CALIBRAREA ANTENELOR Clasificarea antenelor din punctul de vedere al măsurărilor: antene active şi pasive de tip bară (-100 MHz), antene active şi pasive de tip cadru (– 100 MHz), dipoli acordabili (25 MHz – 1,7 GHz), antene biconice (20 MHz – 300 MHz), antene conice spiralate logaritmic (100 MHz – 10 GHz), reţea de antene log-periodice (80 MHz – 40 GHz), antene horn (200 MHz – 40 GHz). 11.11.2018
Metodele de calibrare ale antenelor metode de comparaţie, cu un câmp etalon cu o antenă de referinţă etalon; metoda reciprocităţii, care este o metodă absolută de măsurare, aplicabilă numai pentru antenele pasive se bazează pe faptul că antenele sunt reciproce, adică pot fi folosite atât în regim de emisie, cât şi de recepţie. 11.11.2018
Metodele de calibrare ale antenelor Observaţii: ANSI C63.5 – 1988: American National Standard For Calibration of Antennas Used for Radiated Emission Measurements in Electromagnetic Interference (EMI) Control 11.11.2018
Parametrii principali ai antenelor sunt: factorul de antenă, diagrama de directivitate, câştigul, gama de frecvenţe , dezechilibrarea BALUN, poziţia centrului de fază, coeficientul de reflexie etc. Pentru antenele de microunde pot să prezinte interes şi alte mărimi: distribuţia câmpului electromagnetic în zona de câmp apropiat parametrii de polarizare, faza semnalului la diferite porturi izolarea dintre ele Raportul axial, înclinarea fasciculului şi sensul polarizării, componentele polarizării, ultimele trei măsurate prin metoda reciprocităţii. Alte măsurări: tensiunea de străpungere, probe mecanice (vibraţii, acţiunea vântului). 11.11.2018
CALIBRAREA ANTENELOR PRIN METODA COMPARAŢIEI Determinarea câştigului sau a factorului de antenă prin: comparaţie cu o antenă cunoscută - metoda antenei standard (metodă de substituţie), comparaţie într-un un câmp electromagnetic standard. Observaţii: Este convenabil ca antena de testat să fie antenă de recepţie, iar antena emiţătoare, care realizează câmpul de calibrare, să fie o antenă cu directivitate mare pentru a avea o mai bună eficienţă a generatorului şi o perturbare mai redusă a mediului exterior. 11.11.2018
Măsurările se pot efectua în spaţii special amenajate spaţii de testare în câmp deschis, camere anecoide. Observaţii: Factorul de antenă şi câştigul se definesc pentru câmp depărtat care, conform criteriului Rayleigh Ecran h Fig. 1. Schema de calibrare a antenelor prin metoda comparaţiei AE AR Unda directă Unde reflectate d GS RM Cablu 11.11.2018
Observaţii: Pentru antenele mari, la frecvenţe joase, măsurările se fac cu mijloace aeriene. Calibrarea la distanţe mici este avantajoasă deoarece drumul undei directe este scurt şi influenţa reflexiilor este redusă; apar erori datorate sfericităţii câmpului electromagnetic. Măsurarea antenelor cu deschidere largă ridică o serie de probleme legate de reflexiile care pot să apară din cauza obstacolelor din mediul exterior şi a interferenţelor. Radiaţia cablurilor de legătură la antena de emisie modifică câmpul în zona de recepţie. O sursă de erori este reflexia necunoscută a pământului care poate fi redusă prin: folosirea polarizării verticale, exploatarea directivităţii prin folosirea unor suporţi de înălţime corespunzătoare. plasarea de ecrane sau piramide absorbante în spaţiul dintre cele două antene. 11.11.2018
Fig. 3. Explicativă la efectul obstacolelor. Observaţii: Înălţimea h a acestor ecrane trebuie să satisfacă condiţia: Dacă în apropierea zonei de testare se află un obstacol reflector, valoarea maximă a raportului de interferenţă este dată de relaţia: R r1 r2 2 AE AR Fig. 3. Explicativă la efectul obstacolelor. 11.11.2018
Observaţii: 1. Dacă se foloseşte metoda comparaţiei cu o antenă standard în serie cu antena testată sau cu antena standard se introduce un atenuator calibrat care se reglează până la obţinerea egalităţii semnalului recepţionat de cele două antene. În acest caz, câştigul antenei testate este egal cu câştigul antenei standard la care se adună/scade atenuarea de inserţie. 2. Temperatura de lucru este de 2010C, la o umiditate de 0-40 %. Puterea de emisie P, pentru producerea la o distanţă d, a unui câmp electric, E: 11.11.2018
Observaţii: 1. Distanţa dintre antene la care se realizează calibrarea poate fi de 3, 10 sau 30 m, distanţa preferată fiind de 10m. Antenele de emisie şi respectiv, de recepţie se poziţionează la 1 până la 4 m deasupra planului de masă cu polarizare orizontală sau verticală. 2. Pentru a preveni reflexia cablurilor, ele se montează orizontal la circa 2 m de la fiecare antenă şi li se adăugă inele din ferite absorbante. 3. Între generatorul de semnal/amplificatorul de putere şi antena de emisie se plasează un atenuator calibrat cu ajutorul căruia se pot determina: prezenţa semnalelor parazite şi eventualele neadaptări. 11.11.2018
Observaţii: Câştigul antenei faţă de dipolul /2 (câştigul dipolului faţă de antena izotropă este 1,64) şi respectiv, faţă de antena izotropă este: , . Observaţii: Nesimetriile de tip BALUN, datorate trecerii de la regimul simetric la regimul asimetric, pot produce transformarea MC (modul comun) în MD (mod diferenţial). Pentru a determina efectul neadaptării BALUN, se compară rezultatele obţinute prin rotirea antenei calibrate cu 180, în condiţiile unei iluminări de la o sursă situată la o distanţă de 10 m. Acest dezechilibru poate fi redus prin plasarea de ferite absorbante pe cabluri. 11.11.2018
Calibrarea antenelor în câmp electromagnetic standard În gama de frecvenţe 10 kHz – 30 MHz, două linii paralele sau o antenă cadru, pot să producă un câmp electromagnetic etalon. Pentru o antenă cadru, câmpul electric în zona de câmp depărtat este: Pentru un dipol în /2, câmpul electric în zona de câmp depărtat este: Observaţii: Pentru aplicaţiile în care se consideră un câmp electromagnetic etalon trebuie acordată o mare atenţie câmpului electromagnetic ambiental; radiaţiile secundare, provenite de la diverse surse şi reflexiile conduc la modificări importante ale câmpului electromagnetic. 11.11.2018
CALIBRAREA ANTENELOR PRIN METODA RECIPROCITĂŢII Este o metodă absolută de determinare a câştigului sau factorului de antenă şi permite obţinerea unor precizii ridicate. Este necesar să se cunoască atenuarea spaţiului dintre cele două antene, atenuare care se poate determina prin calcul sau experimental. Necesită trei antene (metoda celor trei antene), dintre care cel puţin una trebuie să fie reversibilă. Metoda este convenabilă pentru antenele de bandă largă şi cu o bună directivitate; în acest caz perturbaţiile externe influenţează mai puţin procesul de măsurare. 11.11.2018
Relaţiile de calcul Influenţa undei reflectate de pământ: Densitatea de putere radiată (câmp depărtat), în centrul fascicului: Puterea recepţionată de antena de recepţie cu aria efectivă, Ar, va fi: Pentru adaptare, exprimând puterile în funcţie de tensiunile măsurate: Influenţa undei reflectate de pământ: R=1-(r/d), 11.11.2018
Relaţiile de calcul Funcţia de transfer a sistemului de măsurare: A=20lg(Ue/Ur) rezultă: Observaţii: funcţia de transfer a sistemului depinde şi de înălţimea antenelor. Dacă se elimină câştigul antenelor, se obţine atenuarea normată a spaţiului de măsurare: 11.11.2018
Valorile coeficientului de reflexie Fig. 4. Curbele normate de atenuare a spaţiului . 11.11.2018
Observaţii: Dacă atenuarea măsurată diferă cu mai puţin de 3 dB faţă de cea normată, măsurarea se consideră corectă; dacă atenuarea măsurată diferă faţă de atenuarea normată cu 3 - 10 dB, această valoare se introduce ca o corecţie a măsurărilor, dacă abaterea este mai mare de 10 dB, locul de măsurare este considerat impropriu şi nu mai poate fi utilizat. 11.11.2018
Metoda reciprocităţii Dacă se consideră 3 antene, dintre care cel puţin una trebuie să fie reversibilă, una dintre antene, "i", este în regim emiţător, iar antena "j", în regim receptor. de unde rezultă câştigurile corespunzătoare celor trei antene: 11.11.2018
Surse de erori: Atenuarea normată depinde de distanţa dintre antene; la antenele cu mai multe elemente, centrul de greutate al antenei se deplasează în funcţie de frecvenţă ceea ce face ca distanţa dintre antene să fie funcţie de frecvenţă ( r = (f )); erori de ordinul 2 dB. Imperfecţiunea locului de măsurare conduce la erori de circa 1 dB. Erorile instrumentale sunt cele mai importante şi pot atinge 4 dB. Reflexia solului; dacă înălţimea h a antenelor este suficient de mare (pentru antena emiţătoare înălţimea este de 1,5 sau 2 m, iar pentru antena receptoare între 1 şi 4 m), pentru antenele de frecvenţe ridicate directive, se poate considera Er « Ed şi deci Er 0. La frecvenţe mai joase şi pentru antene cu directivitate mai redusă, reflexia este chiar dorită; prin reglarea înălţimii antenei de recepţie, se poate obţine o întărire a câmpului recepţionat (Ed şi Er sunt în fază). În acest caz, pentru creşterea reflexiei, antenele se plasează pe o placă/podea bună conducătoare. Dacă se poate ţine seama de reflexii, metoda poate fi aplicată şi în spaţii închise cu reflexii multiple. Erorile datorate reflexiei solului pot fi reduse prin: folosirea polarizării verticale; exploatarea caracteristicilor de directivitate ale antenelor, precum şi folosirea unor suporţi corespunzători de susţinere a acestora; plasarea unor materiale absorbante de unde electromagnetice pe pământ, care să reducă reflexiile. Având în vedere mulţimea surselor de perturbaţii, este recomandat ca măsurările să fie repetate de un număr suficient de ori şi să se prelucreze statistic rezultatele obţinute. 11.11.2018
Observaţii: Măsurările se poat realiza şi cu ajutorul unui analizor de reţea. În acest caz se determină parametrul de împrăştiere S21: 11.11.2018
CALIBRAREA ANTENELOR PRIN METODA AUTORECIPROCITĂŢII Se consideră două antene pasive identice (condiţii de câmp depărtat), una fiind antena de emisie, iar cealaltă, de recepţie; pe baza teoremei de reciprocitate se poate scrie: Observaţii: Altă metodă de măsurare: antena emiţătoare se conectează printr-un atenuator calibrat şi se reglează atenuarea A, până ce se obţine acelaşi nivel ca şi la recepţie. 11.11.2018
CALIBRAREA ANTENELOR PRIN METODA AUTORECIPROCITĂŢII Metoda descrisă anterior poate fi folosită şi pentru calibrarea unei singure antene, cu condiţia ca aceasta să fie bilaterală (metoda autoreciprocităţii). x AER Antena imagine Ecran Fig. 5. Metoda autoreciprocităţii. 11.11.2018
Observaţii: 1. Se pot folosi cuploare direcţionale care permit identificarea undei directe şi reflectate. 2. Calibrarea antenelor prin metoda autoreciprocităţii în impuls (metoda ecoului), antena în regim de emisie transmite o undă impuls spre ecranul reflector care, dupa reflexie, este captat de aceeaşi antenă în regim receptor. Dacă cele două impulsuri nu se suprapun, se poate elimina cuplorul direcţional şi se poate determina direct câştigul în funcţie de frecvenţă. Ipoteze: antena este perfect adaptată la circuitul de excitare/recepţie, antena este fără pierderi. semnalele nedorite se pot identifica măsurând antena îndreptată spre cerul liber sau spre un perete perfect absorbant. Dacă se măsoară coeficientul de reflexie , ( r=2x ), se poate scrie: 11.11.2018
Observaţii: Din relaţia între 1/ şi x există o dependenţă liniară; peste această dreaptă se suprapune o sinusoidă din cauza reflexiilor multiple dintre reflector şi antenă; se recomandă aplicarea unei metode de optimizare în stabilirea pantei (prin folosirea regresiei liniare). Altă metodă de măsurare foloseşte analizorul de reţea. pentru două antene, parametrul de transfer este: pentru o singură antenă, se determină S11 pentru semnalul reflectat: Observaţii: Este necesară o calibrare iniţială pentru a determina reflexiile interne prin S11 în absenţa ecranului şi aplicarea unei corecţii: 11.11.2018
MĂSURAREA DIRECTIVITĂŢII ANTENELOR Pentru caracteristica de directivitate se determină o secţiune orizontală şi o secţiune verticală (se ridică diagramele pentru câmpul electric, E, modificând azimutul, şi elevaţia, ): 11.11.2018
Observaţii: 1. Măsurarea - în câmp depărtat, cu 2 antene: una în regim de emisie şi una în regim de recepţie; antena testată – antena de recepţie, este plasată pe o masă rotativă, cu sisteme de măsurare (azimut şi elevaţie). 2. La FÎ - “spaţiului liber”; este necesar să se elimine reflexiile, (cele provenite de la pământ). Prezenţa reflexiilor se determină printr-o baleiere a frecvenţei de emisie; reflexiile produc modificări rapide ale semnalului recepţionat din cauza defazajelor şi recombinării undelor. 3. În domeniul UM şi UM polarizarea câmpului electromagnetic este verticală. Deoarece este mare, distanţa de măsurare trebuie să fie mare, (condiţia de câmp depărtat - criteriul Rayleigh). La FÎ, polarizarea poate fi şi orizontală sau de altă natură (eliptică sau circulară). 4. Pentru antenele de emisie mari, măsurările se fac “in situ”, (la locul de funcţionare cu ajutorul elicopterelor), pe verticală, la o distanţă constantă (în cerc). Diagramele orizontale se fac în maximul celor verticale. Abaterile de la drum sau cerc produc erori suplimentare. Datele privind traiectoria - de la sol. 5. Din cauza lobilor secundari măsurările sunt influenţate de undele reflectate de sol. Coeficientul de reflexie depinde de rezistivitatea şi constanta dielectrică a solului, frecvenţă şi unghiul de incidenţă al undei. La FJ este preponderentă componenta imaginară, în timp ce la frecvenţe ridicate, pământul poate fi considerat ca un dielectric. 11.11.2018
MĂSURAREA CÂMPULUI ELECTROMAGNETIC Măsurarea intensităţii câmpului se face cu senzor de câmp sau antenă, în câmp apropiat (ambele componente ale câmpului) şi câmp depărtat (suficientă măsurarea unei singure componente). Pentru măsurarea intensităţii câmpului electric: l Până la frecvenţe de ordinul a 30 MHz, se foloseşte antena cadru; Observaţii: 1. Pentru creşterea sensibilităţii - condensator în paralel cu antena. Pentru reducerea erorilor, simetrizarea/ecranarea antenei. 2. Ecuaţia este valabilă dacă dimensiunile cadrului sunt de cel puţin 12 ori mai mici decât ; frecvenţa de rezonanţă proprie trebuie să fie de cel puţin 3 ori mai mare decât frecvenţa la care se face măsurarea. 11.11.2018
MĂSURAREA CÂMPULUI ELECTROMAGNETIC La frecvenţe mai mari de 30 MHz se utilizează dipoli adaptaţi, obţinându-se: Deoarece ieşirea dipolului este simetrică - adaptarea cu receptorul (tensiunea la bornele receptorului este ½ din tensiunea electromotoare de la bornele antenei). Observaţii: Dacă măsurarea se face cu o antenă cu câştigul G, puterea recepţionată de antenă va fi: (Rs=50,Zo=377 ) 11.11.2018
Observaţii: 1. Pe baza caracteristicii de directivitate se poate determina raportul faţă/spate. Unele firme definesc în alt mod raportul faţă/spate. 2. Pentru câmpurile complexe, puterea totală PT se determina prin măsurarea a două componente ortogonale într-o direcţie dată. 3. Măsurarea polarizării - rotirea antenei emiţătoare cu planul de polarizare cunoscut. Se măsoară amplitudinea şi faza semnalului recepţionat la mai multe frecvenţe. (Elipsa de polarizare, E1 – câmpul orizontal, E2 – câmpul vertical). 4. Apar erori datorită modului de orientare a antenelor. Uneori este important şi sensul de rotaţie; (sensul de rotaţie este cel al acelor de ceasornic). O altă sursă de erori - instabilitatea fazei măsurate. Erori suplimentare - modificarea distanţei dintre antene (vântul sau vibraţiile în special la frecvenţe ridicate). 11.11.2018
MĂSURAREA IMPEDANŢEI ANTENELOR Impedanţa proprie este importantă în problemele de adaptare. Deoarece antena nu poate fi ecranată, asupra ei acţionează o serie de perturbaţii. Impedanţa unei antene poate fi modificată de cablul de legătură în caz de neadaptare, inclusiv probleme de reflexii. Observaţii: 1. Măsurarea adaptării antenelor se face cu ajutorul reflectometrului cu purtătoare modulată cu impuls; întrucât sistemele de antene sunt selective, frecvenţa purtătoarei se alege în funcţie de banda de frecvenţe utilă. Forma impulsului modulator stabileşte banda de frecvenţe în care se lucrează. Principiul de funcţionare al reflectometrului (principiului ecoului), se bazează pe reflexia undelor în zonele de neadaptare / discontinuitate. Amplitudinea impulsului reflectat este proporţională cu gradul de neadaptare. Folosind impulsuri scurte, se poate determina şi distanţa până la locul neadaptării: 11.11.2018
Observaţii: 2. Pentru unele aplicaţii (GSM) se admite VSWR de 1,5(impedanţa variază între 33-75 ); în zonele de neadaptare apar: unda directă, reflectată şi transmisă, inclusiv atenuările din linii. 3. Măsurarea fazei, ca şi a lungimii electrice, este importantă pentru grupurile de antene. “Lungimea electrică” are sens dacă este mai mică decât lungimea de undă; la cablurile lungi se fac două măsurări: la frecvenţă suficient de joasă pentru determinarea lungimii electrice reale şi la frecvenţa de funcţionare. Lungimea electrică se poate determina şi pe baza factorului de reflexie măsurat la intrare/ieşire pentru o linie în scurtcircuit/ în gol. 11.11.2018