Curso sobre Medida de AntenasABP=Antena Transmisora SONDA = Antena Receptora O x O’=(xn,yn,z0) z...

Curso sobre Medida de Antenas

José Luis Besada Sanmartín, Manuel Sierra Castañer

CURSO DE MEDIDA DE ANTENAS

Universidad Politécnica de Madrid (UPM)

Tema 3: Medidas en Campo Próximo Plano

Índice

• Introducción y tipos de campos próximos

• Medidas en sistema plano XY

• Medidas en campo próximo esférico

• Medidas en campo próximo cilíndrico

• Medidas en zona de Fresnel

CURSO DE MEDIDA DE ANTENASMED-3- 2

Técnicas de Medida en Campo Próximo

• Se mide el campo en amplitud y fase sobre una superficie (plana, cilíndrica o esférica) próxima a la antena y se obtiene el campo lejano utilizando un algoritmo de transformación apropiadoalgoritmo de transformación apropiado.

• Ventajas– Requieren menor espacio físico (ahorro de material absorbente)

– Mantienen las ventajas de las medidas en interior (seguridad, control, etc)

– Obtienen el campo lejano sin el error asociado a la distancia de medida R

– Promedian posibles errores aleatorios de medida.

• InconvenientesSi d l ió á i l d l j


– Sistemas de exploración más precisos que los de campos lejanos

– Desarrollo de software de transformación basado en descomposiciones espectrales del campo en ondas planas, cilíndricas o esféricas

– Necesidad de calibración de la sonda en directividad y polarización

– Necesidad de adquirir siempre la superficie completa.

Tipos de Campos Próximos

Sistema Plano XY(Transformación: FFT)

Sistema Cilíndrico


( f )

Sistema Esférico

Tipos de Campos Próximos

• Sistema Plano-Polar (Transfomación: Bessel-Jacobi)

• Sistema Plano-Bi-polar (Interpolación+ FFT)


S. Bi-polar UCLA

Comparación entre Campos Próximos

– Sistemas Planos:» Cobertura cónica» Cobertura cónica

» Antenas de haz estrecho (antenas de apertura y arrays planos)

» Diagnosis directa

» Medida de grandes antenas de espacio

– Sistemas Cilíndricos:» Cobertura toroidal

» Antenas omnidireccionales o con haz en abanico (Antenas estación base sobre su soporte)


p )

» Antenas de radares

– Sistema Esférico:» Cobertura total

» Antenas de cualquier tipo

» Apropiado para el cálculo de directividad.

Geometría del Sistema Plano

y

y’

ABP=AntenaTransmisora

SONDA = Antena Receptora

O

x

zO’=(xn,yn,z0)

0r z’

a0

b0

a’0

b’0

aS

bS

a’S

b’S


• Por reciprocidad la medida es idéntica si la ABP funciona en recepción y la sonda en transmisión

S0

x’Plano demuestreo

z=z0

b0

(xn,yn) Puntos deMuestreo

• Función escalar de una onda plana para una variación temporal exp(-j t)

T

Espectro de Ondas Planas

ykxkjexpzjexprkjexpr yxT

coskk

sensenkk

cossenkk

zkykxkk

z

y

x

zyx

ykxkjexpzjexprkjexpr yxR

Avanza hacia las z +

Avanza hacia las z -

ky

kx

kz realZona Visible


2

kk

2y

2x

2z kkkk

x

a=k

Zona Visible

kz imaginarioZona Evanescente

Si kz es real, k determina la dirección radial ,


A

xyT

kk yxN

k Definiciones de Polarización (Azimut, Elevación)

rkjexpky

kyj

ky

ryM

TR,Tkk yx

rkjexpkky

ky

kky

ryN

TR,Tkk yx

Antena

S0

O

a0

b0

aS

bSz

Tkk yx

M

k

Rkk yx

N

Rkk yx

M

k

yxN0N

yxM0M

k,kTab

k,kTab


• Campo eléctrico monocromático radiado por una antena transmisora

yxT

kkyxNT

kkyxM0 dkdkrNk,kTrMk,kTarEyxyx

yxN0N

TM,N representan los espectros de ondas planas radiados por la antena para las polarizaciones M y N cuando se excita su puerto de entrada con amplitud unidad


Expresión asintótica de campo lejano (r) Er

y

U i id b l i i d f i d l

rkzkykxkkr

jkrexpEk,kTAk,kjTcoska2jrE

0z0y0x0

0y0xN0y0xM0

¡¡¡ Obtenido el espectro de ondas planas se conoce el diagrama de radiación !!!

z

A

x

E

A

Antena


yxR

kkyxNR

kkyxM dkdkrNk,karMk,karEyxyx

Un campo incidente sobre la misma antena, proveniente de otras fuentes situadas en el semiespacio z>0 se puede expresar en términos de las polarizaciones MR y NR como:

Parámetros S de una Antena

Rs: Característica de recepción en espacio libre

T : Característica de transmisión en espacio libre[S]ba0 as

b

yxyxNyxNyxMyxM0ABP0 dkdkk,kak,kRk,kak,kRab

2

1yxyxyxyx,s0yxsyxs dd,a,;k,kSak,kTk,kb

Ts: Característica de transmisión en espacio libre

Ss,: Característica de dispersión

[S]b0

ABP

bs

s=M ó N


0yxsyxsyx ak,kTk,kb0,a En ausencia de ondas entrantes:(Sin reradiación)

yxsyxs k,kTk,kR Como los diagramas de transmisión y recepción son idénticos

Aplicando el Teorema de Reciprocidad de Lorentz yxs

2

yxs k,kTkZ

2k,kR

Ecuación de Acoplamiento

y’SONDA =

Antena Receptoraxy

ABP=AntenaTransmisora

S0

O

x

zO’=(xn,yn,z0)

0r

x’

z’

Plano de muestreo

a0

b0

a’0

b’0aS

bS

a’S

b’Ss l

Zl (Receptor)

ABP


0yxsyxs ak,kTk,kb

0yxsyxs rkjexpk,kbk,ka

00l0 rba

yxyxNyxNyxMyxM0s00 kdkdk,kak,kRk,kak,kRarb

Ecuación de Acoplamiento

yy

xx

kk

kk

ˆˆ

yy

xx

yxs

2

yxs

2

yxs k,kSkZ

2k,kS

kZ2

k,kR

N,Ms

yxyx0yxsyxsls

02

00 dkdkyjkxjkexpzjexpk,kTk,kSkZ1

a2rb

Invirtiéndola, puesto que es una Transformada de Fourier

yyzz

Ss Característica de Transmisión de la Sonda

V l M did

Ecuación de acoplamiento


00 04

, 0

1 exp, , , exp

2s l

x y s x y s x y x ys M N

j z kZD k k S k k T k k b r j k x k y dx dy

a

Propiedades de Transmisión de la ABP

Corrección de Sonda

Valores Medidos

• Registrando dos adquisiciones (1 y 2), el conjunto de las dos medidas de campo próximo proporciona un sistema de 2 ecuaciones independientes con dos incógnitas que son las características de transmisión de la ABP


dos incógnitas que son las características de transmisión de la ABP.

• La sonda se caracteriza en transmisión midiendo su diagrama en campo

1 2 2 1

1 2 2 1

2 1 1 2

1 2 2 1

, , , ,,

, , , ,

, , , ,,

, , , ,

x y N x y x y N x y

M x y

M x y N x y M x y N x y

x y M x y x y M x y

N x y

M x y N x y M x y N x y

D k k S k k D k k S k kT k k

S k k S k k S k k S k k

D k k S k k D k k S k kT k k

S k k S k k S k k S k k


g plejano e identificando éste con sus características de transmisión:

rkzkykxkkr

jkrexpEk,kSAk,kjScosak2jErEArErE

0z0y0x0

0y0xN0y0xM0EA

Conversión a Campo Lejano y Ganancia

yxT

kkyxNT

kkyxM dkdkrNk,kTrMk,kTrEyxyx

Campo Lejano

sensenkk

cossenkkrjkrexp

Ek,kTAk,kjTcoska2j,,rE

0y

0x

0y0xN0y0xM0


Z1

k,kTk,kTcosk16k,kG 2

ABP

2

0y0xN

2

0y0xM2230y0x

2

ABP20ent

ent

22

1aPP

ZEr4G

Ganancia

Aspectos Prácticos

Validez angular de la Medida– Es imprescindible limitar la adquisición de muestras

a un rectángulo finito en el plano de medida

Plano de Medida

a un rectángulo finito en el plano de medida.– Este truncamiento limita la validez de nuestros

resultados en campo lejano a ángulos inferiores al expresado por v.

– Si b’(Lx/2)<-40 dB los errores de enventanado (efecto Gibbs) son despreciables

D

ABP z0

v

Lx

0

xv z2

DLatan


Inexistencia de reflexiones múltiples– La teoría de la transformación se basa en la

inexistencia de reflexiones múltiples entre la ABP y la sonda.

– Para ello antena y sonda, bien adaptadas, deben separarse suficientemente: 12z6 0

Aspectos Prácticos

Número de Muestras (Teorema de Muestreo)– No se puede adquirir, almacenar o procesar señales continuas por lo que

se sustituye la CTF por la DFT de una secuencia equiespaciada dese sustituye la CTF por la DFT de una secuencia equiespaciada de muestras de la señal de acoplamiento.

– Separación máxima: Teorema de Muestreo

– Valor práctico recomendado, para adquisiciones con rango de validez

2 2 2 xx y

x

k k kk k k

k k k

2

2 2

2

x

y

k

OJO: ¡Para >v existe “aliasing”!


v90º:

– Con v menores se puede reducir xy a:

45.0xy

vxy sen2

xys

Aspectos Prácticos

Requerimientos de potencia– La Potencia máxima recibida por la sonda vale:

2PP

donde:» AABP: Area de la ABP» PIN: Potencia de entrada» PPK: Densidad de potencia de pico» PAVG: Densidad de potencia media» GP: Ganancia de la sonda

PIN

PAVG

PPK

GP

PR

Sonda

AABP

P

2

effAVG

PK

ABP

INeffPRMax G

4A

P

P

A

PAP


» GP: Ganancia de la sonda

– Para el caso peor de una antena uniformemente iluminada ABP

RMAX P

IN ABP

P A

P A

0

000RMaxRMin N

S1NSadSensibiliddB40PP

Aspectos Prácticos

Alineamiento

• El diagrama obtenido está expresado en ángulos (,)(kx,ky) referidos a los ejes yXYZ propios del scanner.

• Si se requiere una referencia de antena hay que realizar el correspondiente alineamiento entre sistemas de referencia de la ABP y el XYZ del scanner, y realizar a continuación los giros de ángulos de Euler entre sistemas de referencia.

• Ejemplo de desalineamiento: (Array Broadside)

XY

El PNIFT


Eje Z

ABP

El programa PNIFT entregará el máximo situado en =

Medida de la Ganancia de la ABP

• Método directoLa determinación de la ganancia– La determinación de la ganancia requiere conocer:

» Ganancia de la sonda• Se puede obtener con una adquisición

esférica

» Lectura directa de las pérdidas de inserción Tx-Rx

• unión cable ABP - cable sonda

C fi i d fl ió

a0 GABP GS bR

Sonda

ABP s1 l


» Coeficientes de reflexión ABP , s y l. • Una buena técnica es introducir un

atenuador a la entrada del cable del receptor para hacer l =0

ABP

PIN PR

• Método de Comparación de Ganancias

Medida de la Ganancia de la ABP

– Midiendo en el mismo sistema plano con la misma sonda y en las mismas condiciones una antena patrón de ganancia conocida Gpatrón(=0º):

» GABP: Ganancia real de la ABP

0,0G

0,0G,G,G

Patron

PatronABPABP


» G’patrón : Ganancia aparente de la antena patrón (salida del PNIFT)

» G’ABP : Ganancia aparente de la ABP (salida del PNIFT)

Errores de Medida en Sistemas Planos

• Principales fuentes de error:– Reflexiones múltiples entre ABP y sonda. Se puede reducir su efecto p y p

promediando dos adquisiciones separadas λ/4

– Errores de fase de los cables. Para reducir se efecto: » Utilizar cables de alta estabilidad de fase frente a la flexión y cambios de

temperatura

» Trabajar en cámaras bien estabilizadas térmicamente

» En caso necesario, haciendo correcciones mediante tomas de datos de referencia sobre un determinado punto.

E d i ió d d El á i l d l i d


– Errores de posición de sonda. El más importante es el de planitud, que se traduce directamente en errores de fase. Si se conocen, se pueden corregir.

– Truncamiento del área de adquisición.

Tipos de sistemas planos XY: de pórtico


Sistema plano de EADS-CASA (tipo torre)


Diseño GR-UPM

Viga horizontal de apoyo

Sistema plano de la UPM

El sistema consta de una eje horizontal con una guía

Torre vertical (5.25m)

p y

Posicionador de sonda


j gcilíndrica sobre la que se desliza (mediante un husillo)una mesa que soporta la torre vertical. Esta torre conguías de precisión y husillo para la mesa vertical seapoya por gravedad sobre otra guía horizontal superiorque es paralela a la de la base, definiendo de este modoun plano, de 4,75x4.75 m, de gran precisión.Eje horizontal

(6m)

Este sistema se ha diseñado y

Sistema plano de la UPM

construido para medir grandes antenas de satélites.

La excelente planitud (<0,34mm pico a pico) permite utilizar este sistema para medir grandes reflectores y arrays hasta 40GHz.


Representación de los errores de planitud de la zona central del scanner, medidos con un laser tracker interferométrico

Ejemplo de medida en el sistema plano de la UPM

Medida de un reflector gregoriano offset de 2.4 metros, con inclusión de gálibo ITUR-580.5


Los errores 3σ estimados para esta medida fueron: ±0.2 dB para la ganancia y ±1.5 dB para lóbulos a -40dB

Medida de antena de satélite en LEHA-UPM


Bibliografia

• D.M. Kerns. Plane-Wave Scattering-Matrix Theory of Antennas and Antenna-Antenna Interactions. NBS 78-890. June 1978.

• Y. Rahmat-Samii, L. I. Williams, R.G. Yaccarino. The UCLA Bi-polar Planar-Near-Field Antenna-Measurement and Diagnostics Range. IEEE APS Magazine. Dec. 1995.

• IEEE Trans. on Antennas and Propagation. Special Issue on Near-Field Scanning Techniques. June 1988.

• The Handbook of Antenna Design. Chapter 8. A.W. Rudge et al (Ed.), Appel-Hansen J, et al. Peter Pelegrinus Ltd 1982.

• AMTA Proceedings


AMTA Proceedings.

• Dan Slater. Near-Field Antenna Measurements. Artech House. 1991.

• J.L. Besada et al. Planar and Spherical Near Field Range of C.A.S.A. AMTA. 1992.

• A. Lopez, J.L. Besada, J. Molina. Error Simulation, Estimation and Correction in Probe Corrected Planar Near Field Antenna Measurement. AMTA. 1992

Geometría del Sistema Esférico

SONDA (B i ó i TE11y

ABP

SONDA (Bocina cónica TE11 polarizada según x’)

O

x

y

z

0r

y’x’

z’

a0

a’0

b’0

aS

bS

a’S

b’S


S0

O zO’=(r0,,)

Esfera demuestreo

r=r0

b0aS

Descomposición en Modos Esféricos

• Campo eléctrico monocromático radiado por una antena transmisora expresado en modos esféricos.

Función de Hankel de 1ª especie

1n

n

nmmnNmnmnMmn rNTrMTrE

ˆjmexp

d

cosdPkrh

ˆjmexpcosPsen

jmkrh

!mn

!mn

1nn41n2

mmk

rMm

n1n

mn

1nm

mn

ˆjPkh1nn m1

Modos TE

Polinomio asociado de Legendre


ˆjmexpcosPsen

jmkrd

krkrhdkr1

ˆjmexpdcosdP

krdkrkrhd

kr1

rjmexpcosPkrhkr

!mn

!mn

1nn41n2

mmk

rN

mn

1n

mn

1n

n1n

m

mn

Modos TM

Ejemplos de Modos Esféricos

Modo N1,5

N N

Modo N0,4

Nr

N

Nr

Nr

Modo N6,10


N Nr

Modo N20,24

Señal Recibida por la Sonda

2 2

,

1Potencia radiada

2 Mmn Nmnm n

T T Normalización de modos,

Señal recibida por la sonda (vista como una red multipuerta)

1,1Ma

,Ma

,Na


'0 , , , ,

,M M N NW b a P a P

Amplitudes modos esféricos provenientes de ABP, entrantes en el sistema x’y’z’ de la sonda

Elementos de la matriz de scattering de recepción de la sonda

Condición de Corte dePropagación de los Modos Esféricos

Desviación de amplitud de la función de Hankel de 1ª especie respecto de su comportamiento asintótico 1/kr

Esfera de Radio mínimo que encierra la antena cuando gira

Atenuación del modo n=30 en el recorrido entre kr=20 y kr=30 (>60 dB)


kr

Corte

Propagación

Condición de CorteNmax=kR0

R0

Muestreo del Campo Próximo

• El campo se adquiere para =0 y =90 en una malla regular de puntos (,) con separaciones y que son función del radio R0 de la esfera mínima p y q 0que encierra a la antena cuando gira.

• Tomando Nmax=kR0+10=2R0/ + 10 los incrementos angulares son:

• Para antenas directivas puede elegirse mayor si se trunca la medida entorno a la zona polar (01)

maxmax N2º360Nº180


• Si se convierten estos incrementos angulares a arcos medidos sobre la esfera de radio mínimo, las muestras están separadas menos de /2, cumpliendo por lo tanto el teorema de muestreo.

max1maxmax M2º360senNM


• Corrección de Polarización:Se corrige el efecto sobre el campo adquirido de los errores de polarización de la sondalos errores de polarización de la sonda• Corrección de Diagrama:Si la sonda ve a toda la esfera mínima dentro de un tapering inferior a 0.5 dB no vale la pena hacerlaCon sondas muy directivas o ABPs muy grandes y próximas a la sonda debe realizarse.


La corrección pasa por tratar a la sonda como ABP y obtener sus coeficientes esféricos PM y PN , indicándoselo al programa con la variable de control “PROB”. Esto genera un fichero de corrección de sonda que se emplea cuando se mide la ABP definitiva.

Medida de ganancia por comparación

2 2 21 1 11 1 2 22 2 2

2 2 21 1 11 1 2 22 2 2

( , ) ( , ) ( , )( , )

( , ) ( , ) (0,0)ABP ABP P

ABP P

ABP P P

W w wG G

w w W

• La ganancia de campo lejano se obtiene como el producto de:- la relación de campo lejano a campo

próximo de la ABP- la comparación de señales adquiridas

en campo próximo- el inverso de la relación de campo


el inverso de la relación de campo lejano a campo próximo de la bocina patrón

- la ganancia de la bocina patrón

Nótese que no importa donde queda situada la apertura de la bocina mientras se mantenga la distancia centro de rotación-sonda

Sistema esférico de la UPM


Alineamiento

• Condiciones de Alineamiento:

– El eje de azimut (X1) debe ser

Doble colimación para ajustar la sonda

El eje de azimut (X1) debe ser vertical.

– El eje de roll (X2) debe ser horizontal.

– X1 y X2 deben cortarse para definir el centro de la esfera medida.

– El eje de la sonda (X4) debe ser horizontal hacia el centro de la esfera.


– El offset de azimut debe ajustarse para obtener lectura =0º.

– La referencia de polarización de la sonda debe situarse horizontal.

Diagrama de bloques de la UPM


Definición de medida

Medida de diagramas (intercomparación ACE)

Intercomparación de diagramas en planos principales

Antena VAST12 (ESA)


Directivity Gain

DTU 30.71 30.35

UPM 30.62 30.36

FTRD* 31.1 30.4

*Medida en el campo lejano de La Turbie de France Telecom

Bibliografía

• J.E. Hansen. Spherical Near-Field Antenna Measurements. Peter Perigrinus. 1988.

• R F Harrington Time Harmonic Electromagnetic Fields McGraw Hill 1961• R.F. Harrington. Time-Harmonic Electromagnetic Fields. McGraw-Hill 1961.

• R.E. Collins. Field Theory of Guide Waves. McGraw-Hill 1960.

• Dan Slater. Near-Field Antenna Measurements. Artech House. 1991.

• The Handbook of Antenna Design. Chapter 8. A.W. Rudge et al (Ed.), Appel-Hansen J, et al. Peter Pelegrinus Ltd 1982.

• AMTA Proceedings.

• IEEE Trans on Antennas and Propagation Special Issue on Near-Field Scanning



• The Isofilter Technique: www.mi-technologies.com/email/12-14-06.htm

• O. Breinbjerg, S. Pivnenko, M.Sierra Castañer, C. Savatier. Antenna Measurement Facility Comparison Campaign within the European Antenna Centre of Excellence. 2005 IEEE AP-S International Symposium. Washington, DC, USA. 2005.

Configuración típica de un sistema cilíndrico


y

z

z’

Base matemática de la medida

)4()4( dhNhbMhE

Sonda(Antena Receptora)Antena Bajo Prueba (ABP)

(Antena Transmisora)

O

y

x

O’=(ρo ,o , zo)

'Or

y’

x’

ρ=ρ0

v(ρo ,o , zo)O’


n

)4(nhn

)4(nhn dhrNhbrMharE

jhzjn)2(

n)2(n

)4(nh eeˆH

ˆHjn

)r(M

jhzjn2n

22

n

2n)4(

nh eezHk

ˆHknh

ˆH

kjh

)r(N

coskh

)hk( 22

Aspectos Prácticos: teorema de muestreo

El número de muestras que es necesario adquirir es función de las dimensiones lé t i d l teléctricas de la antena

– El número mínimo de muestras en azimuth vale

N = 4Ro/ , de modo que el incremento angular

debe cumplir 360/N

– Para la dimensión vertical z, el teorema de muestreo

fija que el incremento debe ser inferior a z /2

Ro

o


– Con ángulos de validez v pequeños, z se puede aumentar z hasta:

vz sen2

OJO: ¡Para >v existe “aliasing”!

Validez en azimuth: completa (360º) Validez en elevación: limitada por el sistema

Margen de validez de la medida

o

Validez en elevación: limitada por el sistema

– Si es posible, conviene tomar muestras, al menos, hasta niveles de –40 dB respecto del máximo, para reducir los errores de enventanado (efecto Gibbs).

Reflexiones múltiplesD

ABP d

v

Lz

d2DL

tan z1v


– La teoría de la transformación se basa en la inexistencia de reflexiones múltiples entre la ABP y la sonda.

– Para ello antena y sonda, bien adaptadas, deben separarse suficientemente:

12d5

Margen de validez de la medida

5.69 m

15.7 m

69.1º


3.42 m

5.35 m3.71 m

~1 m

33.2º

SISTEMA CILÍNDRICO DE MEDIDA DE RADARES DEL CEAR - GUADALAJARA

- Comparte elementos con el sistema de d i i ió l

Sistema cilíndrico de la UPM

adquisición plana.

- Adquisición cilíndrica:

• ABP sobre posicionador de azimut (a su vez sobre guía lineal motorizada para ajustar la distancia de medida)


• Sonda sobre el eje-Y del scanner plano.

- Banda de frecuencias: 1 – 40 GHzMedida de antena de UMTS

sobre mástil

Validación experimental del Software

Intercomparación de medidas realizadas en el sistema esférico y cilíndrico del LEHA (GR-UPM):

-10

-5

0Corte horizontal

Esf-cp

Esf-xpCil-cp

Cil-xp-10

-5

0Corte vertical

Esf-cp

Esf-xpCil-cp

Cil-xp

Reflector de banda Ku (14 GHz)


120 140 160 180 200 220 240-40

-35

-30

-25

-20

-15

dB

grados

40 60 80 100 120 140-40

-35

-30

-25

-20

-15

dB

grados

Sistema cilíndrico de la UPM


Medida de atenuación y distorsión de diagrama de antenas UMTS por palmera de camuflaje

Bibliografía

• W. M. Leach et al. Probe Compensated Near Field Measurements on a Cylinder. IEEE Trans AP. July 1973

• J P Hansen On Cylindrical Near Field Scanning Techniques IEEE TransJ.P. Hansen. On Cylindrical Near Field Scanning Techniques. IEEE Trans AP. March 1980

• A.D. Yaghjian. An Overview of Near-Field Antenna Measurements. IEEE Trans AP. January 1986.


• Y. Rahmat-Sami. Useful Coordinate Transformations for Antenna Applications IEEE Trans AP July 1979


Applications. IEEE Trans AP. July 1979.• S. Burgos Martínez, F. Martín Jiménez, M. Sierra Castañer, J.L.Besada

Sanmartín. Error estimations in cylindrical near field system for large RADAR Antennas. First EuCAP. November 2006.

• F. Martín Jiménez, S. Burgos Martínez, M. Sierra Castañer, J.L. Besada Sanmartín. Design of a cylindrical near field system for RADAR antennas. First EuCAP. November 2006.

Medidas en zona de Fresnel

• Las técnicas de medida en zona de Fresnel que se describen a continuación qson aplicables sólo a antenas lineales (tiras) o aperturas o arrays rectangulares con distribuciones separables.

• Permiten reducir considerablemente el tiempo de medida respecto a las técnicas clásicas de campo próximo.

• PERO, solamente permiten obtener los diagramas de campo lejano en los planos principales, a partir de adquisiciones en zona de Fresnel en dichos


planos.

• El primer programa (SFIFT), que sigue la técnica de Evans, lo desarrollamos para medir los paneles de la antena ASAR del satélite ENVISAT.

Motivación: medida paneles antena ASAR de satélite ENVISAT

Satélite ENVISAT


Actualmente utilizamos el programa SFIFT para medida de antenas estación base.

20 paneles. 16 subarrays TX/RX por panel

Modelo de corrección cuadrática de fase(Modelo tira)

'

( ) ( )ojk r re

E r E x dx

Campo radiado:

( ) ( )'aE r E x dx

r r

2 2 3 22

1 1' cos cos

2 2o

o

r r R x sen x x senR R

D

P(X,Y=0,Z)

'rr

oR r cte

x

y

r’=x

Ea(x)


• Campo lejano (R>2D2/): término cuadrático del desarrollo despreciable

• Zona de Fresnel (0.62(D3/)1/2 <Ro<2D2/) : término cúbico del desarrollo despreciable

2o oR

Modelo de corrección cuadrática de fase

/ 2

/ 2 1 1/ 2

/ 2 1 1( )

/ 2 / 2

o no

x Djk sen j x D senD jk xsen D

Lejano a a a n nD

x xE E x e dx E e d E x e dx

D D

Campo en zona de Fresnel:

21

1( ) R nn o

o

j xjuxR a n nE u E x e e dx

2

2

cos distancia medida; ;

8 2 / distancia Rayleigho o

o

oR R

R

RDsenu

D

donde:

Campo lejano: 2 21

1( ) R n R nn o o

j x j xjuxL a n nE u E x e e e dx

(c. adquirido)


1

2 21

1( )R n R nno n o

N Nj x j xj u n xjn x

n L n a n nn N n N

e A e E u A E x e e dx

( )o

N

L n Rn N

E u A E u n

21

1

1

2R no n

j x jn xn nA e e dx

Simulaciones

TRANSFORMACIÓN EN APERTURASRECTANGULARES. RESULTADOS.

Antena rectangular: Dx = 1 m, Dy = 0.5 mFrecuencia = 6 GHzIluminación tipo coseno

metros40/D2 2

Campo medido a: Ro=5.5 m

Campo teórico R =

Campo transformado R =


Simulaciones

TRANSFORMACIÓN EN APERTURASRECTANGULARES. RESULTADOS.

Tira: D = 1 mFrecuencia = 6 GHzIluminación uniforme

metros40/D2 2

Campo medido a: Ro= 2.77 m

Campo teórico R =

Ro= 0.62(D3/)1/2 = 2.77 m = (2D2/) / 16


Campo transformado R =

Medidas

Medidas de planos principales en zona de Fresnel, transformadas a campo lejano

Distancia de medida: Ro=5.5 m =

= (2D2/)/8


Patrón calibración: panel ERS-1 ESA

Medido en ETSIT-UPM

Medidas

Diagramas de planos principales obtenidos con SNIFTD (adquisición esférica completa)

Distancia de medida: Ro=5.5 m =

= (2D2/)/8


Patrón calibración: panel ERS-1 ESA

Medido en ETSIT-UPM

Validación con Antena BTS

FREQ (MHz)IEEE PEAK GAIN

SNIFTDIEEE PEAK GAIN

SFIFT

THETA 0 DIRECTIVITY

SNIFTD

THETA 0 DIRECTIVITY SFIFT

1500 13,52 13,67 16,56 16,811600 14,80 14,79 16,90 17,081710 15,43 15,35 17,28 17,451795 15,56 15,81 17,62 17,741850 15,63 15,73 17,89 18,051880 15,60 15,74 18,02 18,171920 15,95 16,09 18,17 18,292045 16,04 16,34 18,55 18,592170 16,34 16,62 18,76 18,622200 16,38 16,62 18,77 18,632300 16,19 16,43 18,69 18,60

-10

-5

0Comparison sniftd vs sfift 1500MHz: CP & XP 90º

sniftd CP

sfift CPsniftd XP

sfift XP


SATIMO BTS-1940 ANTENNA

-150 -100 -50 0 50 100 150-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

Theta (degrees)

Far

-Fie

ld M

odul

e (d

B)

Bibliografía

• K. Wu & S. Parekh. Methods of transforming antenna Fresnel region fields to far region fields. Proc. AMTA, Octorber 1989.g f ,

• C. Rivas & J.L. Besada. Simulación de Medidas de Antenas en Zona de Fresnel y Transformación a Campo Lejano. Actas del Simposio español URSI. Valencia, 1993

• F. Las-Heras, B. Galocha, J.L. Besada. A Method to transform measured Fresnel patterns to far-field based on a least-squares algorithm with probe correctionAMTA, 17th Annual Meeting & Symposium, 1995

• F. Las-Heras, B. Galocha, J.L. Besada. Fresnel to far field transformation using least squares minimization and equivalent magnetic sources reconstruction. Proc.


PIERS 1997.• F. Las-Heras, B. Galocha, J.L. Besada. Far-Field Performance of Linear

Antennas Determined from Near-Field Data. IEEE Trans. AP. March 2002

PAGINA DE LA ASIGNATURA DE DOCTORADO

file:////www/dca/index.htm[07/04/2010 12:35:33]

Medidas en campo próximo

Curso sobre Medida de AntenasABP=Antena Transmisora SONDA = Antena Receptora O x O’=(xn,yn,z0) z...

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