AntenneBei der Messung handelt es sich um den Prozess der quantitativen Bewertung und Analyse der Antennenleistung und -eigenschaften. Mithilfe spezieller Testgeräte und Messmethoden messen wir den Gewinn, das Strahlungsmuster, das Stehwellenverhältnis, den Frequenzgang und andere Parameter der Antenne, um zu überprüfen, ob die Designspezifikationen der Antenne den Anforderungen entsprechen, und um die Leistung der Antenne zu überprüfen Verbesserungsvorschläge machen. Die Ergebnisse und Daten von Antennenmessungen können verwendet werden, um die Antennenleistung zu bewerten, Designs zu optimieren, die Systemleistung zu verbessern und Antennenherstellern und Anwendungsingenieuren Anleitung und Feedback zu geben.
Erforderliche Ausrüstung für Antennenmessungen
Das grundlegendste Gerät für Antennentests ist der VNA. Der einfachste VNA-Typ ist ein 1-Port-VNA, der die Impedanz einer Antenne messen kann.
Die Messung des Strahlungsmusters, des Gewinns und der Effizienz einer Antenne ist schwieriger und erfordert viel mehr Ausrüstung. Wir nennen die zu messende Antenne AUT, was für Antenna Under Test steht. Zu den erforderlichen Geräten für Antennenmessungen gehören:
Eine Referenzantenne – Eine Antenne mit bekannten Eigenschaften (Verstärkung, Muster usw.)
Ein HF-Leistungssender – eine Möglichkeit, Energie in die AUT einzuspeisen [Antenna Under Test]
Ein Empfängersystem – Dieses bestimmt, wie viel Leistung von der Referenzantenne empfangen wird
Ein Positionierungssystem – Dieses System wird verwendet, um die Testantenne relativ zur Quellantenne zu drehen, um das Strahlungsmuster als Funktion des Winkels zu messen.
Ein Blockdiagramm der oben genannten Ausrüstung ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1. Diagramm der erforderlichen Antennenmessausrüstung.
Diese Komponenten werden kurz besprochen. Die Referenzantenne sollte natürlich bei der gewünschten Testfrequenz gut strahlen. Referenzantennen sind häufig dualpolarisierte Hornantennen, sodass horizontale und vertikale Polarisation gleichzeitig gemessen werden können.
Das Sendesystem sollte in der Lage sein, einen stabilen bekannten Leistungspegel auszugeben. Die Ausgangsfrequenz sollte außerdem abstimmbar (auswählbar) und einigermaßen stabil sein (stabil bedeutet, dass die Frequenz, die Sie vom Sender erhalten, nahe an der gewünschten Frequenz liegt und nicht stark von der Temperatur abhängt). Der Sender sollte bei allen anderen Frequenzen sehr wenig Energie enthalten (außerhalb der gewünschten Frequenz wird immer etwas Energie vorhanden sein, bei Oberwellen sollte es jedoch beispielsweise nicht viel Energie geben).
Das Empfangssystem muss lediglich ermitteln, wie viel Leistung von der Testantenne empfangen wird. Dies kann über einen einfachen Leistungsmesser erfolgen, bei dem es sich um ein Gerät zur Messung der HF-Leistung (Hochfrequenzleistung) handelt, das über eine Übertragungsleitung (z. B. ein Koaxialkabel mit N-Typ- oder SMA-Steckern) direkt an die Antennenanschlüsse angeschlossen werden kann. Typischerweise handelt es sich beim Empfänger um ein 50-Ohm-System, bei Bedarf kann jedoch auch eine andere Impedanz verwendet werden.
Beachten Sie, dass das Sende-/Empfangssystem häufig durch einen VNA ersetzt wird. Eine S21-Messung sendet eine Frequenz aus Port 1 und zeichnet die empfangene Leistung an Port 2 auf. Daher ist ein VNA für diese Aufgabe gut geeignet; Es ist jedoch nicht die einzige Methode zur Ausführung dieser Aufgabe.
Das Positionierungssystem steuert die Ausrichtung der Testantenne. Da wir das Strahlungsmuster der Testantenne als Funktion des Winkels (normalerweise in Kugelkoordinaten) messen möchten, müssen wir die Testantenne so drehen, dass die Quellantenne die Testantenne aus jedem möglichen Winkel beleuchtet. Hierzu dient das Ortungssystem. In Abbildung 1 zeigen wir, wie die AUT gedreht wird. Beachten Sie, dass es viele Möglichkeiten gibt, diese Drehung durchzuführen. Manchmal wird die Referenzantenne gedreht, und manchmal werden sowohl die Referenz- als auch die AUT-Antenne gedreht.
Da wir nun über die gesamte erforderliche Ausrüstung verfügen, können wir besprechen, wo die Messungen durchgeführt werden sollen.
Wo ist ein guter Ort für unsere Antennenmessungen? Vielleicht möchten Sie dies in Ihrer Garage tun, aber die Reflexionen von Wänden, Decken und Boden würden Ihre Messungen ungenau machen. Der ideale Ort für Antennenmessungen ist irgendwo im Weltraum, wo keine Reflexionen auftreten können. Da die Raumfahrt derzeit jedoch unerschwinglich teuer ist, werden wir uns auf Messorte konzentrieren, die sich auf der Erdoberfläche befinden. Eine schalltote Kammer kann verwendet werden, um den Antennentestaufbau zu isolieren und gleichzeitig reflektierte Energie mit HF-absorbierendem Schaumstoff zu absorbieren.
Freiraumbereiche (schalltote Räume)
Freiraumbereiche sind Antennenmessorte, die dazu dienen, Messungen zu simulieren, die im Weltraum durchgeführt würden. Das heißt, alle reflektierten Wellen von Objekten in der Nähe und vom Boden (die unerwünscht sind) werden weitestgehend unterdrückt. Die beliebtesten Freiraumbereiche sind schalltote Kammern, erhöhte Bereiche und der Kompaktbereich.
Echolose Kammern
Reflexionsarme Räume sind Antennenbereiche für den Innenbereich. Wände, Decken und Boden sind mit einem speziellen elektromagnetischen Wellen absorbierenden Material ausgekleidet. Innenbereiche sind wünschenswert, da die Testbedingungen viel strenger kontrolliert werden können als bei Außenbereichen. Das Material weist oft auch eine gezackte Form auf, was den Anblick dieser Kammern sehr interessant macht. Die gezackten Dreiecksformen sind so gestaltet, dass sich das, was von ihnen reflektiert wird, dazu neigt, sich in zufällige Richtungen auszubreiten, und was sich aus allen zufälligen Reflexionen zusammensetzt, tendiert dazu, sich inkohärent zu addieren und wird somit noch weiter unterdrückt. Das folgende Bild zeigt ein Bild einer schalltoten Kammer sowie einige Testgeräte:
(Das Bild zeigt den RFMISO-Antennentest)
Der Nachteil reflexionsarmer Kammern besteht darin, dass sie oft recht groß sein müssen. Oftmals müssen Antennen mindestens mehrere Wellenlängen voneinander entfernt sein, um Fernfeldbedingungen zu simulieren. Daher benötigen wir für niedrigere Frequenzen mit großen Wellenlängen sehr große Kammern, deren Größe jedoch häufig durch Kosten und praktische Einschränkungen begrenzt ist. Einige Verteidigungsunternehmen, die den Radarquerschnitt großer Flugzeuge oder anderer Objekte messen, verfügen bekanntermaßen über reflexionsarme Kammern von der Größe von Basketballplätzen, obwohl dies nicht üblich ist. Universitäten mit schalltoten Räumen verfügen typischerweise über Kammern mit einer Länge, Breite und Höhe von 3 bis 5 Metern. Aufgrund der Größenbeschränkung und weil HF-absorbierendes Material normalerweise bei UHF und höher am besten funktioniert, werden reflexionsarme Kammern am häufigsten für Frequenzen über 300 MHz verwendet.
Erhöhte Bereiche
Elevated Ranges sind Outdoor-Ranges. Bei diesem Aufbau werden die zu testende Quelle und die Antenne über dem Boden montiert. Diese Antennen können auf Bergen, Türmen, Gebäuden oder wo auch immer man es für geeignet hält, angebracht werden. Dies geschieht häufig bei sehr großen Antennen oder bei niedrigen Frequenzen (VHF und darunter, <100 MHz), wo Messungen in Innenräumen schwierig wären. Das Grunddiagramm eines erhöhten Bereichs ist in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2. Darstellung der erhöhten Reichweite.
Die Quellantenne (oder Referenzantenne) befindet sich nicht unbedingt auf einer höheren Höhe als die Testantenne, ich habe es hier nur so gezeigt. Die Sichtlinie (LOS) zwischen den beiden Antennen (dargestellt durch den schwarzen Strahl in Abbildung 2) muss frei sein. Alle anderen Reflexionen (z. B. der vom Boden reflektierte rote Strahl) sind unerwünscht. Bei erhöhten Reichweiten bestimmen die Prüfer, sobald eine Quelle und ein Testantennenstandort festgelegt sind, wo die signifikanten Reflexionen auftreten werden, und versuchen, die Reflexionen von diesen Oberflächen zu minimieren. Zu diesem Zweck wird häufig HF-absorbierendes Material oder ein anderes Material verwendet, das die Strahlen von der Testantenne weglenkt.
Kompakte Sortimente
Die Quellantenne muss im Fernfeld der Testantenne platziert werden. Der Grund dafür ist, dass die von der Testantenne empfangene Welle für maximale Genauigkeit eine ebene Welle sein sollte. Da Antennen Kugelwellen ausstrahlen, muss die Antenne so weit entfernt sein, dass die von der Quellantenne abgestrahlte Welle annähernd eine ebene Welle ist – siehe Abbildung 3.
Abbildung 3. Eine Quellantenne strahlt eine Welle mit einer sphärischen Wellenfront aus.
Allerdings ist bei Innenkammern oft nicht genügend Trennung vorhanden, um dies zu erreichen. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu beheben, ist ein kompakter Bereich. Bei diesem Verfahren wird eine Quellantenne auf einen Reflektor ausgerichtet, dessen Form so gestaltet ist, dass er die Kugelwelle annähernd planar reflektiert. Dies ist dem Funktionsprinzip einer Parabolantenne sehr ähnlich. Die grundlegende Funktionsweise ist in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4. Kompaktbereich – die Kugelwellen der Quellantenne werden planar (kollimiert) reflektiert.
Die Länge des Parabolreflektors sollte typischerweise um ein Vielfaches größer sein als die der Testantenne. Die Quellantenne in Abbildung 4 ist vom Reflektor versetzt, sodass sie den reflektierten Strahlen nicht im Weg steht. Es muss auch darauf geachtet werden, dass keine direkte Strahlung (gegenseitige Kopplung) von der Quellantenne zur Testantenne entsteht.
Zeitpunkt der Veröffentlichung: 03.01.2024
