Новая камера для проведения антенных испытаний

Ограничения при моделировании антенн на ПК

Компания R&S входит в число наиболее известных производителей антенн в мире. Линейка продуктов компании включает широкополосные антенны для широкого спектра применений, включая испытания на ЭМС, контроль спектра, а также радиомониторинг и радиолокацию. Разработка и изготовление высокотехнологичных и оптимизированных антенных систем требуют использования современного высокоточного оборудования и инновационных технологий в области контроля и измерений. Цифровые инструменты моделирования, используемые на этапе разработки в сочетании с высокопроизводительными компьютерами, позволяют эффективно и точно моделировать антенны с помощью аппроксимирующих алгоритмов. Однако по мере роста сложности антенн увеличивается и время моделирования, достигающее чрезвычайно больших значений. В большинстве случаев задача полного моделирования структуры или отдельных компонентов антенны является трудновыполнимой. Проблема усугубляется тем фактом, что электрические свойства используемых материалов, как правило, недостаточно известны и зависят от частоты.

Несмотря на обозначенные выше ограничения, необходимо, чтобы тестирование и измерение параметров антенны проводились с наивысшей степенью точности на этапах разработки и изготовления. Это относится, например, к системам радиопеленгаторных (Direction Finding, DF) антенн. Трехмерные диаграммы направленности (ДН) излучения таких антенн должны измеряться с высоким уровнем точности для обеспечения прецизионной пеленгации. Калибровочные значения, определенные в ходе таких измерений, в сочетании с соответствующими алгоритмами используются для корректировки даже самых малых отдельных принятых значений, измеренных для конкретного радиосигнала при различных углах падения и типах сигнала. Наличие калибровочных значений является обязательным условием для получения точных измерений и, в конечном счете, для обнаружения неизвестных передаваемых радиосигналов с высоким уровнем точности.

Обеспечение высокоточного определения характеристик также необходимо для испытательных антенн (ИА), которые, помимо прочего, должны соответствовать общепринятым и международным стандартам. Для каждой ИА формируется набор калибровочных данных, который полностью описывает антенну. Проведение калибровки совершенно необходимо для обеспечения корректности результатов измерения, полученных с использованием соответствующей ИА, с возможностью проверки достоверности и обеспечением воспроизводимости для проведения сравнительного анализа данных, например с использованием заданных пределов.

Высокая точность измерений в тестовых камерах

Тестовые камеры великолепно подходят для решения задач высокоточного измерения с получением воспроизводимых результатов. Экранированные камеры позволяют избежать влияния нежелательных внешних помех на результаты измерения и обеспечивают постоянство условий, гарантируя долговременную стабильность и воспроизводимость, что является ключевым требованием для обеспечения высокой точности и достоверности измерения. Тестовые камеры не подвержены влиянию помех, которые искажают результаты измерения, таких как электромагнитные поля, вызванные погодными условиями в ходе измерений поля в дальней зоне. Измерения могут проводиться в любое время суток, в том числе и на частотах, недоступных в случае открытых измерительных площадок. Кроме того, обеспечивается конфиденциальность разработки новых продуктов.

Широкий спектр антенн компании R&S включает продукты любого размера и массы для приложений, работающих в диапазонах от звуковых частот до гигагерцовых диапазонов. Это предполагает необходимость наличия гибкой испытательной системы. Универсальная испытательная система требуется для охвата антенн с узкой и широкой диаграммой направленности. Оптимальным решением является система, позволяющая проводить измерения в точках на сфере, то есть собирать измерительные данные с поверхности воображаемой сферы, в центре которой находится фазовый центр ИА. Проблемой является расстояние, на котором должны проводиться измерения. Например, параболическая антенна диаметром 3 м требует расстояния 2 км для проведения измерений поля в дальней зоне на частоте измерения 18 ГГц. Используя эмпирическое правило 4D²/λ, можно вычислить погрешность по фазе, которая для этого расстояния будет составлять 11,25°. Это противоречит техническим требованиям к антеннам компании R&S, для которых требуются погрешности радиопеленгации 1–2°. Одним из методов решения этой проблемы является преобразование результатов измерения поля в ближней зоне в результаты для дальней зоны. Для обеспечения возможности измерения поля как в ближней, так и в дальней зонах компания R&S решила воспользоваться универсальной восьмиосевой системой позиционирования от компании ACC (рис. 1), которая позволяет непрерывно изменять расстояние измерения в диапазоне 1–8,5 м.

Рис. 1. Восьмиосевая система позиционирования в новой тестовой камере на заводе компании R&S в г. Мемминген

Ключевые характеристики тестовой камеры для проведения антенных испытаний:

• частотный диапазон от 200 МГц до 40 ГГц;
• трехмерные измерения поля в ближней и дальней зонах;
• габариты тестовой камеры (Д×Ш×В) 14×10×8 м;
• масса антенны до 200 кг, длина — до 2 м;
• универсальная восьмиосевая система позиционирования;
• расстояние измерения <8,5 м;
• точность позиционирования ±0,02°;
• коэффициент экранирования >80 дБ;
• контрольно-измерительное оборудование для определения характеристик антенны — векторный анализатор цепей R&S ZVA40.

Измерения поля в ближней зоне выполняются в излучающей области ближнего поля. ДН антенны в этой области уже полностью сформирована, а само поле имеет четкую поляризацию. Преобразование результатов измерения поля из ближней зоны в дальнюю позволяет определить, были ли удовлетворены условия дальнего поля в ходе измерения. Если это так, то показанная на рис. 2 ДН больше не должна претерпевать изменений. Увеличение расстояния измерения приводит к снижению уровня взаимодействия между ИА и пробником. Малое расстояние измерения обеспечивает наибольшее значение отношения сигнала к шуму (S/N). Однако погрешности амплитуды и фазы оказывают более сильное влияние в ближней зоне поля. Поскольку результаты для дальнего поля рассчитываются на основании данных, полученных при измерениях в ближней зоне, последние требуют высокой точности позиционирования. Измерения поля в ближней зоне, как правило, проводятся как измерения в точках, равномерно расположенных на сфере. В дополнение к этому необходимо выполнить измерения для двух линейно-независимых поляризаций. Проведение таких измерений может занять много времени; их длительность определяется размером ИА и частотой измерения. Как следствие, предпочтительнее проводить измерения поля в дальней зоне, при условии, что размеры антенны допускают использование этого метода.

Рис. 2. Условие дальней зоны удовлетворено с запасом, поэтому ДН антенны вряд ли изменится после преобразования результатов измерения поля в ближней зоне в дальнюю зону:
синий — результаты измерения поля в дальней зоне;
красный — результаты измерения, преобразованные из ближней зоны поля в дальнюю зону
а) R&S HF907OM; 20,75 ГГц, плоскость E;
б) R&S HL050; 8,5 ГГц, плоскость E

Компания R&S использует программное обеспечение (ПО) ARCS производства компании March Microwave Systems, в котором задействовано программное решение компании TICRA для преобразования дальней зоны поля в ближнюю. ПО TICRA позволяет моделировать электромагнитное поле в ближней зоне с использованием многополюсников в качестве эквивалентных источников на основании следующих формул:

где E(r,ϑ,φ) описывает электрическое поле в сферической системе координат; H(r,ϑ,φ) описывает магнитное поле; β₀ — волновое число свободного пространства; Z_F0 — полное сопротивление свободного пространства; F характеризует векторные сферические моды; Q — коэффициенты при сферических модах [1].

Однако в действительности количество сферических мод не достигает бесконечности, а усекается после n = N. Вторая ось переноса системы позиционирования может быть использована для позиционирования фазового центра ИА с наивысшей степенью точности в центре вращения, что позволяет минимизировать количество мод, требуемых для моделирования электромагнитного поля в ближней зоне, и обеспечивает минимальное изменение фазы ИА. Если фазовый центр ИА находится вне оси вращения, количество требуемых мод увеличится, а фаза ИА будет претерпевать значительные изменения (рис. 3). В зависимости от количества требуемых мод следует определить расположение точек измерения так, чтобы обеспечить точное и однозначное воспроизведение ДН излучения антенны.

Рис. 3. Результаты измерения при нахождении фазового центра ИА вне (а) и на (б) вертикальной оси вращения:
синий — результаты измерения поля в дальней зоне;
красный — результаты измерения, преобразованные из ближней зоны поля в дальнюю зону

Для учета влияния пробника сферическое представление поля ИА переносится в систему координат пробника, в результате чего может быть получена следующая формула:

где a_σμν — коэффициенты переноса и вращения; R — коэффициент приема пробника; a и b — прямая и отраженная мощность волны.

Передаточная матрица может быть с легкостью решена для пробников первого порядка с помощью двойного быстрого преобразования Фурье (БПФ). Недостатком является тот факт, что реальные пробники первого порядка являются узкополосными устройствами. На заводе компании R&S в г. Мемминген для проведения широкополосных измерений используются волноводно-рупорные антенны с двумя дополнительными гребнями. Одна их таких антенн, например, охватывает частотный диапазон 1–18 ГГц. Компания R&S проводит исследования влияния пробника на результаты измерения в сотрудничестве с Институтом техники ВЧ Мюнхенского технического университета (TUM). Институт разработал инновационный алгоритм преобразования на основе эквивалентных источников тока. Новый алгоритм позволяет устранить влияние пробника путем внесения поправок. Коммерческое ПО (такое как TICRA) поддерживает внесение поправок только для пробников первого порядка. Другим преимуществом использования эквивалентных источников тока является возможность визуализации распределения тока вблизи апертуры ИА. Этот метод диагностики (рис. 4) особенно полезен на этапе разработки антенны. Распределение тока в апертуре антенны позволяет выявить ошибки проектирования и предоставляет информацию о ДН излучения.

Рис. 4. Представление токов на апертуре антенны (измерения проведены на сфере в ближней зоне на частоте 17 ГГц)

На этапе оценки, выполняемом для последующего испытания антенны в тестовой камере, были проведены измерения антенн с известными характеристиками, таких как логопериодическая антенна R&S HL223 (от 200 МГц до 1,3 ГГц). На рис. 5 показан коэффициент усиления антенны, измеренный в новой тестовой камере с помощью метода трех антенн. Измеренный коэффициент усиления сравнивается с коэффициентом усиления откалиброванной антенны. Данные откалиброванной антенны приведены с погрешностью измерения ±1 дБ. Значения коэффициента усиления, измеренные в тестовой камере, практически повторяют кривую откалиброванной антенны. На частотах ниже 0,5 ГГц измеренные значения и данные откалиброванной антенны немного отличаются друг от друга, поскольку в этом частотном диапазоне система позиционирования вносит некоторый вклад в характеристики излучения.

Рис. 5. Сравнение коэффициента усиления антенны R&S HL223, измеренного в тестовой камере для проведения антенных испытаний (синий), с коэффициентом усиления откалиброванной антенны (красный)

Для дополнительного повышения точности измерения используется функция стробирования, реализованная в ПО ARCS. Данные, собранные в частотной области, преобразуются во временную область с помощью обратного БПФ. В зависимости от разрешающей способности по частоте Δf и полосы частот B может быть получен следующий диапазон без побочных низко-частотных составляющих (AFR):

где C — скорость света. В диапазоне AFR показаны только действительные отклики во временной области.

Отраженные сигналы в измерительном тракте, порожденные компонентами с различными значениями полного сопротивления или неидеальными поглотителями, могут быть отфильтрованы во временной области путем выбора соответствующей функции ACRS TimeGate и длительности (рис. 6). Важно знать параметры измерительного тракта при определении участка, в рамках которого амплитуда сигнала может быть приписана антенне, и понимать, какие пики являются нежелательными. Если отклик антенны во временной области занимает больший период времени и получен методом наложения отраженных сигналов, практически невозможно отличить сигнал антенны от нежелательных откликов. Как следствие, возникает потребность в дополнительных механизмах введения поправок. Компания R&S в сотрудничестве с институтом техники ВЧ TUM в настоящее время разрабатывает методы подавления отраженных сигналов. Одним из подходов является проведение измерений поля в ближней зоне на различных длинах радиусов. Результаты преобразуются в данные для дальней зоны поля, и формируется набор ДН излучения в дальней зоне поля. Посредством сингулярного разложения эти ДН разбиваются на главные и второстепенные элементы. Второстепенные ведут к появлению ошибок. Поэтому для представления действительного поля в дальней зоне предполагается использовать только главный элемент. Дополнительные методы, нацеленные на повышение точности измерения, находятся в процессе разработки.

Рис. 6. Использование функции TimeGate ПО ACRS для фильтрации отраженных сигналов, появляющихся в измерительном тракте

Выводы

Новая тестовая камера для проведения антенных испытаний позволяет выполнять высокоточные трехмерные измерения в частотном диапазоне от 200 МГц до 40 ГГц. Благодаря этому компания R&S хорошо оснащена для решения сложных задач контроля и измерений широкой линейки производимых компанией антенн.