هوائيالقياس هو عملية تقييم وتحليل كمّي لأداء الهوائي وخصائصه. باستخدام معدات اختبار وطرق قياس خاصة، نقيس الكسب، ونمط الإشعاع، ونسبة الموجة المستقرة، والاستجابة الترددية، وغيرها من معلمات الهوائي، للتحقق من مطابقة مواصفات تصميمه للمتطلبات، وفحص أدائه، وتقديم اقتراحات للتحسين. يمكن استخدام نتائج وبيانات قياسات الهوائي لتقييم أدائه، وتحسين التصاميم، وتحسين أداء النظام، وتقديم التوجيه والملاحظات لمصنعي الهوائيات ومهندسي التطبيقات.
المعدات المطلوبة في قياسات الهوائي
بالنسبة لاختبار الهوائي، فإن الجهاز الأكثر أهمية هو VNA. أبسط نوع من VNA هو VNA بمنفذ واحد، والذي قادر على قياس معاوقة الهوائي.
يُعد قياس نمط إشعاع الهوائي وكسبه وكفاءته أكثر صعوبة ويتطلب معدات أكثر بكثير. يُطلق على الهوائي المراد قياسه اسم AUT، وهو اختصار لعبارة Antenna Under Test (الهوائي قيد الاختبار). تشمل المعدات اللازمة لقياس الهوائي ما يلي:
هوائي مرجعي - هوائي ذو خصائص معروفة (المكسب، النمط، وما إلى ذلك)
جهاز إرسال طاقة تردد لاسلكي - طريقة لحقن الطاقة في AUT [هوائي قيد الاختبار]
نظام الاستقبال - يحدد مقدار الطاقة التي يستقبلها هوائي المرجع
نظام تحديد المواقع - يستخدم هذا النظام لتدوير هوائي الاختبار بالنسبة لهوائي المصدر، لقياس نمط الإشعاع كدالة للزاوية.
يظهر الرسم التخطيطي للكتل للمعدات المذكورة أعلاه في الشكل 1.
الشكل 1. مخطط لمعدات قياس الهوائي المطلوبة.
سيتم مناقشة هذه المكونات بإيجاز. يجب أن يُشعّ الهوائي المرجعي جيدًا عند تردد الاختبار المطلوب. غالبًا ما تكون الهوائيات المرجعية ثنائية الاستقطاب، بحيث يُمكن قياس الاستقطاب الأفقي والرأسي في الوقت نفسه.
يجب أن يكون نظام الإرسال قادرًا على إخراج مستوى طاقة ثابت ومعروف. كما يجب أن يكون تردد الإخراج قابلًا للضبط (قابلًا للاختيار)، ومستقرًا بشكل معقول (يعني الاستقرار أن يكون التردد الذي تحصل عليه من جهاز الإرسال قريبًا من التردد المطلوب، ولا يتغير كثيرًا بتغير درجة الحرارة). يجب أن يحتوي جهاز الإرسال على طاقة ضئيلة جدًا في جميع الترددات الأخرى (ستكون هناك دائمًا طاقة خارج التردد المطلوب، ولكن لا ينبغي أن تكون هناك طاقة كبيرة عند الترددات التوافقية، على سبيل المثال).
يحتاج نظام الاستقبال ببساطة إلى تحديد مقدار الطاقة المُستقبَلة من هوائي الاختبار. يُمكن القيام بذلك باستخدام مقياس طاقة بسيط، وهو جهاز لقياس طاقة التردد اللاسلكي (RF)، ويُمكن توصيله مباشرةً بأطراف الهوائي عبر خط نقل (مثل كابل محوري بموصلات من النوع N أو SMA). عادةً ما يكون جهاز الاستقبال نظام 50 أوم، ولكن يُمكن استخدام معاوقة مختلفة عند تحديدها.
تجدر الإشارة إلى أن نظام الإرسال/الاستقبال غالبًا ما يُستبدل بـ VNA. يرسل قياس S21 ترددًا من المنفذ 1 ويسجل الطاقة المستقبلة في المنفذ 2. وبالتالي، يُعدّ VNA مناسبًا تمامًا لهذه المهمة؛ إلا أنه ليس الطريقة الوحيدة للقيام بها.
يتحكم نظام تحديد المواقع في اتجاه هوائي الاختبار. ولأننا نريد قياس نمط إشعاع هوائي الاختبار كدالة للزاوية (عادةً بإحداثيات كروية)، فإننا نحتاج إلى تدوير هوائي الاختبار بحيث يضيء هوائي المصدر هوائي الاختبار من جميع الزوايا الممكنة. ويُستخدم نظام تحديد المواقع لهذا الغرض. في الشكل 1، نوضح دوران وحدة AUT. تجدر الإشارة إلى وجود طرق عديدة لإجراء هذا التدوير؛ فأحيانًا يتم تدوير هوائي المرجع، وأحيانًا أخرى يتم تدوير هوائيي المرجع ووحدة AUT معًا.
الآن بعد أن أصبح لدينا كل المعدات المطلوبة، يمكننا مناقشة مكان إجراء القياسات.
ما هو المكان المناسب لقياس الهوائي؟ ربما ترغب في القيام بذلك في مرآبك، لكن الانعكاسات من الجدران والأسقف والأرضية ستجعل قياساتك غير دقيقة. الموقع الأمثل لإجراء قياسات الهوائي هو مكان ما في الفضاء الخارجي، حيث لا يمكن أن تحدث انعكاسات. ومع ذلك، نظرًا لأن السفر إلى الفضاء باهظ التكلفة حاليًا، سنركز على أماكن القياس على سطح الأرض. يمكن استخدام غرفة عديمة الصدى لعزل جهاز اختبار الهوائي مع امتصاص الطاقة المنعكسة باستخدام رغوة ماصة للترددات الراديوية.
نطاقات الفضاء الحر (الغرف عديمة الصدى)
نطاقات الفضاء الحر هي مواقع قياس هوائيات مصممة لمحاكاة القياسات التي تُجرى في الفضاء. أي أن جميع الموجات المنعكسة من الأجسام القريبة والأرض (والتي تُعتبر غير مرغوبة) تُكبت قدر الإمكان. أشهر نطاقات الفضاء الحر هي الغرف عديمة الصدى، والنطاقات المرتفعة، والنطاق المدمج.
غرف عديمة الصدى
الغرف عديمة الصدى هي نطاقات هوائيات داخلية. تُبطّن الجدران والأسقف والأرضيات بمادة خاصة لامتصاص الموجات الكهرومغناطيسية. تُعدّ النطاقات الداخلية مرغوبة نظرًا لسهولة التحكم في ظروف الاختبار مقارنةً بالنطاقات الخارجية. غالبًا ما تكون المادة خشنة الشكل، مما يجعل هذه الغرف مثيرة للاهتمام. صُممت أشكال المثلثات الخشنة بحيث يميل ما ينعكس منها إلى الانتشار في اتجاهات عشوائية، ويميل ما يُضاف من جميع الانعكاسات العشوائية إلى التراكم بشكل غير مترابط، وبالتالي يُخفّض بشكل أكبر. تُظهر الصورة التالية صورة لغرفة عديمة الصدى، بالإضافة إلى بعض معدات الاختبار:
(الصورة توضح اختبار هوائي RFMISO)
عيب الغرف عديمة الصدى هو أنها غالبًا ما تحتاج إلى أن تكون كبيرة جدًا. غالبًا ما تحتاج الهوائيات إلى أن تكون بعيدة عن بعضها البعض بعدة أطوال موجية كحد أدنى لمحاكاة ظروف المجال البعيد. وبالتالي، بالنسبة للترددات المنخفضة ذات الأطوال الموجية الكبيرة، نحتاج إلى غرف كبيرة جدًا، ولكن التكلفة والقيود العملية غالبًا ما تحد من حجمها. من المعروف أن بعض شركات المقاولات الدفاعية التي تقيس المقطع العرضي للرادار للطائرات الكبيرة أو الأجسام الأخرى لديها غرف عديمة الصدى بحجم ملعب كرة السلة، على الرغم من أن هذا ليس شائعًا. عادةً ما تحتوي الجامعات التي تحتوي على غرف عديمة الصدى على غرف يتراوح طولها وعرضها وارتفاعها بين 3 و5 أمتار. نظرًا لقيود الحجم، ولأن مادة امتصاص الترددات الراديوية تعمل عادةً بشكل أفضل في الترددات فوق العالية جدًا (UHF) وما فوقها، غالبًا ما تُستخدم الغرف عديمة الصدى للترددات التي تزيد عن 300 ميجاهرتز.
النطاقات المرتفعة
النطاقات المرتفعة هي نطاقات خارجية. في هذا الإعداد، يُثبَّت المصدر والهوائي قيد الاختبار فوق سطح الأرض. يمكن وضع هذه الهوائيات على الجبال، أو الأبراج، أو المباني، أو أي مكان مناسب. يُستخدم هذا عادةً للهوائيات الكبيرة جدًا أو على الترددات المنخفضة (VHF وما دون، <100 ميجاهرتز) حيث يصعب إجراء القياسات الداخلية. يوضح الشكل 2 المخطط الأساسي للنطاق المرتفع.
الشكل 2. توضيح النطاق المرتفع.
ليس بالضرورة أن يكون هوائي المصدر (أو هوائي المرجع) على ارتفاع أعلى من هوائي الاختبار، فقد أوضحتُ ذلك هنا. يجب أن يكون خط الرؤية (LOS) بين الهوائيين (الموضح بالشعاع الأسود 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، يُحدد مُشغّلو الاختبار أماكن حدوث الانعكاسات الكبيرة، ويحاولون تقليل الانعكاسات من هذه الأسطح. غالبًا ما تُستخدم مواد ماصة للترددات الراديوية لهذا الغرض، أو مواد أخرى تحرف الأشعة بعيدًا عن هوائي الاختبار.
المواقد المدمجة
يجب وضع هوائي المصدر في المجال البعيد لهوائي الاختبار. وذلك لأن الموجة التي يستقبلها هوائي الاختبار يجب أن تكون مستوية لتحقيق أقصى دقة. ولأن الهوائيات تُشع موجات كروية، يجب أن يكون الهوائي بعيدًا بما يكفي بحيث تكون الموجة الصادرة من هوائي المصدر تقريبًا مستوية - انظر الشكل 3.
الشكل 3. هوائي المصدر يشع موجة ذات واجهة موجية كروية.
ومع ذلك، غالبًا ما لا يكون الفصل كافيًا في الغرف الداخلية لتحقيق ذلك. إحدى طرق حل هذه المشكلة هي استخدام نطاق مدمج. في هذه الطريقة، يُوجَّه هوائي المصدر نحو عاكس، صُمِّم شكله ليعكس الموجة الكروية بشكل شبه مستوٍ. وهذا مشابه جدًا لمبدأ عمل هوائي الطبق. يوضح الشكل 4 العملية الأساسية.
الشكل 4. النطاق المدمج - تنعكس الموجات الكروية من هوائي المصدر لتصبح مستوية (متوازية).
يُفضّل عادةً أن يكون طول العاكس المكافئ أطول بعدة أضعاف من طول هوائي الاختبار. هوائي المصدر (الشكل 4) مُزاح عن العاكس بحيث لا يعيق الأشعة المنعكسة. يجب أيضًا توخي الحذر لمنع أي إشعاع مباشر (اقتران متبادل) من هوائي المصدر إلى هوائي الاختبار.
وقت النشر: 03-01-2024
