Im Bereich der drahtlosen Kommunikation ist die Antennenleistung entscheidend für den Erfolg jeder Systemverbindung. Die schalltote Kammer dient als professionelle Testumgebung und ist der einzige Ort für die präzise Messung des Antennengewinns und des Strahlungsmusters . Dieser Artikel befasst sich mit den Kernprinzipien von Messungen in schalltoten Kammern, stellt ein vollständiges, praktisches Betriebsverfahren vor und erläutert die wichtigsten Techniken, die erforderlich sind, um Messgenauigkeit und -zuverlässigkeit sicherzustellen und Ihren Produktdaten zu größerer Professionalität und Autorität zu verhelfen.
Warum ist ein schalltoter Raum für die Antennenmessung unerlässlich?
Die präzise Messung des Antennengewinns und der Strahlungsmuster in einer realen Umgebung erfordert die Eliminierung aller potenziellen Störungen und die Simulation einer idealen Freiraumumgebung.
1. Beseitigung externer elektromagnetischer Störungen (EMI)
Die Wände, die Decke und der Boden der schalltoten Kammer sind von einer metallischen Abschirmschicht umgeben (typischerweise eine Faradaysche Käfigstruktur). Diese Struktur isoliert effektiv externe elektromagnetische Wellen und Hochfrequenzstörungen (RFI) und stellt so sicher, dass die Testumgebung ein extrem niedriges Hintergrundrauschen aufweist, sodass die Messergebnisse nur die wahre Leistung der zu testenden Antenne (AUT) widerspiegeln.
2. Simulation des idealen Freiraums
Das Innere der schalltoten Kammer ist mit einer großen Menge absorbierenden Materials ausgekleidet , typischerweise mit Pyramiden- oder Keilstrukturen aus kohlenstoffhaltigem Polyurethanschaum. Diese Materialien maximieren die Absorption einfallender elektromagnetischer Wellen und eliminieren dadurch Reflexionen von Wänden, Boden und Decke. Dadurch wird die Betriebsumgebung der Antenne im idealen freien Raum effektiv simuliert und verhindert, dass Multipath Fading die Messdaten beeinträchtigt.
Kernprinzipien der Messung: Verstärkung und Strahlungsmuster
Ein gründliches Verständnis der physikalischen Bedeutung und Messmethoden dieser beiden Metriken ist für den praktischen Betrieb von grundlegender Bedeutung.
1. Prinzip der Antennengewinnmessung
Der Antennengewinn ist ein Maß für die Fähigkeit einer Antenne, die Eingangsleistung in eine bestimmte Richtung zu konzentrieren. Es steht für Richtwirkung, nicht für Energieverstärkung.
Definition: Der Antennengewinn (G) ist definiert als das Verhältnis der von der Antenne in ihrer maximalen Strahlungsrichtung erzeugten Leistungsdichte im Vergleich zu einer Referenzantenne (normalerweise einer ideal isotropen Antenne). Die Einheit ist typischerweise dBi.
Substitutionsmethode: Dies ist die am häufigsten verwendete und äußerst genaue Methode. Zunächst wird die von einem Standard Gain Horn (SGH) empfangene Leistung gemessen. Anschließend wird das SGH durch die zu testende Antenne (AUT) ersetzt und unter Beibehaltung aller anderen Bedingungen wird die von der AUT empfangene Leistung gemessen. Durch den Vergleich der beiden Datensätze kann der Gewinn des AUT abgeleitet werden.
Theoretische Grundlage: Die theoretische Grundlage für die Gewinnberechnung ist die Friis-Übertragungsformel , die das zwischen zwei Antennen übertragene Leistungsverhältnis beschreibt.
Dabei sind Pr und Pt die empfangene und gesendete Leistung, Gt und Gr die Sende- und Empfangsantennengewinne, λ die Wellenlänge und R der Abstand zwischen den Antennen.
2. Prinzip der Strahlungsmustermessung
Das Strahlungsmuster zeigt die relative Stärkeverteilung der von der Antenne in verschiedene Raumrichtungen abgestrahlten oder empfangenen Energie. Es ist eine visuelle Darstellung der Richtwirkung der Antenne.
Messkern: Das Messsystem dreht den Positionierer, der die zu testende Antenne (AUT) trägt, und zeichnet gleichzeitig die von der Empfangsantenne an jedem Winkelpunkt empfangene Signalstärke auf.
Schlüsselparameter: Die Strahlungsmusteranalyse liefert mehrere wichtige Parameter:
Strahlbreite mit halber Leistung (HPBW): Die Winkelbreite, bei der die Amplitude der Hauptkeule auf die Hälfte ihres Maximalwerts (-3 dB) abfällt.
Side-Lobe Level (SLL): Das Verhältnis der maximalen Leistung der Nebenkeule zur maximalen Leistung der Hauptkeule.
Polarisation: Messung der Reaktion der Antenne auf verschiedene Polarisationsrichtungen.
Praktisches Betriebsverfahren: Das achtstufige Kammermessprotokoll
Eine standardmäßige, präzise Antennenmessung erfordert die strikte Einhaltung der folgenden Schritte, um Datengenauigkeit und Wiederholbarkeit sicherzustellen.
Instrumentenkalibrierung und -einrichtung: Eine strikte S-Parameterkalibrierung von Geräten wie dem Vektornetzwerkanalysator (VNA) wird durchgeführt, um eine Impedanzanpassung an den Messanschlüssen sicherzustellen.
Bestimmen der Fernfeldbedingungen: Stellen Sie sicher, dass der Testabstand R die Fernfeldbedingung R ≥ 2D2 /λ erfüllt . Dies ist eine Voraussetzung für die Erzielung genauer Verstärkungs- und Strahlungsmuster.
Installation der zu testenden Antenne (AUT): Befestigen Sie die AUT mit Trägermaterialien mit niedriger Dielektrizitätskonstante am Positionierer und stellen Sie sicher, dass das Phasenzentrum der Antenne genau mit dem Rotationszentrum des Positionierers ausgerichtet ist.
Einrichtung und Kalibrierung des Standard Gain Horn (SGH): Das SGH dient als Referenzbenchwert; Es wird präzise installiert und seine bekannten Verstärkungsdaten werden in die Messsoftware eingegeben.
Strahlungsmusterdatenerfassung: Legen Sie die Rotationsschrittgröße fest. Der Positionierer beginnt sich entlang der Azimut- und Elevationsachse zu drehen, und das System zeichnet automatisch die empfangene Signalleistung auf und sammelt Daten für mindestens zwei zueinander senkrechte Ebenen.
Berechnung der Antennenverstärkung: Die Software berechnet automatisch die absolute Verstärkung des AUT anhand der empfangenen Leistungsdaten aus der Substitutionsmethode, kombiniert mit der Friis-Übertragungsformel und der bekannten Verstärkung des SGH.
Datennachbearbeitung und -analyse: Die Rohdaten werden geglättet und korrigiert (z. B. hinsichtlich Kabelverlust). Schlüsselparameter wie HPBW, SLL und FBR werden automatisch extrahiert.
Erstellung eines professionellen Messberichts: Alle Messparameter, Einrichtungsdetails, Testbedingungen, Gerätekalibrierungsstatus usw. werden zu einem vollständigen und nachvollziehbaren professionellen Bericht integriert.
Herausforderungen und Lösungen: Sicherstellung der Messgenauigkeit und -zuverlässigkeit
Selbst in einem idealen schalltoten Raum erfordert die Gewährleistung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit der endgültigen Antennenmessdaten eine spezielle technische Handhabung und eine strenge Qualitätskontrolle.
1. Beseitigung von Kabel- und Steckerverlusten
Herausforderung: Zuleitungskabel und Steckverbinder führen zu einer Signaldämpfung (Verlust), die sich auf die Präzision des Verstärkungswerts auswirken kann.
Lösung: Portkalibrierungs- und De-Embedding -Vorgänge müssen mit dem VNA durchgeführt werden. Durch die genaue Messung der Kabeldämpfung bei der Betriebsfrequenz und deren Subtraktion vom Endergebnis wird sichergestellt, dass die Gewinndaten die eigentliche Leistung der Antenne widerspiegeln.
2. Fernfeldfehler und Nahfeldkorrektur
Herausforderung: Bei großen Antennen oder Niederfrequenzmessungen kann die strikte Erfüllung der Fernfeldbedingung einen unpraktisch großen Kammerraum erfordern.
Lösungen:
Kompaktes Reichweiten-Antennentestsystem: Verwendet einen Parabolreflektor, um den Strahl einer Nahfeldquelle in eine quasi ebene Welle zu formen und so Fernfeldbedingungen in einer kleineren reflexionsarmen Kammer zu simulieren.
Nahfeld-zu-Fernfeld-Transformation (NF-FF): Wenn aufgrund von Kammerbeschränkungen nur Nahfeldmessungen möglich sind, werden komplexe mathematische Algorithmen (wie planare, zylindrische oder sphärische Nahfeldabtastung) verwendet, um das äquivalente Fernfeld-Strahlungsmuster und die entsprechende Verstärkung zu berechnen und abzuleiten.
3. Verhinderung der Streuung von Positionierern und Stützstrukturen
Herausforderung: Metallische Komponenten, die zum Tragen und Drehen des AUT verwendet werden, können elektromagnetische Wellen streuen und so das Strahlungsmuster verzerren.
Lösungen:
Verwenden Sie mit niedriger Dielektrizitätskonstante und geringem Verlust . Materialien aus Schaumstoff oder Polystyrol als Antennentragkonstruktionen
Nutzen Sie die Technik der schalltoten Kammer-Hintergrundsubtraktion : Das Hintergrundfeld (nur mit Ständer und Positionierer) wird zuerst gemessen und dann von der Antennenmessung subtrahiert, um die Daten zu bereinigen.
Fazit und Aufruf zum Handeln
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