Curso sobre Medida de Antenas · 2010-03-15 · inclemencias del tiempo) desde una antena fuente...

Curso sobre Medida de Antenas

José Luis Besada Sanmartín, Manuel Sierra Castañer

CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS

Universidad Politécnica de Madrid (UPM)

Tema 1: Medidas clásicas en campo lejano y cámaras anecoicas

Índice

• Zonas de Campo en torno a una Antena: Sistemas de Medida

• Introducción a los parámetros de antena

• Criterios de diseño de sistemas de medida en Campo Lejano.

• Sistemas elevados y a reflexión

• Cámaras anecoicas de medida de antenas

• Medidas clásicas en campo lejanoDi E d bid fl i Ef d l fi i d d di i

CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMED-1- 2

– Diagramas: Errores debidos a reflexiones. Efectos de la finitud de distancia

– Ganancia: Errores de desadaptación de impedancias y de polarización.

– Polarización: Asignación de ejes. Medidas directas CP-XP. Medidas indirectas (posibles errores). Medidas de relación axial vs frecuencia.

Zonas de Campo en torno a la Antena

• El espacio que envuelve una antena se subdivide en tres regiones:g– Región de Campo Próximo Reactivo

(r<): Aquella región junto a la antena donde el campo reactivo predomina.

– Región de Campo Próximo Radiante(Incluye la Zona de Fresnel): Región intermedia entre la de Campo Reactivo y la de Campo Lejano. Predominan las campos de radiación pero su distribución angular es


función de la distancia a la antena.

– Región de Campo Lejano (Zona de Radiación, Zona de Fraunhofer): La distribución angular del campo es prácticamente independiente de la distancia ra la antena.

rD

y r 2 2

D: Dimensión máxima de la Antena

La condición de campo lejano es:

Regiones de campo

• Simulación del diagrama de a) b)6 60

90120

dB

-6 6090

120dBg

radiación para una array de 9 dipolos verticales a distintas distancias de medida (antena de estación base de 2.1 metros a 900 MHz). La distancia de campo lejano es 26.7 m:

– a) d = 27 m

c) d)

-24-18-12-6

30

210

240270

300

150

330

180 0-30

-24-18-126

30

210

240270

300

150

330

180 0-30

18-12-6

30

6090

120

150

dB

18-12-6

30

6090

120

150

dB


a) d 27 m

– b) d = 13.5 m

– c) d = 6.75 m

– d) d= 2.7 m

-24-18

210

240270

300

330

180 0-30

-24-18

210

240270

300

330

180 0-30

Sistemas de Medidas de Antenas

Sistema Compacto


Sistemas de Campo Lejano:Elevado y en reflexión

Sistemas de Campo Próximo:Plano y Esférico

Medidas Clásicas de Campo Lejano

• La ANTENA BAJO PRUEBA (habitualmente en recepción) se ilumina por una ANTENA FUENTE.

– La antena fuente debe estar a suficiente distancia para que la onda incidente tenga características de onda plana:

» Amplitud y fase cte. sobre un volumen que debe abarcar a toda la antena bajo medida.

NOTA:La ABP se puede medir tanto enrecepción como en transmisión

AntenaFuente

ABP


(antena fuente receptora).Los diagramas y parámetrosobtenidos son IGUALES talcomo pone de manifiesto elTeorema de Reciprocidad.

Criterios de Diseño deSistemas de Medida en Campo Lejano

Estos criterios determinan las características de la antena fuente y la distancia mínima (R) entre antenas.

Acoplamiento reactivo– Sólo importante a baja frecuencia.

Reradiación entre antenas.

dB36E

E10R

r1

r1 2

Relación obtenida del

campo de un dipolo corto


– Sólo es importante con antenas muy mal adaptadas o soportes metálicos no bien cubiertos con absorbente.

Variación longitudinal de amplitud.– R10 L (L longitud de la antena) Variación 1 dB


Decrecimiento transversal de la amplitud de la onda incidente, asociado al lóbulo de iluminación de la antena fuenteiluminación de la antena fuente.– Reduce la ganancia medida y el nivel de

SLL

– La iluminación coseno sobre pedestal de -10dB es representativa de un reflector parabólico

» =-0.5 dB G=-0.15 dB.


– CRITERIO -0.25 dB dt.

(dB)dt

D: AperturaABP

Estimación de errores con onda no plana

E r = jke2

P P e-jkr

x y, , cos s n

Campos radiados:Fuentes

Secundarias

Apertura en plano XY

j2 r x y, ,

E r = jke

rP e P

-jkr

x y, , cos s n cos 2

aS

yvxu2

jay,axy,x ydxdey,xEv,uP

Diagrama Transformada Inversa deFourier del Campo en la Apertura

P ( )

OndaPlana

Frentesde Ondas

z

Campos en la apertura:


Cuando esta apertura se ilumina en recepción por un campo que no es totalmente plano ni

acoplado en polarización con , el diagrama que realmente se mide es la transformada de Fourier

del producto escalar de ambos campos.

Px,y(u,v)

E x E x y y E x ya ax ay , ,

Campos en la apertura:

'( ', ')E x y

aE


Variación de la fase sobre la apertura de la ABP.

R

R• Reduce algo la ganancia.

• Aumenta los lóbulos secundarios adyacentes al principal y rellena los nulos entre ellos.

• CRITERIO DE DISTANCIA

R4

DR

2

R8

DR

22

1 104

1 105

1 106

3 GHz

10 GHz

100 GHz

D: AperturaABP

R


MÍNIMA

2D2R

8

Antena fuente en zona de campo lejano de la antena bajo medida (Reciprocidad) 0.1 1 10 100

1

10

100

1 103

1 10

900 MHz

D (m)

Rm

in(m

)

Efectos de la Finitud de la Distancia de Medida

2D6

2D2

2D4

2D


Simulaciones sobre la medida de la antena del RADAR AWACS

Diseño Típico de un Sistema Elevado

D

dt 2kD

kR2

• Condición de Fase: (Error en SLL)

hrht

R

• Condición de Iluminación 0,25 dB

D4R

dt

• Condición de No iluminación del suelo

Lóbulo Principal: D4hh rt

1er Lóbulo Secundario: D6hh rt


Conviene utilizar antenas fuente con nivel de lóbulos secundarios reducido y depresiones del terreno para aumentar la altura de las posibles reflexiones.

Ejemplo: campo de Carabaña de RYMSA sobre el valle del Tajuña

H=116.3 m

=3.2º


R=4300 m

Diseño de Sistemas a Reflexión

=0,25 dB

h• Típicos de VHF y UHF 0

hrms = rugosidad

E(h)

h

v

jh

jvj

eR

eRe

1R,R

º180,

sen16h

hv

hv

minrms

2kD

kR2

• Condición de Fase: (Error en SLL)

rms g

Si =3º hrms =


• Condición de Iluminación del diagrama interferente 0,25 dB:

D4R

dt

• Ajuste del máximo sobre el centro de la apertura:

D3.3hr

rt h4

Rh

• Condición de Iluminación en el plano horizontal 0,25 dB:

Necesario ajustar a cada frecuencia

tt h1

1'h

Instrumentación Típica de un Sistema de Campo lejano

• Antena Fuente

• Posicionadores

• Sistema de Control de Posicionadores

• Instrumentación de RF

• Sistema y Software de Adquisición y Proceso

S/N Error Amp. Error Fase20 dB 0.9 dB 5.7 º30 dB 0 28 dB 1 8º


Calculo de Potencias y Margen Dinámico

SaturacionRTTRmax PdBiGdBiGR4

log20dBmPdBmP

dBNSdBmadSensibiliddBmP 0RxRmin

dB10dBiGdBmPdBmPdBdinamicoenargM ABPRminRmax

30 dB 0.28 dB 1.840 dB 0.09 dB 0.57º

Cálculo de las Cotas de Errordebidas a Reflexiones Residuales

-10 dB

-25 dB -25 dBReflejado

Directo

dB60EE

D

R Error=0,01 dB

25 dB

-10 dB

Reflejado


-25 dB

-25 dBDirecto

Reflejado

dB10EE

D

R Error=-3,3 dB a +2,4 dB

Técnicas de Medida para evitar Reflexiones

REGLAS BÁSICAS• No apuntar nunca el lóbulo


pprincipal hacia el suelo.• Con haces tipo abanico conviene medir los dos cortes en elevación.

Vallas Difractantes para Reducir Reflexiones


• Las vallas deben:– cubrir en anchura unas 20 zonas de Fresnel y

– las pilas aserradas tener una profundidad y una anchura de unas 5 a 10 a la frecuencia inferior de funcionamiento

Cámaras anecoicas

• Son recintos cerrados (normalmente apantallados) recubiertos de material absorbente que simulan condiciones de propagación en espacio libre, gracias a la absorción del material RAM.

• Ventajas:

– Protección climatológica Aumenta tiempo disponible de medida.

– Control ambiente de medida (temperatura, limpieza ...) antenas de espacio

Ahorran gastos de desplazamiento


– Ahorran gastos de desplazamiento.

– Eliminan problemas de seguridad.

Materiales absorbentes

Tipos de materiales absorbentes:

- Piramidales (H>5): < -50 dB- Hueveras: < -50 dB en ondas mm- Planas: < -25 dB (para torres...)- Pisables: (piramidales + foam +

lámina protectora) - Ventilación, intemperie ...- Cuñas: específicas para sistemas


compactos.

Materiales absorbentes


Tipos de cámaras

a) Rectangular

2 R

b) Abocinada

max<70º W/R>1/2.75

Antena fuente (bocina) con lóbulo principal que no ilumine paredes laterales niel suelo o el techo.


W

Señales interferentes constructivaspara eliminar rizado en zona quietaUsadas en VHF y en UHFAjuste de la fuente para cadafrecuencia

Tipos de cámaras.Modelo de rayos para diseño

c) Cámaras semiabiertas

Se elimina una pared de la cámara para iluminar la ABP (protegida ainclemencias del tiempo) desde una antena fuente lejanainclemencias del tiempo) desde una antena fuente lejana.Ejemplos: MBB e INTA de 12x12x12 metros y fuente a 800 metros

Modelo para estimar la calidad del campo en la zona tranquila


Evaluación y Ajuste del Campo de MedidaMétodo de la onda estacionaria

• Utilizando una sonda deslizante sedebe comprobar que el máximo deradiación de la fuente (o del lóbuloradiación de la fuente (o del lóbulointerferente) apunta al centro de laapertura de medida.

• Adquiriendo el campo deiluminación es posible detectarreflexiones espúreas y obtener sunivel.

P


sen

20

20

D

R

101101

log20dBEE

= Rizado pico a pico en dB

Evaluación del Campo de MedidaMétodo de Comparación de Diagramas

• Es una forma de detectar reflexiones de gran ángulo (o comprobar su ausencia y la consistencia de una buena medida).

• Consiste en medir la misma antena en distintas posiciones a lo largo del ejeConsiste en medir la misma antena en distintas posiciones a lo largo del eje del campo de forma que la señal directa y las reflejadas lleguen con distintas fases relativas a la ABP.

• La diferencia de máximo-mínimo y el valor medio para cada ángulo permite obtener el nivel de la señal reflejada


Medidas de Diagramas de Radiación

• Directamente:– Iluminando con la antena fuente polarizada de acuerdo conIluminando con la antena fuente polarizada de acuerdo con

las componente copolares deseadas:» Lineales para CP-XP

» Circulares para CPC-XPC

• Indirectamente:– Adquiriendo las componentes E y E para obtener por


q p y p pproceso:

» ECP-EXP,

» ECPC y EXPC

Medidas de PolarizaciónAsignación de Ejes para Roll sobre Azimut

ABP Roll

ABP

Fuente“Sonda”

AzimutEje

AzimutEje

RollEje


• Con sonda doble se adquieren componentes E y E simultáneamente pero hay que calibrar los canales de recepción utilizando una bocina patrón de alta pureza de polarización.

• Con sonda simple se adquiere cada componente en un barrido girándola 90º.• Las componentes CP-XP, CPC-XPC se obtienen usando fórmulas de conversión. • Mejor Ajuste del Plano de Polarización mediante “Giro de Polarización”.

Antena Receptora

(sobre eje y)

z

E E E , , ,

Polarización: Diagramas Copolar y Contrapolar

xpXPcpCP u,Eu,E,E

cos,Esen,E,ECP

E

E

x yComponentes CP y XP:

• Lineales:3ª Definición de Ludwig para componentes lineales con copolar según y


sen,Ecos,E,EXP

CP

• Circulares

x

y

E

E

jLHC

jRHC

e,jE,E2

1,E

e,jE,E2

1,E

Medidas directas de diagramas CP-XP

• Es una medida típica de bocinas

• Con la ABP apuntando con el eje Z h i l f i ú lhacia la antena fuente, se sitúa el plano =45º horizontal para poder adquirir este corte con un barrido en acimut.

• Girando el plano de polarización de la antena fuente (patrón de polarización) se busca la mínima señal y se registra el diagrama XP de 45º d l j d i


45º rotando el eje de acimut.

• Se gira la antena fuente 90º y se adquiere la componente CP de 45º.

• A continuación se miden los planos CP de los cortes 0 y 90º

A) Método de las 2 antenas: basado en la utilización de 2 antenas

Medidas absolutas de Ganancia

basado en la utilización de 2 antenas iguales y la aplicación a de la fórmula de Friis

B) Método de las 3 antenas:

dBiGdBiGR4

log20dBmPdBmP RTTR


elimina la necesidad de utilizar antenas idénticas midiendo 3 antenas de 2 en 2 y resolviendo el sistema de las 3 ecuaciones de Friis.

Medidas de Ganancia: Técnica de comparación

• Suelen realizarse por comparación con la de un patrón, iluminando la ABP y el patrón con la misma fuente.

– Si hay adaptación de impedancias y de polarización:

– Corrección por desadaptación de impedancias:

RPatron

RABPPatronABP P

Plog10dBGdBG

2 2 2 21 1 1 1ABP Rx Patron Rx


» Un atenuador bien adaptado en el extremo del cable del receptor (justo pegado a la antena) simplifica la corrección puesto que Rx0.

2 210log 10log

1 1

ABP Rx Patron Rx

ABP Rx Patron Rx

G

Medidas de Ganancia: Requerimientos de Polarización de la Antena Fuente

• La ganancia de las antenas circularmente polarizadas se mide utilizando el método de las ganancias parciales, esto es, sumando las ganancias para dos polarizaciones lineales (V y H) ortogonales de la antena fuentepolarizaciones lineales (V y H) ortogonales de la antena fuente.

• Si la polarización de la antena fuente no es linealmente pura se cometen los siguientes errores de medida:

ABPHABPVABP GGlog10dBG


Patrones de Ganancia

• En las bandas de Microondas se utilizan como patrones bocinas piramidales.como patrones bocinas piramidales.

• Como valor de ganancia se utiliza normalmente el valor de la directividad teórica que da el fabricante en una tabla.

– El error de este valor respecto de la ganancia real no suele superar 0.3 dB.

• Si se requiere mejor precisión hay que calibrar la bocina patrón, realizando medidas absolutas. Un procedimiento i l i

Ganancia “real” de una bocina de banda X


simple y preciso es:– Obtener la directividad integrando el

diagrama medido en un sistema esférico,– y calcular la ganancia como: G=rad Do

donde rad 0.02 dB. – Error 3 típico < 0.1 dB

calibrada en un sistema esférico

Medida de PolarizaciónMétodo de la Fuente Lineal Rotante

PR()

• Este procedimiento da la Relación Axial de polarización como diferencia entre el valor máximo y mínimo registrados en función de , y el ángulo del


eje mayor de la elipse.

• No da el sentido de giro, lo que suele ser intranscendente para polarizaciones lineales.

• Con polarizaciones circulares se suele conocer el sentido de giro a priori o se mide con dos hélices arrolladas a derechas e izquierdas para averiguar el sentido de giro (sentido de arrollamiento de la que reciba mas potencia).

Medidas de Relación Axial vs Frecuencia

• Si se quiere ver como varía la relación axial con la frecuenciarelación axial con la frecuencia, basta con aplicar el procedimiento de la fuente lineal rotante, registrando la respuesta en función de la frecuencia para varios valores discretos de (<15º)

• La relación axial es la diferencia entre los valores límite de


entre los valores límite de máximo y mínimo.

• Para RA muy bajas conviene verificar la junta rotatoria para acotar el error.

Requerimientos de Pureza de Polarización de la Antena Fuente

• La figura presenta en trazos continuos el error cometido en la medida de la Relación Axial de la ABP en función de la Relación Axial de la Antena Fuente.

• En trazo discontinuo presenta el error cometido en la medida de la relación


en la medida de la relación de polarizaciones circulares de la ABP en función de la relación axial de la antena fuente.

Patrones de Polarización

• Como patrones de polarización se suele emplear bocinas piramidales electroformadas (con gran precisión y perpendicularidad entre caras) que dan en el eje RA> 50 dB.

• Un procedimiento muy sencillo para acotar la RA mínima de un patrón consiste en:

– Realizar tres medidas enfrentando en parejas de dos 3 patrones.

– Si las relaciones axiales aparentes medidas son: RA1, RA2, y RA3, el patrón peor posee una relación axial verdadera acotada entre:


– Se puede comprobar que

1 2 3 1 2 3

1 1 1 1 1 1 1 1 1

2 min( ) 2verdaderaRA RA RA RA RA RA RA

213 RAyRARA si

dB5,3dBRAdBRA peoraparentevminima

Calibrado de polarización de patrones por el Método de las 3 antenas

U ili d 3 d b l 3 l i• Utilizando 3 antenas se puede obtener para las 3 sus relaciones axiales, su sentido de giro y su ángulo de tilt de polarización respecto a una referencia geométrica propia.

• Son procedimientos muy largos pero que dan una alta precisión. Ver por ejemplo:

[Newell, 1988] “Improved Polarization Measurements Using a Modified Three-


[ , ] p g fAntenna Technique”. IEEE Trans. AP. Vol. 36, no. 6. Junio 1988.

Otros procedimientos de medida de polarización

• Medida de dos componentes ortogonales (en amplitud y fase) y obtención de las componentes copolar y contrapolar en lineales y circulares, y la relación axialaxial.

Error en la Medida de una polarización circular pura en función de los errores de medida de las polarizaciones lineales (amplitudes y fases)


Errores de Medida en Campo Lejano

Principales causas de error:

• Finitud de distancia de medida

• Taper de amplitud de iluminación y falta de simetría

• Reflexiones

• Mala linealidad del receptor

• Falta de margen dinámico debido al ruido


debido al ruido

• Para ganancia, imprecisión de la ganancia del patrón y posibles desadaptaciones de impedancias. Precisiones típicas ±0.5dB.

Detección de errores típicos de reflectores y arrays

VERTICALES

arcsin( / 2 )DD

CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMED-1- 41Reflectores Arrays

Sistemas especiales de medida:Sistemas para antenas embarcadas (escaladas)

Longitud: l’=l/nTiempo: t’=t/nTiempo: t t/nLongitud de onda: ’= /nCapacidad: C’=C/nInductancia: L’=L/nSuperficie de reflexión: Ae ’=Ae/n2

Frecuencia: f’=n fConductividad: ’=n Permitividad: ’=


Sistema de arco semianecoico para medida de antenas embarcadas

(LEHA-UPM)

Permeabilidad: ’= Velocidad propagación: v’=v

Impedancia Z’=ZGanancia de antena: Go ’=Go

Transformación de parámetros

Bibliografía

• Hollis J.S., Lyon T.J. and Clayton L Microwaves Antenna Measurements. Scientific Atlanta. 1970 (1983)

• Microwave Antenna Measurements “Blue Book” 3ª Edición MI Technologies• Microwave Antenna Measurements Blue Book . 3 Edición. MI Technologies.• IEEE Standards Test Procedures for Antennas. IEEE Std. 149-1979 John Wiley• The Handbook of Antenna Design. Chapter 8. A.W. Rudge et al (Ed.), Appel-Hansen

J, et al. Peter Pelegrinus Ltd 1982 • G.E. Evans. Antenna Measurement Techniques. Artech House Inc. 1990.• AMTA Proceedings.• Leland H. Hemming. Electromagnetic Anechoic Chambers: a fundamental design

and specification guide.. IEEE Press. John Wiley Interscience. 2002• P S Hacker Range Distance Requirements for Measuring Low and Ultralow


P.S. Hacker. Range Distance Requirements for Measuring Low and Ultralow Sidelobe Antenna Patterns. IEEE Trans. AP. Sept. 1982.

• J.D. Kraus, R.J. Marhefka. Antennas for all applications. McGraw-Hill. 3rd Ed. 2002.

• NSI Antenna Measurements Products Catalog. www.nearfield.com• Emerson and Cuming Microwave Products. Eccosorb: www.eccosorb.com• Sistema TS9970: www.rohde-schwarz.com

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