Antenneista saadaan enemmän irti nykyaikaisilla vektoripiirianalysaattoreilla. Niiden avulla päästään parempaan herkkyyteen ja laajempaan taajuusalueeseen.

Antennien suorituskyvyn mittaamisen perusperiaatteet ja metodit muotoutuivat jo vuosikymmeniä sitten. Siksi RF-laitteiden kehittäjien ja asentajien on aivan luontevaa ajatella, ettei tällä alueella ole heille mitään uutta opittavaa.

Kuitenkin viimeisimpien testausaitteiden tulo markkinoille on merkittävästi muuttanut sitä vaikutusta, mikä testausjärjestelmällä voi olla itse antennien suorituskykyyn. Paremman antennitestaamisen avulla kehittäjät voivat saavuttaa paremman herkkyyden ja laajemman taajuusalueen. Lisäksi itse testausprosessi voi nopeutua.

Tämä artikkeli kuvaa, miten parempaan antennitestaamiseen päästään käyttämällä uuden sukupolven vektoripiirianalysaattoreita (VNA). Osoitamme myös, miten useat parametrit - kuten antennien välinen etäisyys, mahdolliset häiriöt ja taajuus - vaikuttavat siihen, mikä on paras tapa konfiguroida testausympäristö näillä laitteilla.

Tärkeät parametrit antennien mittauksessa

Antennimittausta voidaan käyttää joko tukemaan kehittäjän antenninvalintaa, tai arvioimaan sen ympäristön ominaisuuksia, jossa antennia tullaan käyttämään. Antennia karakterisoidaan pienellä määrällä parametrejä, joista yleisimmin mitattuja ovat:

- taajuus
- vahvistus
- impedanssi
- VSWR (Voltage Standing Wave Radio, parametri joka kuvaa, miten hyvin antennin impedanssi on sovitettu vastaamaan radion impedanssia)
- säteilykuvio
- polarisaatio
- vaihe
- isolaatio

Nämä arvot voidaan esittää yksinkertaisesti taulukossa (kuva 1) ja säteilykuviodiagrammeina (kuva 2). Tämän päivän tehokkaat ohjelmistotyökalut voivat tuottaa myös käyttökelpoisia visuaalisia esityksiä, kuten 3D-värikarttoja (kuva 3).

Kuva 1. Tyypilliset antennimääritykset.

 Kuva 2. Kaavio esittää torviantennin tyypillistä säteilykuviota.

 Kuva 3. Tasoantennin säteilykuvion 3d-väriesitys. Tehty ANT32-V3-ohjelmistolla.

Antennitestaaminen perusperiaate edellyttää signaalin generoimista ja sen lähettämistä lähdeantennin läpi (ks. kuva 4). Testattavan antennin vastaanottamaa signaalia verrataan sitten alkuperäiseen signaaliin analysaattorilla, joka on liitetty testattavaan antenniin (AUT, antenna under test).

Kuva 4. Tavanomainen antennitestin järjestely. Testattavaa antennia voidaan tarvittaessa liikuttaa kaikkien kolmen akselin suhteen.

Mittausjärjestelmän konfigurointi vaikuttaa testauksen tuloksiin

Antennien mittaus on viime vuosina muuttunut uuden sukupolven vektoripiirianalysaattoreiden myötä. Ne tarjoavat laajemman taajuusalueen ja dynamiikka-alueen kuin aiemmat testauslaitteet, joten antennien suorituskyvystä saadaan selvästi tarkempia tuloksia myös useiden gigahertsien taajuuksilla tietoliikenteen, kuvantamisen ja muiden vastaavien sovellusten alueella.

Kuva 5. Anritsu MS4640BVectorStar -vektoripiirianalysaattori.

Vektoripiirianalysaattori kuten Anritsun MS4640B VectorStar tarjoaa mittauskyvykkyyden taajuusalueella 40 kHz – 70 GHz (ks. kuva 5). Tätä aluetta voidaan laajentaa aina 1 THz saakka erillismoduuleilla. Se sisältää sisäiset syntesoijat, jotka toimivat lähde- ja paikallisoskillaattoreina.

Nämä uuden polven testauslaitteet antavat antennin käytöstä johtuvan suorituskyvyn vaihtelusta selvemmän kuvan. Parhaiten tulevaa sovellusta vastaavan testauskonfiguraation valitseminen on tärkeämpää kuin koskaan aikaisemmin.

Tätä kuvataan nyt viittaamalla joukkoon erilaisia testikonfiguraatioita. Analyysissä käytetään seuraavia termejä:

- Testauslaitteen dynamiikka-alue on antennilähteeseen tuodun tehon ja analysaattorin herkkyyden ero desibeleinä.
- Mittausjärjestelmän dynamiikka-alue lisää antennin vahvistuksen ja signaalihäviön testauslaitteen dynamiikka-alueeseen. Arvo määrittelee mittausalueen, jossa antennia voidaan mitata.
- Taajuusalue: antennit testataan useilla pistetaajuuksilla, jotta testeillä peitetään tietty taajuusalue. Mitattavien taajuuksien määrän vähentäminen lyhentää mittaukseen kuluvaa aikaa.
- Vaihemittausta käytetään mittaamaan antennin tai verkon vaihekeskusta. Tämä mittaus auttaa suunnittelijaa sijoittamaan testattavan antennin vaihekeskukseen testausympäristössään.
- Mittaisaika koostuu kahdesta arvosta: Mittausaika pistettä kohti kuvaa aikaa, jolla instrumentti esimerkiksi vaihtaa taajuutta ja tallentaa datan. Anritsun MS4640A on markkinoiden nopein arvolla 20 µs/piste. Antennin sijoittamiseen kuluva aika lisätään instrumentin mittausaikaan.

Yksinkertaisin VNA-konfiguraatio (esitetty kuvassa 6) sopii silloin, kun lähdeantennin ja mitattavan antennin välinen etäisyys on lyhyt - noin 10 metriä - ja taajuusalue alle 40 GHz. Tällöin järjestelmän komponenttien tehohäviöt ovat pieniä. Kaupallisten kaapeleiden tyypilliset häviöt ovat 1dB/m 20 GHz taajuudella ja 2,5 dB/m 40 GHz taajuudella. Liittimistä ja antennin pyörivästä kiinnityksestä aiheutuvat lisähäviöt ovat tyypillisesti alle 3 dB.

Mittausjärjestelmän toiminta-alueen määrittely edellyttää kattavaa tehotasapainon laskentaa. Ottakaamme esimerkiksi antennitestijärjestelmä, joka toimii 20 GHz asti. Testattava antenni (AUT) ja lähde toimivat 12-18 GHz alueella vahvistuksen ollessa vähintään 18 dB, antennien välisen etäisyyden ollessa 10 metriä. Laskenta lisää tilahäviötä ~79dB 20 gigahertsissä, 36 desibeliä antennivahvistusta (18 + 18) ja 13 desibeliä (3dB + 10 x 1dB) häviötä kaapeleissa ja liittimissä. Jotta päästäisiin haluttuun 40 desibelin dynamiikka-alueeseen, vaaditaan VNA:lta 96 desibelin dynamiikka-alue (79-36+13+40 = 96dB).

VNA:lta vaadittava dynamiikka-alue on Pout / Pin -suhde. Pout on VNA:n lähteen tuottama teho. Osa lähdesignaalia johdetaan sisäisesti REC-1:een, jotta se voisi toimia referenssisignaalina. VNA:n täytyy olla riittävän herkkä, jotta se voisi mitata matalia Pin -arvoja (testattavan antennin vastaanottama signaali, joka on johdettu VNA:n REC-2:een). Edellistä esimerkkiä hyödyntääksemme, 96 desibelin dynamiikka-alueen ja Pout -arvon +10 dBm saavuttaaksemme VNA:n täytyy yltää -86 dBm:n herkkyyteen pystyäkseen suorittamaan vaaditut mittaukset.

Kannattaa huomata, että vaadittu herkkyys riippuu halutusta tarkkuudesta. Vektoripiirianalysaattorissa herkkyyslukema on suhteessa laitteen sisäiseen kohinan tasoon. Tämä kohina lisätään mitattavaan signaaliin, mikä tuo epävarmuutta mittaukseen.

Kuva 6: Yksinkertaisin VNA-testijärjestely.

Ensimmäisessä testausjärjestelyssä antennien väliseksi etäisyydeksi asetettiin 10 metriä. Vahvistuksen lisääminen kasvattaisi dynamiikkaa ja mahdollistaisi pidemmän etäisyyden antennien välille, mutta vahvistuksen määrälle on rajoituksensa. Suurempi teho johtaa suurempiin tehohäviöihin kaapeleissa.

Kuva 7 näyttää konfiguraation, joka tarttuu tähän ongelmaan. Tässä VNA-keskusyksikkö ei enää toimi lähteenä, vaan lähde on nyt sijoitettu lähemmäksi lähettävää antennia. Tämän ansiosta kaapeli on lyhyempi ja tehoa menetetään vähemmän. Mutta referenssisignaalin säilyttämiseksi osa lähdesignaalista pitää johtaa REC-1:een.

Nyt dynamiikan riittävyys voidaan laskea kahdella tavalla: mittauskanavasta (lähteestä REC-2:een) ja referenssikanavasta (lähteestä REC-1:een). Mittauskanavasta olemme puhuneet jo edempänä.

Referenssikanavassa tehohäviöt johtuvat liitännästä (kaapeli ja liittimet). Ottakaamme esimerkiksi antennimittausjärjestelmä ulkotiloissa, jossa antennien välinen etäisyys on 100 metriä ja jossa ne toimivat 18 gigahertsiin asti. Oletetaan että liitännän aiheuttama häviö on 20 desibeliä, käytössä on pienihäviöinen (0,67db/m) kaapeli ja liliittimen häviö on 3 desibeliä. Jos käytetään +30 dBm teholähdettä, taso REC-1:ssä on -60 dBm, mikä riittää referenssisignaaliin.

Antenni karakterisoidaan tietyllä taajuusalueella. Edellisessä esimerkissä analysaattori kontrolloi sekä sisäisen lähteen että analysaattorin taajuuksia (jotka ovat identtiset). Kuvassa 7 lähdettä pitää kontrolloida etänä. Tämä voidaan tehdä PC:llä, mutta se edellyttää huolellista tarkistamista ja ohjausta, mikäli taajuuden muutoksia halutaan verifioida. Siksi on parasta jättää syntesoijan ohjaaminen analysaattorille, koska siinä on tätä tarkoitusta varten kehitetty sovellus. 10 MHz signaali, joka liittää analysaattorin syntesoijaan, mahdollistaa sen, että lähteen ja analysaattorin taajuudet voidaan synkronoida.

Kuva 7: Korkeamman dynamiikka-alueen konfiguraatio.

Tilanne on toinen jos sovelluksiin liittyy yli 40 gigahertsin taajuuksia tai testijärjestelyssä käytetään pitkiä etäisyyksiä. Tällöin häviöillä kaapeleissa ja liitännöissä on erittäin suuri vaikutus. Näitä häviöitä minimoidaan taajuusmuunnoksella (frequency translation). Kun järjestelmän pitää mitata amplitudia ja vaihetta, molempiin vastaanottimiin saapuvilla signaaleilla täytyy olla sama taajuus.

Tämä on mahdollista kahdella eri konfiguraatiolla. Ensimmäinen käyttää moduuleita, jotka voivat toimia sekä lähteenä että vastaanottimena (ks. kuva 8). Nämä moduulit muuntavat taajuuden, mikä kasvattaa taajuusaluetta useita satoja gigahertsejä. Anritsu valmistaa pieniä moduuleja, jotka voidaan asentaa helposti myös kompakteihin testausympäristöihin.

Kuva 8: Kahden VNA-moduulin avulla voidaan testata antennia erittäin korkeissa taajuuksissa.

Vaihtoehtoinen järjestely käyttää ulkoista lähdettä ja kahta sekoitinta (ks. kuva 9). Mainittakoon, että testijärjestely voidaan toteuttaa myös optisilla komponenteilla, mutta tätä lähestymistapaa ei tässä artikkelissa käsitellä.

Kuva 9: Vaihtoehtoisessa järjestelyssä korkeat taajuudet saadaan kahdesta sekoittimesta.

Kaikissa yllä kuvatuissa järjestelyissä referenssisignaali luodaan jakamalla lähdesignaali ja ohjaamalla osa siitä analysaattoriin. Tämä referenssisignaali ei ole kulkenut koko lähdekanavan (kaapeli, antennilähde, ...) läpi, joten kaikki muutokset vahvistuksessa liitännän ja testattavan antennin välillä aiheuttavat virheitä mittaukseen. Kuva 10 näyttää järjestelyn, joka ottaa tämän virhelähteen huomioon: tässä testattava antenni ja referenssiantenni mittaavat lähdesignaalia yhtäaikaisesti.

Tästä järjestelystä seuraa kaksi etua: referenssisignaali antaa mitattavasta signaalista tarkimman mahdollisen kuvan, ja signaalia siirtävän kaapelin aiheuttama häviö eliminoidaan.

Haittapuolena on mainittava että referenssiantenni on samassa tilassa kuin mitattava antenni. Erityisesti koska mitattavaa antennia liikutellaan voi tämä johtaa ei-toivottuun vuorovaikutukseen mitattavan antennin ja referenssiantennin välillä.

Kuva 10: Referenssiantenni mittaa testattavan antennin vastaanottamaa todellista signaalia.

Johtopäätös

VNA on arvokas instrumentti, kun suunnittelijat karakterisoivat antennia. Se tarjoaa lähteet ja vastaanottimet signaalien generoimiseen ja mittamiseen, ja mittauksia voidaan usein optimoida esimerkiksi kalibroinnilla ja Time Domain -toiminnolla.

Kuten edellä on kuvattu, uusimman sukupolven analysaattorit tarjoavat parempaa suorituskykyä esimerkiksi taajuusalueen ja dynamiikan sekä muiden tärkeiden parametrien kohdalla. Sopivilla testijärjestelyillä nopean ja tarkan instrumentin, kuten Anritsun VectorStarin suorituskyky voidaan valjastaa parhaaseen käyttöön.