Измерение антенны - Antenna measurement

Измерение антенны методы относятся к тестированию антенны чтобы убедиться, что антенна соответствует спецификациям, или просто для ее характеристики. Типичные параметры антенн: прирост, пропускная способность, диаграмма направленности, ширина луча, поляризация, и сопротивление.

В диаграмма направленности антенны представляет собой реакцию антенны на плоскую волну, падающую с заданного направления, или относительную плотность мощности волны, передаваемой антенной в заданном направлении. Для ответной антенны эти две диаграммы идентичны. Было разработано множество методов измерения диаграммы направленности антенны. Первым разработанным методом был дальний диапазон, когда тестируемая антенна (AUT) размещалась в дальнем поле дальнего действия. Из-за размера, необходимого для создания дальнего поля для больших антенн, были разработаны методы ближнего поля, которые позволяют измерять поле на поверхности, близкой к антенне (обычно в 3-10 раз больше длина волны ). Затем прогнозируется, что это измерение будет таким же при бесконечность. Третий распространенный метод - это компактный диапазон, в котором используется отражатель создать поле около AUT, которое выглядит примерно как плоская волна.

Дальнее поле (FF)

В дальняя зона Диапазон был оригинальной антенной техникой измерения и состоял в размещении AUT на большом расстоянии от приборы антенна. Как правило, расстояние в дальней зоне или Расстояние Фраунгофера, d, считается

,

где D - максимальный размер антенны и - длина волны радиоволны.[1] Разделение AUT и инструментальной антенны на это расстояние уменьшает изменение фазы в AUT в достаточной степени, чтобы получить достаточно хорошую диаграмму направленности антенны.

IEEE предлагает использовать свой стандарт измерения антенн, номер документа IEEE-Std-149-1979 для диапазонов дальнего поля и измерительных установок для различных методов, включая диапазоны с отражением от земли.

Дальность ближнего поля (NF)

Планарный ближний диапазон

Планарный ближнее поле измерения проводятся путем сканирования небольшой зондовой антенны по плоской поверхности. Затем эти измерения преобразуются в дальнее поле с помощью преобразование Фурье или, более конкретно, применяя метод, известный как стационарная фаза[2] к Преобразование Лапласа . В измерениях ближнего поля существуют три основных типа планарного сканирования.

Прямоугольное плоское сканирование

Зонд движется в Декартова система координат а его линейное движение создает регулярную прямоугольную сетку выборки с максимальным интервалом между выборками в ближней зоне Δx = Δy = λ / 2.

Полярное планарное сканирование

Более сложным решением метода прямоугольного сканирования является метод сканирования с плоской полярностью.

PolarGrid.svg

Биполярное планарное сканирование

Биполярная техника очень похожа на плоскополярную конфигурацию.

BipolarGrid.svg

Цилиндрический диапазон ближнего поля

Цилиндрические диапазоны ближнего поля измеряют электрическое поле на цилиндрической поверхности, близкой к AUT. Цилиндрический гармоники используются для преобразования этих измерений в дальнее поле.

CylindricalGrid.svg

Сферический диапазон ближнего поля

Сферические диапазоны ближнего поля измеряют электрическое поле на сферической поверхности вблизи AUT. Сферические гармоники преобразуют эти измерения в дальнее поле.

Диапазоны свободного пространства

Формула рассеивания электромагнитного излучения и распространения информации:

Где D представляет собой расстояние, мощность P и скорость S.

Уравнение означает, что удвоение расстояния связи требует в четыре раза большей мощности. Это также означает, что двойная мощность позволяет удвоить скорость передачи данных (битрейт). Двойная мощность составляет ок. Увеличение на 3 дБ (точнее, на 10 log (2)). Конечно, в реальном мире есть множество других явлений, которые могут возникнуть, такие как подавление Френеля, потери на трассе, фоновый шум и т. Д.

Компактный диапазон

Компактный испытательный полигон антенн (CATR) - это средство, которое используется для обеспечения удобного тестирования антенных систем на частотах, где получение разноса в дальней зоне до AUT было бы невозможно с использованием традиционных свободное место методы. Это было изобретено Ричард К. Джонсон на Технологический исследовательский институт Джорджии.[3] CATR использует исходную антенну, которая излучает сферический волновой фронт, и один или несколько вторичных отражателей для коллимирования излучаемого сферического волнового фронта в плоский волновой фронт в пределах желаемой испытательной зоны. В одном типичном варианте осуществления используется рупорная антенна и параболический отражатель для этого.

CATR используется для микроволновая печь и миллиметровая волна частоты, где 2 D2/ λ расстояние в дальней зоне большое, например, при использовании рефлекторных антенн с большим усилением. Размер требуемого диапазона может быть намного меньше размера, необходимого для полноразмерной безэховой камеры в дальней зоне, хотя стоимость изготовления специально разработанного отражателя CATR может быть дорогостоящим из-за необходимости обеспечения точности отражающей поверхности (обычно точность поверхности менее λ / 100 RMS) и специальной обработки края отражателя, чтобы избежать дифрагированных волн, которые могут мешать желаемой диаграмме направленности.

Повышенный диапазон

Средство уменьшения отражения волн, отражающихся от земли.

Наклонный диапазон

Средство устранения симметричного отражения волн.

Параметры антенны

За исключением поляризации, КСВ легче всего измерить из вышеперечисленных параметров. Импеданс можно измерить с помощью специального оборудования, поскольку он относится к сложный КСВ. Для измерения диаграммы направленности требуется сложная установка, включая значительное свободное пространство (достаточно, чтобы поместить датчик в антенну. дальнее поле или безэховая камера, предназначенная для антенных измерений), тщательное изучение геометрии эксперимента и специализированное измерительное оборудование, которое вращает антенну во время измерений.

Диаграмма излучения

Диаграмма направленности представляет собой графическое изображение относительной напряженности поля, передаваемого от антенны или принимаемого ею, и показывает боковые лепестки и задники. Поскольку антенны излучают в пространстве, часто необходимо несколько кривых для описания антенны. Если излучение антенны симметрично относительно оси (как в случае диполя, спиральный и немного параболический антенны) достаточно одного графа.

У каждого поставщика / пользователя антенны разные стандарты, а также форматы построения графиков. У каждого формата есть свои преимущества и недостатки. Диаграмма направленности антенны может быть определена как геометрическое место всех точек, в которых излучаемая мощность на единицу поверхности одинакова. Излучаемая мощность на единицу поверхности пропорциональна квадрату электрического поля электромагнитной волны. Диаграмма направленности представляет собой геометрическое место точек с одинаковым электрическим полем. В этом представлении эталон обычно является лучшим углом излучения. Также можно изобразить направленное усиление антенны как функцию направления. Часто выигрыш выражается в децибелы.

Графики можно нарисовать с помощью декартовы (прямоугольные) координаты или полярный сюжет. Последний полезен для измерения ширины луча, которая по соглашению представляет собой угол в точках -3 дБ относительно максимального усиления. Форма кривых может быть самой разной в декартовых или полярных координатах и ​​с выбором пределов логарифмической шкалы. На четырех рисунках ниже представлены диаграммы направленности одного и того же полуволновая антенна.

Диаграмма направленности полуволновой дипольной антенны. Линейный масштаб.
Коэффициент усиления полуволнового диполя. Шкала в дБи.
Коэффициент усиления полуволнового диполя. Декартово представление.
Трехмерная диаграмма направленности полуволновой дипольной антенны.

Эффективность

Эффективность - это отношение мощности, фактически излучаемой антенной, к электрической мощности, которую она получает от передатчика. А фиктивная нагрузка может иметь КСВ 1: 1, но с КПД 0, так как он поглощает всю падающую мощность, выделяя тепло, но не излучает РФ энергия; КСВ не является показателем эффективности антенны. Излучение в антенне вызвано радиационная стойкость который не может быть измерен напрямую, но является составной частью общей сопротивление который включает сопротивление потерь. Устойчивость к потерям приводит к выделению тепла, а не к излучению, что снижает эффективность. Математически эффективность равна сопротивлению излучения, деленному на полное сопротивление (действительную часть) импеданса точки питания. КПД определяется как отношение излучаемой мощности к общей мощности, используемой антенной; Полная мощность = излучаемая мощность + потеря мощности.

Пропускная способность

IEEE определяет полосу пропускания как «диапазон частот, в пределах которого характеристики антенны по некоторым характеристикам соответствуют заданному стандарту». [4] Другими словами, полоса пропускания зависит от общей эффективности антенны в диапазоне частот, поэтому все эти параметры должны быть поняты, чтобы полностью охарактеризовать возможности ширины полосы пропускания антенны. Это определение может служить практическим определением, однако на практике ширина полосы пропускания обычно определяется путем измерения такой характеристики, как КСВ или излучаемой мощности, в интересующем диапазоне частот. Например, ширина полосы КСВ обычно определяется путем измерения диапазона частот, в котором КСВ меньше 2: 1. Еще одно часто используемое значение для определения полосы пропускания для резонансных антенн - значение возвратных потерь -3 дБ, поскольку потери из-за КСВ составляют -10log.10(2: 1) = -3 дБ.

Направленность

Направленность антенны - это отношение максимального излучения интенсивность (мощность на единицу поверхности), излучаемая антенной в максимальном направлении, деленная на интенсивность, излучаемую гипотетическим изотропная антенна излучает ту же полную мощность, что и эта антенна. Например, гипотетическая антенна с диаграммой направленности в виде полусферы (1/2 сферы) будет иметь направленность 2. Направленность - это безразмерное отношение, которое может быть выражено численно или в децибелы (дБ). Направленность идентична пиковому значению директивное усиление; эти значения указаны без учета эффективности антенны, поэтому они отличаются от прирост мощности (или просто "прибыль"), значение которой является уменьшено антенной эффективность.

Прирост

Коэффициент усиления как параметр измеряет направленность данной антенны. Антенна с низким усилением излучает одинаково во всех направлениях, тогда как антенна с большим усилением будет излучать преимущественно в определенных направлениях. В частности, Прирост или же Увеличение мощности антенны определяется как отношение интенсивность (мощность на единицу поверхности), излучаемая антенной в данном направлении на произвольном расстоянии, деленная на мощность, излучаемую на том же расстоянии, на гипотетический изотропная антенна:

Мы пишем «гипотетический», потому что невозможно построить идеальную изотропную антенну. Прирост - безразмерное число (без единиц измерения).

Усиление антенны - это пассивное явление: мощность не добавляется антенной, а просто перераспределяется для обеспечения большей излучаемой мощности в определенном направлении, чем могла бы передаваться изотропной антенной. Если антенна имеет усиление больше единицы в некоторых направлениях, она должна иметь усиление меньше единицы в других направлениях, поскольку энергия сохраняется антенной. Разработчик антенны должен учитывать ее применение при определении коэффициента усиления. Антенны с высоким коэффициентом усиления имеют преимущество в большей дальности и лучшем качестве сигнала, но должны быть тщательно нацелены в определенном направлении. Антенны с низким коэффициентом усиления имеют меньший диапазон, но ориентация антенны не имеет значения. Например, тарелочная антенна на космическом корабле - это устройство с высоким коэффициентом усиления (для эффективного действия необходимо направить на планету), в то время как типичная Вай фай антенна портативного компьютера имеет низкое усиление (пока базовая станция находится в пределах досягаемости, антенна может быть в любом положении).

В качестве примера рассмотрим антенну, которая излучает электромагнитную волну, электрическое поле которой имеет амплитуду На расстоянии . Эта амплитуда определяется как:

куда:

  • ток, подаваемый на антенну и
  • - постоянная характеристика каждой антенны.

На большое расстояние . Излучаемую волну можно рассматривать локально как плоскую волну. Интенсивность плоской электромагнитной волны равна:

куда универсальная константа, называемая вакуумное сопротивление

Если резистивная часть последовательного импеданса антенны равна , мощность, подаваемая на антенну, равна . Интенсивность изотропной антенны - это мощность, подаваемая таким образом, деленная на поверхность сферы радиуса :

Директивное усиление:

Для обычно используемых полуволновой диполь, конкретная формулировка работает со следующим, включая его децибел эквивалентность, выраженная как дБи (децибелы относятся к ясотропный радиатор):

(В большинстве случаев 73.13, адекватно)
(Так же, 1.64 и 2,15 дБи обычно цитируемые значения)

Иногда в качестве эталона используется полуволновой диполь, а не изотропный излучатель. Затем коэффициент усиления выражается в дБд (децибелы больше dipole):

0 дБд = 2,15 дБи

Физический фон

Измеренное электрическое поле излучалось секундами раньше.

В электрическое поле созданный электрическим зарядом является

куда:

  • это скорость света в вакууме.
  • это диэлектрическая проницаемость свободного пространства.
  • - расстояние от точки наблюдения (места, где оценивается) до точки, где заряд был секунды перед время, когда сделана мера.
  • - единичный вектор, направленный от точки наблюдения (места, где оценивается) до точки, где заряд был секунды перед время, когда сделана мера.

«Штрих» в этой формуле появляется потому, что электромагнитный сигнал проходит через скорость света. Наблюдается, что сигналы исходят из точки, в которой они были излучены, а не из точки, где находится излучатель во время наблюдения. Звезды, которые мы видим на небе, больше не там, где мы их видим. Мы увидим их текущее положение на годы вперед; некоторые из звезд, которые мы видим сегодня, больше не существуют.

Первый член в формуле - это просто электростатическое поле с замедленное время.

Второй член как если бы природа пыталась учесть тот факт, что эффект замедляется (Фейнман).

Третий член - единственный член, который учитывает дальнее поле антенн.

Два первых члена пропорциональны . Только третье пропорционально .

Возле антенны важны все условия. Однако, если расстояние достаточно велико, первые два члена становятся незначительными и остается только третье:

Электрическое поле, излучаемое элементом тока. Элемент тока, вектор электрического поля и находятся в одной плоскости.

Если заряд q находится в синусоидальном движении с амплитудой и пульсация мощность, излучаемая зарядом, составляет:

Вт.

Обратите внимание, что излучаемая мощность пропорциональна четвертой степени частоты. На высоких частотах излучать гораздо легче, чем на низких частотах. Если движение зарядов обусловлено токами, можно показать, что (небольшое) электрическое поле, излучаемое небольшой длиной проводника, по которому течет переменный во времени ток является

Левая часть этого уравнения представляет собой электрическое поле электромагнитной волны, излучаемой проводником небольшой длины. Индекс напоминает, что поле перпендикулярно линии к источнику. В напоминает, что это поле наблюдается секунд после оценки текущей производной. Угол - угол между направлением тока и направлением на точку измерения поля.

Электрическое поле и излучаемая мощность максимальны в плоскости, перпендикулярной токовому элементу. Они равны нулю в направлении тока.

Только переменные во времени токи излучают электромагнитную энергию.

Если ток синусоидальный, его можно записать в сложной форме, точно так же, как это делается для импедансов. Физически значима только реальная часть:

куда:

  • - амплитуда тока.
  • - угловая частота.

(Малое) электрическое поле электромагнитной волны, излучаемой элементом тока, равно:

И на время :

Электрическое поле электромагнитной волны, излучаемой антенной, образованной проводами, представляет собой сумму всех электрических полей, излучаемых всеми небольшими элементами тока. Это добавление осложняется тем фактом, что направление и фаза каждого из электрических полей, как правило, различны.

Расчет параметров антенны при приеме

Коэффициент усиления в любом заданном направлении и импеданс в заданном частота одинаковы, когда антенна используется для передачи или приема.

Электрическое поле электромагнитной волны индуцирует небольшой Напряжение в каждом небольшом сегменте во всех электрических проводниках. Индуцированное напряжение зависит от электрического поля и длины проводника. Напряжение зависит также от взаимной ориентации сегмента и электрического поля.

Каждое небольшое напряжение вызывает ток, и эти токи проходят через небольшую часть антенны. сопротивление. Результат всех этих течений и напряжений далек от немедленного. Однако, используя теорема взаимности, можно доказать, что Тевенин эквивалентная схема приемной антенны:

Эквивалентная схема приемной антенны.

  • - напряжение эквивалентной схемы Тевенина.
  • - импеданс эквивалентной схемы Тевенина, равный импедансу антенны.
  • - последовательная резистивная часть импеданса антенны .
  • - направленное усиление антенны (такое же, как у излучения) в направлении прихода электромагнитных волн.
  • это длина волны.
  • - величина электрического поля падающей электромагнитной волны.
  • - угол несовпадения электрического поля падающей волны с антенной. Для дипольная антенна, максимальное индуцированное напряжение получается, когда электрическое поле параллельно диполю. Если это не так и они не выровнены под углом , индуцированное напряжение будет умножено на .
  • универсальная константа, называемая вакуумное сопротивление или сопротивление свободного пространства.

Эквивалентная схема и формула справа действительны для любого типа антенны. Это также может быть дипольная антенна, а рамочная антенна, а параболическая антенна, или антенная решетка.

Из этой формулы легко доказать следующие определения:

Эффективная длина антенны

- длина, которая, умноженная на электрическое поле принятой волны, дает напряжение эквивалентной схемы антенны Тевенина.

Максимальная доступная мощность

это максимальная мощность, которую антенна может извлечь из входящей электромагнитной волны.

Поперечное сечение или же эффективная поверхность захвата

- поверхность, умноженная на мощность падающей волны на единицу поверхности, дает максимальную доступную мощность.

Максимальная мощность, которую антенна может извлечь из электромагнитного поля, зависит только от коэффициента усиления антенны и квадрата длины волны. . Это не зависит от габаритов антенны.

Используя эквивалентную схему, можно показать, что максимальная мощность поглощается антенной, когда она подключается к нагрузке, согласованной с входным импедансом антенны. Это также означает, что в согласованных условиях количество мощности, повторно излучаемой приемной антенной, равно поглощаемой.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ C.A. Баланис. Теория антенн: анализ и конструкция, 3-е изд. Wiley Interscience, 2005.
  2. ^ Асимптотическое поведение монодромии., Springer Berlin / Heidelberg, 1991 г., ISBN  978-3-540-55009-9
  3. ^ Маклис, Ли (2010-02-03). «Скончался эксперт по антеннам GTRI и наставник инженеров». Свисток. Технологический институт Джорджии. Получено 2011-11-09.
  4. ^ «Стандартные определения терминов IEEE для антенн», IEEE Std 145-1993, стр. 6, 21 июня 1993 г. [1]

дальнейшее чтение

  • Браун, Ф. В. (ноябрь 1964 г.), "Как измерить усиление антенны", CQ: 40––