Как измерить коэффициент усиления антенны — метод передачи усиления

Коэффициент усиления — одна из ключевых характеристик в технических характеристиках антенн. Он определяется как отношение интенсивности излучения антенны (обычно в направлении пикового излучения) к интенсивности излучения изотропной антенны. Именно поэтому в технических характеристиках антенн коэффициент усиления указывается в дБи : дБ обозначает коэффициент усиления, а i — относительное отношение к изотропной антенне. Изотропная антенна — это гипотетическая антенна, излучающая с одинаковой интенсивностью во всех направлениях без каких-либо потерь.

Достаточное усиление имеет решающее значение для успешной передачи любых радиочастотных/микроволновых сигналов по радиоканалу. Слишком малое усиление приведёт к затуханию сигнала до достижения цели. Слишком большое усиление приведёт к появлению искажений в приёмнике. Следовательно, усиление антенны — важный параметр, помогающий нам планировать или проектировать бюджет беспроводной линии связи.

Существует несколько способов измерения коэффициента усиления антенны, которые будут рассмотрены в нескольких частях. В первой части мы рассмотрим метод передачи коэффициента усиления, также известный как метод сравнения коэффициентов усиления. Согласно стандарту IEEE «Процедуры испытаний антенн» (ANSI/IEEE Std 149-1979) , это наиболее распространённый метод измерения коэффициента усиления антенны.

Метод передачи усиления требует использования трёх антенн: одной тестируемой антенны, одной опорной и одной неисправной . Тестируемая антенна (или тестируемый приемник) – это антенна, коэффициент усиления которой нам необходимо определить. Опорная антенна – это антенна, коэффициент усиления которой (ГРефГРеф .​​) точно известен, обладает высокой степенью размерной стабильности и чистотой поляризации. Он используется в качестве эталона. Антенна типа «Don't Care» — это, по сути, антенна, коэффициент усиления которой нам не требуется точно знать, но она должна иметь, по крайней мере, достаточный динамический диапазон для передачи сигнала до тестируемого устройства.

Для этой цели можно рассмотреть несколько типов выбора инструментов:

  • Векторный/скалярный сетевой анализатор
  • Анализатор спектра со следящим генератором или отдельным генератором сигналов
  • Измеритель мощности и генератор сигналов

Однако для удобства и простоты использования мы рассмотрим, как измерить коэффициент усиления антенны с помощью сетевого анализатора, поскольку сетевой анализатор обычно состоит как из источника, так и из приемника.

Вот предлагаемые шаги:

  1. Установите антенну Don't Care (мы просто называем ее X ) и опорную антенну на устойчивый штатив/держатель.
  2. Обеспечьте разнесение антенн в дальнем поле.
  3. Подключите X- антенну к порту 1 (передатчик) сетевого анализатора, а эталонную антенну — к порту 2 (приемник).
  4. Убедитесь, что антенны правильно совмещены с точки зрения поляризации и направления максимальной интенсивности излучения.
  5. Активируйте измерение S21.
  6. Установите интересующий вас диапазон частот на сетевом анализаторе.
  7. Оптимизируйте динамический диапазон (подробнее об этом будет рассказано в другой статье).
  8. Выполните калибровку отклика/нормализации, которая должна обеспечить ровный отклик S21 на уровне 0 дБ во всем выбранном диапазоне частот. Это означает, что усиление теперь нормализовано по отношению к эталонной антенне.

normalize

Настройка для нормализации по отношению к эталонной антенне

  1. Замените эталонную антенну на проверяемую антенну в точном положении и с точным совмещением.
  2. Запишите новые значения S21. Это коэффициент усиления/потери тестируемого устройства относительно эталонной антенны. Обозначим это как GRelative.
  3. Коэффициент усиления AUT, GAUT затем определяется следующим уравнением в каждой точке частоты:

GAUT​ = GRef + GRelative​​​​​​​​​

Заменить эталонную антенну на AUT для измерения относительного усиления

Заменить эталонную антенну на AUT для измерения относительного усиления

Давайте рассмотрим числовой пример, чтобы лучше понять это уравнение, рассмотрев график усиления антенны на рисунке 1. Предполагая, что нас интересует частота 7 ГГц, мы можем получить GRef = 10 дБи из рисунка 1.

Представьте, что вы получили значение AUT S21, равное -3 дБ на частоте 7 ГГц от сетевого анализатора. Это даёт нам GRelative​=−3dB

Поэтому, GAUT​=10dBi+(−3dB)=7dBi.

Другими словами, усиление AUT на 3 дБ ниже, чем 10 дБи эталонной антенны на частоте 7 ГГц. Следовательно, усиление AUT в дБи должно составлять 7 дБи.

Чтобы улучшить настройку и результаты измерений, вот несколько рекомендаций:

  1. Используйте одинаковые антенны для X и REF. Это облегчит юстировку и согласование антенн. Ещё лучше, если они физически аналогичны AUT.
  2. Расположите антенны AUT и REF вплотную друг к другу с возможностью поворота на 180 градусов, чтобы было проще установить AUT точно в положение REF после переключения.
  3. Проводите измерения с помощью поглотителей, размещенных под антенной, чтобы уменьшить отражение от земли, или, что еще лучше, выполняйте это в безэховой камере.

Расположите антенны AUT и REF вплотную друг к другу.

Расположите антенны AUT и REF вплотную друг к другу

.Разместите поглотители под антеннами, чтобы уменьшить отражение от земли.

Разместите поглотители под антеннами, чтобы уменьшить отражение от земли.