AntenneLa mesure est le processus d'évaluation et d'analyse quantitative des performances et des caractéristiques d'une antenne. À l'aide d'équipements de test et de méthodes de mesure spécifiques, nous mesurons le gain, le diagramme de rayonnement, le taux d'ondes stationnaires, la réponse en fréquence et d'autres paramètres de l'antenne afin de vérifier sa conformité aux spécifications de conception, d'évaluer ses performances et de formuler des suggestions d'amélioration. Les résultats et les données issus des mesures d'antenne permettent d'évaluer les performances de l'antenne, d'optimiser les conceptions, d'améliorer les performances du système et de fournir des conseils et un retour d'information aux fabricants d'antennes et aux ingénieurs d'application.
Équipement requis pour les mesures d'antenne
Pour les tests d'antennes, l'appareil le plus fondamental est l'analyseur de réseau vectoriel (VNA). Le type de VNA le plus simple est un VNA à 1 port, capable de mesurer l'impédance d'une antenne.
Mesurer le diagramme de rayonnement, le gain et le rendement d'une antenne est plus complexe et nécessite un équipement beaucoup plus important. L'antenne à mesurer sera appelée AUT (Antenne sous test). L'équipement nécessaire aux mesures d'antenne comprend :
Une antenne de référence - Une antenne dont les caractéristiques (gain, diagramme de rayonnement, etc.) sont connues.
Émetteur de puissance RF - Un moyen d'injecter de l'énergie dans l'antenne testée.
Un système de réception – Il détermine la puissance reçue par l'antenne de référence.
Système de positionnement - Ce système est utilisé pour faire pivoter 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 sur la figure 1.
Figure 1. Schéma de l'équipement de mesure d'antenne requis.
Ces composants seront brièvement présentés. 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 ainsi de mesurer simultanément les polarisations horizontale et verticale.
Le système d'émission doit être capable de fournir une puissance stable et connue. La fréquence de sortie doit également être réglable (sélectionnable) et relativement stable (c'est-à-dire que la fréquence émise par l'émetteur est proche de la fréquence souhaitée et ne varie que très peu avec la température). L'émetteur doit contenir très peu d'énergie aux autres fréquences (il y aura toujours un peu d'énergie en dehors de la fréquence désirée, mais elle doit être faible, notamment aux harmoniques).
Le système de réception doit simplement déterminer la puissance reçue de l'antenne de test. Ceci peut être réalisé à l'aide d'un simple wattmètre, appareil de mesure de la puissance RF (radiofréquence) qui se connecte 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 à 50 ohms, mais peut présenter une impédance différente sur demande.
Il est à noter que le système d'émission/réception est souvent remplacé par un analyseur de réseau vectoriel (VNA). Une mesure S21 transmet une fréquence par le port 1 et enregistre la puissance reçue par le port 2. Un VNA est donc bien adapté à cette tâche ; cependant, ce n'est pas la seule méthode permettant de la réaliser.
Le système de positionnement contrôle l'orientation de l'antenne testée. Afin de mesurer le diagramme de rayonnement de cette antenne en fonction de l'angle (généralement en coordonnées sphériques), il est nécessaire de la faire pivoter pour 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 testée. Il existe plusieurs méthodes pour effectuer cette rotation : parfois, seule l'antenne de référence est pivotée, parfois les deux antennes sont pivotées.
Maintenant que nous disposons de tout le matériel nécessaire, nous pouvons discuter de l'endroit où effectuer les mesures.
Où effectuer des mesures d'antenne ? Vous pourriez être tenté de le faire dans votre garage, mais les réflexions sur les murs, le plafond et le sol fausseraient vos mesures. L'idéal serait de réaliser ces mesures dans l'espace, où aucune réflexion ne se produit. Cependant, les voyages spatiaux étant actuellement hors de prix, nous nous concentrerons sur des sites de mesure situés à la surface de la Terre. Une chambre anéchoïque peut être utilisée pour isoler le dispositif de test d'antenne tout en absorbant l'énergie réfléchie grâce à une mousse absorbant les radiofréquences.
Champs de tir en espace libre (chambres anéchoïques)
Les champs de tir en espace libre sont des sites de mesure d'antennes conçus pour simuler les mesures effectuées dans l'espace. Autrement dit, toutes les ondes réfléchies par les objets environnants et le sol (qui sont indésirables) sont minimisées. Les champs de tir en espace libre les plus courants sont les chambres anéchoïques, les champs de tir surélevés et les champs de tir compacts.
Chambres anéchoïques
Les chambres anéchoïques sont des bancs d'essai d'antennes situés en intérieur. Leurs murs, plafonds et sols sont recouverts d'un matériau spécial absorbant les ondes électromagnétiques. Les bancs d'essai intérieurs sont privilégiés car les conditions de test peuvent y être contrôlées avec une bien plus grande précision que dans les bancs d'essai extérieurs. La forme souvent irrégulière du matériau confère à ces chambres un aspect fascinant. Ces formes triangulaires irrégulières sont conçues pour que les réflexions se dispersent aléatoirement, et que la somme de ces réflexions aléatoires soit incohérente, contribuant ainsi à leur atténuation. L'image suivante présente une chambre anéchoïque ainsi que certains équipements de test :
(L'image montre le test d'antenne RFMISO)
L'inconvénient des chambres anéchoïques réside dans leur taille souvent conséquente. En effet, les antennes doivent généralement être espacées d'au moins plusieurs longueurs d'onde pour simuler les conditions de champ lointain. Par conséquent, pour les basses fréquences et les grandes longueurs d'onde, des chambres très volumineuses sont nécessaires, mais les contraintes de coût et pratiques en limitent souvent la taille. Certaines entreprises de défense, qui mesurent la surface équivalente radar (SER) de gros avions ou d'autres objets, possèdent des chambres anéchoïques de la taille d'un terrain de basket, bien que cela soit exceptionnel. Les universités équipées de chambres anéchoïques disposent généralement de chambres de 3 à 5 mètres de long, de large et de haut. Du fait de cette contrainte de taille, et parce que les matériaux absorbant les radiofréquences sont généralement plus performants aux fréquences UHF et supérieures, les chambres anéchoïques sont le plus souvent utilisées pour les fréquences supérieures à 300 MHz.
Chaînes de montagnes élevées
Les bancs d'essai en hauteur sont des bancs d'essai extérieurs. Dans cette configuration, la source et l'antenne testée sont installées en hauteur. Ces antennes peuvent être placées sur des montagnes, des tours, des bâtiments ou tout autre emplacement approprié. Cette configuration est souvent utilisée pour les antennes de très grande taille ou à basses fréquences (VHF et inférieures à 100 MHz), pour lesquelles les mesures en intérieur seraient impossibles. Le schéma de base d'un banc d'essai en hauteur est présenté sur la figure 2.
Figure 2. Illustration de la plage élevée.
L'antenne source (ou antenne de référence) n'est pas nécessairement située à une altitude plus élevée que l'antenne de test ; c'est simplement ainsi que je l'ai représentée ici. La ligne de visée entre les deux antennes (illustrée par le rayon noir sur la figure 2) doit être dégagée. Toute autre réflexion (comme le rayon rouge réfléchi par le sol) est indésirable. Pour les stations de test en altitude, une fois l'emplacement de l'antenne source et de l'antenne de test déterminé, les opérateurs repèrent les zones de réflexion importantes et s'efforcent de minimiser les réflexions provenant de ces surfaces. On utilise souvent à cette fin des matériaux absorbant les radiofréquences, ou d'autres matériaux qui dévient les rayons de l'antenne de test.
Gammes compactes
L'antenne source doit être placée en champ lointain par rapport à 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 source doit être suffisamment éloignée pour que l'onde émise soit approximativement plane (voir figure 3).
Figure 3. Une antenne source rayonne une onde avec un front d'onde sphérique.
Cependant, dans les chambres acoustiques intérieures, la séparation est souvent insuffisante. Une solution consiste à utiliser un système compact. Dans ce système, une antenne source est orientée vers un réflecteur dont la forme est conçue pour réfléchir l'onde sphérique de manière quasi plane. Ce principe est très similaire à celui d'une antenne parabolique. Le fonctionnement de base est illustré sur la figure 4.
Figure 4. Gamme 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, représentée sur la figure 4, est décalée par rapport au réflecteur afin de ne pas gêner la propagation des rayons réfléchis. Il convient également de veiller à éviter tout rayonnement direct (couplage mutuel) de l'antenne source vers l'antenne de test.
Date de publication : 3 janvier 2024
