Antennák „nagyon közeltéri” mérése RFxpert vizsgálóműszerrel – 1.
Napjainkban rohamosan nő a vezetékmentesen kommunikáló eszközök száma. Ezek használhatóságának sarkalatos kérdése a megfelelő RF-kommunikáció, amely megfelelően tervezett és tesztelt antenna nélkül elképzelhetetlen. Az RFxpert-műszer hatékony segítséget nyújt és megbízható antennakonstrukciók elkészítéséhez.
Bevezetés
Azok az antennakonstrukciók, amelyek nem teljesítik a specifikációjukat, nem felelnek meg a műszaki előírásoknak, vagy nem elég jók ahhoz, hogy a felhasználó elégedetten használhassa a készüléket, amelybe építették, gyorsan a laboratórium sikertelen fejlesztéseinek „roncstelepén” találják magukat. Még rosszabb, ha egy hibás konstrukció mégis „átcsúszik” a piacra került termékbe, és a felhasználó veszi észre a problémát. Ez súlyos presztízsveszteséget okozhat a gyártónak. Ezért tehát a tervezőnek minősítenie kell az antennát, hogy megfelel-e a minőségi követelményeknek, beleértve a kívánt frekvenciát, a sávszélességet, az impedanciát, a hatásfokot és a polarizációt egyaránt.
A hagyományos antennaminősítés teljes körű távoltéri vizsgálattal, vagy olyan közeltéri adatok gyűjtésével valósítható meg, amelyekből a távoltéri viselkedésre lehet következtetni. Sajnos a leggyorsabban és a legkisebb költséggel elvégezhető síkbeli mintavételi módszer csak irányított antennáknál ad megbízható eredményeket. Az irányítatlan antennák sugárzásának eloszlását a teljes gömbfelület mentén kell vizsgálni, amelyhez elegendően nagy méretű árnyékolt mérőkamrákra van szükség ahhoz, hogy a vizsgált antenna és a szenzorok közötti csatolások lehetőségét kizárhassuk.
Ha egy irányítatlan antennát vizsgálunk (a továbbiakban a vizsgált antennát AUT-ként rövidítjük – Antenna Under Test), a rendszernek tartalmaznia kell egy háromtengelyű (X, Y, Z) antennapozicionáló robotot, amellyel elegendően sok pontban lehet mintát venni. Ennek működtetéséhez szakértő kezelőszemélyre és egy nagyméretű, árnyékolt kamrára van szükség. Ezeket a követelményeket csak magas beruházási és üzemeltetési költséggel, röviden: drágán lehet kielégíteni. Ezeknek az akadályoknak a megkerülésére egy olyan közeltéri mérési elvet és eszközt dolgoztak ki, amely síkban elhelyezett érzékelő szondákkal az AUT-tól mindössze 2,5 cm-nyi távolságból vesz mintákat. Az antenna irányított és irányítatlan is lehet. Egy kétlépéses belső feldolgozással – aminek a részleteiből a felhasználó semmit sem vesz észre –, a műszer először jól bevált algoritmussal átszámítja távoltéri eredményekre a mért közeltéri adatokat, majd egy másik algoritmus elvégzi azokat a helyesbítéseket, amelyek a sík mátrixba rendezett mérőszondák és az AUT között előrejelezhetően kialakuló kölcsönhatások miatt szükségesek. Elsőként vizsgáljunk meg egy hagyományos antennamérő rendszert.
Hagyományos antennamérés – mi is az a „közeltér”?
A jelenleg elterjedt antennamérési módszerek az antenna körül kialakuló kétféle zónával összhangban alakultak ki (1. ábra). A távoltéri zóna (amit sugárzásos távoltérnek vagy Fraunhofer-zónának is neveznek) úgy van meghatározva, hogy ott a mintázat már nem változik a távolsággal. Bár a távoltér határa nincs szigorúan meghatározva, általánosan elfogadott közelítés szerint d > 2D2/λ, ahol d az antenna és az érzékelő közötti távolság, D az antenna legnagyobb geometriai kiterjedése, λ pedig a hullámhossz. Egy másik szokásos közelítés, amely azonban nem foglalkozik az antenna méretével, d > 10λ. Az antennagyártók csak ritkán végeznek igazi távoltéri vizsgálatokat, mivel költségesek és erőforrásigényesek.
1.ábra A zónák az antenna körül
Ezzel szemben a közeltéri zóna – amelyet másként „közeltéri sugárzási zónának”, vagy Fresnel-zónának neveznek – azt a terjedési tartományt jelenti, amelyet az antennagyártók a leggyakrabban vizsgálnak. Amint a neve alapján várható, a közeltéri méréseket egy kisebb térrészben való mérésekre korlátozzák, ezért kisebb mérőkamrával is megoldható. Ha a közeltéri mérési eredmények a rendelkezésünkre állnak, egy jól bevált transzformációval az eredmények a távoltérre is átszámíthatók. Mivel az a célunk, hogy pontos távoltéri eredményekre tegyünk szert, a közeltéri mérésekre alkalmas kamrának pontosan „kézben tartott”, árnyékolt környezetnek kell lennie, különben a reflexiók és a külső zaj jelentősen csökkenti a mérés pontosságát.
Ahogy a távoltér határa sem, úgy a közeltéré sincs formálisan meghatározva – csupán úgy, hogy közeltérnek tekintünk mindent, ami nem távoltér. Ezt matematikailag úgy adhatjuk meg, hogy d < 2D2/λ. Kevésbé pontosan a közeltér a 3λ és 10λ közötti tartomány. A közeltéri mérési eredményeken elvégzett Fourier-trannszformációval a távoltéri eredményekre következtethetünk. Ezt a speciális Fourier-transzformációt „a síkbeli apertúra-eloszlásnak, a sugárzási szög spektrumává” történő átalakításnak nevezhetjük. Ezt a módszert a legtöbb szabályos alakú antenna esetén megfelelően pontosnak fogadják el a közeltéri eloszlásnak a távoltérre való „kivetítésekor”.
A „nagyon közeli tér” fogalmának bevezetése
A „nagyon közeli tér” új fogalom, amelynek során az AUT-ot annyira közelről mérjük, hogy az már megváltoztatja az AUT jellemzőit. Ez a nagyon közeli tér (Very Near Field – VNF) már „behatol” az antennához legközelebbi, ún. reaktív zónába, ellentétben a közeltérrel, amely kívül marad ezen. A hagyományos mérési módszerek rendszerint nem vizsgálják az AUT-ok reaktív zónáját, amelyet kis antennákra a d < λ/2π, nagyméretű antennákra a d < 0,62√–D3/λ képlettel lehet meghatározni. A VNF-térben végzett méréseknél a szenzorok és az antenna közötti csatolás (a szenzorok „visszahatása”) már elkerülhetetlen.
Ahhoz, hogy egy, a VNF-tér mérésére alapozott eljárás használható legyen, minimalizálni kell a szenzornak az antennára történő visszahatását, továbbá előrejelezhetővé kell azt tenni. Ennek érdekében először egy, a letapogatási területen négyzetrács pontjaiba helyezett mérőszondákból álló statikus szondaelrendezés veszi fel az adatokat (2. ábra). Mivel a mérés során a letapogató-rendszer és az antenna nem mozdul el egymáshoz képest, a VNF-tér eloszlásának felvétele nagyon gyors folyamat. A mechanikai mozgás nélküli mérés további előnye, hogy az AUT és a szondamátrix közötti csatolás az egész mérési folyamat során változatlan. Ám még ezzel az egyszerűsítéssel együtt sem létezik olyan módszer, amely teljes mértékben meg tudná oldani azt a visszahatási problémát, amely úgy fogalmazható meg, hogy a csatolás mértéke és térbeli eloszlása függ az AUT alakjától. Viszont a hatást még ismeretlen alakú antennák esetében is elfogadhatóan közelíthetjük. Ennek a megoldásnak a megvalósítása egy kisméretű hurkokból álló mátrix, amely a mágneses tér (H-tér) eloszlását méri a szonda csatolási hatásaival együtt. Ezeket az adatokat a távoli térre a már említett „síkbeli apertúraeloszlásnak a sugárzási szög spektrumává” történő, más néven „síkhullámspektrum” (plane wave spectrum – PWS) transzformációval számítja át. Egy másik, egyedi algoritmus ezután korrigálja ezt a távoltéri vetítést a mérőszondamátrix előre jelezhető csatolási hatásainak kiküszöbölésére. Ennek az előrejelzésnek azonban van egy bizonyos hibája, mivel az nem veszi figyelembe azt, hogy a visszahatás az AUT alakjától is függ. Ez a hiba jellemzően nagyon kicsiny, ráadásul, mivel ugyanazon alakú antennánál állandó, ezért a mérés ismételhetősége és különbségek detektálására való képessége egy adott alakú antennánál rendkívül jó.
2. ábra Az AUT és a statikus mérőszonda-rácselrendezés kölcsönös helyzete
Antennamérési paraméterek
Bármely antenna mérésének elsődleges célja teljesítőképességének meghatározása, amely szoros összefüggésben van a távoltéri mérési eredményekkel. Sokféle vetítési típus közül választhatunk, de ezúttal fordítsuk figyelmünket a síkhullám modális kiterjesztésére. Az ehhez szükséges alapmérések a sugárzás eloszlásának, az antennanyereségnek, a hatásfoknak, a sugárszélességnek és a polarizációnak a meghatározására irányulnak. Bonyolultabb alkalmazásoknál, mint a 4G LTE, több antennát kell megvalósítani a sebesség és az adatátviteli minőség fokozása érdekében. Ezek az alkalmazások a felsoroltaknál összetettebb méréseket is igényelhetnek (például a burkológörbe korrelációja).
3. ábra Az antennavizsgálati módszerek általános összehasonlítása
A polarizációs arány (a polarizációs tengelyek irányában mérhető sugárzási komponensek viszonyszáma) a körkörösen polarizált antennákra jellemző (például a GPS, a műholdas kommunikáció és néhány földfelszíni kommunikációs alkalmazás esetében). A sugárformálás mérései, amelyeket a négyzetes elrendezésű antennarácsoknál és radarkészülékeknél használnak, utat találnak a kereskedelmi alkalmazások területére is. A sugárformálás-méréseket használják bizonyos közeltéri problémák felderítésére is, mint például egy nagy antennarács egy vagy több hibás elemének meghatározása, nemkívánatos rezonanciák felismerése, valamint a készülék „nem antenna” részegységeiben keletkező energiaszivárgás.
Folytatjuk!
Szerző: Ruska Patton – termékfejlesztési igazgató, Ning Yang – antenna-főkonstruktőr – EMSCAN
H TEST Hungary Kft.
9027 Győr, Gesztenyefa u. 4. I/3.
Tel.: + 36 96 999 262
Email: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
www.htest.hu
Még több H TEST
