AntennaLa misurazione è il processo di valutazione e analisi quantitativa delle prestazioni e delle caratteristiche di un'antenna. Utilizzando apparecchiature di prova e metodi di misurazione specifici, misuriamo il guadagno, il diagramma di radiazione, il rapporto di onda stazionaria, la risposta in frequenza e altri parametri dell'antenna per verificare se le specifiche di progettazione soddisfano i requisiti, controllarne le prestazioni e fornire suggerimenti per il miglioramento. I risultati e i dati derivanti dalle misurazioni dell'antenna possono essere utilizzati per valutare le prestazioni dell'antenna, ottimizzare i progetti, migliorare le prestazioni del sistema e fornire indicazioni e feedback ai produttori di antenne e agli ingegneri applicativi.
Attrezzatura necessaria per le misurazioni delle antenne
Per testare le antenne, il dispositivo fondamentale è il VNA (analizzatore di rete vettoriale). Il tipo più semplice di VNA è il VNA a 1 porta, in grado di misurare l'impedenza di un'antenna.
La misurazione del diagramma di radiazione, del guadagno e dell'efficienza di un'antenna è più complessa e richiede una strumentazione molto più sofisticata. Chiameremo l'antenna da misurare AUT, acronimo di Antenna Under Test (Antenna in Prova). La strumentazione necessaria per le misurazioni delle antenne comprende:
Antenna di riferimento - Un'antenna con caratteristiche note (guadagno, diagramma di radiazione, ecc.)
Un trasmettitore di potenza RF - Un metodo per iniettare energia nell'AUT [Antenna Under Test]
Un sistema ricevitore: questo determina quanta potenza viene ricevuta dall'antenna di riferimento.
Sistema di posizionamento: questo sistema viene utilizzato per ruotare l'antenna di prova rispetto all'antenna sorgente, al fine di misurare il diagramma di radiazione in funzione dell'angolo.
La Figura 1 mostra lo schema a blocchi dell'apparecchiatura sopra descritta.
Figura 1. Schema dell'apparecchiatura di misurazione dell'antenna necessaria.
Questi componenti verranno brevemente descritti. L'antenna di riferimento dovrebbe ovviamente irradiare bene alla frequenza di prova desiderata. Le antenne di riferimento sono spesso antenne a tromba a doppia polarizzazione, in modo da poter misurare contemporaneamente la polarizzazione orizzontale e verticale.
Il sistema di trasmissione deve essere in grado di erogare un livello di potenza noto e stabile. La frequenza di uscita deve inoltre essere regolabile (selezionabile) e ragionevolmente stabile (stabile significa che la frequenza emessa dal trasmettitore è vicina alla frequenza desiderata e non varia significativamente con la temperatura). Il trasmettitore deve contenere pochissima energia a tutte le altre frequenze (ci sarà sempre una certa quantità di energia al di fuori della frequenza desiderata, ma non dovrebbe essercene molta, ad esempio, alle armoniche).
Il sistema ricevente deve semplicemente determinare quanta potenza viene ricevuta dall'antenna di prova. Ciò può essere fatto tramite un semplice misuratore di potenza, ovvero un dispositivo per la misurazione della potenza RF (radiofrequenza) che può essere collegato direttamente ai terminali dell'antenna tramite una linea di trasmissione (come un cavo coassiale con connettori di tipo N o SMA). In genere il ricevitore è un sistema da 50 Ohm, ma può avere un'impedenza diversa se specificato.
Si noti che il sistema di trasmissione/ricezione viene spesso sostituito da un analizzatore di rete vettoriale (VNA). Una misurazione S21 trasmette una frequenza dalla porta 1 e registra la potenza ricevuta sulla porta 2. Pertanto, un VNA è particolarmente adatto a questo compito; tuttavia, non è l'unico metodo per eseguirlo.
Il sistema di posizionamento controlla l'orientamento dell'antenna di prova. Poiché vogliamo misurare il diagramma di radiazione dell'antenna di prova in funzione dell'angolo (tipicamente in coordinate sferiche), dobbiamo ruotare l'antenna di prova in modo che l'antenna sorgente illumini l'antenna di prova da ogni angolazione possibile. Il sistema di posizionamento viene utilizzato a questo scopo. Nella Figura 1, mostriamo la rotazione dell'AUT. Si noti che esistono molti modi per eseguire questa rotazione; a volte viene ruotata l'antenna di riferimento, altre volte vengono ruotate entrambe le antenne, quella di riferimento e quella dell'AUT.
Ora che disponiamo di tutta l'attrezzatura necessaria, possiamo discutere su dove effettuare le misurazioni.
Qual è il posto migliore per effettuare le misurazioni delle antenne? Forse vorreste farlo nel vostro garage, ma i riflessi provenienti da pareti, soffitti e pavimento renderebbero le misurazioni imprecise. Il luogo ideale per eseguire misurazioni delle antenne è nello spazio, dove non si verificano riflessi. Tuttavia, poiché i viaggi spaziali sono attualmente proibitivi in termini di costi, ci concentreremo su luoghi di misurazione sulla superficie terrestre. Una camera anecoica può essere utilizzata per isolare il sistema di test dell'antenna, assorbendo al contempo l'energia riflessa con una schiuma fonoassorbente.
Camere anecoiche (spazi liberi)
I poligoni di misura a spazio libero sono postazioni di misura per antenne progettate per simulare le misurazioni che verrebbero effettuate nello spazio. In altre parole, tutte le onde riflesse da oggetti vicini e dal terreno (che sono indesiderate) vengono soppresse il più possibile. I poligoni di misura a spazio libero più diffusi sono le camere anecoiche, i poligoni sopraelevati e i poligoni compatti.
Camere anecoiche
Le camere anecoiche sono poligoni di prova per antenne installati al chiuso. Le pareti, il soffitto e il pavimento sono rivestiti con uno speciale materiale fonoassorbente. I poligoni interni sono preferibili perché le condizioni di prova possono essere controllate in modo molto più preciso rispetto a quelle dei poligoni esterni. Il materiale ha spesso una forma irregolare, il che rende queste camere piuttosto interessanti da osservare. Le forme triangolari irregolari sono progettate in modo che ciò che viene riflesso tenda a diffondersi in direzioni casuali, e la somma di tutte le riflessioni casuali tende a sommarsi in modo incoerente, risultando così ulteriormente attenuata. L'immagine seguente mostra una camera anecoica, insieme ad alcune apparecchiature di prova:
(L'immagine mostra il test dell'antenna RFMISO)
Lo svantaggio delle camere anecoiche è che spesso devono essere piuttosto grandi. Spesso le antenne devono essere distanti tra loro almeno diverse lunghezze d'onda per simulare le condizioni di campo lontano. Pertanto, per le basse frequenze con lunghezze d'onda elevate, sono necessarie camere molto grandi, ma i costi e i vincoli pratici ne limitano spesso le dimensioni. Alcune aziende del settore della difesa che misurano la sezione radar equivalente (RCT) di grandi aerei o altri oggetti sono note per avere camere anecoiche delle dimensioni di un campo da basket, sebbene questo non sia comune. Le università dotate di camere anecoiche in genere hanno dimensioni comprese tra 3 e 5 metri in lunghezza, larghezza e altezza. A causa dei vincoli di spazio e poiché i materiali fonoassorbenti RF in genere funzionano meglio alle frequenze UHF e superiori, le camere anecoiche sono utilizzate più spesso per frequenze superiori a 300 MHz.
Catene montuose elevate
I poligoni di misura sopraelevati sono poligoni all'aperto. In questa configurazione, la sorgente e l'antenna in prova sono montate al di sopra del livello del suolo. Queste antenne possono essere collocate su montagne, torri, edifici o ovunque si ritenga opportuno. Questa soluzione viene spesso adottata per antenne di grandi dimensioni o a basse frequenze (VHF e inferiori, <100 MHz) dove le misurazioni in ambienti interni risulterebbero impraticabili. Lo schema di base di un poligono di misura sopraelevato è mostrato nella Figura 2.
Figura 2. Illustrazione di un intervallo di tiro elevato.
L'antenna sorgente (o antenna di riferimento) non si trova necessariamente a un'altezza maggiore rispetto all'antenna di prova; l'ho mostrata solo in questo modo. La linea di vista (LOS) tra le due antenne (illustrata dal raggio nero nella Figura 2) deve essere libera da ostacoli. Tutte le altre riflessioni (come il raggio rosso riflesso dal terreno) sono indesiderabili. Per le distanze elevate, una volta determinata la posizione dell'antenna sorgente e di quella di prova, gli operatori del test individuano i punti in cui si verificheranno le riflessioni più significative e cercano di minimizzarle. Spesso a questo scopo si utilizza materiale fonoassorbente o altro materiale che devia i raggi lontano dall'antenna di prova.
Gamme compatte
L'antenna sorgente deve essere posizionata nel campo lontano dell'antenna di prova. Il motivo è che, per la massima precisione, l'onda ricevuta dall'antenna di prova dovrebbe essere un'onda piana. Poiché le antenne irradiano onde sferiche, l'antenna deve essere sufficientemente distante affinché l'onda irradiata dall'antenna sorgente sia approssimativamente un'onda piana (vedere Figura 3).
Figura 3. Un'antenna sorgente irradia un'onda con un fronte d'onda sferico.
Tuttavia, per le camere interne spesso non c'è sufficiente separazione per ottenere questo risultato. Un metodo per risolvere questo problema è tramite un range compatto. In questo metodo, un'antenna sorgente è orientata verso un riflettore, la cui forma è progettata per riflettere l'onda sferica in modo approssimativamente planare. Questo è molto simile al principio su cui si basa il funzionamento di un'antenna parabolica. Il funzionamento di base è mostrato nella Figura 4.
Figura 4. Portata compatta: le onde sferiche provenienti dall'antenna sorgente vengono riflesse in modo da risultare planari (collimate).
In genere, la lunghezza del riflettore parabolico dovrebbe essere diverse volte maggiore di quella dell'antenna di prova. L'antenna sorgente, mostrata in Figura 4, è disassata rispetto al riflettore in modo da non interferire con i raggi riflessi. Occorre inoltre prestare attenzione per evitare qualsiasi radiazione diretta (accoppiamento mutuo) dall'antenna sorgente all'antenna di prova.
Data di pubblicazione: 3 gennaio 2024
