Antennmätning

Antennmättekniker avser testning av antenner för att säkerställa att antennen uppfyller specifikationerna eller helt enkelt för att karakterisera den. Typiska parametrar för antenner är förstärkning , bandbredd , strålningsmönster , strålbredd , polarisation och impedans .

Antennmönstret är antennens svar på en plan våg som faller in från en given riktning eller den relativa effekttätheten för vågen som sänds av antennen i en given riktning . För en reciprok antenn är dessa två mönster identiska. En mängd tekniker för mätning av antennmönster har utvecklats. Den första tekniken som utvecklades var fjärrfältsområdet, där antennen under test (AUT) placeras i fjärrfältet av en antenn. På grund av storleken som krävs för att skapa ett fjärrfältsområde för stora antenner, utvecklades närfältstekniker, som möjliggör mätning av fältet på en yta nära antennen (vanligtvis 3 till 10 gånger dess våglängd ) . Detta mått förutsägs sedan vara detsamma i oändligheten . En tredje vanlig metod är det kompakta området, som använder en reflektor för att skapa ett fält nära AUT som ser ungefär ut som en plan våg.

Far-field range (FF)

Fjärrfältsområdet var den ursprungliga antennmättekniken och den enklaste ; den består av att placera antennen under test (AUT) på långt avstånd från instrumentantennen . I allmänhet anses fjärrfältsdistansen eller Fraunhofer-distansen , $\ D_{\mathsf {Frnh}}\ ,$ vara

D_{\mathsf {Frnh}}={\frac {\ 2d^{2}\ }{\lambda }}\ ,

där $\ d\$ är antennens bredaste diameter i någon riktning, och $\ \lambda \$ är radiovågens våglängd. Att separera AUT och standardmottagningsantennen med detta avstånd minskar den detekterbara fasvariationen över AUT tillräckligt för att erhålla en rimligt noggrann uppskattning av antennmönstret på långt avstånd.

IEEE - antennmätningsstandarden (dokument-id IEEE-Std-149-1979), föreslår uppsättning för mätning och olika tekniker för både fjärrfältsavstånd och markstudsavstånd (diskuteras nedan).

Närfältsräckvidd (NF)

Planärt närfältsområde

Planära närfältsmätningar utförs genom att skanna en liten sondantenn över en plan yta. Dessa mätningar transformeras sedan till fjärrfältet med hjälp av en Fourier-transform , eller mer specifikt genom att tillämpa en metod som kallas stationär fas på Laplace-transformen . Tre grundläggande typer av plana skanningar finns i närfältsmätningar.

Rektangulär plan scanning

Sonden rör sig i det kartesiska koordinatsystemet och dess linjära rörelse skapar ett regelbundet rektangulärt samplingsrutnät med ett maximalt närfältsprovavstånd på Δx = Δy = λ /2.

Polär plan scanning

Mer komplicerad lösning på den rektangulära scanningsmetoden är den plana polära scanningsmetoden.

Bi-polär plan scanning

Den bipolära tekniken är mycket lik den plana polära konfigurationen.

Cylindriskt närfältsområde

Cylindriska närfältsområden mäter det elektriska fältet på en cylindrisk yta nära AUT. Cylindriska övertoner används för att transformera dessa mätningar till fjärrfältet.

Sfäriskt närfältsområde

Sfäriska närfältsområden mäter det elektriska fältet på en sfärisk yta nära AUT. Sfäriska övertoner används för att transformera dessa mätningar till fjärrfältet

Fritt utrymmesområden

Formeln för elektromagnetisk strålningsspridning och informationsspridning är:

\ D^{2}={\frac {P}{\ S\ }}\ \propto \ 3{\mathsf {\ dB}}\ ,

där $D$ representerar avstånd, $P-$ effekt och $S-$ hastighet.

Ekvationen innebär att dubbla kommunikationsavståndet kräver fyra gånger effekten. Det betyder också att dubbel effekt tillåter dubbel kommunikationshastighet (bithastighet). Dubbel effekt är cirka 3 dB ökning (eller exakt $10\timeslog 10 (2) \approx 3,0103000$ ). Naturligtvis finns det i den verkliga världen alla möjliga andra fenomen som komplicerar den beräknade levererade effekten, såsom Fresnel-avstängning, vägförlust, bakgrundsljud, etc.

Kompakt sortiment

En Compact Antenna Test Range (CATR) är en anläggning som används för att tillhandahålla bekväm testning av antennsystem vid frekvenser där det är omöjligt att erhålla fjärrfältsavstånd till AUT med traditionella metoder för fritt utrymme . Den uppfanns av Richard C. Johnson vid Georgia Tech Research Institute . CATR använder en källantenn som utstrålar en sfärisk vågfront och en eller flera sekundära reflektorer för att kollimera den utstrålade sfäriska vågfronten till en plan vågfront inom den önskade testzonen. En typisk utföringsform använder en hornmatningsantenn och en parabolisk reflektor för att åstadkomma detta.

CATR används för mikrovågs- och millimetervågsfrekvenser där $\ {\frac {\ 2D^{2}\ }{\lambda }}\$ är stort, till exempel med högt -gain reflektorantenner. Storleken på intervallet som krävs kan vara mycket mindre än storleken som krävs för en ekofri kammare i full storlek, även om kostnaden för tillverkning av den specialdesignade CATR-reflektorn kan vara dyr på grund av behovet av att säkerställa precision av den reflekterande ytan (typiskt mindre än 1 / 100 $λ$ RMS ytnoggrannhet) och att specialbehandla reflektorns kant för att undvika diffrakterade vågor som kan störa det önskade strålmönstret.

Förhöjd räckvidd

I ett förhöjt område är både AUT och mätantennen monterade flera våglängder över marknivån som ett sätt att minska störningarna från vågor som reflekteras från marken.

Sned intervall

I ett lutande område monteras mottagningsantennen högre över marken än vad AUT är, antingen genom att jordytan på området lutar nedåt från AUT-fästet, eller genom att placera mottagningsantennen på en mycket högre mast. Den sluttande jorden (antingen faktisk eller effektiv) fungerar som ett medel för att eliminera eller minska störningar från symmetrisk vågreflektion, genom att vinkla de reflekterade vågorna så att de studsar under mottagningsantennen. I teorin skulle samma teknik kunna tillämpas omvänt för att studsa de flesta av de jordreflekterade vågorna ovanför mottagningsantennen.

Antennparametrar

Förutom polarisering är SWR den lättast mätbara av parametrarna ovan. Impedans kan mätas med specialiserad utrustning, eftersom den relaterar till den komplexa SWR. Mätning av strålningsmönster kräver en sofistikerad uppsättning inklusive betydande fritt utrymme (tillräckligt för att placera sensorn i antennens avlägsna fält , eller en ekofri kammare designad för antennmätningar), noggranna studier av experimentgeometrin och specialiserad mätutrustning som roterar antennen under mätningarna .

Strålningsmönster

Strålningsmönstret är en grafisk bild av den relativa fältstyrkan som sänds från eller tas emot av antennen, och visar sidolober och baklober. Eftersom antenner strålar ut i rymden krävs ofta flera kurvor för att beskriva antennen. Om strålningen från antennen är symmetrisk kring en axel (som är fallet i dipol-, spiral- och vissa parabolantenner ) räcker det med en unik graf.

Varje antennleverantör/användare har olika standarder samt plottningsformat. Varje format har sina egna fördelar och nackdelar. Strålningsmönster för en antenn kan definieras som platsen för alla punkter där den emitterade effekten per enhetsyta är densamma. Den utstrålade effekten per enhetsyta är proportionell mot den elektromagnetiska vågens kvadratiska elektriska fält. Strålningsmönstret är platsen för punkter med samma elektriska fält. I denna representation är referensen vanligtvis den bästa emissionsvinkeln. Det är också möjligt att avbilda antennens riktningsförstärkning som en funktion av riktningen. Ofta anges förstärkningen i decibel .

Graferna kan ritas med kartesiska (rektangulära) koordinater eller en polär plot . Den sista är användbar för att mäta strålbredden, som enligt konvention är vinkeln vid -3dB-punkterna runt maxförstärkningen. Formen på kurvorna kan vara mycket olika i kartesiska eller polära koordinater och med valet av gränserna för den logaritmiska skalan. De fyra ritningarna nedan är strålningsmönstren för en och samma halvvågsantenn .

Strålningsmönster för en halvvågsdipolantenn. Linjär skala.	Förstärkning av en halvvågsdipol. Skalan är i dBi.
Förstärkning av en halvvågsdipol. Kartesisk representation.	3D-strålningsmönster för en halvvågsdipolantenn.

Effektivitet

Effektivitet är förhållandet mellan effekt som faktiskt utstrålas av en antenn och den elektriska effekt den får från en sändare. En dummylast kan ha en SWR på 1:1 men en verkningsgrad på 0, eftersom den absorberar all infallande effekt, producerar värme men utstrålar ingen RF -energi; SWR är inte ett mått på en antenns effektivitet. Strålningsresistans är den del av resistansen mot ström som orsakas av strömförlust till strålning från en antenn. Tyvärr kan den inte mätas direkt utan är en komponent av det totala motståndet som inkluderar förlustresistansen. Förlustmotstånd är resultatet av effekt som går förlorad till värme i antennmaterialen, snarare än till koherenta radiovågor, vilket minskar effektiviteten. Verkningsgrad ( $\ {\tilde {\eta }}\$ ) definieras som förhållandet mellan den effekt som koherent utstrålas som radiovågor ( $\ P_{\mathsf {rad}}\$ ) till den totala effekten som används av antennen, vilket är summan av den effekt som utstrålas koherent ( $\ P_{\mathsf {rad}}\$ ) och effekten som utstrålas som värme ( $\ P_{\mathsf {förlust}}\$ ):

{\tilde {\eta }}\equiv {\frac {P_{\mathsf {rad}}}{\ P_{\mathsf { rad}}+P_{\mathsf {förlust}}\ }}\

Antenneffektiviteten är också matematiskt lika med strålningsresistansen ( $\ R_{\mathsf {rad}}\$ ) dividerat med total resistans (reell del av impedansen mätt vid spänningsnoden, vilket ofta är matningspunkten):

{\tilde {\eta }}={\frac {R_{\mathsf {rad}}}{\ R_{\mathsf {rad}}+R_{\mathsf {loss}}\ }}\ .

Bandbredd

IEEE definierar bandbredd som "Omfånget av frekvenser inom vilket antennens prestanda, med avseende på någon egenskap, överensstämmer med en specificerad standard." Med andra ord beror bandbredden på antennens totala effektivitet genom en rad frekvenser, så alla dessa parametrar måste förstås för att helt karakterisera en antenns bandbreddskapacitet. Denna definition kan fungera som en praktisk definition, men i praktiken bestäms bandbredd typiskt genom att mäta en karakteristik såsom SWR eller utstrålad effekt över det intressanta frekvensområdet. Till exempel bestäms SWR-bandbredden typiskt genom att mäta frekvensområdet där SWR är mindre än 2:1. Ett annat ofta använt värde för att bestämma bandbredd för resonansantenner är −3 dB returförlustvärde, eftersom förlust på grund av SWR är   $-10\cdotlog 10 (2\div1) = -3,01000$ dB.

Direktivitet

Antenndirektivitet är förhållandet mellan maximal strålningsintensitet ( effekt per ytenhet) som utstrålas av antennen i maximal riktning dividerat med intensiteten som utstrålas av en hypotetisk isotrop antenn som utstrålar samma totala effekt som den antennen. Till exempel skulle en hypotetisk antenn som hade ett utstrålat mönster av en halvklot (1/2 sfär) ha en riktningsgrad på 2. Direktivitet är ett dimensionslöst förhållande och kan uttryckas numeriskt eller i decibel (dB ) . Direktiviteten är identisk med toppvärdet för direktivförstärkningen ; dessa värden specificeras utan hänsyn till antenneffektiviteten och skiljer sig således från effektförstärkningen ( eller helt enkelt "förstärkning") vars värde reduceras med en antenns effektivitet .

Få

Förstärkning som en parameter mäter riktningen för en given antenn. En antenn med låg förstärkning avger strålning i alla riktningar lika, medan en högförstärkningsantenn företrädesvis strålar i vissa riktningar. Specifikt förstärkningen eller effektförstärkningen för en antenn som förhållandet mellan intensiteten (effekt per ytenhet) som utstrålas av antennen i en given riktning på ett godtyckligt avstånd dividerat med intensiteten som utstrålas på samma avstånd av en hypotetisk isotropisk antenn :

\ G={\left({P \over S}\right)_{\mathsf {ant}} \over \left({P \over S}\right)_{\mathsf {iso}}}\

Vi skriver "hypotetiskt" eftersom en perfekt isotrop antenn inte kan konstrueras. Förstärkning är ett dimensionslöst tal (utan enheter).

Förstärkningen av en antenn är ett passivt fenomen - effekt läggs inte till av antennen, utan omfördelas helt enkelt för att ge mer utstrålad effekt i en viss riktning än vad som skulle sändas av en isotrop antenn. Om en antenn har en förstärkning som är större än en i vissa riktningar, måste den ha en mindre än en förstärkning i andra riktningar eftersom energin sparas av antennen. En antenndesigner måste ta hänsyn till applikationen för antennen när förstärkningen bestäms. Högförstärkningsantenner har fördelen av längre räckvidd och bättre signalkvalitet, men måste riktas försiktigt i en viss riktning. Lågförstärkningsantenner har kortare räckvidd, men antennens orientering är oviktig. Till exempel är en parabolantenn på ett rymdskepp en högförstärkningsenhet (måste riktas mot planeten för att vara effektiv), medan en typisk WiFi- antenn i en bärbar dator har lågförstärkning (så länge basstationen är inom räckhåll , kan antennen vara i valfri orientering i rymden).

Fysisk bakgrund

Det uppmätta elektriska fältet utstrålades

\scriptstyle {r' \over c}

sekunder tidigare.

Det elektriska fältet som skapas av en elektrisk laddning $\scriptstyle {q}$ är

_ \displaystyle {\vec {E}}={-q \over 4\pi \varepsilon _{\circ }}\left[{{\vec {e}}_{r'} \over r'^{2} }+{r' \over c}{d\ \over dt}\left({{\vec {e}}_{r'} \över r'^{2}}\right)+{1 \over c ^{2}}{d^{2}\ \over dt^{2}}\left({\vec {e}}_{r'}\right)\right]\,}

var:

$\scriptstyle {c}$ är ljusets hastighet i vakuum.
$\scriptstyle {\varepsilon _{\circ }}$ är permittiviteten för ledigt utrymme .
$\scriptstyle {r'}$ är avståndet från observationspunkten (platsen där $\scriptstyle {\vec {E}}$ utvärderas) till den punkt där laddningen var $\scriptstyle {r' \over c}$ sekunder före den tidpunkt då mätningen är klar.
$\textstyle {{\vec {e}}_{r'}}$ är enhetsvektorn riktad från observationspunkten (platsen där $\scriptstyle {\vec {E} }$ utvärderas) till den punkt där laddningen var $\scriptstyle {r' \over c}$ sekunder före den tidpunkt då mätningen gjordes.

Den "primära" i denna formel visas eftersom den elektromagnetiska signalen färdas med ljusets hastighet . Signaler observeras komma från den punkt där de sänds ut och inte från den punkt där sändaren är vid observationstillfället. Stjärnorna som vi ser på himlen är inte längre där vi ser dem. Vi kommer att se deras nuvarande position år i framtiden; några av de stjärnor som vi ser idag existerar inte längre.

Den första termen i formeln är bara det elektrostatiska fältet med fördröjd tid .

Den andra termen är som om naturen försökte tillåta det faktum att effekten är retarderad ( Feynman).

Den tredje termen är den enda termen som står för det avlägsna fältet av antenner.

De två första termerna är proportionella mot $\textstyle {1 \over r^{2}}$ . Endast den tredje är proportionell mot $\textstyle {1 \over r}$ .

Nära antennen är alla termer viktiga. Men om avståndet är tillräckligt stort blir de två första termerna försumbara och bara den tredje återstår:

{\vec {E}}= {-q \over 4\pi \varepsilon c_{\circ }^{2}}{d^{2}\ \over dt^{2}}\left({\vec {e}}_{r'} \right)=-q10^{-7}{d^{2}\ \over dt^{2}}\left({\vec {e}}_{r'}\right)\,

Elektriskt fält som utstrålas av ett strömelement. Strömelementet, den elektriska fältvektorn

\scriptstyle {{\vec {E}}_{\theta }}

och

\textstyle {r}

är på samma plan.

Om laddningen q är i sinusformad rörelse med amplitud $\scriptstyle {\ell _{\circ }}$ och pulsation $\scriptstyle {\omega }$ är effekten som utstrålas av laddningen:

P={q^{2}\omega ^{4}\ell _{\circ }^{2} \over 12\pi \varepsilon _{\circ }c^{3}}

watt.

Observera att den utstrålade effekten är proportionell mot den fjärde potensen av frekvensen. Det är mycket lättare att stråla vid höga frekvenser än vid låga frekvenser. Om laddningarnas rörelse beror på strömmar, kan det visas att det (lilla) elektriska fältet som utstrålas av en liten längd $\scriptstyle {d\ell }$ av en ledare som bär en tidsvarierande ström ${\ displaystyle \scriptstyle {I}}$ är

dE_{\theta }(t+\textstyle {r \over c})=\displaystyle { -d\ell \sin \theta \over 4\pi \varepsilon _{\circ }c^{2}r}{dI \over dt}\,

Den vänstra sidan av denna ekvation är det elektriska fältet för den elektromagnetiska vågen som utstrålas av en liten ledare. Indexet $\scriptstyle {\theta }$ påminner om att fältet är vinkelrät mot linjen till källan. t $\scriptstyle {t+{r \over c}}$ påminner om att detta är det fält som observeras $\displaystyle \scriptstyle {r \over c}}$ sekunder efter utvärderingen av den aktuella derivatan. Vinkeln $\scriptstyle {\theta }$ är vinkeln mellan strömmens riktning och riktningen till den punkt där fältet mäts.

Det elektriska fältet och den utstrålade effekten är maximala i planet vinkelrätt mot strömelementet. De är noll i strömriktningen.

Endast tidsvarierande strömmar utstrålar elektromagnetisk kraft.

Om strömmen är sinusformad kan den skrivas i komplex form, på samma sätt som används för impedanser. Endast den verkliga delen är fysiskt meningsfull:

I=I_{\circ }e^{j\omega t}

var:

$\scriptstyle {I_{\circ }}$ är strömmens amplitud.
$\scriptstyle {\omega =2\pi f}$ är vinkelfrekvensen.
$\scriptstyle {j={\sqrt {-1}}}$

Det (lilla) elektriska fältet för den elektromagnetiska vågen som utstrålas av ett strömelement är:

dE_{\theta }(t+\textstyle {r \over c})=\ displaystyle {-d\ell j\omega \over 4\pi \varepsilon _{\circ }c^{2}}{\sin \theta \over r}e^{j\omega t}\,

Och för tiden $\textstyle {t}\,$ :

dE_{\theta }(t)={-d\ell j \omega \over 4\pi \varepsilon _{\circ }c^{2}}{\sin \theta \over r}e^{j\left(\omega t-{\omega \over c}r\right )}\,

Det elektriska fältet för den elektromagnetiska vågen som utstrålas av en antenn bildad av ledningar är summan av alla elektriska fält som utstrålas av alla små strömelement. Detta tillägg kompliceras av det faktum att riktningen och fasen för vart och ett av de elektriska fälten i allmänhet är olika.

Beräkning av antennparametrar i mottagning

Förstärkningen i någon given riktning och impedansen vid en given frekvens är desamma när antennen används vid sändning eller mottagning.

Det elektriska fältet hos en elektromagnetisk våg inducerar en liten spänning i varje litet segment i alla elektriska ledare. Den inducerade spänningen beror på det elektriska fältet och ledarlängden. Spänningen beror också på den relativa orienteringen av segmentet och det elektriska fältet.

Varje liten spänning inducerar en ström och dessa strömmar cirkulerar genom en liten del av antennimpedansen . Resultatet av alla dessa strömningar och spänningar är långt ifrån omedelbart. Men med hjälp av reciprocitetssatsen är det möjligt att bevisa att Thévenin- ekvivalentkretsen för en mottagande antenn är:

Equivalent circuit of a receiving antenna.

$V_{a}={{\sqrt {R_{a}\ G_{a}\ }}\lambda \cos \psi \over 2{\sqrt {\pi Z_{\circ }}}}E_{b}$

$\scriptstyle {V_{a}}$ är Thévenins ekvivalenta kretsspänning.
$\scriptstyle {Z_{a}}$ är Thévenins ekvivalenta kretsimpedans och är samma som antennimpedansen.
$\scriptstyle {R_{a}}$ är den serieresistiva delen av antennimpedansen $\scriptstyle {Z_{a}}\,$ .
$\scriptstyle {G_{a}}$ är antennens riktningsförstärkning (samma som i emission) i ankomstriktningen för elektromagnetiska vågor.
$\scriptstyle {\lambda }$ är våglängden.
$\scriptstyle {E_{b}}$ är storleken på det elektriska fältet för den inkommande elektromagnetiska vågen.
$\scriptstyle {\psi }$ är vinkeln för felinriktningen av det elektriska fältet för den inkommande vågen med antennen. För en dipolantenn erhålls den maximala inducerade spänningen när det elektriska fältet är parallellt med dipolen. Om så inte är fallet och de är felinriktade med en vinkel ${\displaystyle \scriptstyle {\psi }},$ kommer den inducerade spänningen att multipliceras med $\scriptstyle {\cos \psi }$ .
$\scriptstyle {Z_{\circ }={\sqrt {\mu _{\circ} \over \varepsilon _{\circ }}}=376.7303134ga} \Omega}$ är en universell konstant som kallas vakuumimpedans eller impedans för ledigt utrymme.

Motsvarande krets och formeln till höger gäller för alla typer av antenn. Det kan också vara en dipolantenn , en slingantenn , en parabolantenn eller en antennuppsättning .

Från denna formel är det lätt att bevisa följande definitioner:

Antennens effektiva längd

=\displaystyle {{\sqrt {R_{a}G_{a}}}\lambda \cos \psi \over {\sqrt {\pi Z_{\circ }}}}\,

är längden som, multiplicerad med det elektriska fältet för den mottagna vågen, ger spänningen för Thévenins ekvivalenta antennkrets.

Maximal tillgänglig effekt

=\displaystyle {{G_{a}\lambda ^{2} \over 4\pi Z_{\circ }}E_{b}^{ 2}}\,

är den maximala effekt som en antenn kan extrahera från den inkommande elektromagnetiska vågen.

Tvärsnitt eller effektiv infångningsyta

=\displaystyle {{G_{a} \over 4\pi }\lambda ^{2}}\,

är den yta som multiplicerat med effekten per ytenhet för den inkommande vågen, ger den maximala tillgängliga effekten.

Den maximala effekt som en antenn kan extrahera från det elektromagnetiska fältet beror endast på antennens förstärkning och den kvadratiska våglängden $\scriptstyle {\lambda }$ . Det beror inte på antennens mått.

Med hjälp av motsvarande krets kan det visas att den maximala effekten absorberas av antennen när den avslutas med en belastning som är anpassad till antennens ingångsimpedans. Detta innebär också att under matchade förhållanden är mängden effekt som återutstrålas av den mottagande antennen lika med den som absorberas.

Se även

Vidare läsning

Brown, FW (november 1964). "Hur man mäter antennförstärkning". CQ . sid. 40.