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 específicos, medimos la ganancia, el patrón 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 la antena se pueden utilizar para evaluar su rendimiento, optimizar los diseños, mejorar el rendimiento del sistema y proporcionar orientación y retroalimentación a los fabricantes de antenas y a los ingenieros de aplicaciones.
Equipo necesario para la medición de antenas
Para las pruebas de antenas, el dispositivo más fundamental es el analizador vectorial de redes (VNA). El tipo más sencillo de VNA es el de 1 puerto, que permite medir la impedancia de una antena.
Medir el patrón de radiación, la ganancia y la eficiencia de una antena es más difícil y requiere mucho más equipo. Llamaremos a la antena que se va a medir AUT, que significa Antena Bajo Prueba. El equipo necesario para las mediciones de antenas incluye:
Antena de referencia: una antena con características conocidas (ganancia, patrón de radiación, 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.
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 necesario para la medición de antenas.
Estos componentes se describirán brevemente. La antena de referencia debe, por supuesto, irradiar 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 transmisor debe ser capaz de generar un nivel de potencia estable y conocido. La frecuencia de salida también debe ser sintonizable (seleccionable) y razonablemente estable (estable significa que la frecuencia que se obtiene 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 cuánta potencia recibe de la antena de prueba. Esto se puede hacer mediante un medidor de potencia sencillo, un dispositivo para medir la potencia de radiofrecuencia (RF) 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.
Cabe destacar que el sistema de transmisión/recepción suele sustituirse por un analizador vectorial de redes (VNA). Una medición S21 transmite una frecuencia por el puerto 1 y registra la potencia recibida en el puerto 2. Por lo tanto, un VNA es idóneo para esta tarea; sin embargo, no es el único método para llevarla a cabo.
El sistema de posicionamiento controla la orientación de la antena de prueba. Dado que queremos medir el patrón 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. El sistema de posicionamiento se utiliza para este fin. En la Figura 1, se muestra la antena bajo prueba (AUT) en rotación. Cabe destacar que existen diversas maneras de realizar esta rotación; a veces se rota la antena de referencia, y otras veces se rotan tanto la antena de referencia como la AUT.
Ahora que contamos con todo el equipo necesario, podemos hablar sobre dónde realizar las mediciones.
¿Cuál es el mejor lugar para realizar mediciones de antenas? Quizás le gustaría hacerlo en su garaje, pero los reflejos de las paredes, el techo y el suelo harían que las mediciones fueran imprecisas. El lugar ideal para realizar mediciones de antenas es algún lugar en el espacio exterior, donde no se producen reflejos. Sin embargo, dado que los viajes espaciales son actualmente prohibitivos por su elevado coste, nos centraremos en lugares de medición en la superficie terrestre. Una cámara anecoica permite aislar el equipo de prueba de antenas y, al mismo tiempo, absorber la energía reflejada con espuma absorbente de radiofrecuencia.
Campos de pruebas en espacio libre (cámaras anecoicas)
Los campos de medición en espacio libre son ubicaciones diseñadas para simular mediciones que se realizarían en el espacio. Es decir, se suprimen al máximo las ondas reflejadas por objetos cercanos y el suelo (que son indeseables). Los campos de medición en espacio libre más comunes son las cámaras anecoicas, los campos elevados y los campos compactos.
Cámaras anecoicas
Las cámaras anecoicas son campos de pruebas de antenas interiores. Las paredes, el techo y el suelo están revestidos con un material especial absorbente de ondas electromagnéticas. Los campos de pruebas interiores son preferibles porque las condiciones de prueba se pueden controlar con mucha mayor precisión que en los campos de pruebas exteriores. El material suele tener una forma irregular, lo que hace que estas cámaras sean bastante interesantes a la vista. Las formas triangulares irregulares están diseñadas para que la luz reflejada tienda a dispersarse en direcciones aleatorias, y la suma de todas las reflexiones aleatorias tienda a ser incoherente y, por lo tanto, se suprima aún más. En la siguiente imagen se muestra una cámara anecoica junto con algunos equipos de prueba:
(La imagen muestra la prueba de la antena RFMISO)
La desventaja de las cámaras anecoicas es que suelen requerir un tamaño considerable. A menudo, las antenas deben estar separadas por varias longitudes de onda como mínimo para simular condiciones de campo lejano. Por lo tanto, para frecuencias bajas con longitudes de onda grandes, se necesitan cámaras de gran tamaño, pero el costo y las limitaciones prácticas suelen restringir su tamaño. Se sabe que algunas empresas contratistas de defensa que miden la sección transversal de radar de grandes aviones u otros objetos cuentan con cámaras anecoicas del tamaño de canchas de baloncesto, aunque esto no es lo habitual. Las universidades con cámaras anecoicas suelen tener cámaras de 3 a 5 metros de largo, ancho y alto. Debido a la limitación de tamaño y a que el material absorbente de RF suele funcionar mejor en UHF y frecuencias superiores, las cámaras anecoicas se utilizan con mayor frecuencia para frecuencias superiores a 300 MHz.
Cordilleras elevadas
Los campos de medición elevados son campos de medición al aire libre. En esta configuración, la fuente y la antena bajo prueba se montan sobre el suelo. Estas antenas pueden ubicarse en montañas, torres, edificios o cualquier otro lugar que se considere adecuado. Esto se suele hacer con antenas muy grandes o en frecuencias bajas (VHF e inferiores, <100 MHz), donde las mediciones en interiores serían inviables. El diagrama básico de un campo de medición elevado se muestra en la Figura 2.
Figura 2. Ilustración de un rango elevado.
La antena de origen (o de referencia) no tiene por qué estar a mayor altura que la antena de prueba; simplemente la he mostrado así. La línea de visión (LOS) entre ambas antenas (ilustrada por el rayo negro en la Figura 2) debe estar despejada. Cualquier otra reflexión (como el rayo rojo reflejado en el suelo) es indeseable. Para alcances elevados, una vez determinada la ubicación de la antena de origen y la de prueba, los operadores de la prueba determinan dónde se producirán las reflexiones significativas e intentan minimizarlas en dichas superficies. A menudo se utiliza material absorbente de radiofrecuencia para este fin, u otro material que desvíe los rayos lejos de la antena de prueba.
Cocinas compactas
La antena fuente debe ubicarse en el campo lejano de la antena de prueba. Esto se debe a que, para obtener la máxima precisión, la onda recibida por la antena de prueba debe ser plana. Dado que las antenas irradian ondas esféricas, la antena debe estar lo suficientemente lejos para que la onda irradiada 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 cámaras interiores, a menudo no hay suficiente separación para lograrlo. Un método para solucionar este problema es mediante un sistema compacto. En este método, una antena fuente se orienta hacia un reflector, cuya forma está diseñada para reflejar la onda esférica de manera aproximadamente plana. Esto es muy similar al principio de funcionamiento de una antena parabólica. El funcionamiento básico se muestra en la Figura 4.
Figura 4. Alcance compacto: las ondas esféricas de la antena fuente se reflejan para convertirse en planas (colimadas).
La longitud del reflector parabólico suele ser varias veces mayor que la de la antena de prueba. La antena fuente de la Figura 4 está desplazada del reflector para que no obstruya los rayos reflejados. Asimismo, es importante evitar cualquier radiación directa (acoplamiento mutuo) entre la antena fuente y la antena de prueba.
Fecha de publicación: 3 de enero de 2024
