뉴스 - 안테나 측정

안테나측정은 안테나 성능과 특성을 정량적으로 평가하고 분석하는 과정입니다. 특수 시험 장비와 측정 방법을 사용하여 안테나의 이득, 방사 패턴, 정재파비, 주파수 응답 및 기타 매개변수를 측정하여 안테나 설계 사양이 요구 사항을 충족하는지 확인하고, 안테나 성능을 점검하며, 개선 방안을 제시합니다. 안테나 측정 결과와 데이터는 안테나 성능 평가, 설계 최적화, 시스템 성능 개선에 활용될 수 있으며, 안테나 제조업체와 애플리케이션 엔지니어에게 지침과 피드백을 제공할 수 있습니다.

안테나 측정에 필요한 장비

안테나 테스트에 가장 기본적인 장치는 VNA입니다. 가장 간단한 유형의 VNA는 안테나의 임피던스를 측정할 수 있는 1포트 VNA입니다.

안테나의 방사 패턴, 이득, 효율을 측정하는 것은 훨씬 어렵고 훨씬 더 많은 장비가 필요합니다. 측정 대상 안테나를 AUT(Antenna Under Test, 시험 중인 안테나)라고 부르겠습니다. 안테나 측정에 필요한 장비는 다음과 같습니다.

기준 안테나 - 알려진 특성(이득, 패턴 등)을 갖춘 안테나
RF 전력 송신기 - AUT[테스트 중인 안테나]에 에너지를 주입하는 방법
수신기 시스템 - 이는 참조 안테나가 얼마나 많은 전력을 수신하는지 결정합니다.
위치 시스템 - 이 시스템은 소스 안테나에 대해 테스트 안테나를 회전시켜 각도의 함수로 방사 패턴을 측정하는 데 사용됩니다.

위 장비의 블록 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다.

그림 1. 필요한 안테나 측정 장비 다이어그램.

이러한 구성 요소들에 대해 간략하게 설명하겠습니다. 물론 기준 안테나는 원하는 시험 주파수에서 방사가 잘 되어야 합니다. 기준 안테나는 종종 이중 편파 혼 안테나이므로 수평 편파와 수직 편파를 동시에 측정할 수 있습니다.

송신 시스템은 안정된 알려진 전력 레벨을 출력할 수 있어야 합니다. 출력 주파수는 조정 가능(선택 가능)하고 상당히 안정적이어야 합니다. (안정적이란 송신기에서 출력되는 주파수가 원하는 주파수에 가깝고 온도에 따라 크게 변하지 않음을 의미합니다.) 송신기는 다른 모든 주파수에서 매우 적은 에너지를 가져야 합니다. (원하는 주파수 이외의 주파수에는 항상 약간의 에너지가 있지만, 예를 들어 고조파에는 에너지가 너무 많아서는 안 됩니다.)

수신 시스템은 테스트 안테나에서 수신되는 전력량만 확인하면 됩니다. 이는 RF(무선 주파수) 전력을 측정하는 장치인 간단한 전력계를 통해 확인할 수 있으며, 전송선(예: N형 또는 SMA 커넥터가 있는 동축 케이블)을 통해 안테나 단자에 직접 연결할 수 있습니다. 일반적으로 수신기는 50옴 시스템이지만, 지정된 경우 다른 임피던스를 사용할 수 있습니다.

송수신 시스템은 종종 VNA로 대체됩니다. S21 측정은 포트 1에서 주파수를 송신하고 포트 2에서 수신된 전력을 기록합니다. 따라서 VNA는 이 작업에 적합하지만, 이 작업을 수행하는 유일한 방법은 아닙니다.

위치 결정 시스템은 테스트 안테나의 방향을 제어합니다. 테스트 안테나의 방사 패턴을 각도(일반적으로 구면 좌표)의 함수로 측정하고자 하므로, 소스 안테나가 가능한 모든 각도에서 테스트 안테나를 비추도록 테스트 안테나를 회전해야 합니다. 이를 위해 위치 결정 시스템이 사용됩니다. 그림 1은 AUT(자동 안테나)를 회전하는 모습을 보여줍니다. 이 회전을 수행하는 방법은 여러 가지가 있습니다. 기준 안테나를 회전하는 경우도 있고, 기준 안테나와 AUT 안테나를 모두 회전하는 경우도 있습니다.

이제 필요한 장비를 모두 갖추었으므로 측정을 어디에서 할지 논의할 수 있습니다.

안테나 측정에 적합한 장소는 어디일까요? 차고에서 측정하고 싶으시겠지만, 벽, 천장, 바닥에서 반사되는 빛 때문에 측정 결과가 부정확해질 수 있습니다. 안테나 측정을 수행하기에 이상적인 장소는 반사가 발생하지 않는 우주 공간입니다. 하지만 현재 우주 여행은 엄청난 비용이 소요되므로, 지구 표면의 측정 장소에 집중하겠습니다. 무반향실(Anechoic Chamber)을 사용하면 RF 흡수 폼으로 반사되는 에너지를 흡수하면서 안테나 테스트 셋업을 분리할 수 있습니다.

자유 공간 범위(무반향실)

자유 공간 측정대는 우주에서 수행되는 측정을 시뮬레이션하도록 설계된 안테나 측정 위치입니다. 즉, 주변 물체와 지면(바람직하지 않은)에서 반사되는 모든 전파를 최대한 억제합니다. 가장 널리 사용되는 자유 공간 측정대는 무반향실, 고가형 측정대, 그리고 소형 측정대입니다.

무반향실

무반사실은 실내 안테나 측정대입니다. 벽, 천장, 바닥에는 특수 전자파 흡수재가 깔려 있습니다. 실내 측정대는 실외 측정대보다 시험 조건을 훨씬 더 엄격하게 제어할 수 있기 때문에 바람직합니다. 재질 또한 종종 들쭉날쭉한 모양을 하고 있어, 이러한 측정대는 매우 흥미롭습니다. 들쭉날쭉한 삼각형 모양은 반사되는 전자파가 무작위 방향으로 퍼져 나가도록 설계되었으며, 모든 무작위 반사파가 합쳐지면 비간섭적으로 더해져 더욱 억제되는 경향이 있습니다. 아래 그림은 무반사실의 모습과 몇 가지 시험 장비를 보여줍니다.

(그림은 RFMISO 안테나 테스트를 보여줍니다)

무반향실의 단점은 크기가 상당히 커야 한다는 것입니다. 원거리장 조건을 시뮬레이션하기 위해서는 안테나가 최소 몇 파장 이상 떨어져 있어야 하는 경우가 많습니다. 따라서 파장이 긴 저주파의 경우 매우 큰 무반향실이 필요하지만, 비용과 실질적인 제약으로 인해 크기가 제한되는 경우가 많습니다. 대형 항공기나 기타 물체의 레이더 반사 단면적(RCS)을 측정하는 일부 방위 산업체는 농구장 크기의 무반향실을 보유하고 있는 것으로 알려져 있지만, 이는 흔한 사례는 아닙니다. 무반향실을 갖춘 대학은 일반적으로 길이, 너비, 높이가 3~5미터인 무반향실을 보유하고 있습니다. 크기 제약과 RF 흡수재가 일반적으로 UHF 이상에서 가장 잘 작동하기 때문에 무반향실은 300MHz 이상의 주파수에 가장 많이 사용됩니다.

높은 범위

고가 측정 범위는 실외 측정 범위입니다. 이 설정에서는 소스와 테스트 대상 안테나가 지면 위에 설치됩니다. 이러한 안테나는 산, 타워, 건물 등 적합한 곳에 설치할 수 있습니다. 이는 실내 측정이 어려운 매우 큰 안테나나 저주파(VHF 이하, <100MHz)에서 종종 사용됩니다. 고가 측정 범위의 기본 구성도는 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2. 높은 범위의 그림.

소스 안테나(또는 기준 안테나)가 테스트 안테나보다 반드시 높은 고도에 있을 필요는 없습니다. 여기서는 그렇게 보여드렸습니다. 두 안테나 사이의 가시선(LOS)(그림 2의 검은색 광선)에는 장애물이 없어야 합니다. 다른 모든 반사(예: 지면에서 반사되는 빨간색 광선)는 바람직하지 않습니다. 높은 범위의 경우, 소스 안테나와 테스트 안테나 위치가 결정되면 테스트 작업자는 상당한 반사가 발생할 위치를 파악하고 해당 표면에서 반사를 최소화하려고 노력합니다. 이러한 목적으로 종종 RF 흡수재나 테스트 안테나에서 광선을 반사시키는 다른 재료가 사용됩니다.

컴팩트 범위

소스 안테나는 테스트 안테나의 원거리장에 배치해야 합니다. 그 이유는 테스트 안테나가 수신하는 전파가 최대 정확도를 위해 평면파여야 하기 때문입니다. 안테나는 구면파를 방사하므로, 소스 안테나에서 방사되는 전파가 거의 평면파가 되도록 안테나를 충분히 멀리 배치해야 합니다(그림 3 참조).

그림 3. 소스 안테나는 구면 파면을 가진 파동을 방사합니다.

그러나 실내 챔버의 경우, 이를 달성하기에 충분한 분리가 이루어지지 않는 경우가 많습니다. 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 컴팩트한 레인지를 사용하는 것입니다. 이 방법에서는 소스 안테나를 반사기 쪽으로 향하게 하고, 반사기의 모양은 구면파를 거의 평면으로 반사하도록 설계되었습니다. 이는 접시 안테나의 작동 원리와 매우 유사합니다. 기본 동작 원리는 그림 4에 나와 있습니다.