هوائيالقياس هو عملية التقييم الكمي وتحليل أداء الهوائي وخصائصه. باستخدام معدات اختبار وطرق قياس خاصة، نقوم بقياس الكسب ونمط الإشعاع ونسبة الموجة الدائمة واستجابة التردد وغيرها من معلمات الهوائي للتحقق مما إذا كانت مواصفات تصميم الهوائي تلبي المتطلبات، والتحقق من أداء الهوائي، و تقديم اقتراحات التحسين. يمكن استخدام النتائج والبيانات المستمدة من قياسات الهوائي لتقييم أداء الهوائي وتحسين التصميمات وتحسين أداء النظام وتوفير التوجيه والتعليقات لمصنعي الهوائي ومهندسي التطبيقات.
المعدات المطلوبة في قياسات الهوائي
بالنسبة لاختبار الهوائي، فإن الجهاز الأساسي هو VNA. وأبسط نوع من VNA هو VNA ذو منفذ واحد، وهو قادر على قياس مقاومة الهوائي.
يعد قياس مخطط إشعاع الهوائي وكسبه وكفاءته أكثر صعوبة ويتطلب الكثير من المعدات. سوف نسمي الهوائي المراد قياسه بـ AUT، وهو اختصار لـ Antenna Under Test. تشمل المعدات المطلوبة لقياسات الهوائي ما يلي:
هوائي مرجعي - هوائي ذو خصائص معروفة (الكسب، النمط، إلخ)
جهاز إرسال طاقة التردد اللاسلكي - طريقة لحقن الطاقة في AUT [الهوائي قيد الاختبار]
نظام الاستقبال - يحدد مقدار الطاقة التي يستقبلها الهوائي المرجعي
نظام تحديد المواقع - يستخدم هذا النظام لتدوير هوائي الاختبار بالنسبة إلى هوائي المصدر، لقياس مخطط الإشعاع كدالة للزاوية.
يظهر الشكل 1 رسمًا تخطيطيًا للمعدات المذكورة أعلاه.
الشكل 1. رسم تخطيطي لمعدات قياس الهوائي المطلوبة.
وسيتم مناقشة هذه المكونات لفترة وجيزة. وبطبيعة الحال، يجب أن يشع الهوائي المرجعي جيدًا عند تردد الاختبار المطلوب. غالبًا ما تكون الهوائيات المرجعية هوائيات بوقية ثنائية الاستقطاب، بحيث يمكن قياس الاستقطاب الأفقي والرأسي في نفس الوقت.
يجب أن يكون نظام الإرسال قادرًا على إخراج مستوى طاقة معروف ومستقر. يجب أيضًا أن يكون تردد الخرج قابلاً للضبط (قابل للتحديد)، ومستقرًا بشكل معقول (مستقر يعني أن التردد الذي تحصل عليه من جهاز الإرسال قريب من التردد الذي تريده، ولا يختلف كثيرًا مع درجة الحرارة). يجب أن يحتوي جهاز الإرسال على طاقة قليلة جدًا عند جميع الترددات الأخرى (سيكون هناك دائمًا بعض الطاقة خارج التردد المطلوب، ولكن لا ينبغي أن يكون هناك الكثير من الطاقة عند التوافقيات، على سبيل المثال).
يحتاج نظام الاستقبال ببساطة إلى تحديد مقدار الطاقة المستلمة من هوائي الاختبار. يمكن القيام بذلك عن طريق عداد طاقة بسيط، وهو جهاز لقياس طاقة التردد اللاسلكي (RF) ويمكن توصيله مباشرة بأطراف الهوائي عبر خط نقل (مثل كبل متحد المحور مع موصلات من النوع N أو SMA). عادةً ما يكون جهاز الاستقبال عبارة عن نظام 50 أوم، ولكن يمكن أن يكون له مقاومة مختلفة إذا تم تحديدها.
لاحظ أنه غالبًا ما يتم استبدال نظام الإرسال/الاستقبال بـ VNA. يرسل قياس S21 ترددًا خارج المنفذ 1 ويسجل الطاقة المستقبلة في المنفذ 2. ومن ثم، فإن VNA مناسب تمامًا لهذه المهمة؛ ومع ذلك فهي ليست الطريقة الوحيدة لأداء هذه المهمة.
يتحكم نظام تحديد المواقع في اتجاه هوائي الاختبار. وبما أننا نريد قياس مخطط إشعاع هوائي الاختبار كدالة للزاوية (عادةً في الإحداثيات الكروية)، فإننا نحتاج إلى تدوير هوائي الاختبار بحيث يضيء هوائي المصدر هوائي الاختبار من كل زاوية ممكنة. ويستخدم نظام تحديد المواقع لهذا الغرض. في الشكل 1، نعرض تدوير AUT. لاحظ أن هناك العديد من الطرق لإجراء هذا التدوير؛ في بعض الأحيان يتم تدوير الهوائي المرجعي، وفي بعض الأحيان يتم تدوير كل من الهوائي المرجعي وهوائي AUT.
الآن بعد أن أصبح لدينا جميع المعدات المطلوبة، يمكننا مناقشة مكان إجراء القياسات.
ما هو المكان المناسب لقياسات الهوائي لدينا؟ ربما ترغب في القيام بذلك في المرآب الخاص بك، ولكن الانعكاسات من الجدران والأسقف والأرضيات قد تجعل قياساتك غير دقيقة. الموقع المثالي لإجراء قياسات الهوائي هو في مكان ما في الفضاء الخارجي، حيث لا يمكن أن تحدث أي انعكاسات. ومع ذلك، نظرًا لأن السفر عبر الفضاء مكلف حاليًا، فسوف نركز على أماكن القياس الموجودة على سطح الأرض. يمكن استخدام غرفة كاتمة للصدى لعزل إعداد اختبار الهوائي أثناء امتصاص الطاقة المنعكسة باستخدام رغوة ماصة للترددات اللاسلكية.
نطاقات الفضاء الحر (غرف كاتمة للصدى)
النطاقات الفضائية الحرة هي مواقع قياس الهوائيات المصممة لمحاكاة القياسات التي سيتم إجراؤها في الفضاء. وهذا يعني أن جميع الموجات المنعكسة من الأجسام القريبة والأرض (غير المرغوب فيها) يتم قمعها قدر الإمكان. نطاقات المساحة الحرة الأكثر شيوعًا هي الغرف عديمة الصدى، والنطاقات المرتفعة، والنطاق المدمج.
غرف عديمة الصدى
الغرف عديمة الصدى هي نطاقات هوائيات داخلية. الجدران والأسقف والأرضيات مبطنة بمواد خاصة لامتصاص الموجات الكهرومغناطيسية. النطاقات الداخلية مرغوبة لأن ظروف الاختبار يمكن التحكم فيها بشكل أكثر إحكامًا من النطاقات الخارجية. غالبًا ما تكون المادة خشنة الشكل أيضًا، مما يجعل رؤية هذه الغرف مثيرًا للاهتمام. تم تصميم أشكال المثلثات المتعرجة بحيث يميل ما ينعكس منها إلى الانتشار في اتجاهات عشوائية، وما يضاف معًا من كل الانعكاسات العشوائية يميل إلى الإضافة بشكل غير متماسك وبالتالي يتم قمعه بشكل أكبر. تظهر في الصورة التالية صورة للغرفة عديمة الصدى، مع بعض معدات الاختبار:
(الصورة توضح اختبار هوائي RFMISO)
العيب في الغرف عديمة الصدى هو أنها غالبًا ما تحتاج إلى أن تكون كبيرة جدًا. في كثير من الأحيان، تحتاج الهوائيات إلى أن تكون بعيدة عن بعضها البعض بعدة أطوال موجية على الأقل لمحاكاة ظروف المجال البعيد. وبالتالي، بالنسبة للترددات المنخفضة ذات الأطوال الموجية الكبيرة، نحتاج إلى غرف كبيرة جدًا، لكن التكلفة والقيود العملية غالبًا ما تحد من حجمها. ومن المعروف أن بعض شركات المقاولات الدفاعية التي تقيس المقطع العرضي الراداري للطائرات الكبيرة أو غيرها من الأجسام لديها غرف كاتمة للصدى بحجم ملاعب كرة السلة، على الرغم من أن هذا ليس أمرًا عاديًا. عادةً ما تحتوي الجامعات ذات الغرف عديمة الصدى على غرف يبلغ طولها وعرضها وارتفاعها 3-5 أمتار. نظرًا لقيود الحجم، ولأن المواد الممتصة للترددات الراديوية تعمل عادةً بشكل أفضل عند الموجات UHF والأعلى، غالبًا ما تستخدم الغرف كاتمة للصدى للترددات التي تزيد عن 300 ميجاهرتز.
نطاقات مرتفعة
النطاقات المرتفعة هي نطاقات خارجية. في هذا الإعداد، يتم تثبيت المصدر والهوائي قيد الاختبار فوق الأرض. يمكن أن تكون هذه الهوائيات على الجبال أو الأبراج أو المباني أو في أي مكان مناسب. ويتم ذلك غالبًا للهوائيات الكبيرة جدًا أو عند الترددات المنخفضة (VHF أو أقل، <100 ميجاهرتز) حيث تكون القياسات الداخلية مستعصية. يظهر الرسم التخطيطي الأساسي للنطاق المرتفع في الشكل 2.
الشكل 2. رسم توضيحي للنطاق المرتفع.
الهوائي المصدر (أو الهوائي المرجعي) ليس بالضرورة على ارتفاع أعلى من هوائي الاختبار، لقد عرضته للتو بهذه الطريقة هنا. يجب أن يكون خط الرؤية (LOS) بين الهوائيين (الموضح بالأشعة السوداء في الشكل 2) خاليًا من العوائق. جميع الانعكاسات الأخرى (مثل الشعاع الأحمر المنعكس من الأرض) غير مرغوب فيها. بالنسبة للنطاقات المرتفعة، بمجرد تحديد موقع المصدر وهوائي الاختبار، يحدد مشغلو الاختبار مكان حدوث الانعكاسات الهامة، ويحاولون تقليل الانعكاسات من هذه الأسطح. غالبًا ما يتم استخدام مادة ماصة للترددات الراديوية لهذا الغرض، أو مواد أخرى تعمل على انحراف الأشعة بعيدًا عن هوائي الاختبار.
النطاقات المدمجة
يجب وضع هوائي المصدر في المجال البعيد لهوائي الاختبار. والسبب هو أن الموجة التي يستقبلها هوائي الاختبار يجب أن تكون موجة مستوية لتحقيق أقصى قدر من الدقة. بما أن الهوائيات تشع موجات كروية، يجب أن يكون الهوائي بعيدًا بدرجة كافية بحيث تكون الموجة المشعة من هوائي المصدر تقريبًا موجة مستوية - انظر الشكل 3.
الشكل 3. يشع هوائي المصدر موجة ذات واجهة موجة كروية.
ومع ذلك، بالنسبة للغرف الداخلية، غالبًا لا يكون هناك فصل كافٍ لتحقيق ذلك. إحدى الطرق لإصلاح هذه المشكلة هي عبر نطاق مضغوط. في هذه الطريقة، يتم توجيه هوائي المصدر نحو العاكس، الذي تم تصميم شكله ليعكس الموجة الكروية بطريقة مستوية تقريبًا. وهذا مشابه جدًا للمبدأ الذي يعمل عليه هوائي الطبق. تظهر العملية الأساسية في الشكل 4.
الشكل 4. المدى المضغوط - تنعكس الموجات الكروية من هوائي المصدر لتكون مستوية (موازية).
من المرغوب عادةً أن يكون طول العاكس المكافئ أكبر بعدة مرات من هوائي الاختبار. يتم إزاحة هوائي المصدر في الشكل 4 عن العاكس بحيث لا يكون في طريق الأشعة المنعكسة. ويجب أيضاً توخي الحذر من أجل الحفاظ على أي إشعاع مباشر (اقتران متبادل) من هوائي المصدر إلى هوائي الاختبار.
وقت النشر: 03 يناير 2024
