с возможностью временной области позволяет отделить прямой сигнал от отражений. Путем измерения времени отклика, измеренный шаблон может быть очищен от многолучевых артефактов. Этот метод значительно повышает точность на открытых испытательных полигонах.

Поэтапный массив и измерение антенн MIMO

Современные антенны с формированием луча требуют многократных измерений рисунка для различных состояний луча. Испытание в камере или поле необходимо. Передовые камеры с многозондовыми массивами могут одновременно захватывать 3D-образцы фазированных массивов, как описано в статьях Microsoft Journal о тестировании OTA .

Заключение

Измерение рисунка антенны является критической практикой в радиочастотной технике, требующей тщательного рассмотрения испытательной среды. Анехические камеры обеспечивают контролируемые, точные и повторяемые результаты, идеальные для характеристики конструкции, в то время как полевые испытания показывают реальное поведение установленных антенн. Каждый метод имеет свое место: камеры для разработки и сертификации, полевые испытания для ввода в эксплуатацию и устранения неполадок. Инженеры должны понимать компромиссы в стоимости, точности, размере и экологическом реализме. Объединив оба подхода, когда это возможно, и используя передовые методы, такие как сканирование ближнего поля и определение области времени, можно получить исчерпывающие данные о производительности антенны, которые обеспечивают оптимальную работу системы. Поскольку антенны продолжают развиваться с 5G, спутниковой связью и радаром, освоение этих методов измерения остается незаменимым навыком.