Ăng-tenĐo lường là quá trình đánh giá và phân tích định lượng hiệu suất và đặc tính của anten. Bằng cách sử dụng thiết bị thử nghiệm và phương pháp đo lường chuyên dụng, chúng tôi đo độ lợi, giản đồ bức xạ, tỷ số sóng đứng, đáp ứng tần số và các thông số khác của anten để xác minh xem các thông số thiết kế của anten có đáp ứng yêu cầu hay không, kiểm tra hiệu suất của anten và đưa ra các đề xuất cải tiến. Kết quả và dữ liệu từ các phép đo anten có thể được sử dụng để đánh giá hiệu suất anten, tối ưu hóa thiết kế, cải thiện hiệu suất hệ thống và cung cấp hướng dẫn và phản hồi cho các nhà sản xuất anten và các kỹ sư ứng dụng.
Thiết bị cần thiết trong đo lường anten
Đối với việc kiểm tra anten, thiết bị cơ bản nhất là VNA. Loại VNA đơn giản nhất là VNA 1 cổng, có khả năng đo trở kháng của anten.
Việc đo mẫu bức xạ, độ lợi và hiệu suất của ăng-ten khó hơn và đòi hỏi nhiều thiết bị hơn. Chúng ta sẽ gọi ăng-ten cần đo là AUT, viết tắt của Antenna Under Test (Ăng-ten cần kiểm tra). Các thiết bị cần thiết cho việc đo ăng-ten bao gồm:
Ăng-ten tham chiếu - Một ăng-ten có các đặc tính đã biết (độ lợi, mô-đun bức xạ, v.v.)
Bộ phát công suất RF - Một phương pháp để cung cấp năng lượng cho AUT [Ăng-ten cần thử nghiệm].
Hệ thống thu - Hệ thống này xác định lượng công suất mà ăng-ten tham chiếu nhận được.
Hệ thống định vị - Hệ thống này được sử dụng để xoay ăng-ten thử nghiệm so với ăng-ten nguồn, nhằm đo mẫu bức xạ theo góc.
Sơ đồ khối của các thiết bị nêu trên được thể hiện trong Hình 1.
Hình 1. Sơ đồ thiết bị đo anten cần thiết.
Các thành phần này sẽ được thảo luận ngắn gọn. Ăng-ten tham chiếu dĩ nhiên phải bức xạ tốt ở tần số thử nghiệm mong muốn. Ăng-ten tham chiếu thường là ăng-ten hình loa phân cực kép, để có thể đo đồng thời cả phân cực ngang và phân cực dọc.
Hệ thống phát tín hiệu phải có khả năng tạo ra mức công suất ổn định đã biết. Tần số đầu ra cũng phải có thể điều chỉnh (lựa chọn) và tương đối ổn định (ổn định có nghĩa là tần số nhận được từ máy phát gần với tần số mong muốn, không thay đổi nhiều theo nhiệt độ). Máy phát phải chứa rất ít năng lượng ở tất cả các tần số khác (luôn có một số năng lượng nằm ngoài tần số mong muốn, nhưng không nên có nhiều năng lượng ở các tần số hài, chẳng hạn).
Hệ thống thu chỉ cần xác định lượng công suất nhận được từ ăng-ten thử nghiệm. Điều này có thể được thực hiện thông qua một máy đo công suất đơn giản, là thiết bị đo công suất tần số vô tuyến (RF) và có thể được kết nối trực tiếp với các đầu cực của ăng-ten thông qua đường truyền (chẳng hạn như cáp đồng trục với đầu nối loại N hoặc SMA). Thông thường, bộ thu là hệ thống 50 Ohm, nhưng có thể có trở kháng khác nếu được chỉ định.
Lưu ý rằng hệ thống phát/nhận thường được thay thế bằng máy phân tích mạng vector (VNA). Phép đo S21 phát một tần số ra khỏi cổng 1 và ghi lại công suất nhận được tại cổng 2. Do đó, VNA rất phù hợp với nhiệm vụ này; tuy nhiên, nó không phải là phương pháp duy nhất để thực hiện nhiệm vụ này.
Hệ thống định vị điều khiển hướng của ăng-ten thử nghiệm. Vì chúng ta muốn đo mẫu bức xạ của ăng-ten thử nghiệm theo góc (thường là trong hệ tọa độ cầu), nên chúng ta cần xoay ăng-ten thử nghiệm sao cho ăng-ten nguồn chiếu sáng ăng-ten thử nghiệm từ mọi góc độ có thể. Hệ thống định vị được sử dụng cho mục đích này. Trong Hình 1, chúng ta thấy ăng-ten cần thử nghiệm (AUT) đang được xoay. Lưu ý rằng có nhiều cách để thực hiện phép xoay này; đôi khi chỉ ăng-ten tham chiếu được xoay, và đôi khi cả ăng-ten tham chiếu và ăng-ten AUT đều được xoay.
Giờ chúng ta đã có đầy đủ thiết bị cần thiết, chúng ta có thể thảo luận về địa điểm tiến hành đo đạc.
Vị trí nào là tốt nhất để đo đạc anten? Có thể bạn muốn thực hiện việc này trong gara, nhưng sự phản xạ từ tường, trần và sàn nhà sẽ làm cho các phép đo không chính xác. Vị trí lý tưởng để thực hiện đo đạc anten là ở đâu đó trong không gian vũ trụ, nơi không có sự phản xạ. Tuy nhiên, vì du hành vũ trụ hiện nay quá tốn kém, chúng ta sẽ tập trung vào các vị trí đo đạc trên bề mặt Trái đất. Có thể sử dụng buồng cách âm để cách ly thiết lập thử nghiệm anten đồng thời hấp thụ năng lượng phản xạ bằng bọt hấp thụ tần số vô tuyến.
Khu vực không gian trống (Phòng cách âm)
Các trạm đo không gian tự do là các vị trí đo ăng-ten được thiết kế để mô phỏng các phép đo được thực hiện trong không gian. Nghĩa là, tất cả các sóng phản xạ từ các vật thể gần đó và mặt đất (những sóng không mong muốn) đều được triệt tiêu càng nhiều càng tốt. Các trạm đo không gian tự do phổ biến nhất là buồng cách âm, trạm đo trên cao và trạm đo nhỏ gọn.
Phòng cách âm
Buồng cách âm là các khu vực thử nghiệm ăng-ten trong nhà. Các bức tường, trần nhà và sàn nhà được lót bằng vật liệu hấp thụ sóng điện từ đặc biệt. Khu vực thử nghiệm trong nhà được ưa chuộng vì điều kiện thử nghiệm có thể được kiểm soát chặt chẽ hơn nhiều so với khu vực thử nghiệm ngoài trời. Vật liệu này thường có hình dạng lởm chởm, khiến cho các buồng này khá thú vị khi quan sát. Các hình tam giác lởm chởm được thiết kế sao cho những gì phản xạ từ chúng có xu hướng lan truyền theo các hướng ngẫu nhiên, và những gì được cộng lại từ tất cả các phản xạ ngẫu nhiên có xu hướng cộng hưởng không đồng nhất và do đó bị triệt tiêu thêm. Hình ảnh của một buồng cách âm được hiển thị trong hình sau, cùng với một số thiết bị thử nghiệm:
(Hình ảnh minh họa quá trình thử nghiệm ăng-ten RFMISO)
Nhược điểm của buồng cách âm là chúng thường cần phải khá lớn. Thông thường, các ăng-ten cần phải cách nhau tối thiểu vài bước sóng để mô phỏng điều kiện trường xa. Do đó, đối với các tần số thấp hơn với bước sóng lớn, chúng ta cần các buồng rất lớn, nhưng chi phí và các hạn chế thực tế thường giới hạn kích thước của chúng. Một số công ty quốc phòng chuyên đo tiết diện phản xạ radar của máy bay lớn hoặc các vật thể khác được biết đến là có các buồng cách âm có kích thước bằng sân bóng rổ, mặc dù điều này không phổ biến. Các trường đại học có buồng cách âm thường có các buồng dài, rộng và cao từ 3-5 mét. Do hạn chế về kích thước, và vì vật liệu hấp thụ tần số vô tuyến thường hoạt động tốt nhất ở tần số siêu cao (UHF) trở lên, nên buồng cách âm thường được sử dụng cho các tần số trên 300 MHz.
Dãy núi cao
Hệ thống đo trên cao là hệ thống đo ngoài trời. Trong thiết lập này, nguồn phát và ăng-ten cần kiểm tra được lắp đặt phía trên mặt đất. Các ăng-ten này có thể được đặt trên núi, tháp, tòa nhà hoặc bất cứ nơi nào phù hợp. Điều này thường được thực hiện đối với các ăng-ten rất lớn hoặc ở tần số thấp (VHF trở xuống, <100 MHz) nơi việc đo đạc trong nhà sẽ khó thực hiện. Sơ đồ cơ bản của một hệ thống đo trên cao được thể hiện trong Hình 2.
Hình 2. Minh họa phạm vi nâng cao.
Ăng-ten nguồn (hoặc ăng-ten tham chiếu) không nhất thiết phải ở độ cao cao hơn ăng-ten thử nghiệm, tôi chỉ thể hiện như vậy ở đây. Đường truyền tín hiệu trực tiếp (LOS) giữa hai ăng-ten (minh họa bằng tia đen trong Hình 2) phải không bị cản trở. Tất cả các phản xạ khác (chẳng hạn như tia đỏ phản xạ từ mặt đất) đều không mong muốn. Đối với các phạm vi cao, sau khi xác định vị trí của ăng-ten nguồn và ăng-ten thử nghiệm, người vận hành thử nghiệm sẽ xác định nơi xảy ra các phản xạ đáng kể và cố gắng giảm thiểu phản xạ từ các bề mặt này. Thông thường, vật liệu hấp thụ sóng vô tuyến được sử dụng cho mục đích này, hoặc vật liệu khác làm lệch hướng các tia ra khỏi ăng-ten thử nghiệm.
Dòng sản phẩm nhỏ gọn
Ăng-ten nguồn phải được đặt ở vùng trường xa của ăng-ten thử nghiệm. Lý do là sóng mà ăng-ten thử nghiệm nhận được phải là sóng phẳng để đạt độ chính xác tối đa. Vì ăng-ten phát ra sóng cầu, nên ăng-ten cần phải đủ xa sao cho sóng phát ra từ ăng-ten nguồn xấp xỉ là sóng phẳng - xem Hình 3.
Hình 3. Một ăng-ten nguồn phát ra sóng có mặt sóng hình cầu.
Tuy nhiên, đối với các buồng kín, thường không có đủ khoảng cách để đạt được điều này. Một phương pháp để khắc phục vấn đề này là sử dụng hệ thống thu phát tín hiệu nhỏ gọn. Trong phương pháp này, ăng-ten nguồn được hướng về phía một gương phản xạ, có hình dạng được thiết kế để phản xạ sóng cầu theo cách gần như phẳng. Điều này rất giống với nguyên lý hoạt động của ăng-ten parabol. Nguyên lý hoạt động cơ bản được thể hiện trong Hình 4.
Hình 4. Phạm vi nhỏ gọn - các sóng cầu từ ăng-ten nguồn được phản xạ thành sóng phẳng (song song).
Thông thường, chiều dài của gương phản xạ parabol cần phải lớn hơn nhiều lần so với ăng-ten thử nghiệm. Ăng-ten nguồn trong Hình 4 được đặt lệch khỏi gương phản xạ để không cản trở các tia phản xạ. Cần phải hết sức cẩn thận để tránh bất kỳ bức xạ trực tiếp nào (ghép nối tương hỗ) từ ăng-ten nguồn đến ăng-ten thử nghiệm.
Thời gian đăng bài: 03/01/2024
