Radioastronomia IMisure d’antennaC. Franceschet

6 dicembre 2017

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

2

Sommario Parametri di scatteringGrandezze caratteristiche di un antenna Diagramma di radiazione Direttività Guadagno Efficienza d’antenna Coefficiente di riflessione

Tecniche di misura e test range Far‐field Compact Antenna Test Range Near‐field

Visita in camera anecoica

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

3

Parametri di scattering Schematizzazione black‐box caratterizzazione indipendente dal contenuto del circuito elettromagnetico, che può includere componenti attivi e passivi, in modo del tutto trasparente

Le porte sono l’unica interfaccia verso l’esterno fisicamente sono i terminali del circuito e.m. (guide d’onda, connettori) connessi alla linea di trasmissione è necessario definire un piano di riferimento sono indicate con un numero (ad esempio, 1 e 2 in figura)

TWO‐PORTNETWORK

ZS

ZL1 2

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

4

Parametri di scattering Tensioni e correnti alle porte della black‐box sono espresse in termini di onde di potenza l’onda di potenza incidente si indica con la lettera a l’onda di potenza riflessa si indica con la lettera b

V e I sono fasori [ ,  cos e  hanno dimensione di una potenza (W)

≡·

2≡

·2

TWO‐PORTNETWORK

ZS

ZL1 2

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

5

Parametri di scatteringDefiniamo i parametri di scattering per un 2‐porte Perdite per riflessione

In scala logaritmica, utilizziamo il concetto di return loss

TWO‐PORTNETWORK

a1

b1

b2S11 S22

a2

10 log

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

6

Parametri di scatteringDefiniamo i parametri di scattering per un 2‐porte Perdite per inserzione

In dB, utilizziamo il concetto di insertion loss

TWO‐PORTNETWORK

a1

b1

b2

a2

10 log1 10

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

7

Parametri di scatteringUna rete lineare può essere caratterizzata da un set di equazioni che descrivono l’onda uscente (b) da ciascuna porta, rapportata all’onda incidente (a) Ad esempio per un 2‐porte

S21a1

b1

b2

S12

S11 S22a2

01

111

2

aa

bS

01

221

2

aa

bS02

222

1

a

ab

S

02

112

1

aa

bS

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

8

Parametri di scattering L’onda trasmessa e riflessa sono modificate in ampiezza e fase rispetto all’onda incidente I parametri di scattering sono numeri complessi (,)  (ampiezza, fase) In generale onda trasmessa e riflessa mantengono la stessa frequenza dell’onda incidente Algebricamente si definisce la matrice di scattering S

coefficiente di riflessione

coefficienti di trasmissione

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

9

Parametri di scattering Per un generico n‐porte, la matrice di scattering S è una matrice quadrata nn Il numero di righe e colonne è uguale al numero di porte Ad esempio, per un componente 4‐porte

Per un generico componente n‐porte

⋮⋯

⋮ ⋱ ⋮⋯

⋮

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

10

Grandezze caratteristiche di un antenna

Un’antenna è caratterizzata da alcune «grandezze» che ne descrivono le prestazioni, tra cui: Diagramma di radiazione (FWHM, sidelobe, ecc.) Direttività e guadagno Coefficiente di riflessione (return loss) Perdite resistive (insertion loss)

Tali grandezze, in generale, dipendono dalla frequenza operativa dell’antenna e possono variare sensibilmente nella banda In virtù del teorema di reciprocità delle antenne, le grandezze caratteristiche di un antenna valgono indipendentemente dal suo utilizzo in ricezione e/o in trasmissione

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

11

Il diagramma di radiazione Il diagramma di radiazione P(r, , ) fornisce la risposta angolare dell’antenna, ovvero la potenza ricevuta/trasmessa in una certa direzione nello spazio Tra le grandezze caratteristiche che possiamo ricavare dalla misura del diagramma di radiazione, citiamo: FWHM (risoluzione) Livello dei sidelobe Livello di cross‐polarizzazione Direttività Ellitticità del fascio

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

12

Il diagramma di radiazione Le coordinate sferiche (r, , ) descrivono «naturalmente» la potenza irradiata (o ricevuta) dall’antenna r ∈ (0, +) è la distanza dal centro di fase dell’antenna ∈ (‐180°, 180°) è l’angolo rispetto alla direzione del massimo del diagramma di radiazione ∈ (0°, 360°) è l’angolo rispetto al piano di polarizzazione dell’antenna

r

x

y

z

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

13

Il diagramma di radiazione

E planeH plane45° plane45° Xpol plane

Theta (deg)

Magnitude

 (dB)

E’ conveniente rappresentare il diagramma di radiazione in tagli a  costante

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

14

Il diagramma di radiazione Data un antenna in polarizzazione lineare, il piano su cui giace il campo elettrico dell’onda trasmessa o ricevuta (piano di polarizzazione) è detto piano E. Analogamente, il piano ad esso perpendicolare è detto piano H

Piano H

Campo elettrico

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

15

Il diagramma di radiazione Data un antenna in polarizzazione lineare, il piano su cui giace il campo elettrico dell’onda trasmessa o ricevuta (piano di polarizzazione) è detto piano E. Analogamente, il piano ad esso perpendicolare è detto piano H In generale, per un ottica in asse, la componente cross‐polare del diagramma di radiazione è nulla lungo i piani principali e massima sul piano a 45 gradi

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

16

Il diagramma di radiazione

Credits: F. Villa, 2008

Copolar max. level = 55.69 dBiCrosspolar max. level = ‐4.27 dBi

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

17

Il diagramma di radiazione Rappresentazione dei diagrammi di radiazione nel piano u‐v:

uu

v v

Copolar max. level = 55.69 dBi Crosspolar max. level = ‐4.27 dBi

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

18

Direttività, guadagno ed efficienza d’antenna

La direttività di un antenna è definita come «il rapporto tra la potenza irraggiata per unità di angolo solido in una certa direzione (solitamente quella del massimo) e la potenza media per unità di angolo solido»

,,

14 , Ω

Generalmente si esprime in scala logaritmica in unità dBi

10 log ,

Il guadagno di un antenna è strettamente legato alla sua direttività, attraverso l’efficienza di radiazione  dell’antenna e si misura in dB

, ,

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

19

Direttività, guadagno ed efficienza d’antenna

L’efficienza d’antenna  tiene conto delle perdite all’ingresso dell’antenna e lungo la sua struttura, dovute a:

Riflessioni all’interfaccia d’ingresso  Perdite ohmiche  e dielettriche 

Quindi, mettendo assieme tutti i contributi:

· · ·

Nota che le resistenze definite sopra sono legate all’impedenza di ingresso dell’antenna:

è la resistenza d’antenna in ingresso è la reattanza d’antenna in ingresso (potenza immagazzinata nella regione di near‐field reattivo)

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

20

Tecniche di misura e test range Esistono differenti tecniche per misurare un diagramma d’antenna, scelte in base alla tipologia di antenna e dalle sue caratteristiche (ad es. dimensioni, frequenza operativa, ecc.) Distinguiamo le tecniche di misura in base alla regione in cui viene sondato il campo

Far‐field «in door»(link diretto, Compact Antenna Test Range, ologramma, ecc.)

Far‐field «out door»(link diretto, sorgenti naturali, drone, ecc.)

Near‐field(scansione planare/cilindrica/sferica con trasformazione NF2FF)

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

21

Regioni di near‐field e far‐field Esistono tre regioni in cui suddividere lo spazio circostante l’antenna

Near‐field reattivo Questa è la regione nelle immediate vicinanze dell'antenna, dove domina il campo reattivo: 

l’energia reattiva è «immagazzinata» e non viene dissipata. Questa regione è una sfera con l'antenna al centro e con raggio

0.62 ⁄

dove D è la massima dimensione dell’antenna e  la lunghezza d’onda

Near‐field radiativo (Fresnel) Questa è una regione intermedia tra la regione reattiva del campo vicino e la regione del 

campo lontano, dove la componente irradiata domina rispetto a quella reattiva. La distribuzione angolare del campo dipende ancora dalla distanza dall'antenna. La regione di Fresnel è racchiusa tra due superfici sferiche di raggio:

0.62 ⁄2

dove D è la massima dimensione dell’antenna e  la lunghezza d’onda

Far‐field (Fraunhofer) La distribuzione angolare del campo non dipende più dalla distanza dalla sorgente. I campi 

reattivi sono assenti ed esiste solo campo irradiato, come onde trasversali TEM. In questa regione la densità di potenza decresce come 1/r2. La regione di campo lontano è definita come:

2

dove D è la massima dimensione dell’antenna e  la lunghezza d’onda

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

22

Regioni di near‐field e far‐field

ReactiveNear-field

RadiatingNear-field

Far-Field

Fraunhofer

D

FieldDistribution

Fresnel

Credits: Y. Rahmat‐Samii et al., IEEE Antennas & Propagation Magazine, Vol. 37, No. 6, Dec 1995

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

23

Tecniche di misura in far‐field

Le tecniche di misura in far‐field si basano sull’illuminazionedell’antenna sotto test (AUT) con un fronte d’onda piano, generato da una sorgente

Credits: Nikolova, 2016

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

24

Tecniche di misura in far‐field La polarizzazione della sorgente e dell’AUT sono allineate per una misura di diagramma di radiazione copolare ed incrociate per uno crosspolare

Si esegue una scansione della posizione angolare  su uno dei piani principali E, H e D ( = 45°) o un generico piano , ruotando l’antennarispetto al suo centro di fase

VNA/SNA

POSIZIONATORE

Segnale di controllo

Segnale radiofrequenza

AUT sorgente

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

25

Tecniche di misura in far‐field L’antenna da misurare e la sorgente devono trovarsi ciascuna nella regione di far‐field dell’altra antenna Allo stesso tempo, le due antenne non possono trovarsi ad una distanza troppo elevata per non degradare la dinamica della misura Possibili problemi di un test range «out door»

riflessioni del terreno ostacoli nelle regioni di Fresnel più interne interferenze e.m. dinamica della misura (…)

Possibili problemi di un test range «in door» riflessioni delle pareti della camera anecoica e delle strutture Eccosorb® attenua circa 40 dB per incidenza normale difficoltà nel garantire il regime di far‐field (…)

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

26

Tecniche di misura in far‐field La formula di Friis ci fornisce un «link budget», che permette di calcolare la potenza ricevuta dall’antenna sotto test quando illuminata da una sorgente ad una distanza R > 2D2/

, , 4 In scala logaritmica (dB), scriviamo

10 log 10 log 20 log 4

RPtx Prx, ,

Free Space Loss

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

27

Tecniche di misura in far‐field Esempio

Si vuole misurare il diagramma d’antenna di un radar di dimensioni 600 x 60 mm che lavora in banda E, alla frequenza di 79.5 GHz. Il suo guadagno è di 42 dB.La sorgente utilizzata per effettuare la misura è in grado di generare un segnale di 0 dBm e si dispone di uno standard gain horn il cui guadagno è di 23 dB.Il ricevitore è un VNA con una sensibilità di ‐90 dB.

Riusciamo ad effettuare la misura «out door» ad una distanza minima di un campo lontano?

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

28

Tecniche di misura in far‐field Se la condizione di far‐field richiede una distanza che limita la dinamica della misura, è necessario utilizzare un test rangeche generi un onda piana in una distanza ridotta, quale il Compact Antenna Test Range (CATR)

Quiet zone

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

29

Tecniche di misura in far‐field Se la condizione di far‐field richiede una distanza che limita la dinamica della misura, è necessario utilizzare un test rangeche generi un onda piana in una distanza ridotta, quale il Compact Antenna Test Range (CATR)

ParaboloideIperboloide

Quiet zone

Sorgente

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

30

Tecniche di misura in far‐field Il Compact Antenna Test Range produce un fronte d’onda piano mediante uno o più riflettori confocali Principali caratteristiche del CATR

La regione di quiet zone è pari a circa il 60% delle dimensioni del riflettore principale

La quiet zone è definita in termini di caratteristiche del fronte d’onda

amplitude = 1 dBp‐p phase = 10°

Il livello di cross‐polarizzazione può essere < ‐40 dB Dimensioni molto limitate rispetto al far‐field diretto

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

31

Tecniche di misura in far‐field Possibili problemi del CATR

r.m.s. nella lavorazione dei riflettori

. . . 100 Effetti di diffrazione al bordo dei riflettori ( ~ 2 )

serration

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

32

Tecniche di misura in near‐field La tecnica di misura near‐field consiste in una scansione del fronte d’onda nella regione di campo vicino dell’antenna

Credits: C. Balanis, “Antenna Theory Analysis and Design”, 2005

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

33

Tecniche di misura in near‐field La tecnica di misura near‐field consiste in una scansione del fronte d’onda nella regione di campo vicino dell’antenna

Mediante trasformazioni NF2FF, basate su espansione del campo (ampiezza e fase) in onde sferiche, è possibile calcolare il diagramma di far‐field

Credits: Ticra, 2015

Radioastrono

miaI –

Misu

red’antenn

a(C. Franceschet)

34

Misura di direttività e guadagno d’antenna La direttività di un antenna è ricavata direttamente dalla misura del diagramma d’antenna

,0, 0

14 , 0 , 2 Ω

Il guadagno di un antenna può essere misurato utilizzando differenti metodi Metodo del confronto con una antenna calibrata ( ,  )

10 log

Metodo delle antenne identiche12 20 log

410 log

dove R è la distanza tra le due antenne e Prx e Ptx sono la potenza ricevuta e trasmessa dalle due antenne identiche