アンテナ測定は、アンテナの性能と特性を定量的に評価および分析するプロセスです。特別な試験装置と測定方法を使用して、アンテナの利得、放射パターン、定在波比、周波数応答などを測定し、アンテナの設計仕様が要件を満たしているかどうかを確認し、アンテナの性能を確認し、改善提案を提供します。アンテナ測定の結果とデータは、アンテナ性能の評価、設計の最適化、システム性能の向上に使用でき、アンテナ メーカーやアプリケーション エンジニアにガイダンスとフィードバックを提供できます。
アンテナ測定に必要な機器
アンテナ テストの場合、最も基本的なデバイスは VNA です。最も単純なタイプの VNA は、アンテナのインピーダンスを測定できる 1 ポート VNA です。
アンテナの放射パターン、利得、効率の測定はさらに難しく、より多くの機器が必要になります。測定されるアンテナを AUT (Antenna Under Test) と呼びます。アンテナ測定に必要な機器は次のとおりです。
基準アンテナ - 既知の特性 (ゲイン、パターンなど) を持つアンテナ
RF パワートランスミッター - AUT にエネルギーを注入する方法 [テスト対象のアンテナ]
受信機システム - 基準アンテナが受信する電力量を決定します。
測位システム - このシステムは、ソース アンテナに対してテスト アンテナを回転させ、角度の関数として放射パターンを測定するために使用されます。
上記装置のブロック図を図1に示します。
図 1. 必要なアンテナ測定機器の図。
これらのコンポーネントについて簡単に説明します。基準アンテナは、当然のことながら、必要なテスト周波数で良好に放射する必要があります。基準アンテナは多くの場合二重偏波ホーン アンテナであるため、水平偏波と垂直偏波を同時に測定できます。
送信システムは、安定した既知の電力レベルを出力できる必要があります。出力周波数も調整可能 (選択可能) で、適度に安定している必要があります (安定とは、送信機から得られる周波数が必要な周波数に近く、温度によってあまり変化しないことを意味します)。送信機には、他のすべての周波数ではほとんどエネルギーが含まれていない必要があります (目的の周波数の外側には常にいくらかのエネルギーが存在しますが、たとえば、高調波には多くのエネルギーがあってはなりません)。
受信システムは、テスト アンテナからどのくらいの電力を受信するかを決定するだけで済みます。これは、RF (無線周波数) 電力を測定するためのデバイスであり、伝送線 (N タイプまたは SMA コネクタを備えた同軸ケーブルなど) を介してアンテナ端子に直接接続できる単純なパワー メーターを介して実行できます。通常、受信機は 50 オーム システムですが、指定されている場合は別のインピーダンスにすることもできます。
送受信システムは VNA に置き換えられることが多いことに注意してください。 S21 測定は、ポート 1 から周波数を送信し、ポート 2 での受信電力を記録します。したがって、VNA はこのタスクに適しています。ただし、これがこのタスクを実行する唯一の方法ではありません。
測位システムはテスト アンテナの方向を制御します。テスト アンテナの放射パターンを角度の関数として (通常は球面座標で) 測定したいため、ソース アンテナがあらゆる角度からテスト アンテナを照らすようにテスト アンテナを回転する必要があります。この目的のために測位システムが使用されます。図 1 では、AUT が回転している様子を示しています。この回転を実行するにはさまざまな方法があることに注意してください。基準アンテナが回転する場合もあれば、基準アンテナと AUT アンテナの両方が回転する場合もあります。
必要な機器がすべて揃ったので、どこで測定を行うかを話し合うことができます。
アンテナ測定に適した場所はどこですか?ガレージでこれを行いたいと考えているかもしれませんが、壁、天井、床からの反射により測定値が不正確になる可能性があります。アンテナ測定を実行する理想的な場所は、反射が発生しない宇宙空間のどこかです。ただし、現在宇宙旅行は法外に高価であるため、測定場所は地球表面に焦点を当てます。無響室を使用すると、RF 吸収フォームで反射エネルギーを吸収しながら、アンテナ テスト セットアップを隔離できます。
フリースペースレンジ（電波暗室）
自由空間範囲は、宇宙で実行される測定をシミュレートするために設計されたアンテナ測定場所です。つまり、近くの物体や地面からの反射波（望ましくないもの）はすべて可能な限り抑制されます。最も一般的なフリースペース範囲は、電波暗室、高架範囲、およびコンパクト範囲です。
電波暗室
電波暗室は屋内アンテナ範囲です。壁、天井、床には特殊な電磁波吸収素材を使用しています。テスト条件は屋外の範囲よりもはるかに厳密に制御できるため、屋内の範囲が望ましいです。材料の形状もギザギザであることが多く、これらの部屋は見るのが非常に興味深いものになっています。ギザギザの三角形の形状は、そこから反射されるものがランダムな方向に広がる傾向があり、すべてのランダムな反射を合計すると一貫性がなくなり、さらに抑制されるように設計されています。次の図は、いくつかのテスト機器とともに電波暗室の写真を示しています。
(写真はRFMISOアンテナテストの様子)
無響室の欠点は、多くの場合、非常に大きくする必要があることです。多くの場合、遠方界条件をシミュレートするには、アンテナ同士が少なくとも数波長離れている必要があります。したがって、波長が大きく、周波数が低い場合には非常に大きなチャンバーが必要ですが、コストと実際的な制約によってサイズが制限されることがよくあります。大型飛行機やその他の物体のレーダー断面積を測定する一部の防衛請負会社は、バスケットボール コートほどの大きさの電波暗室を備えていることが知られていますが、これは普通のことではありません。電波暗室を備えている大学には、通常、長さ、幅、高さが 3 ～ 5 メートルの電波暗室があります。サイズの制約と、RF 吸収材は通常 UHF 以上で最も効果を発揮するため、電波暗室は 300 MHz を超える周波数で最もよく使用されます。
高い山脈
高架範囲は屋外範囲です。このセットアップでは、テスト対象のソースとアンテナが地上に取り付けられます。これらのアンテナは、山、塔、建物など、適切な場所であればどこにでも設置できます。これは、屋内での測定が困難な非常に大きなアンテナや低周波数 (VHF 以下、<100 MHz) で行われることがよくあります。上昇範囲の基本図を図 2 に示します。
図 2. 上昇範囲の図。
ソース アンテナ (または基準アンテナ) は必ずしもテスト アンテナよりも高い高度にあるわけではありません。ここではそのように示しただけです。 2 つのアンテナ間の見通し線 (LOS) (図 2 の黒い光線で示されている) は遮るものがない必要があります。他のすべての反射 (地面から反射される赤い光線など) は望ましくありません。高い範囲の場合、ソースとテストアンテナの位置が決定されると、テストオペレーターは重大な反射が発生する場所を決定し、これらの表面からの反射を最小限に抑えようとします。多くの場合、この目的には、RF 吸収材料、またはテスト アンテナから光線を逸らす他の材料が使用されます。
コンパクトなレンジ
ソース アンテナはテスト アンテナの遠方界に配置する必要があります。その理由は、精度を最大限に高めるには、テスト アンテナが受信する電波が平面波である必要があるためです。アンテナは球面波を放射するため、ソース アンテナから放射される波がほぼ平面波になるように、アンテナを十分に遠くに配置する必要があります (図 3 を参照)。
図 3. ソース アンテナは球面波面の波を放射します。
ただし、屋内チャンバーの場合、これを達成するには十分な分離ができないことがよくあります。この問題を解決する 1 つの方法は、コンパクトな範囲を使用することです。この方法では、ソースアンテナは反射板の方向に向けられ、その形状は球面波をほぼ平面的に反射するように設計されています。これはパラボラアンテナの動作原理と非常によく似ています。基本的な動作を図 4 に示します。
図 4. コンパクト レンジ - ソース アンテナからの球面波が反射されて平面状 (平行化) になります。
放物面反射鏡の長さは、通常、テスト アンテナの数倍であることが望まれます。図 4 のソース アンテナは、反射光の邪魔にならないように、反射板からオフセットされています。ソース アンテナからテスト アンテナへの直接放射 (相互結合) を防ぐためにも注意が必要です。
投稿時刻: 2024 年 1 月 3 日
