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Metodo di misura del guadagno di antenna in ambiente esterno

Per ricavare il guadagno effettivo di una antenna progettata e costruita è necessario compararla con una antenna di riferimento all'interno di una camera anecoica, in modo che le pareti assorbenti attenuino le riflessioni e che all'antenna arrivi un solo segnale.
E' però ugualmente possibile ottenere dei risultati abbastanza attendibili, effettuando le prove in un campo aperto, come da seguente guida.

Il metodo personalmente testato e che reputo il più efficace per ottenere una misura realistica e dalle minori incertezze è quello della comparazione in campo lontano tra due antenne RX. Tale metodo si effettua alla distanza maggiore di 7 lunghezze d'onda (subito oltre la zona di Fresnel), in onda piana. Per antenne più piccole della lunghezza d’onda si può utilizzare questa formula d = 3λ + 2*( D*D) /λ, dove D è la lunghezza dell’antenna. Mentre per antenne più grandi della lunghezza d’onda, la distanza della zona di Fraunhofer è maggiore di, d= 2* (D*D) / λ.

La misura quindi si imposta inizialmente con il posizionamento di due pali distanti oltre l’inizio del campo lontano, per ottenere in ricezione un segnale formato da un’onda piana, quindi in zona di Fraunhofer e di altezza almeno superiore ad alcune lunghezza d’onda (preferibilmente > 3λ). Per effettuare tale misura è necessario utilizzare un Misuratore di antenna vettoriale a due porte, in modalità misura S21 e con possibilità di analizzare lo spettro e il multipatch dei segnali ricevuti (risposta di impulso). La procedura consiste nel cercare di posizionare e allestire il punto di misura in una posizione non intralciante per la misura stessa e quindi di trasmettere il segnale sweep e modulato da una postazione fissa utilizzando un tipo di antenna direttiva, per limitare maggiormente le riflessioni. Prima di iniziare è necessario calibrare lo strumento, azzerando i due cavi di collegamento antenne che dovranno essere uguali, in modo che lo strumento non consideri più l’attenuazione e l'impedenza del cavo, ma soltanto l’attenuazione o il guadagno delle antenne. Questa procedura la si può effettuare utilizzando due giunture a bassa perdita e il più corte possibile, in maniera da non incidere più di tanto sulla differenza di fase quando si collegheranno le antenne in prova.

Una volta azzerati i due cavi di collegamento, dovremmo trovarci con i due cavi giuntati tra loro in condizioni di fase 0° e modulo 0 dB. Nella posizione di ricezione si dovrà quindi rileverà l’intensità e la fase del segnale ricevuto, utilizzando una antenna di riferimento, tipo un dipolo dal guadagno 0 dBd e dall’impedenza 50~52Ω, o meglio se si utilizza una antenna calibrata a larga banda. Per verificare se i segnali ricevuti sono in fase e se le riflessioni hanno una ampiezza rilevante, che potrebbe incidere sulla misura finale è necessario non solo risalire al centro di fase dell'antenna di riferimento e di quella sotto test, ma anche di risalire all'ampiezza e alla fase dei segnali riflessi. Per fare questo è necessario utilizzare anche un generatore di segnali digitali vettoriali sincronizzato con il misuratore di antenna vettoriale, oppure in assenza di queste strumentazioni si può utilizzare un modulatore digitale con riferimento satellitare. In questo modo attivando la risposta di impulso del misuratore, si potranno conoscere le ampiezze e i ritardi dei segnali ricevuti in antenna e replicare con l'antenna di test la medesima condizione. La condizione migliore è quando il segnale ricevuto con fase 0° ha una ampiezza molto maggiore delle poche riflessioni ricevute.

A questo punto si potrà testare il guadagno dell’antenna in prova sostituendola al posto dell’antenna di riferimento, cercando di posizionarla al medesimo punto di fase e verificando che sia anche il punto di massimo guadagno. Sarà comunque necessario verificare che la misura presenti grossomodo gli stessi risultati in entrambe le polarizzazzioni e che non ci siano fonti di disturbo eccessivo che possano pregiudicare il corretto funzionamento degli strumenti. Per ottimizzare tale misura è opportuno utilizzare due o più dipoli di riferimento, in funzione della frequenza in cui si vuole verificare il guadagno dell’antenna da testare, oppure utilizzare un'antenna log periodica calibrata. I dipoli di riferimento più adatti a questo scopo non sono i classici dipoli aperti, dato che non sempre hanno un lobo perfettamente omogeneo, ma sono quelli a doppio rombo chiuso, antenne biconiche o dipolo a farfalla.


Riscontri finali:
Questa tecnica restituisce risultati più affidabili e realistici rispetto ad altre metodiche in campo aperto, in quanto non si dovrà calcolare l’attenuazione in spazio libero o la resistenza del terreno, che potrebbero introdurre incertezze dovute alla consistenza atmosferica e alla differenza di resistenza del terreno lungo il tragitto.

Test antenne.jpg

Test antenne.jpg

Test effettuato da
Coppolella Sebastiano, By Coppo76

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Commenti e note

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di ,

Ciao, ti ringrazio per l'interesse. Premetto che sono molto pratico è poco teorico, quindi accetto volentieri eventuali considerazioni e consigli, in modo da avere maggiori idee per aggiornare l'articolo in questione. Comunque le formule sono state prese da wikipedia e sono quelle ricavate dal fisico Fraunhofer. Per quanto riguarda la stima di incertezza, come già detto non saprei proprio come ricavarla, ma farò ugualmente alcune considerazioni al riguardo. La misura in questione è una misura che si basa su un confronto tra antenne e se si esclude il cavo con una calibrazione, sarà l'incertezza dello stesso strumento per quel tipo di misura che dovrà essere presa in considerazione. Dopo di che rimane l'incertezza sul centro di fase delle antenne e dei segnali multipli. Per conoscere i segnali multipli utilizzo il metodo riportato nell'articolo. Tale metodo si basa sulla risposta di impulso dello strumento demodulante ricevente, che dovrà essere sincronizzato con un generatore di segnali modulati in fase. Maggiore sarà la complessità della modulazione impiegata e maggiore sarà anche la precisione della misura stessa, in quanto lo strumento avrà maggiori vettori di fase da rilevare "maggiore risoluzione del metro di misura", per esempio una modulazione QAM64 per brevi distanze tra le antenne e per frequenze maggiori, sarà maggiormente indicata di una modulazione QPSK. È comunque indispensabile che i due strumenti utilizzino il medesimo riferimento di frequenza. La misura del multipath restituirà una maschera delle frequenze ricevute in un certo spazio temporale che dipende dal tempo della durata del simbolo di modulazione. Se si riesce a trovare una quiet zone, quindi un ipotetico unico segnale dominante, allora anche le incertezze sulle riflessioni saranno molto basse. Naturalmente se le antenne hanno un lobo abbastanza comune. Apro una breve parentesi per raccontare un esperimento elementare e all'apparenza stupido che ho effettuato alcune volte, prima di comprendere meglio alcuni fenomeni della radiofrequenza; Da una collina ho fatto cadere una pallina in modo controllato, per capire se esistesse un modo per conoscere dove andrà a finire e quanti rimbalzi effettuerà nel suo tragitto. Molto semplicemente se non si conosce la consistenza della palla, quella di tutti gli elementi fisici lungo il percorso, la forza di rilascio, gli angoli di tutto il percorso, il coefficiente balistico della palla, la traiettoria e forza del vento e ulteriori costanti imprevedibili...ecc. ecc., non sarà possibile conoscerne il suo comportamento. Risulta abbastanza evidente capire che non si possono conoscere tutte queste variabili e che quindi non risulta possibile conoscere il comportamento di questa palla, che potrebbe addirittura sembrare imprevedibile! Se però la palla effettuasse una rotazione costante e impiegasse un sistema di conteggio dei salti e delle rotazioni, allora la cosa cambia in quanto sarà lei stessa a dare le informazioni che servono. Chiusa parentesi, Resterebbe ancora l'incertezza del centro di fase delle antenne, che si potrebbe ricavare sempre conoscendo il segnale di partenza, ma questo aspetto non l’ho ancora approfondito in quanto non ho tempo di fare ulteriori prove e ricerche in merito. Per risponderti sulle dimensioni delle antenne, gli strumenti che possiedo sono per lo più dei vecchi misuratori e generatori di segnali GSM/WCDMA o DVBT, quindi le frequenze che ho potuto testare sono limitate a 144MHz fino a 1000MHz. Maggiore è la frequenza e maggiore sarà l'incertezza e l'accuratezza anche degli strumenti, mentre lunghezze d'onda superiori a 3Mt incominciano ad essere difficili da gestire, soprattutto per gli spazi e per le prove meccaniche di posizionamento.

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di ,

Articolo interessante. Sarebbe utile se includessi nell'articolo una giustificazione relativamente alla prima equazione (fonte?). Inoltre, a quanto ammonta l'incertezza sulla misura da te effettuata (e come stimi l'incertezza)? Quali sono i limiti delle lunghezze d'antenna per cui questa procedura risulta essere valida (diciamo ad esempio che consideriamo "valida" la procedura che restituisce dei risultati con incertezza inferiore al 10%)?

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di ,

Quando si debbano comparare antenne molto simili elettricamente, risulta tutto più facile. Nel caso che le antenne siano diverse, conviene usare come antenna trasmittene e di riferimento delle log calibrate per ogni MHz. Mentre la larghezza di banda incide sulla misura e per questo meglio farla con larghezza di sweep limitata e ripetere la misura in più punti di frequenza.

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di ,

Ciao, La mia intenzione era quella di dare un infarinata su questa procedura, che si differisce da altre "in campo aperto" solo per il fatto che vado a sfruttare una funzione dei misuratori di campo. Di solito le difficoltà e le incertezze di questa misura in ambienti non controllati sono quasi esclusivamente dovute alle riflessioni, che nel punto ricevente a seconda della loro fase e del lobo dell'antenna incideranno fortemente sulla misura. La frequenza di lavoro della prova e quella di accordo delle antenne, nel caso specifico l'antenna TX vista in foto è una Logperiodica 130-470MHz e l'antenna di prova è un dipolo, che viene comparato con un dipolo di riferimento a farfalla . Quindi si, La prova viene fatta con tre antenne e due sostegni , una di trasmissione log periodica (oppure direttiva Yagi) da fissare nel sostegno, mentre nell'altro sostegno (palo) viene posizionato il dipolo di riferimento, che poi andrà sostituito con quella sotto test (DUT). L'antenna TX e quelle RX di riferimento e prova, vengono collegate a due cavi che andranno allo strumento. I cavi non devono essere considerati dallo strumento e quindi devono essere azzerati, quindi la calibrazione si effettua in terminazione di questi. In questo modo il misuratore effettua la misura S21, azzerato con modulo 0 e fase 0. Il misuratore di campo deve avere le funzioni vettoriali a due porte con ponte riflettometrico integrato. Quasi tutti i misuratori di campo per broadcast e TLC hanno possibilità di avere queste opzioni. Quindi il segnale sweep viene mandato dallo strumento dalla porta tx alla porta rx e dato che sarà stato calibrato nel punto di giunzione dei due cavi, ci si ritroverà ad avere il modulo e fase 0. In pratica si utilizza lo strumento in modalità due porte, per effettuare una misura s21, come si farebbe con un qualsiasi DUT in prova. A questo punto non è più importante sapere la distanza tra le antenne o la lunghezza dei cavi. Dato che la misura si basa sulla comparazione di due valori letti e quindi basterà sottrarre o sommare il valore preso dalle due misure. Per fare un esempio pratico; collegando allo strumento l'antenna calibrata di riferimento, misuro -40dB e con lantenna sotto test misuro -35dB, il guadagno sarà 5dB. Però non è ancora un valore attendibile, in quanto non ho limitato il problema delle riflessioni e non conosco ancora il centro di fase delle antenne. Mi servirà quindi sapere quele sia il punto ottimale dove posizionare le antenne tx e rx, per questo mi servo di un modulatore di segnali digitali, modulati in ampiezza e fase oppure di un generatore vettoriale. La maggior parte dei misuratori di campo hanno la funzione di risposta di impulso o analisi degli echi, che aiuterà a trovare il punto dove gli echi ricevuti siano di ampiezza minima rispetto al segnale principale. Nell'immagine che ho postato si vede a desta una maschera dello strumento che rileva i vari segnali ricevuti, visualizzati in ampiezza e spazio temporale.

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di ,

Articolo per me interessante, ma ho capito poco. Molte informazioni sono date per scontate, purtroppo non sono uno specialista. Se ci fosse un disegno/schema oltre all'immagine, forse sarebbe più chiaro. Non riesco ad ingrandire l'immagine della schermata, e non riesco a leggere i grafici. Quale è la frequenza di lavoro della prova? Se ho ben capito ci sono tre antenne: Una trasmittente, una ricevente con antenna (dipolo) di riferimento, una per l'antenna DUT (device under test). Le due antenne riceventi sono connesse con cavi della stessa lunghezza elettrica al misuratore di campo ? Il misuratore di campo genera il segnale alla antenna TX? Magari modello dell'apparato se è un prodotto commerciale. Cosa è la misura S21 ? parametri scattering di un doppio bipolo? come si eliminano le riflessioni, con quale ritardo arrivano ? Se la trasmissione è impulsiva o la larga banda, come influenza l'antenna se è a ricezione a banda stretta? MarcoD

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