מדידות חשמליות לאנטנות במטווח

מאת: חיים בייטל, חברת אלומה

הקדמה
אנטנות אשר מסופקות ע”י יצרנים שונים בעולם, מלוות בד”כ במפרט חשמלי ומכני של האנטנה ובתוצאות מדידה חשמליות.
במאמר זה נדון על הצורך בבדיקה חשמלית של האנטנה, למה נחוץ לבדוק אנטנה? אילו אמצעים קיימים לבדיקת אנטנות? מתי משתמשים בכל אמצעי בדיקה? תאור מערכי בדיקה נפוצים, אפיון של סוגי הבדיקות הנדרשות לאנטנה, בהשוואה למפרט.

למה נחוץ לבדוק אנטנה?
האנטנות לסוגיהן השונות תוכננו לעמידה בביצועים, בהתאם לשימושים השונים ולפי דרישות הלקוחות.
בדיקות חשמליות לאנטנה נחוצות לאימות התאמת ביצועי האנטנה למפרט היצרן.
בשלבי הפיתוח קיים צורך במדידות לאנטנות, על מנת לוודא שאנטנת אב טיפוס המיוצרת מחומרים שונים, תואמת את תוצאות ההדמיה (Simulation) אשר מתבצעת בתוכנה.
בייצור סדרתי קיים צורך במדידות לאנטנות מדי תקופה, על מנת לוודא תקינות האנטנה, חזרתיות ושמירה על ביצועים בייצור.

אילו אמצעים קיימים לבדיקת אנטנות?
האנטנות לסוגיהן נבדלות בתחום תדרי העבודה שלהן, בגודל פיזי ובתצורה.
מדידות לאנטנות מתבצעות במטווחי אנטנות.
קיימים מספר סוגים של מטווחי אנטנות:
1. מטווח שדה קרוב – מאפשר ביצוע מדידה לאנטנות במרחק קטן מ- . כאשר:
R – מציין את המרחק במטרים בין אנטנת השידור לבין האנטנה הנבדקת.
D – מציין את הגודל המכסימלי של האנטנה הנבדקת.
– מציין את אורך הגל אשר תלוי בתדר העבודה של האנטנה.
2. מטווח שדה רחוק – מאפשר ביצוע מדידה לאנטנות במרחק גדול מ-

דרוש להתקיים תנאי נוסף בעיקר לאנטנות קטנות R>10. כאשר:
R – מציין את המרחק במטרים בין אנטנת השידור לבין האנטנה הנבדקת.
D – מציין את הגודל המכסימלי של האנטנה הנבדקת.
– מציין את אורך הגל אשר תלוי בתדר העבודה של האנטנה.
מטווחי אנטנות
מטווחי האנטנות מחולקים למטווחים פתוחים ומטווחים סגורים.
מטווח פתוח – מטווח אשר ממוקם בד”כ בשטח פתוח (Open Range) ללא קירבה למבנים, על מנת להקטין השפעות של הפרעות חיצוניות על מהלך ותוצאות הבדיקה.
מטווח סגור – מטווח המורכב מתא אל הד (Anechoic Chamber), אשר קירותיו מצופים במתכת ומרופדים בחומר בולע קרינה אלקטרומגנטית, על מנת למנוע הפרעות חיצוניות. ראה צילום של תא אל הד אופיני.

סכמת מבנה פנימי  של תא אל הד  (Anechoic Chamber)
בסכמה של תא אל הד, מתואר אופן התקנת המכשור לביצוע מדידות לאנטנה.
בצידו האחד של התא ממוקמת אנטנת השידור (Tx) ובצידו השני, ממוקמת האנטנה הנבדקת (Rx) על גבי מסובב אנטנה (Antenna Positioner)  מבוקר מחשב, אשר מאפשר לסובב את האנטנה לכל כיוון ובזוית הרצויה בציר סיבוב המסובב. מיקום האנטנה הנבדקת צריך להיות באזור שקט לקרינה אלקטרומגנטית, בעוצמות של -40dB  לפחות (Quiet Zone Reflectivity). אנטנות השידור והקליטה ומסובב האנטנה מותקנים בתוך תא אל הד (Anechoic Chamber). המחשב כולל נתח הרשת (Network Analyzer) ובקר המסובב (Positioner Control), נמצאים בחדר הבקרה אשר ממוקם מחוץ לתא כאמצעי בטיחות למפעיל.

לפני ביצוע מדידת אנטנה, יש לבצע כיול בין אנטנת השידור לבין אנטנת הקליטה (Boresight) ובכך לאפס את זוית 0° החשמלית לזוית 0° המכנית של המסובב.

מדידת עקום קרינה לאנטנה
במערך הבדיקה המתואר, מתבצעת המדידה באמצעות שידור מהמשדר
(Network Analyzer) מבוקר מחשב, אשר נמצא בחדר הבקרה (Control Room) ובאמצעות אנטנה מכויילת לתדר הבדיקה ובקיטוב המתאים לאנטנה הנבדקת. האנטנה הנבדקת מסתובבת על צירה בעזרת מסובב מבוקר מחשב
(Positioner control), מחוברת באמצעות נתח רשת  (Network Analyzer) או מקלט מבוקר מחשב הנמצא בחדר הבקרה.

תוצאות המדידה מתקבלות ע”י סיבוב מבוקר של מסובב האנטנה הנבדקת, וקליטת האותות המתקבלים בנתח הרשת בכל זוית מדידה של גיזרת סיבוב האנטנה.אותות אלו נרשמים במחשב הבקרה.
ניתוח תוצאות המדידה במחשב,  מציג את עקום הקרינה של האנטנה.
פרמטרים של עקום קרינה
מתוך תוצאות עקום הקרינה, ניתן לנתח את הפרמטרים הבאים:
רוחב האלומה של האנטנה (Beamwidth).
רמת אונות צד (Side lobe Level.)
יחס קדימה לאחור של אות האלומה הראשית  (Front to Back Ratio).
הפסד קיטוב צולב  (XPD- Cross Polarization).
עקום הקרינה המופק מניתוח תוצאות המדידה, יכול להיות מיוצג במערכת צירים קרטזית פולרית או בתלת מימד, כמוצג בגרפים המצורפים.

חישוב רוחב האלומה (°)
חישוב רוחב האלומה מתבצע בנקודות ירידת ההספק ב- 3dB מהעוצמה המכסימלית של האונה הראשית של האנטנה.

רמת אונות הצד (dB)
חישוב רמת אונות הצד מתבצע בדרך כלל לאונת הצד הראשונה, אשר מופיעה לאחר האונה הראשית.
ערך עוצמת אונת הצד הינו, ההפרש בין עוצמות האונה הראשית לבין אונת הצד הראשונה.

יחס קדימה לאחור של אות האלומה הראשית (dB)
חישוב עוצמת האות מתבצע בזוית של 180° ביחס לאות המכסימלית של האונה הראשית.
ערך עוצמת האות הינו, ההפרש  בין עוצמת האונה הראשית בזוית 0° לבין עוצמת האונה הראשית בזוית 180°.

הפסד קיטוב צולב (dB)
פרמטר זה מעיד על התנהגות האנטנה הנבדקת, כאשר המשדר משדר בקיטוב הפוך להגדרת האנטנה הנבדקת.
בגרף המצורף ניתן לראות את  עוצמת האלומה הראשית בשידור עם אנטנה בקיטוב הפוך להגדרת האנטנה, ביחס לאלומה הראשית אשר נוצרה בשידור עם אנטנה בקיטוב הנכון.
יחס גדול בין המדידות מעיד על בידוד טוב יותר לאנטנה והקטנת השפעה של אלמנטים מקרינים בקיטובים שונים על ביצועי האנטנה.

מדידת שבח  (Gain dBi)
שבח האנטנה מציין את יכולת האנטנה להפוך את ההספק המשודר לאנטנה, באמצעות משדר לגלי רדיו בכיוון מוגדר.
קיימות כמה שיטות למדידת שבח לאנטנה.
מדידת שבח לאנטנה מתבצעת בדרך כלל בהשוואה לאנטנה מכויילת ידועה  (Standard Gain Horn).
האנטנה המכויילת הינה בדרך כלל אנטנת שופר, בעלת מימדים סטנדרטיים, אשר מכויילת לתדרי עבודה של האנטנה הנבדקת. לאנטנת הכיול קיים גרף שבח, אשר משמש כיחוס לצורך חישוב שבח האנטנה הנבדקת.

ביצוע מדידת שבח (השוואה לאנטנת ייחוס)
מדידת עקום קרינה לאנטנה הנבדקת כמתואר במערך הבדיקה.
החלפת אנטנה נבדקת באנטנה מכויילת וביצוע עקום קרינה לאנטנה באותו מערך בדיקה.
חישוב הפרש המדידה בין האנטנה המכויילת לאנטנה הנבדקת.
הוספת/החסרת ערך חישוב ההפרש לערכים אשר בגרף הכיול של האנטנה המכויילת יתן את תוצאת השבח של האנטנה הנבדקת.

ביצוע מדידת שבח (בדיקה מבוקרת מחשב)
במערכי בדיקה מבוקרי מחשב, ניתן לכייל את אנטנת השידור ע”י נירמול מקדים של מערך הבדיקה (חישוב של שבח אנטנת השידור בכל תחום תדרי השידור הנדרשים).
הזנת חישוב נתוני שבח אנטנת השידור לתוכנת מחשב הבקרה.
מדידת עקום קרינה לאנטנה הנבדקת במערך בדיקה מבוקר מחשב.
ניתוח תוצאות מדידה והצגת גרף שבח האנטנה הנבדקת.

מדידת יג”ע – יחס גלים עומדים (VSWR -Voltage Standing Wave Ratio)
מדידה זו מעידה על תקינות וטיב האנטנה להעברת אנרגיית הספק.
ערך  יחידת יג”ע הינו מספר טהור המסומן כיחס בין ההספק המתקדם להספק החוזר.
במדידה זו מזריקים הספק להדקי האנטנה ובודקים כמה הספק משודר חוזר בכיוון חזרה למשדר.                                                                                                        במידה וקיים חוסר תאום עכבות  (Impedance), חלק מההספק המשודר לאנטנה חוזר ואז נוצרים גלים מתקדמים לכוון האנטנה וגלים חוזרים לכיוון המשדר. במידה וקיים תאום עכבות מלא, כל ההספק המשודר נע בכוון האנטנה ואז קיימים רק גלים מתקדמים. תוצאת היג”ע במקרה זה תהיה 1:1.

ביצוע מדידת יג”ע לאנטנה
מדידת יג”ע לאנטנה, רצוי שתתבצע באזור פתוח או תא אל הד, על מנת למנוע השפעות חיצוניות על תוצאות הבדיקה.
בזמן המדידה יש לכוון את חזית האנטנה כנגד כיוון המפעיל, מפעת סכנת קרינה אלקטרומגנטית.
המדידה מתבצעת באמצעות נתח רשת (Network Analyzer):

מדידת יג”ע יכולה להיות מוצגת באמצעות נתח רשת כניחות מוחזר הנמדד ביחידות, dB. הקשר בין הניחות המוחזר לבין יחס ההספקים מוצג במשוואה הבאה:

כאשר:
RL – מציין את הניחות המוחזר (Return Loss).
Pi – מציין את ההספק המתקדם.
Pr – מציין את ההספק החוזר.
ראה דוגמת טבלת המרה של מדידת ניחות מוחזר (Return Loss) הנמדד ב-dB  ליג”ע  (מספר טהור):

חיים בייטל, מנהל הנדסה ותפעול חברת אלומה – מתן פתרונות טכנולוגיים מתקדמים .
Aluma-Innovative Technologies Solutions