בדיקה של מדידות אנטנה בשדה מאוד-קרוב: הערכת האלגוריתם והשוואה לשיטות מקובלות

הוכח שתחזיות מדויקות על שדה-רחוק של אנטנה ניתן לבצע ממדידות שדה קרוב-מאוד. התוצאות שהתקבלו מאלגוריתמים משדה קרוב לרחוק המבוססים על הגישה של ספקטרום בגל מישורי קשורות במדויק עם תוצאות של שדה-רחוק מדומות בגל-מלא ומדודות בתא אל הד (anechoic). על-ידי השוואה בין תוצאות המדידות המושגות במרחק של 25 ממ’ עם אלה המושגות ב-80 ממ’, היתרונות של המדידות המבוצעות במרחקים מאוד קרובים מוכחים. תוצאות השדה-הרחוק החזויות ממדידות שדה קרוב-מאוד שנלקחו תוך שימוש במכשיר סריקה מושוות לתוצאות שהתקבלו מתא אל הד רגיל. מחקר זה קובע שמדידות אנטנה הנלקחות בשדה קרוב-מאוד מספקות תוצאות של שדה-רחוק תקפות. בהשוואה לשיטות מישוריות של שדה-קרוב מקובלות. לטכניקת המדידה של השדה הקרוב-מאוד יש זווית רחבה יותר של כיסוי המאפשרת מישור סריקה בעל שטח קטן המקטין את הממד והעלות של המכשיר וגם מזרז מאוד את המדידות.

מבוא
תבנית הקרינה של השדה-הרחוק מאופיינת לרוב על-ידי מדידה של האמפליטודה והמופע הנקלטות באזור של שדה-רחוק (שם צפוי שדה גל מישורי מושלם) על-ידי הסיבוב המכני של האנטנה הנבדקת (antenna under test – AUT) מסביב לקואורדינטה הרלוונטית. לרוב דבר זה מבוצע בתא אל הד שהוא גדול ויקר ועשוי לגזול זמן רב בשל אילוצים מכניים. חלופה למדידת השדה הרחוק היא מדידה של האנטנה ואזור השדה-הקרוב. מערכת למדידת שדה-קרוב נבנתה לראשונה ב-1950 על-ידי Barrett ו-Barnes ממרכז המחקר של ה-Air Force ב-Cambridge . רוב המכשירים למדידת השדה-הקרוב הקיימים מבוססים על השדה-הקרוב הנמדד באזור השדה-הקרוב הקורן. דרישה זו פירושה שהממד של משטח הסריקה ועל-כן המערכות המלאות יכולים להיות די גדולים, אף שהם קטנים יותר מאשר מערכות שדה-רחוק. מאמר זה מכיל תאור של טכניקת מדידה בשדה קרוב-מאוד הכוללת מערכת סריקה קומפקטית וניידת ומאפשרת ביצוע מדידות תוך שניות ללא כל הזזה מכנית של חיישנים.
מדידת ביצועי האנטנה בשדה הקרוב-מאוד נפסלה בעבר בשל העובדה שהחיישנים יכולים להשפיע על ביצועי האנטנה הנבדקת [2]. אם כי לא מוגדר במפורש, השדה הקרוב-מאוד מתואר כאן בתור היותו הרבה יותר קרוב לחיישנים מאשר מדידות מקובלות של שדה-קרוב. רוב המדידות המוצגות במאמר זה בוצעו במרחק של 25 ממ’ מה-AUT. בתלות בתדר, המרחק יכול גם להגיע לאזור הריאקטיבי המוגדר מתמטית כ-d<ƛ/2π בשביל קורנים קטנים [3]. אם כי מניחים כרגיל שלא ניתן לערוך מדידות באזור הריאקטיבי, אין שום דבר בהפיכת השדה הקרוב אשר מגביל את המרחק למישור המדידה [3-7].
המדידות בשדה הקרוב-מאוד המתוארות במאמר זה מבוצעות כה קרוב שלא ניתן למנוע הצימוד בין ה-AUT וחיישני המדידה. חלק חשוב של תהליך המדידה הוא מזעור תופעת הצימוד הזאת ועשייתה לניתנת לחיזוי.
הגישה שנבחרה לצורך המימוש הייתה שימוש במערך סטאטי של חיישנים. היתרון של גישה זו הוא שעבור כל מיקומי חיישן המדידה, הצימוד הוא בדיוק שווה. יתרון שני של מערך החיישנים המשמש למדידות אלה הוא בכך שאין תנועה מכנית ולכן המדידה של נתוני שדה קרוב-מאוד ניתנת לביצוע מהיר ביותר. אף עם גישה זו אין פיתרון פשוט לבעיית הצימוד מאחר שהוא תלוי ב-AUT ובחיישני המדידה, אך קירוב סביר של ההשפעה ניתן להיעשות עבור אנטנות בלתי-ידועות.
המימוש של גישה זו הוא למדוד את השדה המגנטי (שדה-H) עם השפעות הצימוד של החיישן ולהטיל נתונים אלה לשדה-הרחוק תוך שימוש בפילוג הפתח המישורי להפיכת הספקטרום הזוויתי או הפיכת ספקטרום הגל המישורי
(planar wave spectrum – PWS) [4-5]. אלגוריתם מותאם שני מכוון את ההשלכה של השדה-הרחוק כדי לבטל את ההשפעות הניתנות לחיזוי על מערך המדידה. דבר זה משאיר איזו שגיאה קטנה אך בלתי-חזויה התלויה בצורת ה-AUT.

אימות האלגוריתם של השדה הקרוב-מאוד לשדה רחוק
הצעד הראשון הוא לוודא שהפיכת ה-PWS הממומשת היא מדויקת. זה נעשה על-ידי יצירת ערכי שדה אידיאליים שיכולים להיות אלה המיוצרים בשדה המאוד-קרוב של האנטנה. יישום הפיכת ה-PWS לערכי השדה האידיאליים כדי לקבל תוצאות של השדה הרחוק והשוואת צורות תבנית של שדה-רחוק אלה לתוצאות התיאורטיות מאותו הפילוג האידיאלי.

קיטוב Y בשדה מאוד-קרוב אחיד
פילוג אחיד של שדה-H משמש בבדיקה זו. ערכי השדה מופקים בפתח של 16 סמ’ x עם דגימות כל 1 סמ’ תוך יצירה של מערך מדידה הכולל 16×24. ערכים אלה נבחרו כדי להתאים למערכת המדידה של שדה-קרוב-מאוד הממומשת הנדונה בהמשך במאמר זה. האמפליטודות של מדידות אלה נקבעו באחידות ל-1A/m וכל המופעים נקבעו לאפס מעלות כדי לדמות את הפתח המקרין בצד הרחב (broadside). הקיטוב הוא בציר Y או לאורך Phi=900. המדידות בשדה-הקרוב הוטמנו בקוד של מערכת המדידה של השדה הקרוב-מאוד ותבניות הקרינה של השדה-הרחוק בשני המישורים הראשיים ו-Phi=900 מושוות עם התוצאות התיאורטיות המוצגות באיור 1.
לצורך התבנית באיור 1(a) כאשר Phi=00 plane, גודל הסוקר מגביל את הדיוק לערך ±600 מ-00, בעוד התבנית באיור 1(b) מראה התאמה כמעט מלאה בכל הזוויות.

שדה קרוב-מאוד מקוטב Y מכוון-אלומה
הנתונים הם שוב מערך 2-D של 16×24 עם פתח באותו הגודל המתואר בפרק 2.1 האמפליטודות נקבעו ל-1Amp/m באחידות והמופעים נקבעו כבעלי הזזת מופע מדורג של 10.8 מעלות (בכיוון Y) כדי לקבל את הקרינה המרבית של 21 מעלות. תבניות הקרינה המתקבלות מהניתוח התיאורטי והמכשיר של שדה-מאוד-קרוב הממומש מושוות באיור 2.
שוב נראה קשר טוב מאוד בין תוצאות השדה הרחוק התיאורטית והמוקרנת. ניתן לראות את אותו השינוי באיור (a) כאשר () Phi=00, כאשר גודל הסוקר מגביל את הדיוק לכ- מ-00, בעוד התוצאות באיור 2(b) מראות התאמה מלאה.
השוואה של מדידות 25 ממ’ ו-80 ממ’ המוקרנות לשדה-הרחוק
בפרק זה, השינוי של PWS מיושם לערכי שדה-קרוב-מאוד אידיאליים המופקים מתבנית קרינה מדומה. התבנית הנבחרת היא אנטנת טלאי (patch) ב-1.8 גיגה-הרץ המקרינה בחלל החופשי. אנטנה זו מוצגת באיור 3. טלאי הקרינה העליון הוא
44 ממ’ 36 ממ’ והגודל המרבי של מישור הקרקע התומך בטלאי הוא 110 ממ’.
לאחר הדמייה בגל-מלא, שדה ה-H מודגם במרחק של 80 ממ’ ו-25 ממ’. בשני המקרים, אזור הדגימה הוא אותו מערך 1624 המתואר בפרק 2.1. הערכים המופקים ב-25 ממ’ הם בתוך האזור הריאקטיבי ואלה ב-80 ממ’ הם מחוץ לאזור הריאקטיבי. הנתונים המודגמים מועברים לתוכנת מערכת המדידה של השדה הקרוב-מאוד כדי לחזות את תבניות הקרינה של השדה הרחוק בהשוואה לתוצאות מההדמיה בגל-שלם.
לא רק שהתוצאות של השדה-הרחוק המתקבלות מסריקת השדה הקרוב-מאור 25 ממ’ (איור 4b) תואמות היטב את התוצאות המדומות, אלא הן הרבה יותר קרובות לתוצאות המדומות מאשר הסריקה של 80 ממ’ (איור 4a). תוצאה זו היא בשל העובדה שלסריקת ה-25 ממ’ יש זווית כיסוי רחבה יותר מאשר שטח הסריקה באותו גודל ב-80 ממ’. כתוצאה, סריקת ה-25 ממ’ יכולה להבטיח דיוק תבנית מצוין בשטח סריקה מאוד קטן.
הכיווניות המתקבלת מסריקת השדה הקרוב מאוד של 25 ממ’ היא 6.0dBi, הדומה מאוד לכיווניות המדומה של 5.7dBi. הסריקה של 80 ממ’ הציגה כיווניות של 7.8dBi.

השוואה בין מדידות אנטנת טלאי מקוטבת מעגלית: תוצאות של מדידה, שדה-קרוב-מאוד ותא
התבניות המוצגות בשני הפרקים הקודמים יוצרו עם נתוני שדה-מאוד-קרוב אידיאליים המופקים דרך הדמיות בגל-מלא. בפרק זה, התוצאות מתקבלות ממערכת מדידת שדה קרוב-מאוד ממומשת במלואה. המערך של החיישנים קיים עבור מדידת ערכי השדה. החיישנים הם לולאות מקוטבות ליניארית המסודרות בשני קיטובים במשטח המישורי.
האנטנה שנבחרה עבור הבדיקה בפרק זה היא טלאי מקוטב מעגלית המוצג באיור 5. אנטנת הטלאי נערכה לקיטוב ימני עבור הבדיקות. התוצאות מראות שמדידות מקוטבות ליניארית של שדה קרוב-מאוד יכולות לשמש למדידת הביצועים של אנטנה מקוטבת מעגלית. מערכת המדידה של שדה קרוב-מאוד יכולה להצביע על כיוון הסיבוב (ימני או שמאלי), לשרטט תבניות קיטוב הן ימניות והן שמאליות ולספק את היחס הצירי בכל הזוויות.
התוצאות באיור 6 מראות קשר טוב הן עבור התבנית הימנית והן השמאלית. התבניות מופקות על-ידי מערכת השדה הקרוב-מאוד הממומשת – מסומנת כ-RFxpert באיור זה. לגבי התבניות השמאליות בעלות הרמה הנמוכה אנחנו יכולים לראות שתי תוצאות מדודות המגלות אפס קטן המופיע מסביב ל-3400, בעוד תוצאות ההדמיה מחמיצים זאת.
תוצאות מסחריות בהשוואה סריקות בשדה קרוב-מאוד המושלכות לשדה הרחוק עם מדידות בתא
התוצאות המוצגות בשלב זה התייחסו כולן לתבניות שדה-רחוק. בנוסף לתבניות, מדידות של השדה הקרוב-מאוד יכולות להפיק גם ערכים מוחלטים עבור פרמטרים אחרים כגון הספק מוקרן כולל. דבר זה מוצג בשתי העקומות הבאות.
התוצאות המוצגות כאן הן אוסף של נתונים ממערכת מדידת שדה קרוב-מאוד בסביבה מסחרית. מערכת זו שימשה למדידה של אצווה (batch) של התקנים ניידים מאותו הדגם. שתי סדרות התוצאות המוצגות כאן הן בעלות קיזוז גנרי עבור השפעות צימוד. לאחת מהן אין ידע על ה-AUT ומוצגת כאן כ-“לא מתוקן”. המערך השני של תוצאות תוקן עבור שינויים שהם מיוחדים להתקן ויכולים לקבוע אותם רק אחרי שנאספו מדידות אחדות.
התוצאות באיורים 7 ו-8 מאשרות שמדידות שבוצעו בשדה-הקרוב-מאוד יכולות לשמש לחיזוי TRP כאשר הן מתוקנות עבור השפעות צימוד הניתנות לחיזוי. בתוך מערך נתונים גדול זה ההפרש הוא פחות מ-. התוצאות גם מראות שניתן לבצע שיפורים לקיזוז הצימוד הגנרי אם יודעים את גורם הצימוד המסוים של התקן. עם קיזוז נוסף זה אנחנו רואים קשר חיובי הדוק מאוד.

סיכום
מדידות המושגות על-ידי אנטנות סריקה בשדה קרוב-מאוד ותוך שימוש בנתונים אלה כדי להפיק השלכות לגבי השדה הרחוק מוכיחות קשרים הדוקים עם תבניות ופרמטרים של מדידה ישירה המושגים בתאים אל הד. פרק 2 אישר שמימוש האלגוריתם הוא מדויק. פרק 3 אישר שסריקות של שדה קרוב-מאוד ב-25 ממ’ יכולות לתת השלכות לשדה רחוק אף אם נקודות המדידה נמצאות באזור הריאקטיבי. יתרון שני של מערכת מדידת השדה הקרוב-מאוד הוכח כבעל דיוק תבנית טוב בתוך שטח סריקה קטן מאוד. פרק 4 השווה את תבניות הקרינה של השדה-הרחוק החזויות ממדידות בשדה קרוב-מאוד עם תוצאות שנמדדו בתא אל-הד ותוצאות המופקות על-ידי הדמיות בגל-מלא עבור אנטנת טלאי מקוטבת מעגלית (RH). ההשוואה אישרה את הקשר ההדוק בין תוצאות התא ואלה שהתקבלו ממערכת סריקת השדה הקרוב-מאוד הממומשת . במקרה זה, נעשה קיזוז רק עבור ההשפעות החזויות של צימוד המוכיחות שניתן למדוד תבניות מדויקות מבלי להכיר את ה-AUT. פרק 5 הוכיח שמדידות של שדה קרוב-מאוד יכולות להשיג גם תוצאות מדידה ישירות עבור פרמטרים אחרים של האנטנה כגון ההספק הכולל המוקרן ויעילות הקרינה.

סימוכין
[1] R. M. Barrett and M. H. Barnes, “Automatic antenna wavefront plotter,” Electron., vol. 25, pp. 120-125, Jan. 1952.
[2] Arthur D. Yaghjian, “An overview of near-field antenna measurements,” IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP-34, pp. 30-45, Jan. 1986.
[3] Constantine A. Balanis, Antenna Theory: Analysis and Design, 3rd Edition, John Wiley & Sons, New Jersey, 2005.
[4] H. G. Booker and P. C. Clemmow, “The Concept of an Angular Spectrum of Plane Waves, and its Relations to that of Polar Diagram and Aperture Distribution,” Proc. Inst. Elec. Eng., Vol. 97, pp. 11 – 17,
January 1950.
[5] P. C. Clemmow, The Plane Wave Spectrum Representation of Electromagnetic Fields, London: Pergamon, 1966.
[6] Dan Slater, Near-Field Antenna Measurements, Boston: Artech House, 1991.
[7] S. Gregson, J. McCormick, C. Parini, Principles of Planar Near-field Measurements, IET Electromagnetic Waves Series, 2008.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת מאל סיוון טכנולוגיות