Ruska Patton, EMSCAN
אפיון שדה-רחוק של אנטנות שהן גדולות הן חשמלית והן פיזית עשוי להיות משימה מאתגרת מאחר שאזור השדה-הרחוק של אנטנות אלו עשוי להיות, אכן, רחוק. דוגמה טובה לכך היא אנטנת תחנת בסיס ב-700 מגה-הרץ. חוק האצבע הרלבנטי עבור אזור שדה-רחוק במצב זה הוא
d=2D2/λ
כאשר D הוא המימד הגדול ביותר של האנטנה, ו-λ הוא אורך הגל בחלל החופשי. אנטנת תחנת-בסיס עשויה להיות באורך 1.2 מ’ וב-700 מגה-הרץ אורך הגל בחלל החופשי הוא 0.42 מ’. לכן, אזור השדה-הרחוק של אנטנה כזו מתחיל במרחק של בערך 13.6 מ’ מהאנטנה. המשמעות היא שדרושים אתרי בדיקה מיוחדים [1][2] . למתקני בדיקה אלה עלולים להיות זמני המתנה ארוכים עבור בדיקה מתוזמנת. מעל הכל, לאנטנות של תחנות-בסיס רבות יש כוונון מכני, הדורש מדידות מרובות. אפיון אנטנות אלו באזור השדה-הרחוק יימשך זמן רב ועלותו גבוהה.
קיימת חלופה למדידה שדה-רחוק ישירה, המבוססת על מדידה בשדה קרוב-מאוד. גישת המדידה בשדה הקרוב-מאוד כבר מוסחרה בהצלחה עבור אנטנות קטנות [3]. מימוש שיטה זו בנוי על מערך של חיישני-שדה מגנטי קטנים הדוגמים את השדות באזור השדה הקרוב-מאוד של האנטנה. אלגוריתמים יכולים לאחר מכן להפוך מדידות אלו לנתוני שדה-רחוק בתוך שניות ספורות. עקרונית, ניתן להעביר שיטה זו גם למדידת אנטנות גדולות כפי שנדרש, אולם, להגדלת מערך המודדים יש מגבלות מעשיות.
כדי להתגבר על מגבלות אלו פותחה שיטה המשלבת מדידות בשדה-הקרוב-מאוד עם יצירה של אזור מדידה סינתטי גדול. שיטה זו תחלק את אזור השדה הקרוב מאוד לרעפים (tiles), כל אחד בגודל של מערך החיישנים. מערך המדידה ימדוד ברצף את השדות בכל אחד מרעפים אלה. אם הרעפים הנוצרים בשדה המאוד-קרוב משולבים היטב כמו מרכיבי פאזל, ההמרה לשדה-הרחוק תספק תוצאות ברמת דיוק גבוהה, עבור אזור המדידה הסינתטי, במלואו.
מאמר זה יציג תוצאות מדגמיות עבור מה שמכונה גישה קו-פלנרית מרובה. גישה זו משלבת רעפים פלנריים מרובים בשדה-הקרוב-מאוד ומספקת את תבנית הקרינה של השדה-הרחוק עבור אנטנות גדולות ככל שיהיו.
תצלום-הבזק של השדה הקרוב-מאוד
לשם לכידה של המדידות המרובות דרושה התקנה מאוד פשוטה. ראשית האנטנה הנבדקת (antenna under test – AUT) ממוקמת קרוב למשטח בו ייערכו מדידות השדה-הקרוב-מאוד. איור 1 מראה אנטנת תחנת הבסיס הנבדקת. האנטנה פשוט נתלית מעל שולחן במעבדה ומערך המדידה של השדה הקרוב-מאוד ממוקם במצבים שונים מתחת לאנטנה כדי לדגום את השדה המגנטי הקורן בכיוון כלפי מטה. איור 1(a) מראה את המערך במצב הראשון בפינה של אזור המדידה הרצוי. משטח מדידה מלא זה נבחר בקפידה כדי ללכוד את כל הקרינה המשמעותית של השדה-הקרוב-מאוד מתחת לאנטנה.
באיור 1(b) המערך הוזז למצב הבא כך שלא קיים פער באזור המדידה. תהליך ההזזה והמדידה הזה נמשך עד שכל המשטח מכוסה. במקרה זה דרושים 5 רעפים של מערך המדידה 0.40מ’ x 0.40מ’.
לאחר שהמדידות הנפרדות משולבות יחד, הפיזור לשדה-הקרוב מאוד אמור להיות כמעט כאילו מערך גדול יחיד היה משמש. השדות הקרובים-מאוד של אנטנת תחנת הבסיס מוצגים באיור 2. האנטנה, כאשר המכסה שלה מוסר, מוצגת לייחוס מעל גרף עצמת השדה. בדרך זו ניתן להבחין בקישור בין מרכיבי האנטנה והנקודות החמות של השדה.
הגרף המשולב של השדה הקרוב-מאוד מציג עיוות תבנית מסוים בחיבורים. דבר זה מתקבל בשל הפעילות ההדדית בין מערך המדידה וה-AUT שאינה קבועה בשעה שמערך המדידה מוזז. יוצג כי למרות עיוות השדה, תוצאות השדה-הרחוק הן עדיין טובות. אם נדרש דיוק גדול יותר, ניתן להקטין תופעה זו על-ידי הצבת סופגים בין האנטנה ומערך המדידה כמתואר באיור 3. ( יחד עם זאת – ביטול ההשפעה של הסופג על תוצאות המדידה איננו משימה קלה).
ההמרה אל השדה-הרחוק
מערך המדידה יכול לספק מדידות שדה מגנטי מקוטבות בעלות מידע על המופע, אלגוריתם פשוט מאוד יכול לשמש להמרת הנתונים הנמדדים אל נתוני שדה-רחוק [4] [5]. לצורכי הערכה נכונה של ההספק המוקרן של השדה-הרחוק יש להביא בחשבון את השפעת הצימוד (עומס) של מערך המדידה כאשר מבצעים את ההמרה.
תבנית הקרינה לשדה-רחוק של אנטנת תחנת הבסיס ב-700 מגה-הרץ מוצגת באיור 4 וב-1950 מגה-הרץ באיור 5. אלה מראים השוואה בין התבנית המחושבת מתוצאות השדה הקרוב-מאוד והתבנית המסופקת על-ידי היצרן אשר נמדדה במטווח אנטנות. התוצאות המחושבות מוצגות כ-ERFX במקרה זה ומציגות קשר טוב עם תוצאות המטווח של השדה הרחוק,
פיתרון יעיל לבעיית מדידת אנטנות גדולות
מדידת השדה המגנטי הקרוב-מאוד של אנטנה היא מהירה וניתן באמצעותה לקבל הערכות טובות של תבנית הקרינה ורמות ההספק.
על-ידי חיבור תצלומי-הבזק קטנים יותר של השדה הקרוב-מאוד, מערך מדידה בגודל סביר יכול למדוד במהירות אנטנות גדולות , בתנאי מעבדה, ולהשיג הערכות טובות של הפרמטרים הקריטיים.
ביישום פתרון כנ”ל ניתן לצמצם עלויות וזמן באופן משמעותי לעומת שיטות המדידה האחרות.
[1] www.nttdocomo.co.jp/english/binary/pdf/corporate/technology/rd/technical_journal/bn/vol13_4/vol13_4_071en.pdf
[2] Yamaguchi, R., Komiya, K., “Gain measurement of base station antenna using short reference antenna,” Antennas
and Propagation (EUCAP), 2012 6th European Conference on, pp. 1581 – 1584
[3]R. Patton and N. Yang, “Verifying Very-Near-Field Antenna Measurements: Algorithm Evaluation,” Microwave Journal, April 2013
[4] R.C. Johnson, H.A. Ecker, and J.S. Hollis, “Determination of far-field antenna patterns from near-field measurements,”
Proc. IEEE, vol. 61, No. 12, pp. 1668-1694, Dec. 1973
[5] A.D. Yaghjian, “An overview of near-field antenna measurements,” IEEE Trans. on Antennas and Propagation, vol.
AP-34, pp. 30-45, January 1986.
הכתבה נמסרה באדיבות חברת מאל סיוון נציגת EMSCAN בארץ
