Latest News

כיצד למדוד את כל סוגי האנטנות תוך שימוש במדידת שדה-קרוב-מאוד

מבוא
אנטנות שלא עומדות בהגדרות תכנון, דרישות תקינה או שביעות רצון הלקוח או שמוצאות את עצמן במהירות בצבר כשלים או שגורמות השהיות יקרות ערך. אם האנטנה הנדונה מגיעה לשוק והצרכנים מזהים בעיה, הדבר עשוי לגרום לסיוט נרחב ביחסי ציבור. לכן, מתכננים צריכים לאפיין את האנטנה כדי לעמוד בביצועים הנדרשים כולל תדר רצוי, שבח נדרש, רוחב פס, עכבה, יעילות וקיטוב.
אפיון אנטנה מסורתי דורש בדיקת שדה-רחוק מלאה בלתי תלויה או איסוף מקבצי נתונים של שדה קרוב כדי להשליך על תבניות השדה-רחוק. לרוע המזל, שיטת הדגימה המישורית, בטכניקה של שדה קרוב או רחוק המהירה והזולה ביותר יוצרת תוצאות אמינות רק עבור אנטנות כיווניות. אנטנות כלל כיוונית (Omnidirectional Aantena) צריכות להידגם בצורה כדורית בתא בדיקות מסוכך גדול מספיק כדי להתגבר על צימוד חיישנים פוטנציאלי.

עבור אנטנה כלל-כיוונית נבדקת (Antenna Under Test – AUT), מערכת כזו דורשת גם מערכת רובוטית תלת-ממדית (X, Y ו-Z) ונקודות דגימה מרובות. כל שיטה של בדיקת אנטנות מסורתית מורכבת, לכן דורשת טכנאי מאומן ותא מסוכך גדול. דרישות אלו מוכחות כיקרות הן כהשקעת הון והוצאות הפעלה שוטפות. כדי להתגבר על קשיים אלה, טכנולוגיה חדשה של שדה-קרוב-מאוד מבוססת על מערך חיישנים דוגמת את ה-AUT על משטח מישורי במרחק של 2.5 ס”מ. ה-AUT יכול להיות כיווני או כלל-כיווני. בתהליך פנימי דו-שלבי, ללא תלות במשתמש, המכשיר ראשית משליך תוצאות של שדה-קרוב-מאוד אל תוצאות שדה-רחוק תוך שימוש באלגוריתמים מבוססים היטב. לאחר מכן, האלגוריתם שני מכוונן את השלכה כדי לקחת בחשבון את ההשפעות החזויות של הפרעה בין מערך החיישן וה-AUT. לשם התחלה, אנחנו נסקור את מערכות מדידת האנטנות המסורתיות.

שיטות בדיקה מסורתיות: מהו השדה-הקרוב?
כיום, שיטות בדיקה שונות מקשרות לשני האזורים השונים המשמשים למדידת אנטנות. אזור השדה-הרחוק, המוכר גם כשדה-רחוק קורן או אזור Fraunhofer, מוגדר כאזור בו התבנית אינה משתנה עם המרחק. אם כי לא קיימת הגדרה מדויקת של השדה-הרחוק, קירוב מקובל עבור אנטנות גדולות חשמלית מייצג מתמטית אזור זה כ-d>-2D2/ƛ, כאשר d הוא המרחק מהאנטנה אל החיישן, D הוא הממד הגדול ביותר של האנטנה, ו-ƛ אורך הגל. קירוב מקובל אחר אשר לא מציין את ממד האנטנה הוא ש-d>10ƛ. יצרני האנטנות רק מאמצים את הבדיקה של שדה-רחוק היותר יקרה ותובעת משאבים לעתים רחוקות.
בניגוד, השדה-הקרוב, המכונה רשמית שדה-קרוב קורן או אזור Fresnel, מייצג את אזור ההתפשטות הנמדד לעתים הקרובות ביותר על-ידי יצרני האנטנות. כפי שניתן לצפות מהשם, מדידות של שדה-קרוב מצמצמות מילולית את האזור הנמדד לשדה קטן יותר, לכן דורש תא קטן יותר. לאחר שהתקבלו תוצאות של השדה-הקרוב, אלגוריתם המרה מבוסס היטב משליך אל תוצאות השדה-הרחוק. תיאורטית, למרות ההשלכה מהשדה-הקרוב, אין הפסד מידע בתוצאות השדה הרחוק החזויות. מאחר שהמטרה היא לקבל מדידות שדה-רחוק מדויקות, תאי השדה-הקרוב צריכים לספק סביבה מבוקרת ומסוככת. אחרת, ההחזרות והרעש החיצוני עשויים להשפיע בצורה מחמירה על הדיוק.
כמו השדה-הרחוק, השדה-הקרוב לא מוגדר פורמאלית בשונה מהאמירה שהשדה הקרוב הוא כל דבר שאיננו שדה-רחוק. זה אומר שמתמטית הוא ניתן להצגה כ- d<2D2/ƛ. בצורה פחות פורמאלית, השדה-הקרוב אמור להיות כפי שלוש עד עשר פעמים מאורך הגל. על-ידי ביצוע התמרת Fourier על מדידות השדה-הקרוב, מתקבלת ההשלכה לשדה הרחוק הרצויה. התמרת Fourier מיוחסת כ”פילוג הפתיחה המישורית על ההפיכה של הספקטרום הזוויתי (Angular)”. שיטה זו של שליחת תוצאות של שדה-קרוב לתוך השדה-הרחוק מקובלת כמדויקת על-ידי רוב גופי התקינה.

מבוא לשדה הקרוב-מאוד
השדה הקרוב-מאוד, מושג חדש, מודד את ה-AUT די קרוב לחיישנים עד כדי השפעה על ביצועי ה-AUT. השדה הקרוב-מאוד עשוי למעשה לחדור לתוך האזור הריאקטיבי, בניגוד לשדה-הקרוב הנמנע תמיד מאזור זה. שיטות מדידה מקובלות אינן מדגימות AUTs באזור הריאקטיבי שניתן להגדרה מתמטית כ-d<-ƛ/2π עבור אנטנות קטנות או כ-d<0.62√(D3/ƛ) עבור אנטנות גדולות. מדידות בשדה הקרוב-מאוד נלקחות כה קרוב לחיישנים עד שלא ניתן למנוע את צימודן.
כדי לפעול בהצלחה בתור כלי למדידת שדה-קרוב-מאוד, המכשיר צריך למזער את השפעת הצימוד ולהפוך אותו לניתן לחיזוי. כדי לעשות זאת, מערך סטאטי של חיישנים, המכסה את כל השטח הנסרק, לוכד לראשונה את הנתונים (ראה איור 2). מאחר שאין תנועה מכנית של החיישנים במשך מהלך המדידה, המכשיר לוכד את נתוני השדה הקרוב-מאוד במהירות לא-תאמן. יתרון נוסף של היעדר התנועה הוא שהצימוד בין ה-AUT ומערך החיישנים הוא במדויק אותו אחד במשך תהליך המדידה. אפילו בגישה זו, אין מתודולוגיה יחידה המסוגלת לפתור את בעיית הצימוד מאחר שהצימוד תלוי בצורת ה-AUT. אולם, קירוב סביר של ההשפעה ניתן להיעשות אפילו עבור אנטנות בלתי ידועות.
למימוש גישה זו יש מערך של לולאות קטנות המודד את השדה המגנטי (H-Field) עם השפעות צימוד החיישן כלולות, ושולח נתונים אלה לשדה-הרחוק תוך שימוש בהתפלגות מיפתח (Aperture) המישורי להמרת הספקטרום הזוויתי או המרת ספקטרום הגל המשטחי (Plane Wave Spectrum – PWS). אלגוריתם יחודי שני מתאים לאחר מכן את השלכת השדה הרחוק כדי לבטל את השפעות הצימוד הניתנות לחיזוי של מערך המדידה. לחיזוי חיזוי השפעת הצימוד תחיל שגיאה מסוימת מאחר שהוא תלוי בצורת ה-AUT. שגיאה זו היא אופיינית קטנה מאוד אולם מאחר שהיא קבועה עבור צורה מסוימת היכולת ליצור תוצאות הפרשיות עבור דגם אנטנה נתון היא טובה מאוד.

פרמטרי מדידת האנטנה
המטרה הראשונית של מדידת כל אנטנה היא לזהות ביצועים הכרוכים באדיקות לתוצאות השדה-הרחוק. אם כי סוגים שונים רבים של השלכה הם זמינים, אנחנו נמקד את הדיון הזה ב-Plane Wave/Modal Expansion. המדידות הבסיסיות הדרושות כוללות תבנית הקרינה, שבח, נצילות, רוחב אלומה וקיטוב. יישומים מורכבים יותר, כגון ה-4G LTE, מיישמים עם אנטנות מרובות כדי לשפר את המהירות ואת איכות השידורים. יישומים אלה עשויים גם לדרוש מדידות מתקדמות דוגמת מתאם המעטפת (envelope correlation).
היחס הצירי מאפיין אנטנות מקוטבות מעגלית כגון אלה המשמשות ב-GPS, לוויינים ואנטנות קרקעיות אחדות. מדידות האלומה הנוצרת , משמשת למערך אנטנות וביישומי מכ”ם נפוצים, מוצאות גם את דרכן ביישומים מסחריים. מדידות של יצירת אלומה יכולות גם לשמש בניפוי סוגיות של שדה-קרוב כגון אלה: זיהוי מרכיב כשל אחד או יותר במערך אנטנה גדול, זיהוי תהודות בלתי רצויות בהתקן, וזיהוי זליגת אנרגיה מאזורים ללא-אנטנות של ההתקן.

שיטות בדיקה מסורתיות
(איור 3) שתי השיטות המסורתיות של בדיקת אנטנה דוגמות נתונים בשלושה אופנים: מישורי, גלילי וכדורי. התרשים לעיל, איור 2, משווה את פרמטרי המדידה השונים של כל שיטה בצורה כללית. בקיצור, מערכות מישוריות, בעלות שדה קרוב, הן אידיאליות למדידת אנטנות כיווניות, דוגמת משדרי לוויינים.
למרות שמימושים של אנטנות שטוחות של שדה-קרוב מתעלמים מהצימוד, למעשה הצימוד קיים תמיד אך הוא ממוזער למידה מספקת כדי שתהיה לו השפעה קטנה על התוצאות המחושבות. אם כן, הקטנת אזור הסריקה עבור מדידות שדה-קרוב גורמות למדידות שדה-קרוב מקוטעות ואלה גורמים לאי-דיוקים בתבנית השדה הרחוק. כדי לקבל תוצאות שדה-קרוב טובות, מתודולוגיית הבדיקה צריכה לקיים תקן דגימה פנימי של /2ƛ ואזור סריקה מספק.
שיטת הבדיקה גלילית (cylindrical) של שדה-קרוב משמשת לאנטנות המיועדות לפעול במישור דוגמת אנטנות של תחנות בסיס. שיטת הבדיקה הכדורית בשדה-קרוב היא המתאימה ביותר למדידת אנטנות אל-כיווניות המשמשות לתקשורת ניידות, Wi-Fi, Bluetooth ואנטנות דומות.

אתגרים המוצבים על-ידי טכנולוגיות מסורתיות של מדידת אנטנה
שדה-רחוק: האתגר הגדול ביותר של עריכת מדידות של שדה-רחוק משתקף בשם עצמו “שדה-רחוק”. מדידות בשדה-רחוק דורשות מרחב פיזיקאלי גדול. אם המדידה נעשית בחוץ, המדידה הבלתי-מסוככת ניתנת ל”זיהום” על-ידי שידורים סביבתיים. אם היא נערכת בתוך בניין, מדידות בשדה-רחוק דורשות אולמות גדולים ביותר עם סיכוך מלא וקצב גלי רדיו יקר.
יתרה מזו, טכנולוגיות של שדה-רחוק דורשות זמן רב ביותר מאחר שהחיישן הבודד צריך להיות ממוקם במדויק מאוד בשלושה צירים (x, y ו-z). לשם השוואה, השיטה המישורית דורשת רק מדידות מדויקות בשני צירים (x ו-y). כתוצאה מכך, מדידות בשדה רחוק עשויות לקחת שעות אחדות או יותר, דורשות טכנאי מיומן, ועשויות לכלול השהיות זמן כדי לתכנן את המדידה. כדי לבצע בדיקה כדורית או גלילית, מדידות שדה-רחוק דורשות רובוט תלת-צירי מדויק ויקר. בסיכום, מדידות בשדה-רחוק מוכחות כיקרות הן מנקודת ראות של הוצאות ההון והן של התפעול.
שדה-קרוב: טכנולוגיות מדידה של שדה-קרוב מעמידות כמעט את אותם האתגרים כמו בשדה-רחוק עם היוצא מן הכלל שתא אל-הד יכול להיות קטן יותר. למרות זאת, המדידה מהירה יותר מהשדה-הרחוק, אפילו הפתרונות המהירים ביותר עדיין דורשים מספר דקות. בנוסף, כשל בחישוב הצימוד עשוי להוביל לשגיאות במדידה. כמו בטכנולוגיות של שדה-רחוק, הטכנולוגיות של שדה-קרוב הן עדיין יקרות בעלות ובתפעול.
תאי הידהוד (reverberation): למרות שהם עונים לאתגרים אחדים המוצבים על-ידי טכנולוגיות של שדה-קרוב ורחוק, לתאי הדהוד יש מגבלות משמעותיות. הם לא יכולים לספק מידע על כיווניות או קיטוב של שדה-רחוק. הם מספקים תוצאות מהירות ביותר עבור מדידות מסוימות אם כי איזון דיוק המדידה ומהירות הבדיקה הוא קשה; מגוון ההגבר, יכולת MIMO (Multiple Input Multiple Output) עבור אנטנות מרובות, הספק קורן כולל, ורגישות המקלט ב- (BER) הם חלק מהפרמטרים המתאימים עבור בדיקת תאי הידהוד. תאי הידהוד הם גם קטנים יותר וזולים יותר מאשר התאים שאינם אל הד המשמשים למדידות בשדה קרוב ושדה רחוק, אך הם עדיין דורשים השקעת הון ומקום מיועד ברצפת המעבדה.

התאמת השלכות של נתוני שדה-קרוב-מאוד עם תוצאות שדה-רחוק מעשיות
מכשירי שדה -קרוב-מאוד דוגמת ה-RFxpert צריכים לספק תוצאות הקשורות לתוצאות שדה-רחוק מדודות. למרות תכנוני אנטנה שונים ומרובים נהנים מהשימוש במדידות שדה-קרוב-מאוד, אנטנות בעלות מבנה מישורי דוגמת אנטנות ה-patch ופתחים מישוריים דוגמת אנטנות שופר יספקו את התוצאות המדויקות ביותר. דוגמה טובה לכך היא האנטנות בהתקנים ניידים. החברות המייצרות התקנים ניידים מודדות מספר פרמטרים של האנטנה כדי לענות לדרישות התקנים ולבדוק מפרטי ביצועים כולל כיווניות ויעילות האנטנה. יעילות האנטנה היא חיונית במיוחד מאחר שככל שיעילות האנטנה תהיה גבוהה יותר, כך יקטן השימוש בהספק, ויחסוך בצריכת הספק לשימוש בחיי סוללה ארוכים יותר.
תוצאות הבדיקה הבאות בודקות שהשלכות של שדה-קרוב-מאוד ניתנות להשוואה חיובית עם תוצאות מעשיות של שדה-רחוק. שינויים בין השניים מוכיחים תחום קבוע של
1.5dB±.

תוצאות בדיקה: 1-3# משווה השלכות של שדה-קרוב-מאוד לתוצאות שדה-רחוק מעשיות עבור שלושה טלפונים סלולאריים בתחום התדר האופייני של טלפונים ניידים. כפי שנעשה בתאי אל הד לעומת מערכת ה- RFxpert של חברת EMSCAN

תוצאות בדיקה #1:

Untitled-4

תוצאות בדיקה #2:

Untitled-5

תוצאות בדיקה #3:

Untitled-6

תוצאות בדיקה #4:
ציר ה-y כולל נתוני שדה קרוב מאוד של RFxpert המיוחסים לתוצאות של שדה-רחוק כנגד ציר ה-x הכוללים תוצאות שדה-קרוב מסורתיים ביחס לשדה-הרחוק. תוצאות אלו מאשרות שמדידות שדה קרוב-מאוד WDCMA Low Bands and WiFi ב-2.4 גיגה-הרץ מתאימות למדידות של שדה-רחוק עד כדי 1.5dB±.

Untitled-7

מסקנה: יתרונות של מדידת אנטנה בשדה קרוב מאוד
מערכות מדידת שדה-קרוב ורחוק מסורתיות (תאי אל הד) דורשות תחזוקה וכיול מתמשכים, אך אף אחת מהן לא דרושה עם מערכות של שדה-קרוב-מאוד דוגמת ה-RFxpert. כמו כן, הרבה תאים דורשים אנטנת ייחוס, אך אף אחת לא דרושה עבור מדידות של שדה-קרוב-מאוד. אולי הדבר החשוב ביותר עבור ניתובי המשימות והאצת הזמן לשיווק, ה-RFxpert מספק תוצאות ישירות באזור התכנון תוך פחות משנייה!!
הגודל הקומפקטי של המערכת פירושו שניתן להשתמש בה כמעט בכל מקום. זוהי פשוט מערכת מדידת אנטנה על שולחן העבודה. למרות הגודל הקטן שלה, המערכת מספקת דיוק מצוין הן עבור המבנים והן עבור הפרמטרים המוחלטים של השדה הרחוק.
המערכת מתגברת על המגבלות המסורתיות של הסורק המישורי עבור אנטנות לא כיווניות בחצי הכדור על-ידי שימוש בקרבה הקרובה של ה- AUT למישור הסריקה כדי ליצור כיסוי זוויתי גדול. על-ידי עריכת מדידה אחורית שנייה, צוות תכנון יכול לקבל תוצאות כדוריות מלאות.
תוצאות השדה הרחוק הנוצרות ממדידות של שדה מאור קרוב מציעות מגוון של גדלים שניתנים לבחירה על-ידי המשתמש והכוללים שבח, הספק מוקרן, יעילות, כיווניות ויחס צירי.

הכתבה באדיבות
חברת רדט ציוד ומערכות