Antennák „nagyon közeltéri” mérése RFxpert vizsgálóműszerrel – 2.

Napjainkban rohamosan nő a vezetékmentesen kommunikáló eszközök száma. Ezek használ­hatóságának sarkalatos kérdése a megfelelő RF-kommunikáció, amely célirányosan tervezett és tesztelt antenna nélkül elképzelhetetlen. Az RFxpert-műszer hatékony segítséget nyújt a hatékony és megbízható antennakonstrukciók elkészítéséhez.

A hagyományos vizsgálati módszerek

A két hagyományos anennavizsgálati módszer háromféle módon: sík, hengeres és gömbi elrendezésben mérheti a tér eloszlását.
A 3. ábra hasonlítja össze általánosan a mérés különféle paramétereit. Az eredményeket röviden összegezve: a síkbeli, közeltéri vizsgálat az irányított antennákhoz, például műholdak adóantennáihoz ideális.
Bár a hagyományos, sík elrendezésű, közeltéri megvalósítások nem törődnek a csatolásokkal, a valóságban a csatolás mindig jelen van, de olyan kis mértékű, hogy csak elhanyagolható fokban van hatással a számított eredményekre. Amint azt már említettük, a letapogatási terület csökkenése a hagyományos közeltéri mérések esetén rontja a távoltéri eredményekre való átszámítás pontosságát. Ahhoz, hogy jó közeltéri eredményeket kaphassunk, a vizsgálati módszernél be kell tartani a λ/2-es mintavételi szabályt, és elegendően nagy letapogatási területet kell kijelölni.
A közeltéri hengeres letapogatású módszert a körsugárzó antennáknál (például bázisállomások antennáinál) célszerű használni.
A közeltéri, gömbszimmetrikus vizsgálat az irányítatlan antennákhoz (például mobiltelefonok, WiFi, Bluetooth és más hasonló alkalmazások antennáihoz) alkalmas.   

A hagyományos antennamérési technológiák kihívásai

Távoltéri vizsgálat. A távoltéri mérések megvalósításának legnagyobb nehézségét mát a neve is mutatja: távolról kell végezni. A távoltéri mérésekhez nagy fizikai térre van szükség. Ha kültéren végzik, az árnyékolatlan mérést zavarják a környezetben folyó kommunikációs adások jelei. Beltéri végrehajtásnál a távoltéri vizsgálathoz teljesen árnyékolt, óriási belső terekre van szükség, amelynek a belső falán rádióhullám-elnyelő habból készült, költséges burkolatot kell elhelyezni a reflexió megakadályozására.
A távoltéri vizsgálatok ezenkívül jelentős időt is igényelnek, mert egyetlen szondát kell nagy pontossággal a tér három tengelye (X, Y és Z) mentén pozicionálni (ellentétben például a csak kéttengelyes (X, Y) pozicionálást igénylő síkbeli méréssel). Ennek következtében a távoltéri mérések órákig, sőt tovább is tarthatnak, szakképzett kezelőszemélyzetet igényelnek, és a drága berendezés igénybevételére várakozó projektek „sorba állása” is jelentős késleltetéseket okozhat. Szférikus és hengerszerű elrendezésnél a távoltéri mérés precíziós, háromtengelyű robotot igényel. Összegezve: a távoltéri mérések mind a beruházási, mind a működési költségek szempontjából drága vizsgálatok.

Közeltéri vizsgálat. A közeltéri vizsgálatokról majdnem minden hátrány elmondható, amit a távoltéri vizsgálatnál említettünk, azzal a kivétellel, hogy kisebb méretű vizsgálókamra is elegendő. Ámbár gyorsabbak a távoltéri méréseknél, még a leggyorsabb megoldás is perceket vehet igénybe. Ráadásul a szenzorok visszahatását okozó csatolás hatásának pontatlan beszámítása mérési hibát okoz, amely a távoltéri eredményre való kivetítést pontatlanná teszi. Végül a közeltéri mérésekhez szükséges infrastruktúra birtoklása és a mérés kivitelezése szintén költséges.

Visszhangos kamrák. Bár a kamrák falának reflexióját megengedő, árnyékolt kamrák néhány problémát megoldanak a közel- és távoltéri vizsgálatok említett nehézségei közül, a visszhangos kamrák alkalmazásának is vannak jelentős korlátai. Nem tudnak eredményt adni például az antenna iránykarakterisztikájáról vagy a távoltéri polarizációról. A méréseket gyorsabban lehet bennük elvégezni. Bár a pontosság és a mérési sebesség közötti egyensúlyt nem mindig könnyű megtalálni, a diversity-elrendezések antennanyeresége, a több antennából álló rendszerek néhány tulajdonsága, a kisugárzott összteljesítmény, a vevőkészülékeknek egy adott bithiba-arányhoz tartozó érzékenysége és még néhány más paraméter valóban igen jól mérhető a visszhangos kamrákban. Ezek kisebbek és olcsóbbak is a távoltéri és közeltéri méréseknél leírt, reflexiómentesített mérőkamráknál, de ezzel együtt is jelentős a helyigényük és költséges a létesítésük is.  

A VNF-mérésekből kivetített távoltéri eredmények korrelációja a valódi távoltéri mérésekkel

A VNF-mérőműszereknek, mint amilyen az RFxpert is, olyan kivetítésekkel kell értékelhető távoltéri eredményeket produkálniuk, amelyek szoros korrelációt mutatnak a valódi távoltéri mérésekkel. Bár a VNF-méréseknek sokféle különböző antennaelrendezésnél vehetjük hasznát, leginkább a sík elrendezésű antennáknál, például keretantennáknál vagy sík apertúrájú megoldásoknál (például kürtantennáknál) adják a legpontosabb eredményt. Ennek jó példái a mobil eszközöknél használt antennák. A mobil készülékek gyártóinak számos antennaparamétert kell mérniük, hogy megfelelhessenek a műszaki előírásoknak, és igazolhassanak olyan teljesítőképesség-mérőszámokat, mint az irányérzékenység és az antennahatásfok. Az anten­na­hatásfok mobil eszközöknél különösen kritikus tulajdonság, mivel minél jobb hatásfokú az antenna, annál kisebb teljesítmény elegendő a meghajtásához, és annál nagyobb az elem újratöltése nélküli üzemidő. 

4. ábra Mobiltelefonok vizsgálati eredményeinek összehasonlítása

5. ábra A kisugárzott összteljesítmény RFxperttel és közeltéri kamrás méréssel végzett vizsgálatainak összehasonlítása

A következőkben bemutatott vizsgálati eredmények tanúsítják, hogy a VNF-mérésekből számított távoltéri eredmények jól megfeleltethetők a valódi távoltéri eredményekkel. Az eltérés a bemutatott esetekben ±1,5 dB-en belül van. A 4. ábrán látható diagramok a VNF-kivetítések eredményét hasonlítják össze három különböző mobiltelefonnál a tipikus mobiltelefon-frekvenciatartományokban. Az 5. ábrán a függőleges tengelyen az RFxpert VNF-méréseiből extrapolált távoltéri eredmények, a vízszintes tengelyen pedig egy hagyományos, közeltéri vizsgálatból kivetített távoltéri eredmények összefüggését ábrázoltuk. Az eredmények igazolják, hogy a WDCMA alsó sávban és a WiFi-környezetben 2,4 GHz-en végzett VNF-mérések távoltérre átszámított értékei ±1,5 dB-nél nem térnek el jobban a valódi távoltéri mérési eredményektől.

6. ábra Az RFxpert antennamérő letapogató egysége

Összefoglalás: a VNF-antennamérések előnyei

A hagyományos távol- és közeltéri mérőrendszerek folyamatos karbantartást és kalibrációt igényelnek, amelyhez hasonló műveleteket az olyan VNF-mérőeszközök esetében, mint az RFxpert, nem kell elvégezni. Sok mérőkamrához kell egy referenciaantenna is, amelyre a VNF-méréseknél ugyancsak nincs szükség. De talán a legfontosabb a fejlesztés munkafolyamatainak és a piacképes termék előállításának felgyorsításában, hogy ha az RFxpert a fejlesztő keze ügyében van, egy másodpercnél rövidebb idő alatt ad eredményt.
A mérőrendszer a kompakt mérete miatt szinte bárhol használható. Ez a szó szoros értelmében egy „asztali” antennamérő rendszer. Kis mérete ellenére a rendszer kiváló pontossággal adja eredményül mind a sugárzási tér eloszlását, mind pedig a távoltéri paramétereket.
A rendszer áthidalja azokat a hagyományos korlátozásokat is, amelyek egy sík elrendezésű letapogatónál adódnak irányítatlan antennák esetén, a félgömb alakú térre vonatkoztatva. Az AUT és a leta­pogató felület szoros közelsége jelentős térszöglefedettséget eredményez. Ezért, ha elvégzünk egy második mérést az antenna hátoldala felől, az egész térre vonatkoztatható, „teljes szférikus” eredményt kaphatunk.
A VNF-mérésekből származtatott távoltéri eredmények széles metrikai választékot kínálnak a felhasználónak: antennanyereség, kisugárzott összteljesítmény, hatásfok, irányhatás, valamint a polarizáció iránya és mértéke.
Az EMSCAN RFxpert-mérőkészülékének magyarországi hivatalos disztribútora a H-TEST Hungary Kft.

7. ábra Jól látható a hasonlóság az RFxpert által elvégzett irányfüggés-ábrázolás és a CTIA (Cellular Telephone and Internet Association) által elfogadott kamrás mérés ereményei között

Forrás

Patton, R., Yang, N.: How to measure all types of antennas using very-near-field maeasurements. EMSCAN white paper. Magyar fordítás az EMSCAN vállalat magyarországi hivatalos disztributora, a H TEST Hungary Kft. hozzájárulásával.

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

Címkék: EMSCAN | RFxpert | antenna