Введение

Методы тестирования антенн

Методы измерения антенн подразумевают тестирование антенн для подтверждения соответствия спецификациям или для их характеристики. Типичными параметрами антенн являются коэффициент усиления, полоса пропускания, диаграмма направленности, ширина луча, поляризация и импеданс. Диаграмма направленности антенны – это реакция антенны на плоскую волну, приходящую с определенного направления, или относительная плотность мощности излучаемой антенной волны в заданном направлении. Для антенны с взаимностью эти две диаграммы идентичны. Разработано множество методов измерения диаграммы направленности. Первым разработанным методом стала дальняя зона, где испытываемая антенна (AUT) размещается в дальней зоне антенны-излучателя. Ввиду значительных размеров, необходимых для создания дальней зоны для больших антенн, были разработаны ближнепольные методы, позволяющие измерять поле на поверхности, близкой к антенне (обычно в 3-10 раз превышающей ее длину волны). Считается, что это измерение будет таким же в бесконечности. Третий распространенный метод – компактный полигон, который использует отражатель для создания поля вблизи AUT, приближенного к плоской волне.

Дальний диапазон полевого действия (FF)

Дальний диапазон поля был исходной и самой простой техникой измерения антенн, заключающейся в размещении антенны под испытанием (AUT) на значительном расстоянии от измерительной антенны. Обычно расстояние дальнего поля, или расстояние Фраунгофера, определяется как

где – наибольший диаметр антенны в любом направлении, а – длина волны радиоволны. Отделение AUT и стандартной приемной антенны на это расстояние уменьшает обнаруживаемые фазовые изменения на поверхности AUT до уровня, достаточного для получения достаточно точной оценки диаграммы направленности антенны на большом расстоянии. Стандарт IEEE по измерениям антенн (документ IEEE Std 149-1979) предлагает схемы для измерений и различные методы как для дальних диапазонов поля, так и для диапазонов отражения от земли (описаны ниже).

Плоская область ближнего поля

Плоскостные измерения ближнего поля проводятся путем сканирования небольшой зондовой антенны над плоской поверхностью. Затем эти измерения преобразуются в дальнее поле с использованием преобразования Фурье, или, точнее, путем применения метода стационарной фазы к преобразованию Лапласа. В измерениях ближнего поля существует три основных типа плоскостных сканирований.

Прямоугольное плановое сканирование

Зонд перемещается в декартовой системе координат, и его линейное движение формирует регулярную прямоугольную сетку дискретизации с максимальным шагом дискретизации в ближнем поле Δx = Δy = λ / 2.

Полярный планарный сканирование

Более сложным решением, чем прямоугольный метод сканирования, является метод плоского полярного сканирования.

Биполярное планарное сканирование

Биполярная техника очень похожа на конфигурацию с плоской полярностью.

Цилиндрический диапазон ближнего поля

Цилиндрические поля ближней зоны измеряют электрическое поле на цилиндрической поверхности вблизи исследуемого устройства (AUT). Цилиндрические гармоники используются для преобразования этих измерений в дальнюю зону.

Сферический диапазон ближнего поля

Сферические поля ближнего действия измеряют электрическое поле на сферической поверхности вблизи исследуемого устройства (ИУ). Сферические гармоники используются для преобразования этих измерений в дальнее поле.

Компактный диапазон

Компактный антенный испытательный полигон (CATR) – это сооружение, используемое для удобного тестирования антенных систем на частотах, при которых обеспечение расстояния до дальней зоны для испытываемого устройства (AUT) традиционными методами в свободном пространстве было бы нецелесообразно. Он был изобретен Ричардом К. Джонсоном в Исследовательском институте Технологического университета Джорджии. CATR использует излучающую антенну-источник, формирующую сферическую волну, и один или несколько вторичных отражателей для коллимации этой сферической волны в плоскую волну в требуемой зоне испытаний. Типичная конструкция включает рупорную антенну и параболический отражатель для достижения этой цели. CATR применяется для микроволновых и миллиметровых частот, где расстояние до дальней зоны велико, например, при использовании рефлекторных антенн с высоким коэффициентом усиления. Размер необходимого полигона может быть значительно меньше, чем размер, требуемый для полноразмерной безэховой камеры дальней зоны, хотя стоимость изготовления специально разработанного отражателя CATR может быть высокой из-за необходимости обеспечения высокой точности отражающей поверхности (обычно меньше точности поверхности) и специальной обработки кромки отражателя для предотвращения дифракционных волн, которые могут исказить желаемую диаграмму направленности.

Высокий диапазон

В высоком диапазоне частот AUT и измерительная антенна устанавливаются на несколько длин волн над уровнем земли для снижения помех от волн, отраженных от поверхности земли.

Диапазон наклона

В наклонной зоне приёмная антенна располагается выше над землей, чем передающая (AUT), либо за счёт наклона земной поверхности зоны вниз от места установки передатчика, либо путём размещения приёмной антенны на значительно более высокой мачте. Наклон земной поверхности (реальный или эквивалентный) служит для устранения или уменьшения помех от симметричного отражения волн, направляя отражённые волны под приёмную антенну. Теоретически, ту же методику можно применить и в обратном направлении, чтобы направить большую часть отражённых от земли волн над приёмной антенной.

Параметры антенны

За исключением поляризации, коэффициент отражения (SWR) является наиболее легко измеряемым из перечисленных параметров. Импеданс можно измерить с помощью специализированного оборудования, поскольку он связан со сложным коэффициентом отражения. Измерение диаграммы направленности требует сложной установки, включающей значительное открытое пространство (достаточное для размещения датчика в дальней зоне антенны или в безэховой камере, предназначенной для измерений антенн), тщательного изучения геометрии эксперимента и специализированного измерительного оборудования, вращающего антенну в процессе измерений.

Образец излучения

Диаграмма направленности – это графическое представление относительной силы поля, излучаемого или принимаемого антенной, и отображает боковые и задние лепестки. Поскольку антенны излучают в пространстве, для описания антенны часто требуется несколько кривых. Если излучение антенны симметрично относительно оси (как в случае дипольных, спиральных и некоторых параболических антенн), достаточно одной диаграммы. Каждый производитель/пользователь антенн использует различные стандарты и форматы построения графиков. Каждый формат имеет свои преимущества и недостатки. Диаграмма направленности антенны может быть определена как геометрическое место точек, в которых излучаемая мощность на единицу площади поверхности одинакова. Излучаемая мощность на единицу площади поверхности пропорциональна квадрату напряженности электрического поля электромагнитной волны. Таким образом, диаграмма направленности – это геометрическое место точек с одинаковой напряженностью электрического поля. В этом представлении обычно в качестве опорной точки выбирается направление максимального излучения. Также возможно отобразить диаграмму направленного усиления антенны как функцию направления. Часто усиление указывается в децибелах. Графики могут быть построены в декартовых (прямоугольных) координатах или в полярных координатах. Последние удобны для измерения ширины луча, которая по определению является углом между точками на 3 дБ ниже максимального усиления. Форма кривых может значительно отличаться в декартовых и полярных координатах, а также в зависимости от выбранных пределов логарифмической шкалы. На четырех рисунках ниже представлены диаграммы направленности одной и той же полуволновой антенны.

Пропускная способность

IEEE определяет полосу пропускания как "диапазон частот, в пределах которого характеристики антенны, относительно некоторого параметра, соответствуют заданному стандарту". Иными словами, полоса пропускания зависит от общей эффективности антенны в широком диапазоне частот, поэтому для полной характеристики возможностей антенны по полосе пропускания необходимо понимать все эти параметры. Хотя это определение может служить практическим, на практике полоса пропускания обычно определяется путем измерения такой характеристики, как коэффициент стоячей волны (КСВ) или излучаемая мощность в интересующем диапазоне частот. Например, полоса пропускания по КСВ обычно определяется как диапазон частот, в котором КСВ меньше 2:1. Другим часто используемым критерием для определения полосы пропускания резонансных антенн является уровень обратной потери −3 дБ, поскольку потери, связанные с КСВ, являются…

Директивная сила

Директность антенны — это отношение максимальной плотности потока излучения (мощности на единицу площади), излучаемого антенной в максимальном направлении, к плотности потока излучения гипотетической изотропной антенны, излучающей ту же общую мощность. Например, гипотетическая антенна с диаграммой направленности в форме полусферы (1/2 сферы) будет иметь директность равную 2. Директность — это безразмерная величина, которая может быть выражена численно или в децибелах (дБ). Директность идентична максимальному значению директивного усиления; эти значения определяются без учета эффективности антенны, в отличие от усиления мощности (или просто "усиления"), которое уменьшается на величину эффективности антенны.

Прибыль

Коэффициент усиления как параметр измеряет направленность данной антенны. Антенна с низким коэффициентом усиления излучает энергию во всех направлениях одинаково, в то время как антенна с высоким коэффициентом усиления будет преимущественно излучать в определенных направлениях. В частности, коэффициент усиления или усиление мощности антенны определяется как отношение интенсивности (мощности на единицу площади), излучаемой антенной в заданном направлении на произвольном расстоянии, к интенсивности, излучаемой на том же расстоянии гипотетической изотропной антенной: мы используем термин "гипотетический", поскольку идеальную изотропную антенну невозможно создать. Коэффициент усиления – это безразмерная величина (без размерности). Коэффициент усиления антенны – это пассивное явление: антенна не добавляет мощность, а лишь перераспределяет ее, обеспечивая большую излучаемую мощность в определенном направлении, чем это было бы при использовании изотропной антенны. Если антенна имеет коэффициент усиления больше единицы в некоторых направлениях, то в других направлениях он должен быть меньше единицы, поскольку энергия сохраняется. При определении коэффициента усиления конструктор антенны должен учитывать область ее применения. Антенны с высоким коэффициентом усиления имеют преимущество в виде большей дальности и лучшего качества сигнала, но требуют точной ориентации в определенном направлении. Антенны с низким коэффициентом усиления имеют меньшую дальность, но ориентация антенны не имеет значения. Например, параболическая антенна на космическом аппарате является устройством с высоким коэффициентом усиления (для эффективной работы она должна быть направлена на планету), в то время как типичная WiFi-антенна в ноутбуке имеет низкий коэффициент усиления (пока базовая станция находится в зоне действия, антенна может быть ориентирована любым образом в пространстве).