AntenneLa mesure est le processus d'évaluation et d'analyse quantitatives des performances et des caractéristiques d'une antenne. À l'aide d'équipements et de méthodes de mesure spécifiques, nous mesurons le gain, le diagramme de rayonnement, le rapport d'ondes stationnaires, la réponse en fréquence et d'autres paramètres de l'antenne afin de vérifier la conformité de ses spécifications de conception, de vérifier ses performances et de proposer des améliorations. Les résultats et les données des mesures d'antenne permettent d'évaluer ses performances, d'optimiser ses conceptions, d'améliorer les performances du système et de fournir des conseils et des retours aux fabricants d'antennes et aux ingénieurs d'application.
Équipement requis pour les mesures d'antenne
Pour tester les antennes, l'appareil le plus fondamental est le VNA. Le type de VNA le plus simple est un VNA à 1 port, capable de mesurer l'impédance d'une antenne.
La mesure du diagramme de rayonnement, du gain et de l'efficacité d'une antenne est plus complexe et nécessite un équipement plus conséquent. Nous appellerons l'antenne à mesurer AUT (Antenne Sous Test). L'équipement requis pour les mesures d'antenne comprend :
Une antenne de référence - Une antenne avec des caractéristiques connues (gain, diagramme, etc.)
Un émetteur de puissance RF - Un moyen d'injecter de l'énergie dans l'AUT [Antenne sous test]
Un système récepteur - Cela détermine la quantité de puissance reçue par l'antenne de référence
Un système de positionnement - Ce système est utilisé pour faire tourner l'antenne de test par rapport à l'antenne source, afin de mesurer le diagramme de rayonnement en fonction de l'angle.
Un schéma fonctionnel de l’équipement ci-dessus est présenté dans la figure 1.
Figure 1. Schéma de l’équipement de mesure d’antenne requis.
Ces composants seront brièvement abordés. L'antenne de référence doit bien entendu rayonner correctement à la fréquence de test souhaitée. Les antennes de référence sont souvent des antennes cornet à double polarisation, permettant de mesurer simultanément les polarisations horizontale et verticale.
Le système d'émission doit être capable de délivrer un niveau de puissance stable et connu. La fréquence de sortie doit également être réglable (sélectionnable) et raisonnablement stable (stable signifie que la fréquence obtenue par l'émetteur est proche de la fréquence souhaitée et ne varie pas beaucoup avec la température). L'émetteur doit contenir très peu d'énergie à toutes les autres fréquences (il y aura toujours de l'énergie en dehors de la fréquence souhaitée, mais il ne devrait pas y en avoir beaucoup aux harmoniques, par exemple).
Le système de réception doit simplement déterminer la puissance reçue de l'antenne de test. Cela peut se faire à l'aide d'un simple wattmètre, un appareil de mesure de la puissance RF (radiofréquence) connecté directement aux bornes de l'antenne via une ligne de transmission (par exemple, un câble coaxial avec connecteurs de type N ou SMA). Le récepteur est généralement un système de 50 ohms, mais peut avoir une impédance différente si spécifié.
Notez que le système d'émission/réception est souvent remplacé par un analyseur de réseau vectoriel (VNA). Une mesure S21 transmet une fréquence sur le port 1 et enregistre la puissance reçue sur le port 2. Un VNA est donc parfaitement adapté à cette tâche ; cependant, ce n'est pas la seule méthode pour y parvenir.
Le système de positionnement contrôle l'orientation de l'antenne de test. Afin de mesurer le diagramme de rayonnement de l'antenne de test en fonction de l'angle (généralement en coordonnées sphériques), il est nécessaire de faire pivoter l'antenne de test afin que l'antenne source l'éclaire sous tous les angles possibles. Le système de positionnement est utilisé à cette fin. La figure 1 illustre la rotation de l'antenne de référence. Il existe plusieurs façons d'effectuer cette rotation : parfois, l'antenne de référence est tournée, parfois, les deux antennes sont tournées.
Maintenant que nous disposons de tout l’équipement nécessaire, nous pouvons discuter de l’endroit où effectuer les mesures.
Quel est le meilleur endroit pour mesurer nos antennes ? Vous aimeriez peut-être effectuer ces mesures dans votre garage, mais les réflexions sur les murs, les plafonds et le sol fausseraient vos mesures. L'endroit idéal pour effectuer ces mesures est dans l'espace, où aucune réflexion ne peut se produire. Cependant, le coût des voyages spatiaux étant actuellement prohibitif, nous nous concentrerons sur les points de mesure situés à la surface de la Terre. Une chambre anéchoïque peut être utilisée pour isoler le dispositif de test de l'antenne tout en absorbant l'énergie réfléchie grâce à une mousse absorbant les ondes radio.
Chambres anéchoïques (espace libre)
Les antennes de mesure en espace libre sont des emplacements conçus pour simuler des mesures spatiales. Autrement dit, toutes les ondes réfléchies par les objets proches et le sol (qui sont indésirables) sont supprimées autant que possible. Les antennes de mesure en espace libre les plus courantes sont les chambres anéchoïques, les antennes surélevées et les antennes compactes.
Chambres anéchoïques
Les chambres anéchoïques sont des installations d'antennes intérieures. Les murs, le plafond et le sol sont revêtus d'un matériau spécial absorbant les ondes électromagnétiques. Les installations intérieures sont avantageuses car les conditions d'essai peuvent être contrôlées beaucoup plus précisément qu'en extérieur. Le matériau présente souvent des formes irrégulières, ce qui rend ces chambres très intéressantes à observer. Ces formes triangulaires irrégulières sont conçues de telle sorte que les réflexions ont tendance à se propager dans des directions aléatoires, tandis que l'addition de ces réflexions aléatoires tend à s'additionner de manière incohérente, ce qui est encore plus atténué. L'image suivante montre une chambre anéchoïque, accompagnée de quelques équipements d'essai :
(L'image montre le test d'antenne RFMISO)
L'inconvénient des chambres anéchoïques est qu'elles doivent souvent être assez grandes. Souvent, les antennes doivent être distantes de plusieurs longueurs d'onde au minimum pour simuler des conditions de champ lointain. Par conséquent, pour les basses fréquences et les grandes longueurs d'onde, nous avons besoin de chambres très grandes, mais le coût et les contraintes pratiques limitent souvent leur taille. Certaines entreprises de défense qui mesurent la surface équivalente radar de gros avions ou d'autres objets sont connues pour posséder des chambres anéchoïques de la taille d'un terrain de basket, bien que ce ne soit pas courant. Les universités équipées de chambres anéchoïques ont généralement des chambres de 3 à 5 mètres de longueur, de largeur et de hauteur. En raison de cette contrainte de taille et du fait que les matériaux absorbant les RF fonctionnent généralement mieux en UHF et au-delà, les chambres anéchoïques sont le plus souvent utilisées pour les fréquences supérieures à 300 MHz.
Gammes élevées
Les antennes hautes sont des antennes extérieures. Dans ce cas, la source et l'antenne testées sont montées au-dessus du sol. Ces antennes peuvent être installées sur des montagnes, des pylônes, des bâtiments ou tout autre emplacement approprié. Cette configuration est souvent utilisée pour les très grandes antennes ou à basses fréquences (VHF et inférieures, < 100 MHz), où les mesures en intérieur seraient impossibles. Le schéma de principe d'une antenne haute est présenté à la figure 2.
Figure 2. Illustration de la portée élevée.
L'antenne source (ou antenne de référence) n'est pas nécessairement plus élevée que l'antenne de test ; je l'ai simplement montrée ainsi. La ligne de visée (LOS) entre les deux antennes (illustrée par le rayon noir sur la figure 2) doit être dégagée. Toutes les autres réflexions (comme le rayon rouge réfléchi par le sol) sont indésirables. Pour les portées élevées, une fois l'emplacement de la source et de l'antenne de test déterminé, les opérateurs de test déterminent les endroits où se produiront les réflexions importantes et s'efforcent de minimiser les réflexions sur ces surfaces. On utilise souvent à cette fin un matériau absorbant les radiofréquences, ou un autre matériau qui dévie les rayons de l'antenne de test.
Gammes compactes
L'antenne source doit être placée dans le champ lointain de l'antenne de test. En effet, pour une précision maximale, l'onde reçue par l'antenne de test doit être plane. Les antennes émettant des ondes sphériques, l'antenne doit être suffisamment éloignée pour que l'onde émise par l'antenne source soit approximativement plane (voir figure 3).
Figure 3. Une antenne source rayonne une onde avec un front d’onde sphérique.
Cependant, dans les chambres intérieures, la séparation est souvent insuffisante pour y parvenir. Une méthode pour résoudre ce problème consiste à utiliser une portée compacte. Cette méthode consiste à orienter une antenne source vers un réflecteur dont la forme est conçue pour réfléchir l'onde sphérique de manière approximativement plane. Ce principe est très similaire à celui d'une antenne parabolique. Le fonctionnement de base est illustré à la figure 4.
Figure 4. Portée compacte - les ondes sphériques de l'antenne source sont réfléchies pour être planes (collimatées).
La longueur du réflecteur parabolique doit généralement être plusieurs fois supérieure à celle de l'antenne de test. L'antenne source (figure 4) est décalée par rapport au réflecteur afin de ne pas gêner les rayons réfléchis. Il faut également veiller à éviter tout rayonnement direct (couplage mutuel) de l'antenne source vers l'antenne de test.
Date de publication : 03/01/2024
