Измерение антенны

Методы тестирования антенн

Методы измерения антенн относятся к тестированию антенн с целью обеспечения соответствия антенны спецификациям или просто для ее характеристики. Типичные параметры антенны: усиление , полоса пропускания , диаграмма направленности , ширина луча , поляризация , импеданс ; Это императивные коммуникативные средства.

Диаграмма направленности антенны — это реакция антенны на плоскую волну, падающую с заданного направления, или относительная 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 диапазон дальнего поля, где испытуемая антенна (AUT) помещается в дальнее поле антенны диапазона. Из-за размера, необходимого для создания диапазона дальнего поля для больших антенн, были разработаны методы ближнего поля, которые позволяют измерять поле на расстоянии, близком к антенне (обычно от 3 до 10 раз больше ее длины волны ). Затем прогнозируется, что это измерение будет таким же на бесконечности . Третий распространенный метод — это компактный диапазон, который использует отражатель для создания поля вблизи AUT, которое выглядит примерно как плоская волна.

Дальний радиус действия (FF)

Дальний диапазон был первоначальной техникой измерения антенны, и самой простой; он состоит в размещении испытываемой антенны (AUT) на большом расстоянии от измерительной антенны. Обычно расстояние дальнего поля или расстояние Фраунгофера считается ${\displaystyle \ D_{\mathsf {Frnh}}\ ,}$

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

где — наибольший диаметр антенны в любом направлении, а — длина волны радиоволны. ^[1] Разделение AUT и стандартной приемной антенны на это расстояние уменьшает обнаруживаемое изменение фазы в AUT в достаточной степени, чтобы получить достаточно точную оценку диаграммы направленности антенны на большом расстоянии. ${\displaystyle \ d\ }$ ${\displaystyle \ \lambda \ }$

Стандарт измерения антенн IEEE (документ IEEE-Std-149-1979) предлагает настройку для измерения и различные методы как для диапазонов дальнего поля, так и для диапазонов отражения от земли (обсуждается ниже).

Диапазон ближнего поля (NF)

Плоский диапазон ближнего поля

Измерения в ближнем поле проводятся путем сканирования небольшой зондирующей антенны по плоской поверхности. Затем эти измерения преобразуются в дальнее поле с помощью преобразования Фурье или, более конкретно, путем применения метода, известного как стационарная фаза ^[2] , к преобразованию Лапласа . В измерениях в ближнем поле существуют три основных типа плоских сканирований.

Прямоугольное плоскостное сканирование

Зонд движется в декартовой системе координат , и его линейное движение создает регулярную прямоугольную сетку выборки с максимальным интервалом выборки в ближнем поле Δx = Δy = λ /2.

Полярно-планарное сканирование

Более сложным решением метода прямоугольного сканирования является метод плоскополярного сканирования.

Биполярное планарное сканирование

Биполярная техника очень похожа на плоскую полярную конфигурацию.

Цилиндрический диапазон ближнего поля

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

Сферический диапазон ближнего поля

Сферические ближние поля измеряют электрическое поле на сферической поверхности вблизи AUT. Сферические гармоники используются для преобразования этих измерений в дальнее поле

Диапазоны свободного пространства

Формула рассеивания электромагнитного излучения и распространения информации имеет вид:

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

где D представляет расстояние, P мощность и S скорость.

Уравнение означает, что удвоение расстояния связи требует вчетверо большей мощности. Это также означает, что удвоенная мощность позволяет удвоить скорость связи (битрейт). Удвоенная мощность увеличивает примерно на 3 дБ (или ровно на 10×log ₁₀ (2) ≈ 3,0103000 ). Конечно, в реальном мире существуют всевозможные другие явления, которые усложняют оценку доставляемой мощности, такие как подавление Френеля, потеря пути, фоновый шум и т. д.

Компактный диапазон

Компактный испытательный антенный полигон (CATR) — это установка, которая используется для обеспечения удобного тестирования антенных систем на частотах, где получение дальнего поля для AUT было бы невозможным с использованием традиционных методов свободного пространства . Он был изобретен Ричардом С. Джонсоном в Georgia Tech Research Institute . ^[3] CATR использует исходную антенну, которая излучает сферический волновой фронт, и один или несколько вторичных отражателей для коллимации излучаемого сферического волнового фронта в плоский волновой фронт в желаемой зоне тестирования. В одном типичном варианте реализации для достижения этого используются рупорная антенна и параболический отражатель .

CATR используется для микроволновых и миллиметровых волн , где расстояние в дальней зоне велико, например, с антеннами-отражателями с высоким коэффициентом усиления. Размер требуемого диапазона может быть намного меньше размера, требуемого для полноразмерной безэховой камеры в дальней зоне, хотя стоимость изготовления специально разработанного рефлектора CATR может быть высокой из-за необходимости обеспечения точности отражающей поверхности (обычно менее ⁠ ${\displaystyle \ {\frac {\ 2D^{2}\ }{\lambda }}\ }$ 1/100⁠ λ RMS точность поверхности) и специальная обработка края отражателя для предотвращения дифрагированных волн, которые могут помешать желаемой диаграмме направленности луча.

Повышенный диапазон

В приподнятом диапазоне АУТ и измерительная антенна устанавливаются на высоте нескольких длин волн над уровнем земли, что позволяет снизить помехи от волн, отраженных от земли.

Наклонная дальность

В наклонном диапазоне приемная антенна устанавливается выше над землей, чем AUT, либо за счет наклона земной поверхности диапазона вниз от крепления AUT, либо за счет размещения приемной антенны на гораздо более высокой мачте. Наклонная земля (фактическая или эффективная) служит средством устранения или уменьшения помех от симметричного отражения волн путем наклона отраженных волн так, чтобы они отражались под приемной антенной. Теоретически, тот же метод может быть применен в обратном порядке, чтобы отразить большую часть отраженных землей волн выше приемной антенны.

Параметры антенны

За исключением поляризации, КСВ является наиболее легко измеряемым из перечисленных выше параметров. Импеданс можно измерить с помощью специализированного оборудования, поскольку он связан со сложным КСВ. Измерение диаграммы направленности требует сложной установки, включая значительное свободное пространство (достаточное для размещения датчика в дальнем поле антенны или безэховую камеру, предназначенную для антенных измерений), тщательное изучение геометрии эксперимента и специализированное измерительное оборудование, которое вращает антенну во время измерений.

Диаграмма направленности излучения

Диаграмма направленности представляет собой графическое изображение относительной напряженности поля, передаваемого или принимаемого антенной. Помимо главного лепестка, она показывает 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 одного графика.

Каждый поставщик/пользователь антенн имеет разные стандарты, а также форматы построения графиков. Каждый формат имеет свои преимущества и недостатки. Диаграмма направленности антенны может быть определена как геометрическое место всех точек, где излучаемая мощность на единицу поверхности одинакова. Излучаемая мощность на единицу поверхности пропорциональна квадрату электрического поля электромагнитной волны. Диаграмма направленности — это геометрическое место точек с одинаковым электрическим полем. В этом представлении точкой отсчета обычно является наилучший угол излучения. Также можно изобразить направленный коэффициент усиления антенны как функцию направления. Часто коэффициент усиления указывается в децибелах .

Графики можно рисовать с использованием декартовых (прямоугольных) координат или полярного графика . Последний полезен для измерения ширины луча, которая, по соглашению, является углом в точках −3 дБ вокруг максимального усиления. Форма кривых может сильно различаться в декартовых или полярных координатах и ​​с выбором пределов логарифмической шкалы. Четыре рисунка ниже представляют собой диаграммы направленности одной и той же полуволновой антенны .

Эффективность

Эффективность — это отношение мощности, фактически излучаемой антенной, к электрической мощности, которую она получает от передатчика. Эквивалент нагрузки может иметь КСВ 1:1, но эффективность 0, поскольку он поглощает всю падающую мощность, выделяя тепло, но не излучая радиочастотную энергию; КСВ не является мерой эффективности антенны. Сопротивление излучения — это часть сопротивления току, вызванная потерями мощности на излучение антенной. К сожалению, его нельзя измерить напрямую, но это компонент общего сопротивления , которое включает сопротивление потерь. Сопротивление потерь является результатом потерь мощности на тепло в материалах антенны, а не на когерентные радиоволны, что снижает эффективность.

Эффективность ( ) определяется как отношение мощности, когерентно излучаемой в виде радиоволн ( ), к общей мощности, используемой антенной, которая представляет собой сумму мощности, излучаемой когерентно ( ), и мощности, излучаемой в виде тепла ( ): ${\displaystyle \,{\tilde {\eta }}\,}$ ${\displaystyle \,P_{\mathsf {rad}}\,}$ ${\displaystyle \,P_{\mathsf {rad}}\,}$ ${\displaystyle \ P_{\mathsf {loss}}\ }$

${\displaystyle {\tilde {\eta }}\equiv {\frac {P_{\mathsf {rad}}}{\ P_{\mathsf {rad}}+P_{\mathsf {loss}}\ }}\ }$

Эффективность антенны математически равна сопротивлению излучения ( ), деленному на полное сопротивление (действительную часть импеданса, измеренного в узле напряжения, который часто является точкой питания): ${\displaystyle \,R_{\mathsf {rad}}\,}$

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

Пропускная способность

IEEE определяет полосу пропускания как «диапазон частот, в пределах которого производительность антенны, в отношении некоторой характеристики, соответствует указанному 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 полосы пропускания антенны. Это определение может служить практическим определением, однако на практике полоса пропускания обычно определяется путем измерения такой характеристики, как КСВ или излучаемая мощность в интересующем диапазоне частот. Например, полоса пропускания КСВ обычно определяется путем измерения диапазона частот, где КСВ меньше 2:1. Другим часто используемым значением для определения полосы пропускания для резонансных антенн является значение обратных потерь −3 дБ , поскольку потери из-за КСВ составляют −10·log ₁₀ (2÷1) = −3,01000  дБ. 

Направленность

Направленность антенны — это отношение максимальной интенсивности излучения (мощности на единицу поверхности), излучаемой антенной в максимальном направлении, деленное на интенсивность, излучаемую гипотетической изотропной антенной, излучающей ту же общую мощность, что и эта антенна. Например, гипотетическая антенна, имеющая диаграмму направленности в виде полусферы (1/2 сферы), будет иметь направленность 2. Направленность — это безразмерное отношение, которое может быть выражено численно или в децибелах (дБ). Направленность идентична пиковому значению направленного усиления ; эти значения указаны без учета эффективности антенны, таким образом, отличаясь от усиления мощности (или просто «усиления»), значение которого уменьшается на эффективность антенны .

Прирост

Коэффициент усиления как параметр измеряет направленность данной антенны. Антенна с низким коэффициентом усиления излучает излучение во всех направлениях одинаково, тогда как антенна с высоким коэффициентом усиления будет излучать преимущественно в определенных направлениях. В частности, коэффициент усиления или усиление мощности антенны определяется как отношение интенсивности ( мощности на единицу поверхности), излучаемой антенной в заданном направлении на произвольном расстоянии, деленное на интенсивность, излучаемую на том же расстоянии гипотетической изотропной антенной :

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

Мы пишем «гипотетическая», потому что идеальную изотропную антенну построить невозможно. Коэффициент усиления — безразмерное число (без единиц измерения).

Коэффициент усиления антенны является пассивным явлением — мощность не добавляется антенной, а просто перераспределяется для обеспечения большей излучаемой мощности в определенном направлении, чем будет передано изотропной антенной. Если антенна имеет коэффициент усиления больше единицы в некоторых направлениях, она должна иметь коэффициент усиления меньше единицы в других направлениях, поскольку энергия сохраняется антенной. Разработчик антенны должен учитывать применение антенны при определении коэффициента усиления. Антенны с высоким коэффициентом усиления имеют преимущество в виде большей дальности и лучшего качества сигнала, но должны быть тщательно направлены в определенном направлении. Антенны с низким коэффициентом усиления имеют меньший радиус действия, но ориентация антенны не имеет значения. Например, антенна-тарелка на космическом корабле является устройством с высоким коэффициентом усиления (должна быть направлена ​​на планету, чтобы быть эффективной), в то время как типичная антенна WiFi в ноутбуке имеет низкий коэффициент усиления (при условии, что базовая станция находится в пределах досягаемости, антенна может находиться в любой ориентации в пространстве).

Физическое происхождение

Измеренное электрическое поле было излучено за несколько секунд до этого. ${\displaystyle \scriptstyle {r' \over c}}$

Электрическое поле, создаваемое электрическим зарядом, равно ${\displaystyle \scriptstyle {q}}$

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

где:

• ${\displaystyle \scriptstyle {c}}$скорость света в вакууме.
• ${\displaystyle \scriptstyle {\varepsilon _{\circ }}}$— диэлектрическая проницаемость свободного пространства .
• ${\displaystyle \scriptstyle {r'}}$это расстояние от точки наблюдения (места, где оценивается) до точки, где находился заряд за секунды до момента выполнения измерения. ${\displaystyle \scriptstyle {\vec {E}}}$ ${\displaystyle \scriptstyle {r' \over c}}$
• ${\displaystyle \textstyle {{\vec {e}}_{r'}}}$— единичный вектор, направленный от точки наблюдения (места, где оценивается) к точке, где заряд находился за несколько секунд до момента выполнения измерения. ${\displaystyle \scriptstyle {\vec {E}}}$ ${\displaystyle \scriptstyle {r' \over c}}$

«Штрих» в этой формуле появляется потому, что электромагнитный сигнал распространяется со скоростью света . Сигналы наблюдаются как исходящие из точки, где они были испущены, а не из точки, где излучатель находится в момент наблюдения. Звезды, которые мы видим на небе, больше не находятся там, где мы их видим. Мы увидим их текущее положение через много лет в будущем; некоторые из звезд, которые мы видим сегодня, больше не существуют.

Первый член в формуле — это просто электростатическое поле с запаздывающим временем . Второй член — это как если бы природа пыталась учесть тот факт, что эффект запаздывает (Фейнман). Эти два члена описывают ближнее поле антенны. Третий член — это член, который учитывает дальнее поле антенн. Его вторая производная описывает ускорение заряда q. Только ускоренные заряженные частицы испускают электромагнитное излучение. Первые два члена пропорциональны . Только третий пропорционален . ${\displaystyle \textstyle {1 \over r^{2}}}$ ${\displaystyle \textstyle {1 \over r}}$

Вблизи антенны все члены важны. Однако, если расстояние достаточно велико, то первые два члена становятся пренебрежимо малыми и остается только третий:

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

Электрическое поле, излучаемое элементом тока. Элемент тока, вектор электрического поля и находятся в одной плоскости. ${\displaystyle \scriptstyle {{\vec {E}}_{\theta }}}$ ${\displaystyle \textstyle {r}}$

Если заряд q совершает синусоидальное движение, то есть он ускоряется, с амплитудой и пульсацией, то мощность, излучаемая зарядом, равна: ${\displaystyle \scriptstyle {\ell _{\circ }}}$ ${\displaystyle \scriptstyle {\omega }}$

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

Обратите внимание, что излучаемая мощность пропорциональна четвертой степени частоты. Гораздо легче излучать на высоких частотах, чем на низких. Если движение зарядов обусловлено токами, можно показать, что (маленькое) электрическое поле, излучаемое небольшой длиной проводника, по которому течет ток, изменяющийся во времени, равно ${\displaystyle \scriptstyle {d\ell }}$ ${\displaystyle \scriptstyle {I}}$

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

Левая часть этого уравнения — электрическое поле электромагнитной волны, излучаемой проводником небольшой длины. Индекс напоминает, что поле перпендикулярно линии к источнику. Напоминает , что это поле наблюдается через несколько секунд после оценки производной тока. Угол — это угол между направлением тока и направлением на точку, где измеряется поле. ${\displaystyle \scriptstyle {\theta }}$ ${\displaystyle \scriptstyle {t+{r \over c}}}$ ${\displaystyle \scriptstyle {r \over c}}$ ${\displaystyle \scriptstyle {\theta }}$

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

Только изменяющиеся во времени токи излучают электромагнитную энергию.

Если ток синусоидальный, его можно записать в комплексной форме, так же, как и для импедансов. Физический смысл имеет только действительная часть:

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

где:

• ${\displaystyle \scriptstyle {I_{\circ }}}$амплитуда тока.
• ${\displaystyle \scriptstyle {\omega =2\pi f}}$— угловая частота.
• ${\displaystyle \scriptstyle {j={\sqrt {-1}}}}$

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

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

И на данный момент : ${\displaystyle \textstyle {t}\,}$

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

Электрическое поле электромагнитной волны, излучаемой антенной, образованной проводами, является суммой всех электрических полей, излучаемых всеми малыми элементами тока. Это сложение осложняется тем, что направление и фаза каждого из электрических полей, в общем случае, различны.

Расчет параметров антенны при приеме

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

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

Каждое небольшое напряжение индуцирует ток, и эти токи циркулируют через небольшую часть сопротивления антенны . Результат всех этих токов и напряжений далеко не мгновенный. Однако, используя теорему взаимности , можно доказать, что эквивалентная схема Тевенена приемной антенны имеет вид:

Эквивалентная схема приемной антенны.

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

• ${\displaystyle \scriptstyle {V_{a}}}$— эквивалентное напряжение цепи Тевенена.
• ${\displaystyle \scriptstyle {Z_{a}}}$— эквивалентное сопротивление цепи Тевенена, оно равно сопротивлению антенны.
• ${\displaystyle \scriptstyle {R_{a}}}$— это последовательная резистивная часть сопротивления антенны . ${\displaystyle \scriptstyle {Z_{a}}\,}$
• ${\displaystyle \scriptstyle {G_{a}}}$- коэффициент направленного действия антенны (такой же, как и при излучении) в направлении прихода электромагнитных волн.
• ${\displaystyle \scriptstyle {\lambda }}$это длина волны.
• ${\displaystyle \scriptstyle {E_{b}}}$— величина электрического поля входящей электромагнитной волны.
• ${\displaystyle \scriptstyle {\psi }}$— угол рассогласования электрического поля входящей волны с антенной. Для дипольной антенны максимальное индуцированное напряжение получается, когда электрическое поле параллельно диполю. Если это не так и они смещены на угол , индуцированное напряжение будет умножено на . ${\displaystyle \scriptstyle {\psi }}$ ${\displaystyle \scriptstyle {\cos \psi }}$
• ${\displaystyle \scriptstyle {Z_{\circ }={\sqrt {\mu _{\circ } \over \varepsilon _{\circ }}}=376.730313461\ \Omega }}$— универсальная константа, называемая импедансом вакуума или импедансом свободного пространства.

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

Из этой формулы легко доказать следующие определения:

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

— длина, которая, умноженная на электрическое поле принятой волны, дает напряжение эквивалентной антенной цепи Тевенена.

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

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

Поперечное сечение или эффективная поверхность захвата ${\displaystyle =\displaystyle {{G_{a} \over 4\pi }\lambda ^{2}}\,}$

это поверхность, которая, умноженная на мощность на единицу поверхности падающей волны, дает максимально доступную мощность.

Максимальная мощность, которую антенна может извлечь из электромагнитного поля, зависит только от коэффициента усиления антенны и квадрата длины волны . Она не зависит от размеров антенны. ${\displaystyle \scriptstyle {\lambda }}$

Используя эквивалентную схему, можно показать, что максимальная мощность поглощается антенной, когда она заканчивается нагрузкой, согласованной с входным сопротивлением антенны. Это также подразумевает, что при согласованных условиях количество мощности, переизлучаемой приемной антенной, равно поглощенной.

Смотрите также

• Моделирование антенн
• Свободное место
• Сопротивление свободного пространства
• Ближняя и дальняя зона

Ссылки

1. Баланис, Калифорния (2005). Теория антенн: Анализ и проектирование (3-е изд.). Wiley Interscience.
2. Асимптотическое поведение монодромии , Springer Berlin / Heidelberg, 1991, ISBN 978-3-540-55009-9 
3. Маклис, Ли. «Умер эксперт по антеннам GTRI и наставник в области инженерии». The Whistle (некролог). Georgia Institute of Technology . Получено 2011-11-09 .
4. Стандартные определения терминов IEEE для антенн (Отчет). IEEE . Июнь 1993. С. 6, 21. IEEE Std 145-1993.

Дальнейшее чтение

• Браун, Ф. В. (ноябрь 1964 г.). «Как измерить коэффициент усиления антенны». CQ . стр. 40.