Tecniche di Misura

di Antenne

Sommario

!  Introduzione

!  Misura del pattern di radiazione di un’antenna

!  Gli Antenna Test Ranges

!  Misure di guadagno

!  Misure di impedenza

Introduzione

!  Necessità di misurare il prodotto antenna •  Valutazione, verifica e documentazione delle performances

•  Modello e.m. non disponibile, troppo complesso o da convalidare

•  Attività di “breadboarding” sui prototipi

!  Quantità misurabili •  Pattern di radiazione (ampiezza e fase)

•  Guadagno (direttività, efficienza)

•  Impedenza d’ingresso

•  Polarizzazione

Introduzione

!  Misura in campo lontano (Far field) •  La distribuzione del campo lontano irradiato dall’antenna (pattern) viene

misurata, per reciprocità, in ricezione:

–  L’antenna misurata riceve un’onda piana uniforme incidente dalla direzione (!, !)

–  Il segnale ricevuto, in ampiezza e fase, è correlato con il campo lontano irradiato dall’antenna nella direzione (!, !)

!  Misura in campo vicino (Near field) •  La distribuzione di campo lontano viene calcolata tramite la trasformata di

Fourier (FFT) del campo vicino (near field) misurato in ampiezza e fase su una superficie (piano, cilindro, sfera o ellisse) che circonda l’antenna

Schema di una misura

!  Strumentazione •  Sistema di trasmissione e ricezione (tipicamente supereterodina)

•  Sistema di posizionatori angolari (per entrambe le antenne)

•  Sistema di acquisizione e processamento dei dati

Source Antenna

Test Antenna

Incoming plane wave or near field probing

TRANSMITTER RECEIVER DATA ACQUISITION &

PROCESSING

TX Positioner

RX Positioner

CONTROLLER

Wt Wr

!  E’ la rappresentazione grafica delle proprietà radiative di un’antenna in funzione della direzione

•  Per ogni direzione, il campo lontano è localmente un’onda piana diretta lungo r e con polarizzazione ellittica

•  E" ed E! sono fasori nelle variabili (!, !) e quindi, per entrambe le componenti, è necessario acquisire un pattern di ampiezza ed uno di fase

Il pattern di radiazione

E !,"( ) = E! !,"( )!̂ + E" !,"( )"̂ =

= E! !,"( ) e!E! ! ,"( )!̂ + E" !,"( ) e!E" ! ,"( )"̂

Acquisizione del pattern

•  Misura del pattern d’ampiezza Se l’antenna riceve un’onda piana con una data polarizzazione e vettore di Poynting St(!, !) costante, la potenza ricevuta è proporzionale al guadagno:

Dalla misura della potenza ricevuta per ogni angolo si ottiene la distribuzione di ampiezza del campo radiato (che viene normalizzata al suo valore massimo)

•  Misura del pattern di fase Se la fase del segnale ricevuto viene confrontata con quella del segnale trasmesso, per una distanza costante tra le antenne, si ottiene la distribuzione della fase del campo radiato

Wr! ,"( ) = !0

2

4"Gr !,"( ) St !,"( ) !Gr !,"( )"Wr

! ,"( )

!  In una misura in far field, il campo incidente sull’apertura dell’antenna misurata deve approssimare un’onda piana uniforme

!  Fattori determinanti la qualità della misura e vincolanti la scelta del test range sono quindi:

•  Variazione di fase del campo incidente sulla superficie dell’antenna da misurare

•  Variazione di ampiezza “” “”

•  Interferenza dovuta all’ambiente circostante

Acquisizione del pattern

E

H

r Er

ZH != ˆ1

0

(q,f) Antenna Under Test

Variazione di fase

!  Variazione della fase sull’apertura: "F =(2#/$)"<#/8

0

2

0

2

2

2

28

2

81

41

!"

!" DR

RD

RDR

>#<$%%&

'(()

*

+%%&

'(()

*,+=$

R

R

"%

D

Tx antenna

Measured antenna aperture

Spherical wavefront

Variazione di ampiezza

!  Taper di illuminazione di pochi decimi di dB (<0.25dB)

E plane

0 30 60 deg 90 -30

-20

-10

0

10

dBi

20

H plane

0.25dB

Tx

Rx

q*%

q*%

Riflessioni spurie

!  Riflessioni spurie dovute all’ambiente

•  Un campo riflesso di -30dB con polarizzazione uguale a quella del segnale diretto può produrre un errore di circa 0.25dB sul guadagno

•  Controllo delle riflessioni tramite: –  posizionamento delle antenne su torri elevate –  antenne TX direttive –  utilizzo di materiale assorbente

ERX = Einc ± Erif

| Einc ! Erif |" ERX | Einc + Erif

ERX = Einc 1±10!3020

#$%

&'(

ERX

dB= Einc dB ± 0.25dB

Pattern di radiazione 2D

!  Il solido di radiazione è tipicamente rappresentato tramite “tagli” 2D praticati su una sfera, in un dato sistema di riferimento (ad esempio quello sferico)

Azimuthal cut

q =cost, 0<&<2#%

Elevation cut

f =cost, -#/2<!<#/2%

•  Per l’acquisizione di un taglio è necessario che:

–  l’antenna sotto test (Rx) sia ferma nell’origine del sistema

–  l’antenna Tx si muova su un cerchio con centro nell’origine

•  Ciò equivale a fissare la trasmittente e a ruotare la ricevente tramite un posizionatore meccanico controllato automaticamente

Pattern di radiazione 2D

Tx Rx

& axis

! axis Polarisation Sel.

- Sistema di acquisizione di un pattern in elevazione -

z

Gli antenna ranges

!  Sistemi di misura “outdoor” •  Elevated Ranges

•  Ground Reflection Ranges

!  Sistemi di misura “indoor” •  Compact Ranges

•  Camera Anecoica

•  Near Field (planare, cilindrico, sferico)

La scelta è legata a:

•  Direttività antenna sotto test

•  Frequenza (o banda di frequenze)

•  Parametri che si intende misurare

•  Dimensioni dell’antenna sotto test

•  Disponibilità

}

Elevated range

•  Misura in far-field di antenne direttive di grandi dimensioni (D»$)

•  Principali limiti: condizioni ambientali, riflessioni dal ground, dimensioni del test range (D, R, h)

•  Controllo riflessioni (h>6D, source antenna direttiva, uso di materiale assorbente, conoscenza a priori territorio, misura impulsata)

Source antenna Test antenna

R

h Reflection path

D dt

Ground reflection range

•  Misura di antenne a fascio largo o se non si dispone di torri più alte di 4D

•  Il segnale riflesso dal ground viene controllato in modo da interferire in maniera costruttiva nella regione dell’antenna misurata. A tale scopo viene variata l’altezza dell’antenna ricevente (hr)

Source antenna Test antenna

ht

Reflection point hr

Image antenna

Range surface

Camera anecoica

•  Sistema indoor compatto, adatto a frequenze maggiori di 100 MHz

•  Le riflessioni vengono assorbite con materiali opportuni (assorbitori RF)

•  L’antenna viene posta entro la zona quieta (dove il contributo delle riflessioni è al di sotto di una soglia specificata)

Source Antenna

RF absorbing walls

Test Antenna

Quiet zone

Camera anecoica

SIGNAL SOURCE FREQ. SYNTHES.

MIXER C O U P L E R

X X

MICROWAVE RECEIVER

IF. PROCESSOR

LOCAL OSCILLATOR

REF. CH.

R.F. CH.

PRECISION ATTN. 0,-40dB

REMOTE CONTROL

UNIT

DIGITAL SYNCHRO DISPLAY

SYNCHRO SELECT UNIT

PATTERN RECORDER

SIGNAL TUNING

3 R.P.M 1000 LBS LOAD 0.05 DEG POS. ACCURACY POLARIZATION POSITIONER

0.03 SYNC. ACCURACY 0.1 DEG BACKLASH 3 RPM 1 AXE HIGH ACCURACY POSITIONER POLARIZATION

MIXER TX

RX

SERIAL INTERFACE

PEN

REC. OUTPUT

-30dB

URETHAME FOAM PYRAMIDAL ABSORBER

X

X

ANECHOIC CHAMBER SCHEME

335 cm

445 cm

270 cm

DOOR

SOURCE INPUT

HEIGHT = 270 cm

Assorbitori RF

•  I coni di materiale assorbente sono in poliuretano caricato con grafite

GENERAL Typical value

Colour black, w ith light blue surface

Dimensions 610 x 610 mm

Nominal weight 1.3 to 18 kg/m!

Height 9 to 178 cm

Basic composition carbon loaded polyurethane foam

Density 40 - 50 g/cm"

THERMALMaximum service temperature 90°C

Power handling capability 0.15 W/cm!

TYPICAL PROPERTIES

Assorbitori RF

•  La riflettività dei coni dipende dall’angolo di incidenza e dalla frequenza

200 300 500 1 3 5 10 15 24MHz MHz MHz GHz GHz GHz GHz GHz GHz

ECCOSORB® VHP-4

-30 -40 -45 -50 -50

ECCOSORB® VHP-8

-30 -40 -50 -50 -50 -50

ECCOSORB® VHP-12

-35 -40 -50 -50 -50 -50

ECCOSORB® VHP-18

-30 -40 -45 -50 -50 -50 -50

ECCOSORB® VHP-26

-30 -35 -40 -50 -50 -50 -50 -50

ECCOSORB® VHP-45

-30 -35 -40 -45 -50 -50 -50 -50 -50

ECCOSORB® VHP-70

-30 -35 -40 -45 -50 -50 -50 -50 -50 -50

GUARANTEED MAXIMUM REFLECTIVITY OF ECCOSORB VHP GRADES IN dB FOR NORMAL INCIDENCE

120 MHz

Compact range

•  L’antenna sotto test è illuminata da un’onda piana uniforme ottenuta tramite un sistema ottico focalizzante

•  Principali limiti: controllo del taper di ampiezza fase, livello di crosspolare, radiazione diretta dal feed.

Feed

Range reflector Test

Antenna

Positioner

RF absorbing walls

Quiet zone

Compact range

Frequency Range: 2 GHz - 100 GHz

Chamber dimensions (m): 7.5 x 7.5 x 12

Quiet Zone Dimensions:

Frequency Diameter Length

6 - 100 GHz 2.5 m 2.5 m

2 - 6 GHz 1.8 m 2.5 m

Amplitude Taper: Less than 1.0 dB

Phase Taper: < 10° below 18 GHz < 20° above 18 GHz

Cross Polar: > 30 dB

TX

Near Field •  Viene misurato il campo tangente ad

un’opportuna porzione di superficie (piana, cilindrica, sferica...) nel campo vicino dell’antenna

•  Il campo lontano è ottenuto operando una FFT sui valori misurati

Near Field dual polarisation probe

Vert Horiz

Esempi Ku band circular feed principal planes (f=14.46GHz)

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90

Theta (deg)

Nor

mal

ised

dire

ctiv

ity (d

B)

E planeH plane

Esempi Ku band circular feed principal planes (f=14.46GHz)

-150

-100

-50

0

50

100

150

-90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90Theta (deg)

Pha

se (d

eg)

E planeH plane

Esempi

•  Rappresentazioni 3D e 2D del pattern di ampiezza per un patch-array

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

WRAS F=1.17 GHz Cut 90

Ampl

itude

(dB)

Elevation (deg)

Copolar Cross

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

-60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

WRAS F=1.17 GHz Cut 0

Ampl

itude

(dB)

Azimuth (deg)

Copolar Cross

-30

-28

-26

-24

-22

-20

Esempi

•  Ologrammi in campo vicino acquisiti tramite near field planare

-1.00 -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

X (meters)

Hologram amplitude - WRAS F=1.56 GHz

-1.00

-0.80

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

Y (m

eter

s)

-1.00 -0.80 -0.60 -0.40 -0.20 0.00 0.20 0.40 0.60 0.80 1.00

X (meters)

Hologram phase - WRAS F=1.56 GHz

-1.00

-0.80

-0.60

-0.40

-0.20

0.00

0.20

0.40

0.60

0.80

1.00

Y (m

eter

s)

-180-170-160-150-140-130-120-110-100-90-80-70-60-50-40-30-20-100102030405060708090100110120130140150160170180

!  Definizione di guadagno di antenna (standard IEEE):

dove Pacc indica la potenza accettata in ingresso dall’antenna ed I(",!) la potenza irradiata, su una data polarizzazione, per unità di angolo solido (Watt/ster) nella direzione (",!)%

!  La misura del guadagno può essere: •  RELATIVA: per confronto con un’antenna il cui guadagno sia

calibrato (Standard Gain Antenna)

•  ASSOLUTA: senza conoscenza di informazioni a priori

Misura di guadagno

( ) ( )accP

IG !"#!" ,4, =

•  Misura assoluta del guadagno di picco col metodo delle due antenne:

•  Assumendo le antenne identiche, si ottiene:

Misura di guadagno assoluta

( )!!"#

$$%& ''!

"#$

%&== RXTXRXTX LLRGG

()4

log205.0 10

!"#$

%&'++=(!

"#$

%&=

)*

*) RGGLLR

ggPP RXTXTXRXRXTXTXRX4

log204 10

2

R

Transmit Receive

PTX PRX

•  Misura assoluta del guadagno di picco col metodo delle tre antenne: si utilizzano tre antenne, A B e C, non necessariamente uguali, e si ripete la procedura descritta precedentemente per tre combinazioni

•  Si ottiene un sistema lineare nelle incognite GA, GB e GC che possono essere così calcolati senza alcuna conoscenza a priori sulle antenne

Misura di guadagno assoluta

3

2

1

!=+!=+!=+

CB

CA

BA

GGGGGG

CBCABARxTx

•  Misura di guadagno relativa ottenuta per confronto con Standard Gain Antenna

Misura di guadagno relativa

)( STDTASTDTA

RSTDTXTXSTD

RTATXTXTA

LLGG

AGGLLAGGLL

!+=

!++=!++=

AR=20 log10(4pR/l)

Transmit

Test Antenna

LTX (dBm)

LTA (dBm)

Std. Gain Antenna

LSTD (dBm)

•  Horn (o dipoli) a guadagno e larghezza di fascio calibrati e documentati in funzione della frequenza, utilizzate per misurare il guadagno di altre antenne

•  Il guadagno di una standard gain antenna viene misurato con una misura assoluta (metodo due antenne o tre antenne)

Standard Gain Antennas

•  La misura di guadagno è affetta da una serie di contributi d’errore indipendenti

•  La distribuzione del guadagno (dBi) tende ad una Gaussiana la cui deviazione può essere calcolata tramite una somma RSS (Root Square Sum)

Incertezze di misura

CONTRIBUTION ERROR (db)

STANDARD GAIN HORN CALIBRATION 0.15

MEASUREMENT SYSTEM ACCURACY 0.10

TEST RANGE REFLECTIVITY 0.05

RANDOM ERRORS 0.05

IMPEDANCE MISMATCH 0.05

RSS ERROR 0.20

Aspetti critici

!  Principali aspetti critici •  Dimensioni del test-range (2D2/$ elevato per antenne grandi)

•  Richiesta di misure in-situ (nella reale configurazione di utilizzo)

•  Tempo richiesto acquisizione (ad es. per phased array)

•  Per sistemi outdoor: scarso controllo dell’interferenza ambientale

•  Per sistemi indoor: limitazioni nell’ingombro del set-up, riflessioni

•  Per sistemi NF: necessità di post-processing e tempo acquisizione

•  Costo (personale, attrezzature)