AntenaLa medición es el proceso de evaluar y analizar cuantitativamente el rendimiento y las características de una antena. Mediante equipos de prueba y métodos de medición especiales, medimos la ganancia, el diagrama de radiación, la relación de onda estacionaria, la respuesta en frecuencia y otros parámetros de la antena para verificar si las especificaciones de diseño cumplen con los requisitos, comprobar su rendimiento y ofrecer sugerencias de mejora. Los resultados y datos de las mediciones de antenas se pueden utilizar para evaluar su rendimiento, optimizar diseños, mejorar el rendimiento del sistema y proporcionar orientación y retroalimentación a fabricantes de antenas e ingenieros de aplicaciones.
Equipo necesario para mediciones de antena
Para probar antenas, el dispositivo más fundamental es el VNA. El tipo más simple de VNA es un VNA de 1 puerto, que puede medir la impedancia de una antena.
Medir el diagrama de radiación, la ganancia y la eficiencia de una antena es más difícil y requiere mucho más equipo. Llamaremos a la antena a medir AUT (Antena Bajo Prueba). El equipo necesario para medir antenas incluye:
Una antena de referencia: una antena con características conocidas (ganancia, patrón, etc.)
Un transmisor de potencia de RF: una forma de inyectar energía en la AUT [Antena bajo prueba]
Un sistema receptor: Esto determina cuánta potencia recibe la antena de referencia.
Un sistema de posicionamiento: este sistema se utiliza para girar la antena de prueba con respecto a la antena fuente, para medir el patrón de radiación en función del ángulo.
En la Figura 1 se muestra un diagrama de bloques del equipo mencionado anteriormente.
Figura 1. Diagrama del equipo de medición de antena requerido.
Estos componentes se analizarán brevemente. La antena de referencia debe, por supuesto, radiar correctamente a la frecuencia de prueba deseada. Las antenas de referencia suelen ser antenas de bocina de doble polarización, lo que permite medir simultáneamente la polarización horizontal y vertical.
El sistema de transmisión debe ser capaz de generar un nivel de potencia conocido y estable. La frecuencia de salida también debe ser ajustable (seleccionable) y razonablemente estable (estable significa que la frecuencia obtenida del transmisor es cercana a la deseada y no varía mucho con la temperatura). El transmisor debe contener muy poca energía en todas las demás frecuencias (siempre habrá algo de energía fuera de la frecuencia deseada, pero no debería haber mucha energía en los armónicos, por ejemplo).
El sistema receptor simplemente necesita determinar la potencia recibida de la antena de prueba. Esto se puede realizar mediante un medidor de potencia simple, un dispositivo que mide la potencia de RF (radiofrecuencia) y que se conecta directamente a los terminales de la antena mediante una línea de transmisión (como un cable coaxial con conectores tipo N o SMA). Normalmente, el receptor es un sistema de 50 ohmios, pero puede tener una impedancia diferente si se especifica.
Tenga en cuenta que el sistema de transmisión/recepción suele sustituirse por un analizador vectorial de redes (VNA). Una medición S21 transmite una frecuencia desde el puerto 1 y registra la potencia recibida en el puerto 2. Por lo tanto, un VNA es ideal para esta tarea; sin embargo, no es el único método para realizarla.
El sistema de posicionamiento controla la orientación de la antena de prueba. Dado que queremos medir el diagrama de radiación de la antena de prueba en función del ángulo (normalmente en coordenadas esféricas), necesitamos rotarla para que la antena fuente la ilumine desde todos los ángulos posibles. Para ello, se utiliza el sistema de posicionamiento. En la Figura 1, se muestra la rotación del AUT. Cabe destacar que existen diversas maneras de realizar esta rotación; a veces se rota la antena de referencia y, a veces, tanto la antena de referencia como la del AUT.
Ahora que tenemos todo el equipo necesario, podemos discutir dónde realizar las mediciones.
¿Cuál es un buen lugar para realizar nuestras mediciones de antena? Quizás prefiera hacerlo en su garaje, pero las reflexiones de las paredes, techos y suelos harían que sus mediciones fueran imprecisas. El lugar ideal para realizar mediciones de antena es algún lugar en el espacio exterior, donde no se produzcan reflexiones. Sin embargo, dado que los viajes espaciales son actualmente prohibitivamente caros, nos centraremos en lugares de medición en la superficie terrestre. Se puede utilizar una cámara anecoica para aislar la configuración de prueba de la antena mientras se absorbe la energía reflejada con espuma absorbente de RF.
Cámaras anecoicas de espacio libre
Los rangos de espacio libre son ubicaciones de medición de antena diseñadas para simular mediciones que se realizarían en el espacio. Es decir, se suprimen al máximo todas las ondas reflejadas por objetos cercanos y el suelo (que son indeseables). Los rangos de espacio libre más populares son las cámaras anecoicas, los rangos elevados y el rango compacto.
Cámaras anecoicas
Las cámaras anecoicas son campos de antena interiores. Las paredes, el techo y el suelo están revestidos con un material especial que absorbe las ondas electromagnéticas. Los campos interiores son ideales porque las condiciones de prueba pueden controlarse con mayor precisión que en los campos exteriores. El material suele tener forma irregular, lo que hace que estas cámaras sean muy interesantes. Las formas triangulares irregulares están diseñadas de tal manera que lo que se refleja tiende a dispersarse en direcciones aleatorias, y lo que se suma de todas las reflexiones aleatorias tiende a sumarse de forma incoherente, suprimiéndose aún más. La siguiente imagen muestra una cámara anecoica, junto con algunos equipos de prueba.
(La imagen muestra la prueba de antena RFMISO)
La desventaja de las cámaras anecoicas es que suelen requerir un tamaño considerable. A menudo, las antenas deben estar separadas varias longitudes de onda entre sí, como mínimo, para simular condiciones de campo lejano. Por lo tanto, para frecuencias más bajas con longitudes de onda grandes, necesitamos cámaras muy grandes, pero el costo y las limitaciones prácticas a menudo limitan su tamaño. Se sabe que algunas empresas contratistas de defensa que miden la sección transversal de radar de grandes aviones u otros objetos tienen cámaras anecoicas del tamaño de canchas de baloncesto, aunque esto no es común. Las universidades con cámaras anecoicas suelen tener cámaras de 3 a 5 metros de largo, ancho y alto. Debido a la restricción de tamaño, y a que el material absorbente de RF generalmente funciona mejor en UHF y superiores, las cámaras anecoicas se utilizan con mayor frecuencia para frecuencias superiores a 300 MHz.
Rangos elevados
Los rangos elevados son rangos exteriores. En esta configuración, la fuente y la antena bajo prueba se montan por encima del suelo. Estas antenas pueden estar en montañas, torres, edificios o cualquier lugar adecuado. Esto se suele hacer para antenas muy grandes o en frecuencias bajas (VHF e inferiores, <100 MHz), donde las mediciones en interiores serían difíciles de realizar. El diagrama básico de un rango elevado se muestra en la Figura 2.
Figura 2. Ilustración de rango elevado.
La antena fuente (o antena de referencia) no necesariamente se encuentra a mayor altura que la antena de prueba; lo acabo de mostrar aquí. La línea de visión (LOS) entre las dos antenas (ilustrada por el rayo negro en la Figura 2) debe estar despejada. Cualquier otra reflexión (como el rayo rojo reflejado desde el suelo) es indeseable. Para rangos elevados, una vez determinada la ubicación de la antena fuente y la de prueba, los operadores de prueba determinan dónde se producirán las reflexiones significativas e intentan minimizar las reflexiones provenientes de estas superficies. A menudo se utiliza material absorbente de radiofrecuencia para este propósito, u otro material que desvía los rayos de la antena de prueba.
Gamas compactas
La antena fuente debe ubicarse en el campo lejano de la antena de prueba. Esto se debe a que la onda recibida por la antena de prueba debe ser plana para obtener la máxima precisión. Dado que las antenas emiten ondas esféricas, la antena debe estar lo suficientemente lejos como para que la onda emitida por la antena fuente sea aproximadamente plana (véase la Figura 3).
Figura 3. Una antena fuente irradia una onda con un frente de onda esférico.
Sin embargo, en las cámaras interiores, la separación suele ser insuficiente para lograrlo. Una solución para este problema es un rango compacto. En este método, se orienta una antena fuente hacia un reflector, cuya forma está diseñada para reflejar la onda esférica de forma prácticamente plana. Esto es muy similar al principio de funcionamiento de una antena parabólica. El funcionamiento básico se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Rango compacto: las ondas esféricas de la antena fuente se reflejan para ser planas (colimadas).
Se recomienda que la longitud del reflector parabólico sea varias veces mayor que la de la antena de prueba. La antena fuente de la Figura 4 está desplazada del reflector para evitar que interfiera con los rayos reflejados. También se debe tener cuidado para evitar cualquier radiación directa (acoplamiento mutuo) entre la antena fuente y la antena de prueba.
Hora de publicación: 03-ene-2024
