Table of Contents

Понимание измерений ближнего поля при тестировании антенн

Измерения антенн ближнего поля захватывают данные электромагнитного поля в непосредственной близости от тестируемой антенны (AUT), как правило, на расстоянии нескольких длин волн. В отличие от испытаний в дальнем поле, которые требуют больших анехических камер или наружных диапазонов для имитации условий плоской волны, методы ближнего поля позволяют компактные и контролируемые внутренние установки. Измеренное сложное поле (амплитуда и фаза) регистрируется на известной геометрической поверхности - плоской, цилиндрической или сферической - с использованием системы точного сканирования и зондной антенны. Эти сырые данные непосредственно не представляют характеристики излучения дальнего поля антенны или ее сетевые параметры. Благодаря строгим математическим преобразованиям и алгоритмам коррекции зонда инженеры могут вывести как картину излучения, так и параметры рассеяния антенны (S параметры) с высокой точностью.

Системы измерения ближнего поля незаменимы при тестировании больших фазированных массивов, рефлекторов антенн или современных устройств 5G и спутниковой связи, которые физически слишком велики или слишком направлены для дальних диапазонов поля. Путем перемещения зонда по выборочной сетке система записывает величину и фазу тангенциальных электрических или магнитных полей. Базовая теория, основанная на принципах электромагнитной эквивалентности, позволяет реконструировать поле в любом месте за пределами поверхности измерения - самое главное, в области дальнего поля. Современные системы достигают динамических диапазонов, превышающих 60 дБ, что делает их пригодными для характеристики низкобоковых и высокодоходных антенн, где небольшие ошибки в параметрах S могут значительно повлиять на производительность системы.

Сканирование ближнего поля также обеспечивает преимущество измерения антенны в контролируемой среде, уменьшая погодные зависимости и помехи от внешних источников. Эта повторяемая настройка имеет решающее значение для тестирования на уровне производства, где согласованность между блоками должна поддерживаться с минимальным отклонением. Возможность извлекать сетевые параметры непосредственно из полевых данных снижает зависимость от отдельных измерений векторного анализатора сети (VNA), оптимизируя поток испытаний и снижая затраты на приборостроение.

Почему S-параметры важны для характеристики антенны

Параметры S описывают линейное поведение устройства, как видно на его портах. Для тестирования антенн S11 представляет коэффициент отражения входа, который непосредственно относится к соответствию импеданса и обратной потере. S21 (или S12) характеризует передачу между двумя антеннами или между антенной и зондом, обеспечивая получение и сцепление информации. Извлечение этих параметров из данных ближнего поля устраняет необходимость в отдельных измерениях сетевого анализатора в некоторых установках, оптимизируя процесс тестирования и уменьшая накладные расходы приборов. Эта интеграция особенно ценна в производственных средах, где каждая минута испытательного времени учитывается.

При работе антенны в системе плохое значение S11 означает, что мощность отражается обратно в передатчик, снижая эффективность и риск повреждения. Точная экстракция параметров S на этапе прототипа помогает инженерам оптимизировать совпадающие сети, проверять пропускную способность и подтверждать, что взаимная связь с соседними элементами (в массивах) остается в пределах проектных ограничений. При тестировании в ближнем поле параметры S не измеряются непосредственно на антенных терминалах с VNA; они получены из преобразованных данных дальнего поля или из модальных коэффициентов, полученных во время преобразования ближнего поля в дальний. Этот косвенный подход требует тщательной калибровки и характеристики зонда, но он дает результаты, сопоставимые с прямыми измерениями дальнего поля или анализатора сети при соблюдении надлежащих процедур.

Матрица S-параметров для антенны тесно связана с ее характеристиками излучения. Например, общая излучаемая мощность, вычисленная из дальнего поля, должна равняться чистой мощности, поступающей в порт антенны, минус омические и диэлектрические потери. Объединив данные дальнего поля с калиброванными измерениями входной мощности, инженеры могут с уверенностью извлекать величину S11 и фазу. Аналогично, параметры S с несколькими портами выводятся путем последовательного возбуждения каждого порта и измерения реакции на все другие, используя зонд ближнего поля в качестве калиброванного приемника.

Подготовка к приобретению данных ближнего поля

Калибровка оборудования и настройка

Основой надежной экстракции S-параметров является тщательно откалиброванная измерительная система. Векторный сетевой анализатор (VNA) подключается как к AUT, так и к ближнеполевому зонду, захватывая величину и фазу передаваемых и отражённых сигналов. Полная двухпортовая калибровка, такая как SOLT (Short-Open-Load-Through) или TRL (Through-Reflect-Line), должна выполняться на кончике зонда и опорных плоскостях разъема AUT. Любой дрейф, движение кабеля или изменение температуры во время сканирования может вводить фазовые ошибки, которые рябит в конечные значения S-параметров. Стандартной практикой является выполнение калибровочной проверки в начале и конце каждой измерительной сессии для обеспечения стабильности.

Выравнивание робота сканирования и АУТ одинаково критично. Механические несоответствия заставляют зонд отклоняться от предполагаемой поверхности выборки, искажая измеренное распределение поля. Для отображения фактической геометрии сканирования используются лазерные трекеры или оптические системы выравнивания. Сама камера измерения должна быть свободна от чрезмерных отражений; размещение поглотителя и методы определения временной области могут дополнительно подавлять остаточные эхо. Для работы с параметром S высокой точности уровень отражения зоны покоя камеры должен быть по меньшей мере на 40 дБ ниже прямого сигнала. Выбор полосы отражения VNA средней частоты (IFBW) также влияет на шум измерения; меньший IFBW улучшает динамический диапазон за счет более длительного времени развертки. Балансировка этих параметров необходима для эффективного сбора данных.

Выбор проб и компенсация

Ближний зонд сам по себе является небольшой антенной с направленным рисунком. Его конечный размер и неидеальный отклик искажают измеренное поле. Коррекция зонда необходима для восстановления фактического поля AUT. Характеристики приема зонда характеризуются заранее, обычно с использованием известной эталонной антенны или путем выполнения нескольких измерений поляризации. Современные алгоритмы преобразования включают данные зондового рисунка для деконволюции зондового эффекта от исходных данных, что дает истинные тангенциальные компоненты поля на поверхности измерения. Для извлечения S-параметра зонд также должен быть охарактеризован для собственного входного импеданса и усиления для правильного вычисления коэффициентов передачи.

Выбор зонда зависит от диапазона частот, поляризации и типа сканирования. Открытые волноводные зонды предлагают четко определенные закономерности и являются общими для планарного сканирования. Для сферических измерений ближнего поля двойные поляризованные зонды ускоряют сбор данных. Высокополярные зонды улучшают соотношение сигнал-шум, но требуют более тщательной коррекции из-за их большей апертуры. Во всех случаях зонд должен оставаться стабильным и линейным по всему динамическому диапазону измерения. Образец зонда обычно измеряется в другом диапазоне или получен из электромагнитного моделирования. Кроме того, должна быть известна чистота поляризации зонда, чтобы избежать ошибок перекрестной поляризации, которые могут ухудшить точность S21 в двойных поляризованных приложениях.

Определение измерительной сетки

Пространственный интервал отбора проб на поверхности сканирования продиктован критерием Найквиста: максимальное волновое число излучаемого поля определяет требуемый интервал выборки. Для планарного сканирования антенны с максимальной дальнеполевой направленностью косинусной протяжённостью рекомендуемый интервал обычно имеет половину длины волны или менее на самой высокой интересующей частоте. Пересмотр обеспечивает избыточность, которая помогает в обнаружении и фильтрации ошибок. Площадь сканирования должна быть достаточно большой, чтобы улавливать значительную энергию поля; усечение плоскости измерения приводит к псевдонимизации и ошибкам в дальнем поле рисунка и S-параметров. Общее правило большого пальца — расширять плоскость сканирования до тех пор, пока амплитуда поля не упадет по меньшей мере на 30 дБ ниже пика.

Для цилиндрических и сферических сканирований угловой интервал выборки и приращения высоты следуют аналогичным правилам. Общее количество точек измерения может достигать сотен тысяч, что требует автоматического сбора данных и надежной обработки сигнала. Каждая дополнительная точка измерения увеличивает время получения, поэтому должен быть сделан компромисс между пространственным разрешением и общей продолжительностью испытания. Для извлечения параметров S плотность сетки напрямую влияет на точность интеграции излучаемой мощности, которая подается в вычисления S11. Область конечного сканирования также усекает исчезающие поля вблизи поверхности антенны; эти поля несут накопленную энергию, которая способствует входному импедансу. Если плоскость сканирования слишком близка к AUT, сохраненная энергия может быть недостаточно захвачена, что приводит к ошибкам S11. Расстояние 3-5 длин волн от AUT типично для планарного сканирования, хотя это зависит от размера антенны и частоты.

Фундаментальные основы трансформации от почти поля к дальнему полю

Планарное, цилиндрическое и сферическое сканирование

Метод преобразования зависит от геометрии сканирования. Планарные ближние измерения используют представление спектра плоских волн (PWS). Применяя двухмерное преобразование Фурье к измеренным компонентам тангенциального поля, получается угловой спектр плоских волн. Затем угловой спектр плоских волн вычисляется непосредственно из спектра для видимых (распространяющихся) направлений. Этот метод широко применяется для антенн с высокой частотой вращения, поскольку он естественным образом захватывает передний луч с минимальными вычислительными усилиями. Для вычислений S11 спектр плоских волн интегрирован по всем реальным углам для вычисления общей излучаемой мощности.

Цилиндрическое ближнее сканирование подходит для антенн с всенаправленными узорами в одной плоскости, таких как антенны базовых станций. Поле разлагается на цилиндрические волновые функции, а дальнее поле восстанавливается с помощью расширения режима и интеграции. Сферические ближние измерения представляют собой наиболее общий случай, предлагая полное извлечение 3-D-образца и S-параметра для любой антенны. Измеренные данные расширяются в сферических векторных волновых функциях, а сложные коэффициенты расширения становятся основой для вычислений дальних полей и S-параметров. Международные стандарты, такие как IEEE Рекомендуемая практика для измерений антенн ближнего поля, обеспечивают подробное руководство по этим преобразованиям (]IEEE 149-2021].

Каждая геометрия сканирования имеет последствия для бюджета ошибок извлечения S-параметра. Планарные сканирования являются быстрыми и вычислительно эффективными, но требуют большой площади сканирования для захвата широкоугольного излучения, что влияет на точность S21 с низким уровнем подъема. Цилиндрические сканирования хороши для антенн с фиксированным лучом на высоте, в то время как сферические сканирования обеспечивают наиболее полные данные, но требуют более длительного времени сбора и более сложных позиционеров. Выбор геометрии должен основываться на паттерне излучения AUT и требуемой точности параметров S.

Математические трансформации: методы Фурье и Мода

В основе планарного преобразования лежит Fast Fourier Transform (FFT). Измеренные тангенциальные компоненты электрического поля E и Ey, преобразованы Фурье для вычисления спектра плоской волны ,ky. Для каждого спектрального компонента рисунок дальнего поля пропорционален спектру, оцениваемому на волновых числах, соответствующих видимой области kxy20. Коррекция зонда применяется либо в

Цилиндрические и сферические преобразования используют расширение серии Фурье в угловых координатах и функции Ханкеля или сферического Ханкеля в радиальных направлениях. Полученные коэффициенты мод используются для вычисления передаваемой и отраженной мощности в порту, приводящем непосредственно к параметрам S. Математическая связь между коэффициентами режима и матрицей рассеяния антенны устанавливается путем обеспечения соблюдения граничных условий на поверхности измерения и антенных терминалах. На практике эти вычисления выполняются коммерческими программными пакетами, которые обрабатывают числовые детали, но понимание базовой математики имеет важное значение для интерпретации ошибок. Для сферического ближнего поля усечение индекса режима n max = k0a + 10, где a является радиусом минимальной сферы, заключающей AUT. Недостаточное количество режимов приводит к псевдонимизации шаблона и ошибкам

Методы коррекции зонда

Коррекция зонда может быть выполнена в спектральной области с использованием коэффициентов приема зонда. Для планарного сканирования измеренные данные делятся спектром приема плоской волны зонда, при условии, что известен шаблон зонда. Этот шаг чувствителен к шуму, поэтому могут применяться фильтры регуляризации, такие как фильтр Винера. Альтернативно, зонд может быть смоделирован как суммирование элементарных диполей, а неизвестные коэффициенты AUT решаются с использованием итеративного подхода наименьших квадратов. Точная коррекция зонда предотвращает систематические ошибки в величине и фазе параметров S, особенно для широкоугольных антенн излучения и эллиптической поляризации. Для измерений S21 коррекция зонда также должна учитывать несоответствие импеданса между зондом и приемником.

Современное программное обеспечение часто включает в себя встроенные процедуры коррекции зонда, которые принимают файл шаблона зонда в стандартных форматах. Крайне важно, чтобы данные шаблона зонда измерялись на тех же частотах и с теми же определениями поляризации, используемыми в сканировании AUT. Для многопортовых антенн коррекция зонда должна последовательно применяться к полевым данным от каждого возбуждения порта, гарантируя, что любая перекрестная поляризация связи в зонде равномерно деэмблирован.

Пошаговое извлечение S-параметров

Коэффициенты отражения вычислений (S11)

Коэффициент отражения S11 количественно определяет соответствие импеданса на входном порту антенны. После преобразования ближнего поля в дальний угол суммарная излучаемая мощность вычисляется путем интеграции рисунка дальнего поля по всей стереадной сфере 4π. Вводная мощность известна по амплитуде падающей волны на плоскости отсчета. Значение S11 выводится из баланса мощности: P излучаемый = (1 - |S11 |]2 случайность , предполагая, что потери антенны незначительны или отдельно охарактеризованы. Фаза S11 получается из сложных данных отражения ввода, измеренных при калибровке. Многие современные программные пакеты непосредственно выводят S11 как часть модального разложения, давая как величину, так и фазу. При измерении на стандартном роге VNA прямое измерение может подтвердить преобразование S11 в пределах 0,1 дБ.

Для антенн с потерями излучаемая мощность меньше (1 - |S11 |]2 случайности из-за омических потерь в проводнике и диэлектрике. Эти потери могут быть оценены по эффективности антенны, которая сама может быть получена из сравнения коэффициента усиления ближнего поля или из отдельных калориметрических измерений. Если потеря значительна (больше 0,5 дБ), уравнение баланса мощности должно быть исправлено, чтобы избежать ошибок S11. Альтернативно, можно использовать комплексный коэффициент отражения, полученный непосредственно из VNA во время сбора данных, ссылаясь на порт AUT. Это прямое измерение часто более точно для S11, чем производное значение, но производное ближнего поля S11 обеспечивает проверку согласованности всей цепи измерений.

Коэффициенты передачи (S21, S12)

Параметры передачи S между двумя портами — например, между двумя антенными элементами в массиве или между опорной антенной и AUT — могут быть извлечены путем сравнения усиления дальнего поля с известным усилением стандартного рога. В системе ближнего поля сам зонд может служить вторым портом, если калиброван. Помещая зонд на известное расстояние и измеряя коэффициент передачи в качестве функции положения, коэффициент передачи дальнего поля деэмблирован. Окончательный S21 вычисляется путем соотнесения принятой амплитуды волны на выходном порту зонда с падающей волной на входе AUT, включающей все потери пути и усиления зонда. Полные матрицы S-параметров для многопортовых антенн построены путем повторения измерения для каждого возбуждения порта с использованием переключающей матрицы и коррекции для разностей фаз кабеля.

При многопортовой экстракции подход изолированного элемента шаблона предполагает, что наличие зонда не нарушает возбуждение портов AUT. Это предположение сохраняется, когда взаимная связь между зондом и AUT низкая, что обычно имеет место для открытых волноводных зондов с низкой апертурой. Для зондов с более высоким коэффициентом усиления множественные отражения могут вводить ошибки связи; агрегирование по временной области может помочь изолировать прямой путь передачи. Извлеченный S21 для элемента массива может быть подтвержден путем сравнения кумулятивной связи со всеми элементами с удалённым рисунком полного массива, метод, известный как характеристика активного импеданса.

Последующее производство и проверка

После преобразования должны быть проверены извлеченные S-параметры. Одна общая проверка заключается в сравнении S11, измеренного непосредственно с VNA, на одной и той же установке (разрывом соединения сканирования) со значением, полученным методом ближнего поля. Соглашение в пределах 0,2 дБ и 2 степени фазы указывает на твердую калибровку. Узор дальнего поля также может быть сопоставлен с результатами компактного диапазона или безэховой камеры. Сглаживание данных или оконное сглаживание может применяться для уменьшения усечения ряби без искажения истинного отклика S-параметра. Для многопортовых измерений симметрия S-параметрической матрицы (S]ij = Sji для взаимных пассивных антенн обеспечивает дополнительную проверку валидации.

Валидация должна также включать оценку повторяемости измерений. Проведение одного и того же сканирования несколько раз и анализ стандартного отклонения извлеченного S11 по полосе частот дает доверительные интервалы. Типичное приемлемое стандартное отклонение повторяемости составляет 0,05 дБ по величине и 0,5 градуса по фазе для частот ниже 40 ГГц. Для более высоких частот миллиметрового диапазона более жесткие механические допуски и термостабильность становятся более критичными, а повторяемость может ухудшаться. Документация всех калибровочных факторов, файлов зондов и настроек преобразования необходима для прослеживаемости и для воспроизведения результатов спустя месяцы.

Программные инструменты и ресурсы

Несколько коммерческих и открытых пакетов включают надежные алгоритмы ближнего и дальнего поля со встроенной коррекцией зонда и постобработкой параметра S:

  • CST Studio Suite (Dassault Systèmes) — предлагает комплексный модуль импорта ближнего поля и сопряженную со-симуляцию EM-схемы для извлечения параметров S.
  • ANSYS HFSS — широко используется для проектирования антенн, включает в себя обработку данных ближнего поля и вычисления S-параметров с возможностями HFSS-IE и гибридного решателя ANSYS HFSS.
  • Altair FEKO — Excels в крупномасштабном размещении антенн и анализе ближнего поля; его модуль POSTFEKO обрабатывает преобразование и модальное разложение.
  • NSI-MI Technologies — Предоставляет специализированное программное обеспечение для измерения ближнего поля, такое как NSI2000, которое управляет сканерами и выполняет преобразование в реальном времени с интегрированным извлечением параметров S.
  • MATLAB Antenna Toolbox — Пользовательские скрипты могут быть написаны для планарных, цилиндрических и сферических преобразований с использованием встроенных библиотек Фурье и специальных функцийMATLAB Field Transformations.
  • Scikit-rf — библиотека Python с открытым исходным кодом для радиочастотной/микроволновой инженерии; полезна для манипулирования и сравнения S-параметрических файлов после экспорта данных.
  • EMCoS Antenna VNA — специализированный программный инструмент для обработки данных измерений ближнего поля и полного генерирования матриц S-параметровEMCoS Antenna VNA.

При выборе инструмента учитывайте геометрию сканирования, сложность модели зонда и требуемый уровень автоматизации. Многие тестовые диапазоны разрабатывают проприетарное программное обеспечение, которое интегрируется непосредственно с их контроллерами VNA и позиционера, обеспечивая бесшовный рабочий процесс от исходных данных до конечных параметров S. Опции с открытым исходным кодом, такие как Scikit-rf, ценны для индивидуальной постобработки, но требуют больше усилий по программированию для ядра трансформации.

Лучшие практики для точного извлечения S-параметра

Внедрение следующих руководящих принципов последовательно снижает неопределенность измерений и улучшает повторяемость:

  • Калибровка VNA на зонде и разъемах AUT. Используйте механический калибровочный комплект с известными стандартами и проверяйте с помощью проверочного устройства. Изменение температуры во время длительных сканирований требует периодической перекалибровки. Электронные калибровочные установки могут автоматизировать этот процесс, но могут вводить дрейф во времени. Рассмотрите возможность выполнения калибровки каждый час для сканирования продолжительностью более 30 минут.
  • Основно охарактеризуйте образец зонда.] Одного файла зонда может быть недостаточно для широких полос пропускания. Используйте интерполяцию или несколько калибровочных файлов для разных частотных диапазонов. Импеданс порта зонда также должен быть известен для точного извлечения S21. Кроме того, измеряйте поляризованное осевое отношение зонда и угол ориентации относительно системы координат сканирования.
  • Проверить пределы усечения области сканирования. Измерить амплитуду ближнего поля AUT и обеспечить, чтобы плоскость сканирования простиралась по меньшей мере на 15 дБ ниже пика. Применять конические окна только в случае необходимости и учитывать их влияние на значения параметров S. Для антенн с высокой долей усиления может потребоваться большая площадь сканирования для захвата реактивно хранимой энергии. Используйте консервативный край сканирования по меньшей мере на 3 полуволны за контуром -30 дБ.
  • Поддерживайте точное механическое выравнивание.] Ошибки в расположении, такие малые, как 0,01λ, могут создавать значительные фазовые ошибки. Регулярно проверяйте повторяемость робота с помощью лазерного интерферометра. Для сферических сканирований центр вращения должен совпадать с фазовым центром AUT до 0,02λ для точной фазы S-параметра.
  • Приобретайте данные с высоким динамическим диапазоном. Среднее количество образцов и используйте усилитель с низким уровнем шума вблизи зонда для улучшения отношения сигнал-шум, что жизненно важно для слабых областей поля, которые влияют на боковые панели дальнего поля и, следовательно, точность S11. Для большинства приложений рекомендуется динамический диапазон 60 дБ или более. Для массивов с глубокими нулями в рисунке может потребоваться 70 дБ.
  • Применять коррекцию зонда симметрично. Для планарных измерений с использованием симметричных сеток сканирования (например, нечетное число точек) избегает тонкого смещения спектра. Тот же принцип применяется к угловому выборочному сканированию в цилиндрическом и сферическом сканировании. Также убедитесь, что алгоритм коррекции зонда учитывает ориентацию зонда во время сканирования (например, поворот по оси y для сферического сканирования).
  • Сравните с эталонной антенной.] Проверьте всю цепь на стандартный рог или диполь, параметры S и коэффициент усиления которого известны из калиброванной лаборатории. Этот шаг улавливает систематические ошибки в калибровке, коррекции зонда или преобразовании. Выполните эту проверку на нескольких частотах в интересующей полосе.
  • Документация всех параметров измерений. Запись геометрии сканирования, размеров ступеней, типа зонда, дат калибровки, условий окружающей среды (температура и влажность) и версии программного обеспечения. Эта документация поддерживает анализ первопричин, если отклонения появляются позже в симуляции на системном уровне.

Общие проблемы и как их преодолеть

Probe-AUT Multiple Reflections.] В некоторых установках сигналы отскакивают между зондом и AUT, вызывая рябь в данных ближнего поля. Временные рифлы в VNA или использование поглощающих материалов вокруг зонда могут смягчить это. В постобработке фильтрация в пространственной частотной области может уменьшить эффект, хотя следует соблюдать осторожность, чтобы не устранить законную тонкую структуру. Использование слегка смещенной траектории зонда может помочь идентифицировать и удалить эти артефакты. Для массивов эти отражения могут также соединяться в соседние порты, повреждая измерения S21.

Усечение и устранение ошибок.] Недостаточный размер сканирования усекает спектр плоских волн, вводя звон в дальнем поле и ошибки S11. Решение состоит в том, чтобы заранее смоделировать AUT для оценки его реактивной протяженности поля и соответственно увеличить площадь сканирования. Если существуют физические ограничения, алгоритмы экстраполяции могут расширить данные, но они должны быть проверены на основе известных результатов. Пересборка выборки в пространственной области также помогает смягчить псевдоним. Для электронно больших антенн правило большого пальца состоит в том, чтобы сделать плоскость сканирования по меньшей мере в 2,5 раза диагональной размерностью антенны.

Пробные ошибки позиционирования. Тепловой дрейф, обратная реакция и гравитационное провисание ухудшают геометрию сканирования. Регулярное лазерное выравнивание и коррекция положения замкнутого цикла могут уменьшить такие ошибки до уровня ниже λ/100. Пост-процессорная коррекция с использованием известных фидуциальных точек на AUT помогает, если система позиционирования не может соответствовать требуемым допускам. В сферических сканированиях несбалансированная ось вращения вводит фазовые смещения, которые непосредственно влияют на значения фаз S-параметра. Выполняйте периодическую характеристику позиционера с использованием калиброванной эталонной антенны с известной симметрией рисунка.

Многопортовые и массивные измерения.] Для массивов со многими портами переключение между портами сопряжено с проблемами повторяемости. Автоматизированные матрицы переключения и полная калибровка на каждом пути порта необходимы. Время вычислений для многопортового преобразования может быть высоким, поэтому рекомендуются эффективные алгоритмы и параллельная обработка. Взаимная связь между элементами массива может влиять на измеренные параметры S; сетка сканирования и коррекция зонда должны учитывать шаблоны элементов индивидуально. В фазированных массивах активный S-параметр (S11 под всеми возбужденными портами) отличается от пассивного S11 каждого элемента из-за взаимной связи. Вытяжка ближнего поля может обеспечивать активные S-параметры, если все порты возбуждены одновременно с использованием сети с несколькими лучами, но это требует более сложной настройки и калибровки.

Частота и ограничения полосы пропускания.] Измерения ближнего поля обычно выполняются на единичных частотах или на дискретных шагах. Для широкополосных антенн параметры сканирования и коррекция зонда должны быть действительны на всей полосе пропускания. Выполнение отдельных сканирований на нескольких частотных точках и интерполяция параметров S может быть неэффективным. Альтернативно, методы домена времени могут извлекать широкополосные параметры S из одного импульсного измерения, но этот подход менее зрел для приложений ближнего поля. В настоящее время большинство систем полагаются на ступенчатые частотные развертки с VNA, которые могут занимать много времени для сотен частотных точек. Использование параллельного многоканального приемника может ускорить процесс.

Приложения и примеры из реального мира

Возможность извлечения параметров S из одного ближнего поля сканирования особенно ценна при разработке массивов MIMO 5G. Каждый из 64 или 128 антенных элементов должен быть охарактеризован как для радиационного рисунка, так и для взаимной связи (Sxy). Ближнее сканирование полностью собранного массива в контролируемых условиях ускоряет проверку конструкции и снижает дорогостоящие испытания дальнего поля. В спутниковой связи, где отражатели могут быть десятков метров в диаметре, методы ближнего поля внутри камеры среднего размера позволяют полностью извлекать матрицу S-параметра, которая подается в анализ бюджета канала. Автоматические радиолокационные антенны, работающие на 77 ГГц, выигрывают от этого подхода, потому что интеграция на кристалле делает прямое зондирование трудным; ближнее сканирование в сочетании с характеристикой над уровнем воздуха дает точные данные импеданса и связи. Даже в биомедицинской конструкции антенны, где антенны малы и работают близко к телу человека, измерения ближнего поля в тканево-симулирующих жидкостях позволяют экстракцию S11, которая учитывает потерю

В каждом случае извлеченные S-параметры экспортируются в виде файлов Touchstone и используются в системном моделировании, напрямую связывающем физические измерения с инструментами моделирования схем и массивов. Например, матрица S-параметра массива базовой станции 5G может быть импортирована в системный симулятор для прогнозирования производительности формирования луча и нагрузки усилителя мощности. Аэрокосмические и оборонные приложения также используют извлечение параметров ближнего поля S для калибровки с фазированной решеткой и для проверки коэффициентов взаимной связи, которые имеют решающее значение для алгоритмов формирования цифрового луча. Тенденция к интегрированным активным антенным системам (AAS) со встроенными усилителями и фильтрами дополнительно мотивирует необходимость комбинированной характеристики шаблона и S-параметра в одной тестовой сессии.

Заключение

Извлечение параметров S из измерений антенн ближнего поля превращает традиционный тест на радиационный шаблон в полную оценку производительности RF. Объединив точное позиционирование, тщательную калибровку VNA, коррекцию зонда и надежные алгоритмы преобразования, инженеры могут получить матрицы S11, S21 и полные многопортовые S-параметры без отдельного измерения сетевого анализа. Эта интегрированная методология сокращает время испытаний, сокращает затраты на установку и обеспечивает более глубокое понимание поведения антенн. Придерживаясь передовой практики в геометрии сканирования, выравнивании и валидации обеспечивает соответствие результатов или превосходство точности прямых измерений дальнего поля. По мере того, как антенные системы становятся все более сложными и интегрированными, роль извлечения параметров ближнего поля S будет только расширяться, стимулируя инновации в области беспроводной связи, радара и спутниковой технологии. Переход к тестированию интегрированных устройств по воздуху (OTA) усиливает важность этой техники, позволяя точную характеристику активных антенн в той же камере, используемой для пассивной оценки производительности. С постоянными достижениями в вычислительной эффективности и технологии зонда,