RadioastronomiaI Misured antenna C. Franceschet

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1 RadioastronomiaI Misured antenna C. Franceschet 5 dicembre 2018

2 Sommario Parametri di scattering Grandezze 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 2

3 Sommario Parametri di scattering Grandezze 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 3

4 Parametridi 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 sono indicate con un numero (1 e 2 in figura) Z S TWO-PORT 1 2 NETWORK Z L 4

5 Parametridi scattering Tensioni e correnti alle porte della black-box sono espresse in termini di onda incidente e riflessa Z 0 = impedenza caratteristica della linea V e I sono fasori [=, = cos + ] e hanno dimensione di una potenza (W o dbm) a 1 b 1 onda incidente + 2 onda riflessa 2 TWO-PORT 1 2 NETWORK b 2 a 2 5

6 Parametridi scattering Definiamo i parametri di scattering per un 2-porte Perdite per riflessione In scala logaritmica, parliamo di return loss a 1 b 1 =!" %& '( =10log # ## = # # $" TWO-PORT S 11 S 22 NETWORK a 2 b 2 6

7 Parametridi scattering Definiamo i parametri di scattering per un 2-porte Perdite per inserzione In scala logaritmica, parliamo di insertion loss a 1 b 1 # = #!" -& '( =10log S 21 TWO-PORT NETWORK # = # # # 1 # $" b 2 a 2 S 12 7

8 Parametridi scattering Una 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 S 11 = b a 1 1 a 1 a 2 = 0 S 12 = b a 1 2 a1= 0 S 21 S S 11 S 22 a 2 21 = b a 2 1 a 2 = 0 S 22 = b 2 b a 2 2 a 1 = 0 b 1 S 12 8

9 Parametridi scattering L onda trasmessa e riflessa sono modificate in ampiezza e fase rispetto all onda incidente I parametri di scattering sono numeri complessi R(S ij ), I(S ij ) ampiezza, fase In generale onda trasmessa e riflessa mantengono la stessa frequenza dell onda incidente Algebricamente si definisce la matrice di scattering S coefficienti di trasmissione coefficienti di riflessione 9

10 Parametridi scattering Per un generico n-porte, la matrice di scattering S è una matrice quadrata n n Il numero di righe e colonne è uguale al numero di porte Ad esempio, per un componente 4-porte # 8 9 = # 8 9 # ## #8 #9 8 8# # Matrice di scattering per un componente n-porte # 8 9 / = / / // / 3 = 3 4 5"

11 Parametridi scattering Misura del coefficiente di riflessione di un antenna b 1 Misura S 11 a 1 Analizzatore vettoriale (VNA) AUT 11

12 Parametridi scattering Misura del coefficiente di riflessione di un antenna a 1 b 1 AUT Reference plane la calibrazione rimuove l effetto di transizioni, guide d onda e flange d adattamento 12

13 Parametridi scattering Misura del coefficiente di riflessione di un antenna Credits: C. Franceschet, S. Realini, A. Mennella, et al.,

14 Parametri di scattering Grandezze 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 14

15 Grandezzecaratteristichedi 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 15

16 Il diagrammadi radiazione Il diagramma di radiazione P(r, ϑ, ϕ) 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 D db D -3 db FWHM 16

17 Il diagrammadi radiazione Le coordinate sferiche (r, ϑ, ϕ) descrivono «naturalmente» la potenza irradiata (o ricevuta) dall antenna r (0, + ) è la distanza dal centro di fase dell antenna ϑ (-180, 180 ) è l angolo rispetto alla direzione del massimo del diagramma di radiazione ϕ (0, 360 ) è l angolo rispetto al piano di polarizzazione dell antenna z E ϑ r y x ϕ 17

18 Il diagrammadi radiazione Magnitude (db) E conveniente rappresentare il diagramma di radiazione in tagli a ϕ costante E plane H plane 45 plane 45 Xpol plane Theta (deg) 18

19 Il diagrammadi 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 Campo elettrico Piano H 19

20 Il diagrammadi 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 20

21 Il diagrammadi radiazione Crosspolar max. level = -4.3 dbi Copolar max. level = 55.7 dbi Credits: F. Villa,

22 Il diagrammadi radiazione Rappresentazione dei diagrammi di radiazione nel piano u-v: v Copolar max. level = 55.7 dbi v Crosspolar max. level = -4.3 dbi u u 22

23 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» < =,? =,? 1 4B =,? DΩ 9F Potenza irraggiata da un antenna isotropa per unità di Ω Generalmente si esprime in scala logaritmica in unità dbi DGH=10log< =,? 23

24 Direttività, guadagno ed efficienza d antenna Il guadagno di un antenna è strettamente legato alla sua direttività, attraverso l efficienza di radiazione I JK dell antenna e si misura in db L =,? =M N ' < =,? L efficienza di radiazione I JK è i prodotto di molti fattori che descrivono le non idealità dell antenna M N ' =M OP M QRSS M NTQ M U M OP = efficienza di illuminazione ( 90 % per EdgeTaper -12 db) M QRSS = efficienza di spillover ( 80 %) M NTQ = efficienza di superficie ( 90 %) M U = efficienza di adattamento e perdite ( 90 %) 24

25 Parametri di scattering Grandezze 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 25

26 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) 26

27 Regionidi 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 W XYZ 0.62 < 8 ^ dove D è la massima dimensione dell antenna e λ 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 < 8 ^ W ZYZ 2<# ^ dove D è la massima dimensione dell antenna e λ 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/r 2. La regione di campo lontano è definita come: W ZZ 2<# ^ dove D è la massima dimensione dell antenna e λ la lunghezza d onda 27

28 Regionidi near-field e far-field Reactive Near-field D Field Distribution Radiating Near-field Fresnel Far-Field Fraunhofer Credits: Y. Rahmat-Samii et al., IEEE Antennas & Propagation Magazine, Vol. 37, No. 6, Dec

29 Tecniche di misura in far-field Le tecniche di misura in far-field si basano sull illuminazione dell antenna sotto test (AUT) con un fronte d onda piano, generato da una sorgente Credits: Nikolova,

30 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 ϑ su uno dei piani principali E, H e D (φ = 45 ) o un generico piano φ, ruotando l antenna rispetto al suo centro di fase AUT Segnale di controllo POSIZIONATORE sorgente VNA/SNA Segnale radiofrequenza 30

31 Tecniche di misura in far-field L antenna da misurare e la sorgente devono trovarsi ciascuna nella regione di far-field dell altra antenna Le due antenne non possono trovarsi ad una distanza troppo elevata per non degradare la dinamica della misura Problema In-door Out-door Riflessioni terreno Eccosorb attenua circa 40 Possibili riflessioni Riflessioni pareti/soffitto db per incidenza normale - Ostacoli nella regione di Fresnel Interferenze E.M. - Regime di far field Dinamica - Conformazione terreno Dimensione camera anecoica Limitata dall attenuazione dell Eccosorb Ridotte per antenne direttive - Limitata dalla distanza TX- DUT e dalla potenza del trasmettitore 31

32 Esempio: misura dei feed-horn di LSPE/STRIP 32

33 Esempio: misura dei feed-horn di SRT Q-band 33

34 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 > 2D 2 Nb =@ cb L cb =,? L Nb =,? In scala logaritmica (db), scriviamo ^ 4B% cb =L cb +L Nb +20log ^ 4B% # Free Space Loss P tx d ef g,h R d Jf g,h i j =L Nb ^ 4B% P rx 34

35 Tecniche di misura in far-field Esempio Si vuole misurare il diagramma di radiazione di una parabola VSAT di diametro 80 cm che lavora in banda Ku alla frequenza di 11.7 GHz, fino al livello dei primi lobi laterali, inferiori di 30 db rispetto al picco del beam. Il guadagno d antenna è di 37.3 db. La sorgente utilizzata per effettuare la misura è in grado di generare un segnale di 20 dbm e dispone di uno standard gain horn il cui guadagno è di 23 db. Il ricevitore ha una sensibilità minima di -50 dbm. Riusciamo ad effettuare una misura «out door» ad una distanza minima pari a 3 volte la distanza di far-field? 35

36 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 range che generi un onda piana in una distanza ridotta, quale il Compact Antenna Test Range (CATR) Quiet zone 36

37 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 range che generi un onda piana in una distanza ridotta, quale il Compact Antenna Test Range (CATR) Iperboloide Paraboloide Sorgente Quiet zone 37

38 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 db p-p phase = 10 Il livello di cross-polarizzazione può essere < -40 db Dimensioni molto limitate rispetto al far-field diretto 38

39 Tecniche di misura in far-field Possibili problemi del CATR r.m.s. nella lavorazione dei riflettori W.k.l.< ^ 100 Effetti di diffrazione al bordo dei riflettori (no cpr ~ 2DG) serration 39

40 Tecniche di misura in far-field CATR basato su ologrammi L elemento collimatore è un ologramma serration 40

41 Tecniche di misura in far-field CATR basato su ologrammi L elemento collimatore è un ologramma Misure eseguite a 350 GHz, estendibili fino > 600 GHz serration 41

42 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, è possibile calcolare il diagramma di far-field Credits: Ticra,

43 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 Durante lo scan la distanza AUT-Probe è costante, z λ L estensione dell area di scana s è tale che D = estensione massima di AUT ϑ = massima estensione del pattern i Q v<+2t w= Trasfomazione near-to-far field si basa sulla espansione del campo misurato n r,s,t in un spettro di onde piane n u b,u p nello spazio dei u, mediante trasformata di Fourier bidimensionale Il campo elettrico n campionato nell area di scansione può essere scritto come sovrapposizione di onde piane di diversa ampiezza e propaganti in direzioni differenti n Wx = y n u z6 Nx Du b Du p { z 43

44 Tecniche di misura in near-field Il requisito sull r.m.s con cui sono lavorati i riflettori di un CATR è spostato sull r.m.s. del piano di scansione del posizionatore NTQ < ^ 100 che determina un errore nella misura della fase Ψ ΔΨ r,s = t r,s ^ 360 Altre fonti di errore nella ricostruzione del diagramma in far-field sono: Mutuo accoppiamento tra AUT e sonda (riflessioni multiple) Errore di troncamento dell area di scansione Correzione della risposta della sonda 44

45 Tecniche di misura in near-field Esempio di sistema di misura near-field planare 45

46 Tecniche di misura in near-field La scansione può essere realizzata anche su superficie cilindrica e sferica I metodi di trasformazione near-to-far field sono analoghi (con opportuna espansione del campo misurato) Credits: C. Balanis, Antenna Theory Analysis and Design,

47 Misura di direttività e guadagno d antenna La direttività di un antenna è ricavata direttamente dalla misura del diagramma d T b 0,0 < =,? = 1 4B C =,0 +@ =,B 2 DΩ Il guadagno di un antenna può essere misurato utilizzando differenti metodi Metodo del confronto con una antenna calibrata ) L ƒp =L Metodo delle antenne identiche L ƒp = log4B% ^ +10log@ cb dove R è la distanza tra le due antenne e P rx e P tx sono la potenza ricevuta e trasmessa dalle due antenne identiche 47

48 Parametri di scattering Grandezze 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 48

49 Reference C. Balanis, «Antenna theory analysis and design», J. Wiley & Sons, Inc. J. S. Hollis, et al., «Microwave antenna measurements», Scientific Atlanta, Inc. A. D. Yaghjian, «An overview of near-field antenna measurements», IEEE Transactions on Antenna and Propagation, Vol. AP-34, No. 1, 1986 A. M. Niknejad, «Scattering Parameters», EECS