안테나측정은 안테나의 성능과 특성을 정량적으로 평가하고 분석하는 과정입니다. 특수 시험 장비와 측정 방법을 사용하여 안테나의 이득, 방사 패턴, 정재파비, 주파수 응답 등의 파라미터를 측정함으로써 안테나 설계 사양이 요구 사항을 충족하는지 확인하고, 안테나 성능을 점검하며, 개선 방안을 제시합니다. 안테나 측정 결과 및 데이터는 안테나 성능 평가, 설계 최적화, 시스템 성능 향상에 활용될 수 있으며, 안테나 제조업체와 응용 엔지니어에게 지침과 피드백을 제공합니다.
안테나 측정에 필요한 장비
안테나 테스트에 가장 기본적인 장비는 VNA(가변 임피던스 분석기)입니다. 가장 간단한 형태의 VNA는 1포트 VNA로, 안테나의 임피던스를 측정할 수 있습니다.
안테나의 방사 패턴, 이득 및 효율을 측정하는 것은 훨씬 더 어렵고 많은 장비가 필요합니다. 측정 대상 안테나를 AUT(Antenna Under Test, 테스트 대상 안테나)라고 부르겠습니다. 안테나 측정에 필요한 장비는 다음과 같습니다.
기준 안테나 - 특성(이득, 패턴 등)이 알려진 안테나
RF 전력 송신기 - 테스트 대상 안테나(AUT)에 에너지를 주입하는 방법
수신 시스템 - 이는 기준 안테나가 수신하는 전력량을 측정합니다.
위치 조정 시스템 - 이 시스템은 테스트 안테나를 소스 안테나에 대해 회전시켜 각도에 따른 방사 패턴을 측정하는 데 사용됩니다.
위 장비의 블록도는 그림 1에 나와 있습니다.
그림 1. 필요한 안테나 측정 장비의 도표.
이러한 구성 요소들에 대해 간략하게 설명하겠습니다. 기준 안테나는 당연히 원하는 테스트 주파수에서 우수한 방사 특성을 보여야 합니다. 기준 안테나는 일반적으로 수평 및 수직 편파를 동시에 측정할 수 있도록 이중 편파 혼 안테나로 구성됩니다.
송신 시스템은 안정적이고 일정한 출력 전력을 낼 수 있어야 합니다. 출력 주파수 또한 조정 가능해야 하며, 합리적으로 안정적이어야 합니다(안정적이라는 것은 송신기에서 출력되는 주파수가 원하는 주파수에 가깝고 온도 변화에 따른 변동이 크지 않다는 것을 의미합니다). 송신기는 원하는 주파수 이외의 모든 주파수 대역에서 에너지가 매우 적어야 합니다(원하는 주파수 이외의 주파수 대역에는 항상 약간의 에너지가 존재하지만, 예를 들어 고조파 대역에는 많은 에너지가 없어야 합니다).
수신 시스템은 테스트 안테나에서 수신되는 전력량을 측정하기만 하면 됩니다. 이는 무선 주파수(RF) 전력을 측정하는 장치인 간단한 전력계를 사용하여 수행할 수 있으며, 이 전력계는 전송선(예: N형 또는 SMA 커넥터가 있는 동축 케이블)을 통해 안테나 단자에 직접 연결할 수 있습니다. 일반적으로 수신기는 50옴 시스템이지만, 필요에 따라 다른 임피던스를 사용할 수도 있습니다.
송수신 시스템은 종종 VNA(가변 주파수 분석기)로 대체된다는 점에 유의하십시오. S21 측정은 포트 1로 주파수를 송신하고 포트 2에서 수신된 전력을 기록합니다. 따라서 VNA는 이 작업에 매우 적합하지만, 이 작업을 수행하는 유일한 방법은 아닙니다.
위치 제어 시스템은 테스트 안테나의 방향을 제어합니다. 테스트 안테나의 방사 패턴을 각도(일반적으로 구면 좌표계)의 함수로 측정하기 위해서는 소스 안테나가 모든 가능한 각도에서 테스트 안테나를 비추도록 테스트 안테나를 회전시켜야 합니다. 위치 제어 시스템은 이러한 목적으로 사용됩니다. 그림 1은 테스트 안테나(AUT)가 회전하는 모습을 보여줍니다. 회전 방법에는 여러 가지가 있으며, 기준 안테나를 회전시키는 경우도 있고, 기준 안테나와 AUT 안테나 모두를 회전시키는 경우도 있습니다.
이제 필요한 장비를 모두 갖췄으니, 어디에서 측정을 할지 논의해 볼 수 있겠습니다.
안테나 측정을 위한 최적의 장소는 어디일까요? 차고에서 측정하는 것도 좋겠지만, 벽, 천장, 바닥에서 반사되는 신호 때문에 측정값이 부정확해질 수 있습니다. 안테나 측정에 이상적인 장소는 반사가 전혀 발생하지 않는 우주 공간입니다. 하지만 현재 우주여행은 비용이 너무 많이 들기 때문에, 우리는 지구 표면에서의 측정 장소에 초점을 맞추겠습니다. 무반사 챔버는 안테나 테스트 장비를 외부와 격리하는 동시에 RF 흡수 폼으로 반사 에너지를 흡수하는 데 사용할 수 있습니다.
자유 공간 범위(무반향실)
자유 공간 측정 장소는 우주 공간에서의 측정을 모사하도록 설계된 안테나 측정 위치입니다. 즉, 주변 물체와 지면에서 반사되는 모든 파동(바람직하지 않은 요소)을 최대한 억제합니다. 가장 널리 사용되는 자유 공간 측정 장소로는 무반사실, 고가 측정 장소, 소형 측정 장소 등이 있습니다.
무반향실
무반사실은 실내 안테나 시험장입니다. 벽, 천장, 바닥은 특수 전자기파 흡수재로 덮여 있습니다. 실내 시험장은 실외 시험장보다 시험 조건을 훨씬 더 엄격하게 제어할 수 있기 때문에 선호됩니다. 또한, 이 흡수재는 종종 톱니 모양으로 되어 있어 무반사실의 외관이 흥미롭습니다. 톱니 모양의 삼각형 구조는 반사된 전자기파가 여러 방향으로 무작위로 퍼져나가도록 설계되었으며, 이러한 무작위 반사파들이 합쳐질 때 비간섭적으로 합쳐져 전자기파가 더욱 억제되는 효과를 가져옵니다. 다음 그림은 무반사실과 일부 시험 장비의 모습입니다.
(사진은 RFMISO 안테나 테스트 모습을 보여줍니다.)
무반향실의 단점은 크기가 상당히 커야 한다는 점입니다. 원거리장 조건을 모사하려면 안테나 간 최소 몇 파장의 간격이 필요합니다. 따라서 파장이 긴 저주파수 대역에서는 매우 큰 무반향실이 필요하지만, 비용과 현실적인 제약으로 인해 크기가 제한되는 경우가 많습니다. 대형 항공기나 기타 물체의 레이더 반사 면적(RCS)을 측정하는 일부 방위산업체는 농구 코트 크기의 무반향실을 보유하고 있는 것으로 알려져 있지만, 이는 일반적인 경우는 아닙니다. 대학에서 사용하는 무반향실은 보통 길이, 너비, 높이가 3~5미터 정도입니다. 크기 제약과 RF 흡수재가 일반적으로 UHF 이상의 주파수 대역에서 가장 효과적이라는 점 때문에 무반향실은 주로 300MHz 이상의 주파수 대역에서 사용됩니다.
고지대 산맥
고가 측정소는 실외 측정소입니다. 이 방식에서는 측정 대상 음원과 안테나가 지면보다 높은 곳에 설치됩니다. 안테나는 산, 탑, 건물 등 적합한 장소라면 어디든 설치할 수 있습니다. 이는 실내 측정이 불가능한 매우 큰 안테나나 저주파수 대역(VHF 이하, <100MHz)에서 주로 사용됩니다. 고가 측정소의 기본 구조는 그림 2에 나와 있습니다.
그림 2. 상승된 범위의 예시.
송신 안테나(또는 기준 안테나)가 시험 안테나보다 반드시 높은 고도에 위치할 필요는 없습니다. 그림 2에서 검은색 선으로 표시된 두 안테나 사이의 가시선(LOS)은 장애물이 없어야 합니다. 지면에서 반사되는 빨간색 선과 같은 다른 모든 반사는 바람직하지 않습니다. 고지대 환경에서 시험할 경우, 송신 안테나와 시험 안테나의 위치가 결정되면 시험 담당자는 주요 반사가 발생하는 지점을 파악하고 이러한 표면에서의 반사를 최소화해야 합니다. 이를 위해 종종 RF 흡수재나 시험 안테나에서 전파를 다른 방향으로 굴절시키는 재료를 사용합니다.
소형 제품군
송신 안테나는 테스트 안테나의 원거리장에 위치해야 합니다. 이는 최대 정확도를 위해 테스트 안테나가 수신하는 파동이 평면파여야 하기 때문입니다. 안테나는 구형파를 방사하므로 송신 안테나에서 방사되는 파동이 대략 평면파가 되도록 안테나를 충분히 멀리 떨어뜨려야 합니다(그림 3 참조).
그림 3. 송신 안테나가 구형 파면을 가진 파동을 방사한다.
하지만 실내 환경에서는 이러한 조건을 충족할 만큼 충분한 거리가 확보되지 않는 경우가 많습니다. 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 소형 안테나를 사용하는 것입니다. 이 방식에서는 송신 안테나를 반사판 쪽으로 향하게 배치하는데, 반사판의 모양은 구형파를 거의 평면 형태로 반사하도록 설계됩니다. 이는 접시형 안테나의 작동 원리와 매우 유사합니다. 기본 작동 방식은 그림 4에 나와 있습니다.
그림 4. 소형 범위 - 송신 안테나에서 나온 구형파가 반사되어 평면파(평행파)가 됩니다.
일반적으로 포물선형 반사판의 길이는 테스트 안테나 길이의 몇 배 정도 되는 것이 바람직합니다. 그림 4에서 음원 안테나는 반사된 광선의 경로를 방해하지 않도록 반사판에서 약간 떨어져 있습니다. 또한 음원 안테나에서 테스트 안테나로의 직접적인 방사(상호 결합)가 발생하지 않도록 주의해야 합니다.
게시 시간: 2024년 1월 3일
