안테나측정은 안테나의 성능과 특성을 정량적으로 평가하고 분석하는 과정입니다. 특수 테스트 장비와 측정 방법을 이용하여 안테나의 이득, 방사 패턴, 정재파 비율, 주파수 응답 및 기타 매개 변수를 측정하여 안테나의 설계 사양이 요구 사항을 충족하는지 확인하고 안테나의 성능을 확인하며, 개선 제안을 제공합니다. 안테나 측정 결과와 데이터는 안테나 성능을 평가하고, 설계를 최적화하고, 시스템 성능을 개선하고, 안테나 제조업체와 애플리케이션 엔지니어에게 지침과 피드백을 제공하는 데 사용될 수 있습니다.
안테나 측정에 필요한 장비
안테나 테스트를 위한 가장 기본적인 장치는 VNA입니다. 가장 간단한 유형의 VNA는 안테나의 임피던스를 측정할 수 있는 1포트 VNA입니다.
안테나의 방사 패턴, 이득 및 효율을 측정하는 것은 더 어렵고 훨씬 더 많은 장비가 필요합니다. 측정할 안테나를 AUT(Antenna Under Test)라고 부르겠습니다. 안테나 측정에 필요한 장비는 다음과 같습니다.
기준 안테나 - 알려진 특성(이득, 패턴 등)을 가진 안테나
RF 전력 송신기 - AUT에 에너지를 주입하는 방법 [테스트 중인 안테나]
수신기 시스템 - 기준 안테나가 수신하는 전력량을 결정합니다.
포지셔닝 시스템 - 이 시스템은 소스 안테나를 기준으로 테스트 안테나를 회전시켜 각도의 함수로 방사 패턴을 측정하는 데 사용됩니다.
위 장비의 블록 다이어그램은 그림 1에 나와 있습니다.
그림 1. 필수 안테나 측정 장비 다이어그램.
이러한 구성 요소에 대해 간략하게 설명합니다. 물론 기준 안테나는 원하는 테스트 주파수에서 잘 방사되어야 합니다. 기준 안테나는 종종 이중 편파 혼 안테나이므로 수평 및 수직 편파를 동시에 측정할 수 있습니다.
송신 시스템은 알려진 안정적인 전력 수준을 출력할 수 있어야 합니다. 출력 주파수는 또한 조정 가능(선택 가능)하고 합리적으로 안정적이어야 합니다(안정이란 송신기에서 얻는 주파수가 원하는 주파수에 가깝고 온도에 따라 크게 변하지 않는다는 것을 의미합니다). 송신기는 다른 모든 주파수에서 매우 적은 에너지를 포함해야 합니다(예를 들어, 원하는 주파수를 벗어난 에너지는 항상 존재하지만 고조파에는 많은 에너지가 있어서는 안 됩니다).
수신 시스템은 테스트 안테나로부터 수신되는 전력량을 결정하기만 하면 됩니다. 이는 RF(무선 주파수) 전력을 측정하는 장치인 간단한 전력계를 통해 수행할 수 있으며 전송선(예: N형 또는 SMA 커넥터가 있는 동축 케이블)을 통해 안테나 단자에 직접 연결할 수 있습니다. 일반적으로 수신기는 50Ω 시스템이지만 지정된 경우 임피던스가 다를 수 있습니다.
전송/수신 시스템은 VNA로 대체되는 경우가 많습니다. S21 측정은 포트 1에서 주파수를 전송하고 포트 2에서 수신된 전력을 기록합니다. 따라서 VNA는 이 작업에 매우 적합합니다. 그러나 이것이 이 작업을 수행하는 유일한 방법은 아닙니다.
포지셔닝 시스템은 테스트 안테나의 방향을 제어합니다. 테스트 안테나의 방사 패턴을 각도 함수(일반적으로 구면 좌표)로 측정하려고 하므로 소스 안테나가 가능한 모든 각도에서 테스트 안테나를 비출 수 있도록 테스트 안테나를 회전해야 합니다. 이를 위해 포지셔닝 시스템이 사용됩니다. 그림 1에서는 AUT가 회전되는 모습을 보여줍니다. 이 회전을 수행하는 방법에는 여러 가지가 있습니다. 때로는 기준 안테나가 회전되고 때로는 기준 안테나와 AUT 안테나가 모두 회전되기도 합니다.
이제 필요한 장비가 모두 준비되었으므로 측정을 수행할 위치를 논의할 수 있습니다.
안테나 측정을 위한 좋은 장소는 어디입니까? 아마도 차고에서 이 작업을 수행하고 싶지만 벽, 천장 및 바닥의 반사로 인해 측정이 부정확해질 수 있습니다. 안테나 측정을 수행하는 이상적인 위치는 반사가 발생할 수 없는 우주 공간 어딘가입니다. 그러나 현재 우주 여행은 엄청나게 비용이 많이 들기 때문에 우리는 지구 표면에 있는 측정 장소에 중점을 둘 것입니다. 무향실을 사용하면 RF 흡수 폼으로 반사 에너지를 흡수하면서 안테나 테스트 설정을 격리할 수 있습니다.
자유 공간 범위(무향실)
자유 공간 범위는 우주에서 수행되는 측정을 시뮬레이션하도록 설계된 안테나 측정 위치입니다. 즉, 근처의 물체와 지면에서 반사되는 모든 반사파(바람직하지 않음)를 최대한 억제합니다. 가장 널리 사용되는 여유 공간 범위는 무향실, 고가 범위 및 소형 범위입니다.
무향실
무향실은 실내 안테나 범위입니다. 벽, 천장, 바닥에는 특수 전자파 흡수 소재가 늘어서 있습니다. 테스트 조건은 실외 범위보다 훨씬 더 엄격하게 제어될 수 있으므로 실내 범위가 바람직합니다. 재료의 모양도 종종 들쭉날쭉해서 이 방을 보는 것이 매우 흥미로웠습니다. 들쭉날쭉한 삼각형 모양은 반사된 것이 임의의 방향으로 퍼지는 경향이 있고, 모든 임의의 반사에서 합쳐진 것은 일관되지 않게 추가되는 경향이 있어 더욱 억제되도록 설계되었습니다. 무향실의 사진은 일부 테스트 장비와 함께 다음 그림에 나와 있습니다.
(사진은 RFMISO 안테나 테스트를 보여줍니다)
무향실의 단점은 크기가 꽤 커야 하는 경우가 많다는 것입니다. 원거리장 조건을 시뮬레이션하려면 안테나가 최소한 서로 여러 파장 떨어져 있어야 하는 경우가 많습니다. 따라서 파장이 길고 저주파의 경우 매우 큰 챔버가 필요하지만 비용과 실제 제약으로 인해 크기가 제한되는 경우가 많습니다. 대형 항공기나 기타 물체의 레이더 단면적을 측정하는 일부 방산업체에는 농구장 크기의 무반향실이 있는 것으로 알려져 있지만 이는 평범하지 않다. 무반향실이 있는 대학에는 일반적으로 길이, 너비, 높이가 3~5m인 방이 있습니다. 크기 제약과 RF 흡수 재료가 일반적으로 UHF 이상에서 가장 잘 작동하기 때문에 무향실은 300MHz 이상의 주파수에 가장 자주 사용됩니다.
높은 범위
높은 범위는 야외 범위입니다. 이 설정에서는 테스트 중인 소스와 안테나가 지면 위에 장착됩니다. 이 안테나는 산, 타워, 건물 또는 적합한 곳이면 어디든 설치할 수 있습니다. 이는 실내 측정이 어려운 매우 큰 안테나나 저주파(VHF 이하, <100MHz)에서 수행되는 경우가 많습니다. 높은 범위의 기본 다이어그램은 그림 2에 나와 있습니다.
그림 2. 높은 범위의 그림.
소스 안테나(또는 기준 안테나)가 반드시 테스트 안테나보다 더 높은 고도에 있을 필요는 없습니다. 여기서는 그렇게만 보여드렸습니다. 두 안테나 사이의 가시선(LOS)(그림 2에서 검은색 광선으로 표시)이 방해받지 않아야 합니다. 다른 모든 반사(예: 지면에서 반사되는 빨간색 광선)는 바람직하지 않습니다. 높은 범위의 경우 소스 및 테스트 안테나 위치가 결정되면 테스트 운영자는 중요한 반사가 발생할 위치를 결정하고 이러한 표면에서 반사를 최소화하려고 시도합니다. 종종 이러한 목적으로 RF 흡수 물질이 사용되거나 테스트 안테나에서 광선을 편향시키는 다른 물질이 사용됩니다.
소형 제품군
소스 안테나는 테스트 안테나의 원거리장에 배치되어야 합니다. 그 이유는 테스트 안테나가 수신하는 파동이 평면파여야 정확도가 극대화되기 때문입니다. 안테나는 구형파를 방사하므로 소스 안테나에서 방사되는 파동이 거의 평면파가 되도록 안테나는 충분히 멀리 떨어져 있어야 합니다(그림 3 참조).
그림 3. 소스 안테나는 구형 파면을 갖는 파동을 방사합니다.
그러나 실내 챔버의 경우 이를 달성하기에 충분한 분리가 없는 경우가 많습니다. 이 문제를 해결하는 한 가지 방법은 소형 제품군을 이용하는 것입니다. 이 방법에서는 소스 안테나가 반사판을 향하고 있으며 반사판의 모양은 구형파를 거의 평면 방식으로 반사하도록 설계되었습니다. 이는 접시 안테나가 작동하는 원리와 매우 유사합니다. 기본 작동은 그림 4에 나와 있습니다.
그림 4. 소형 범위 - 소스 안테나의 구형파가 평면형(시준)으로 반사됩니다.
포물선형 반사기의 길이는 일반적으로 테스트 안테나보다 몇 배 더 커지는 것이 바람직합니다. 그림 4의 소스 안테나는 반사광을 방해하지 않도록 반사경에서 오프셋되어 있습니다. 또한 소스 안테나에서 테스트 안테나로의 직접적인 방사(상호 결합)를 유지하기 위해 주의를 기울여야 합니다.
게시 시간: 2024년 1월 3일
