Tecniche di Misura di Antenne
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
TX
Positioner Antenna
Incoming plane wave
or near field probing
Test
Antenna
Wt
TRANSMITTER
RX
Positioner
Wr
DATA ACQUISITION &
PROCESSING
RECEIVER
CONTROLLER
Il pattern di radiazione
!  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 (! , " ) = E! (! , " )!ˆ + E" (! , " )"ˆ =
!E (! ," )
= E! (! , " ) e !E! (! ," )!ˆ + E" (! , " ) e " "ˆ
• 
E" ed E! sono fasori nelle variabili (!, !) e quindi, per entrambe le
componenti, è necessario acquisire un pattern di ampiezza ed uno di
fase
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:
(! ," )
Wr
!02
=
Gr (! , " ) S t (! , " ) ! Gr (! , " ) " Wr(! ," )
4"
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
Acquisizione del pattern
! 
In una misura in far field, il campo incidente sull’apertura dell’antenna
misurata deve approssimare un’onda piana uniforme
E
1
H=
rˆ ! E
Z0
r
Antenna Under Test
(q,f)
H
! 
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
Variazione di fase
!  Variazione della fase sull’apertura: "F =(2#/$)"<#/8
Spherical
wavefront
"%
*
' D2
D2
(
$ = R 1 + 2 , 1% +
(
% 8R
4R
)
&
* 2" '
"
2D 2
(( %%$ < # R >
8
!0
) !0 &
R
Measured
antenna
aperture
D
R
Tx antenna
Variazione di ampiezza
!  Taper di illuminazione di pochi decimi di dB (<0.25dB)
Rx
20
0.25dB
dBi
10
0
q*%
-10
-20
Tx
q*%
-30
0
30
E plane
H plane
60
deg
90
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
E RX = E inc ± E rif
| E inc ! E rif |" E
• 
E
RX
E
RX
= E inc
dB
RX
| E inc + E rif
30
! &
#
20
%$ 1 ±10 ('
= E inc dB ± 0.25dB
Controllo delle riflessioni tramite:
–  posizionamento delle antenne su torri elevate
–  antenne TX direttive
–  utilizzo di materiale assorbente
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)
Elevation cut
f =cost, -#/2<!<#/2%
Azimuthal cut
q =cost, 0<&<2#%
Pattern di radiazione 2D
• 
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
! axis
Polarisation Sel.
& axis
z
Tx
Rx
- Sistema di acquisizione di un pattern in elevazione -
}
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
dt
D
Reflection path
h
R
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)
Test antenna
Source antenna
Reflection point
hr
ht
Range surface
Image antenna
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)
RF absorbing walls
Test
Antenna
Source
Antenna
Quiet zone
Camera anecoica
445 cm
ANECHOIC
CHAMBER
SCHEME
URETHAME FOAM
PYRAMIDAL ABSORBER
3 R.P.M 1000 LBS LOAD
0.05 DEG POS. ACCURACY
POLARIZATION POSITIONER
TX
HEIGHT = 270 cm
335 cm
RX
MIXER
X
0.03 SYNC. ACCURACY
0.1 DEG BACKLASH
3 RPM 1 AXE
HIGH ACCURACY POSITIONER
POLARIZATION
REMOTE
CONTROL
UNIT
PRECISION
ATTN. 0,-40dB
DIGITAL
SYNCHRO
DISPLAY
DOOR
R.F. CH.
C
MIXER
O
U
REF. CH.
-30dB
P
X
X
L
E X
R
SYNCHRO SELECT
UNIT
SIGNAL TUNING
MICROWAVE
RECEIVER
IF. PROCESSOR
LOCAL
OSCILLATOR
SERIAL INTERFACE
SOURCE INPUT
PATTERN
RECORDER
PEN
SIGNAL SOURCE
FREQ. SYNTHES.
REC.
OUTPUT
270 cm
Assorbitori RF
• 
I coni di materiale assorbente sono in poliuretano caricato con grafite
TYPICAL PROPERTIES
Typical value
GENERAL
Colour
black, w ith light blue surface
Dim ensions
610 x 610 mm
Nom inal w eight
1.3 to 18 kg/m!
Height
9 to 178 cm
Basic com position
carbon loaded polyurethane foam
Density
40 - 50 g/cm"
THERMAL
Maxim um service tem perature
90°C
Pow er handling capability
0.15 W/cm!
Assorbitori RF
• 
La riflettività dei coni dipende dall’angolo di incidenza e dalla frequenza
GUARANTEED MAXIMUM REFLECTIVITY OF ECCOSORB VHP GRADES IN dB FOR NORMAL INCIDENCE
120 MHz
ECCOSORB
® VHP-4
ECCOSORB
® VHP-8
ECCOSORB
® VHP-12
ECCOSORB
® VHP-18
ECCOSORB
® VHP-26
ECCOSORB
® VHP-45
ECCOSORB
® VHP-70
-30
200
300
500
1
3
5
10
15
24
MHz
MHz
MHz
GHz
GHz
GHz
GHz
GHz
GHz
-30
-40
-45
-50
-50
-30
-40
-50
-50
-50
-50
-35
-40
-50
-50
-50
-50
-30
-40
-45
-50
-50
-50
-50
-30
-35
-40
-50
-50
-50
-50
-50
-30
-35
-40
-45
-50
-50
-50
-50
-50
-35
-40
-45
-50
-50
-50
-50
-50
-50
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.
Test
Antenna
RF absorbing walls
Range reflector
Quiet zone
Feed
Positioner
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
Vert
Horiz
Near Field dual polarisation probe
Esempi
Ku band circular feed principal planes (f=14.46GHz)
0
-10
E plane
Normalised directivity (dB)
H plane
-20
-30
-40
-50
-60
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
Theta (deg)
20
30
40
50
60
70
80
90
Esempi
Ku band circular feed principal planes (f=14.46GHz)
150
E plane
100
H plane
Phase (deg)
50
0
-50
-100
-150
-90
-80
-70
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
Theta (deg)
20
30
40
50
60
70
80
90
Esempi
WRAS F=1.17 GHz Cut 0
Copolar
0
Rappresentazioni 3D e 2D del pattern
di ampiezza per un patch-array
-5
-10
-15
-20
Amplitude (dB)
-20
-22
-25
-30
-24
-35
-26
-40
-28
-45
-50
-30
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
20
30
WRAS F=1.17
GHz
Cut 90
Azimuth
(deg)
Copolar
0
40
50
60
40
50
60
Cross
-5
-10
-15
-20
Amplitude (dB)
• 
Cross
-25
-30
-35
-40
-45
-50
-60
-50
-40
-30
-20
-10
0
10
Elevation (deg)
20
30
Esempi
• 
Ologrammi in campo vicino acquisiti tramite near field planare
Hologram phase - WRAS F=1.56 GHz
1.00
0.80
0.80
0.60
0.60
0.40
0.40
0.20
0.20
Y (meters)
Y (meters)
Hologram amplitude - WRAS F=1.56 GHz
1.00
0.00
-0.20
0.00
-0.20
-0.40
-0.40
-0.60
-0.60
-0.80
-0.80
-1.00
-1.00
-0.80
-0.60
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
1.00
081
071
061
051
041
031
021
011
001
09
08
07
06
05
04
03
02
01
0
010203040506070809001011021031041051061071081-
-1.00
-1.00
-0.80
-0.60
X (meters)
-0.40
-0.20
0.00
0.20
0.40
0.60
0.80
X (meters)
Misura di guadagno
!  Definizione di guadagno di antenna (standard IEEE):
G (" , ! ) = 4#
I (" , ! )
Pacc
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
1.00
Misura di guadagno assoluta
• 
Misura assoluta del guadagno di picco col metodo delle due antenne:
PTX
R
Transmit
PRX
Receive
2
PRX
• 
& ) #
& 4*R #
= PTX gTX g RX $
! ( LRX = LTX + GTX + GRX ' 20 log10 $
!
% 4*R "
% ) "
Assumendo le antenne identiche, si ottiene:
&
#
& 4)R #
GTX = GRX = 0.5$$ 20 log10 $
! ' (LTX ' LRX )!!
% ( "
%
"
Misura di guadagno assoluta
• 
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
Tx
A
A
B
• 
Rx
B
C
C
G A + GB = !1
G A + GC = ! 2
GB + GC = ! 3
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 relativa
• 
Misura di guadagno relativa ottenuta per confronto con Standard Gain
Antenna
Std. Gain Antenna
LSTD (dBm)
AR=20 log10(4pR/l)
LTX
(dBm)
LTA (dBm)
Transmit
Test Antenna
LTA = LTX + GTX + GTA ! AR
LSTD = LTX + GTX + GSTD ! AR
GTA = GSTD + ( LTA ! LSTD )
Standard Gain Antennas
• 
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)
Incertezze di misura
• 
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)
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)
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