Curso sobre Medida de Antenas - UPM
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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 lejano Di E d bid fl i Ef d l fi i dd di i CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-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.
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Microsoft PowerPoint - medidas_curso_doct [Modo de
compatibilidad]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 lejano Di E d bid fl i Ef d l fi i d d di i
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 3
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 r a la antena.
r D
Regiones de campo
90 120
120 dBg
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
a) d 27 m
– b) d = 13.5 m
– c) d = 6.75 m
– d) d= 2.7 m
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 en recepción como en transmisión
Antena Fuente
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 6
(antena fuente receptora). Los diagramas y parámetros obtenidos son IGUALES tal como pone de manifiesto el Teorema de Reciprocidad.
Criterios de Diseño de Sistemas 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.
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 7
– 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
Criterios de Diseño de Sistemas de Medida en Campo Lejano
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.
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 8
– CRITERIO -0.25 dB dt.
E r = jk e 2
P P e -jkr
Campos radiados: Fuentes
Diagrama Transformada Inversa de Fourier del Campo en la Apertura
P ( )
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 9
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:
Criterios de Diseño de Sistemas de Medida en Campo Lejano
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
MÍNIMA
8
Antena fuente en zona de campo lejano de la antena bajo medida (Reciprocidad) 0.1 1 10 100
1
10
100
2D6
2D2
2D4
2D
Simulaciones sobre la medida de la antena del RADAR AWACS
Diseño Típico de un Sistema Elevado
D
D4 R
Lóbulo Principal: D4hh rt
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 12
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
R=4300 m
=0,25 dB
hrms = rugosidad
rms g
• Condición de Iluminación del diagrama interferente 0,25 dB:
D4 R
D3.3hr
Necesario ajustar a cada frecuencia
tt h 1
• Antena Fuente
• Instrumentación de RF
• Sistema y Software de Adquisición y Proceso
S/N Error Amp. Error Fase 20 dB 0.9 dB 5.7 º 30 dB 0 28 dB 1 8º
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 15
Calculo de Potencias y Margen Dinámico
SaturacionRTTRmax PdBiGdBiG R4
30 dB 0.28 dB 1.8 40 dB 0.09 dB 0.57º
Cálculo de las Cotas de Error debidas a Reflexiones Residuales
-10 dB
-25 dB
-25 dBDirecto
Técnicas de Medida para evitar Reflexiones
REGLAS BÁSICAS • No apuntar nunca el lóbulo
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 17
p principal hacia el suelo. • Con haces tipo abanico conviene medir los dos cortes en elevación.
Vallas Difractantes para Reducir Reflexiones
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 18
• 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:
– Control ambiente de medida (temperatura, limpieza ...) antenas de espacio
Ahorran gastos de desplazamiento
– Ahorran gastos de desplazamiento.
– Eliminan problemas de seguridad.
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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 20
compactos.
Tipos de cámaras
max<70º W/R>1/2.75
Antena fuente (bocina) con lóbulo principal que no ilumine paredes laterales ni el suelo o el techo.
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 22
W
Señales interferentes constructivas para eliminar rizado en zona quieta Usadas en VHF y en UHF Ajuste de la fuente para cada frecuencia
Tipos de cámaras. Modelo de rayos para diseño
c) Cámaras semiabiertas
Se elimina una pared de la cámara para iluminar la ABP (protegida a inclemencias 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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 23
Evaluación y Ajuste del Campo de Medida Método de la onda estacionaria
• Utilizando una sonda deslizante se debe comprobar que el máximo de radiación de la fuente (o del lóbuloradiación de la fuente (o del lóbulo interferente) apunta al centro de la apertura de medida.
sen
Evaluación del Campo de Medida Método 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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 25
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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 26
q p y p p proceso:
» ECP-EXP,
Medidas de Polarización Asignación de Ejes para Roll sobre Azimut
ABP Roll
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 27
• 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
xpXPcpCP u,Eu,E,E
x y Componentes CP y XP:
• Lineales: 3ª Definición de Ludwig para componentes lineales con copolar según y
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 28
• 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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 29
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:
dBiGdBiG R4
log20dBmPdBmP RTTR
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 30
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:
P log10dBGdBG
2 2 2 2 1 1 1 1ABP Rx Patron Rx
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 31
» 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
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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 33
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 Polarización Método 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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 34
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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 35
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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 36
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:
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 37
– Se puede comprobar que
1 1 1 1 1 1 1 1 1
2 min( ) 2verdaderaRA RA RA RA RA RA RA
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-
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 38
[ , ] p g f Antenna 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)
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 39
Errores de Medida en Campo Lejano
Principales causas de error:
• Taper de amplitud de iluminación y falta de simetría
• Reflexiones
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
Sistemas especiales de medida: Sistemas para antenas embarcadas (escaladas)
Longitud: l’=l/n Tiempo: t’=t/nTiempo: t t/n Longitud de onda: ’= /n Capacidad: C’=C/n Inductancia: L’=L/n Superficie de reflexión: Ae ’=Ae/n2
Frecuencia: f’=n f Conductividad: ’=n Permitividad: ’=
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 42
Sistema de arco semianecoico para medida de antenas embarcadas
(LEHA-UPM)
Impedancia Z’=Z Ganancia 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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 43
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
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 lejano Di E d bid fl i Ef d l fi i d d di i
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-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
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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 r a la antena.
r D
Regiones de campo
90 120
120 dBg
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
a) d 27 m
– b) d = 13.5 m
– c) d = 6.75 m
– d) d= 2.7 m
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 en recepción como en transmisión
Antena Fuente
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 6
(antena fuente receptora). Los diagramas y parámetros obtenidos son IGUALES tal como pone de manifiesto el Teorema de Reciprocidad.
Criterios de Diseño de Sistemas 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.
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 7
– 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
Criterios de Diseño de Sistemas de Medida en Campo Lejano
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.
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 8
– CRITERIO -0.25 dB dt.
E r = jk e 2
P P e -jkr
Campos radiados: Fuentes
Diagrama Transformada Inversa de Fourier del Campo en la Apertura
P ( )
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 9
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:
Criterios de Diseño de Sistemas de Medida en Campo Lejano
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
MÍNIMA
8
Antena fuente en zona de campo lejano de la antena bajo medida (Reciprocidad) 0.1 1 10 100
1
10
100
2D6
2D2
2D4
2D
Simulaciones sobre la medida de la antena del RADAR AWACS
Diseño Típico de un Sistema Elevado
D
D4 R
Lóbulo Principal: D4hh rt
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 12
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
R=4300 m
=0,25 dB
hrms = rugosidad
rms g
• Condición de Iluminación del diagrama interferente 0,25 dB:
D4 R
D3.3hr
Necesario ajustar a cada frecuencia
tt h 1
• Antena Fuente
• Instrumentación de RF
• Sistema y Software de Adquisición y Proceso
S/N Error Amp. Error Fase 20 dB 0.9 dB 5.7 º 30 dB 0 28 dB 1 8º
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 15
Calculo de Potencias y Margen Dinámico
SaturacionRTTRmax PdBiGdBiG R4
30 dB 0.28 dB 1.8 40 dB 0.09 dB 0.57º
Cálculo de las Cotas de Error debidas a Reflexiones Residuales
-10 dB
-25 dB
-25 dBDirecto
Técnicas de Medida para evitar Reflexiones
REGLAS BÁSICAS • No apuntar nunca el lóbulo
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p principal hacia el suelo. • Con haces tipo abanico conviene medir los dos cortes en elevación.
Vallas Difractantes para Reducir Reflexiones
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 18
• 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:
– Control ambiente de medida (temperatura, limpieza ...) antenas de espacio
Ahorran gastos de desplazamiento
– Ahorran gastos de desplazamiento.
– Eliminan problemas de seguridad.
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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 20
compactos.
Tipos de cámaras
max<70º W/R>1/2.75
Antena fuente (bocina) con lóbulo principal que no ilumine paredes laterales ni el suelo o el techo.
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 22
W
Señales interferentes constructivas para eliminar rizado en zona quieta Usadas en VHF y en UHF Ajuste de la fuente para cada frecuencia
Tipos de cámaras. Modelo de rayos para diseño
c) Cámaras semiabiertas
Se elimina una pared de la cámara para iluminar la ABP (protegida a inclemencias 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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 23
Evaluación y Ajuste del Campo de Medida Método de la onda estacionaria
• Utilizando una sonda deslizante se debe comprobar que el máximo de radiación de la fuente (o del lóbuloradiación de la fuente (o del lóbulo interferente) apunta al centro de la apertura de medida.
sen
Evaluación del Campo de Medida Método 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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 25
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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 26
q p y p p proceso:
» ECP-EXP,
Medidas de Polarización Asignación de Ejes para Roll sobre Azimut
ABP Roll
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 27
• 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
xpXPcpCP u,Eu,E,E
x y Componentes CP y XP:
• Lineales: 3ª Definición de Ludwig para componentes lineales con copolar según y
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 28
• 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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 29
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:
dBiGdBiG R4
log20dBmPdBmP RTTR
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 30
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:
P log10dBGdBG
2 2 2 2 1 1 1 1ABP Rx Patron Rx
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 31
» 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
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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 33
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 Polarización Método 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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 34
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
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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
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 36
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:
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 37
– Se puede comprobar que
1 1 1 1 1 1 1 1 1
2 min( ) 2verdaderaRA RA RA RA RA RA RA
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-
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[ , ] p g f Antenna 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)
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 39
Errores de Medida en Campo Lejano
Principales causas de error:
• Taper de amplitud de iluminación y falta de simetría
• Reflexiones
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
Sistemas especiales de medida: Sistemas para antenas embarcadas (escaladas)
Longitud: l’=l/n Tiempo: t’=t/nTiempo: t t/n Longitud de onda: ’= /n Capacidad: C’=C/n Inductancia: L’=L/n Superficie de reflexión: Ae ’=Ae/n2
Frecuencia: f’=n f Conductividad: ’=n Permitividad: ’=
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Sistema de arco semianecoico para medida de antenas embarcadas
(LEHA-UPM)
Impedancia Z’=Z Ganancia de antena: Go ’=Go
Transformación de parámetros
Bibliografía
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and specification guide.. IEEE Press. John Wiley Interscience. 2002 • P S Hacker Range Distance Requirements for Measuring Low and Ultralow
CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS MED-1- 43
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