Campo lejano IAR-CONAE

1. Introducción.

Geometría del campo elevado

Geometría del campo elevado

La necesidad de medir el diagrama de radiación de una antena con un lóbulo principal muy angosto, plantea el requerimiento de un campo lejano de medición de antenas automático.
Repasaremos algunos conceptos básicos de un campo de medición de antenas, para luego diseñar uno que responda a nuestras necesidades. Elegiremos los instrumentos necesarios para implementarlo, los pasos que iremos dando para completarlo, y el presupuesto que esto implica, tanto en gente como en materiales e instrumentos.

2. Configuración.

Una de las configuraciones convenientes es la llamada de línea de mira fija. Aquí la antena bajo prueba y su sistema de coordenadas asociado se rotan alrededor de un eje elegido, usualmente uno que pasa a través del centro de fase de la antena bajo prueba. Si se opera a la antena bajo prueba en el modo de recepción entonces se registra la señal que recibe desde una antena de referencia ubicada en jun punto fijo. Por lo tanto de ahora en más, la antena bajo prueba se la considerará receptora y será iluminada por un campo producido por una antena fuente transmisora.
Los campos de medición de antenas se han desarrollado con el propósito de medir los diagramas de irradiación de antenas independientemente de su ambiente de operación.
El campo de medición de antenas consiste del instrumental apropiado y del espacio físico requerido para las mediciones.
El campo incidente ideal para la medición de las características de radiación de una antena bajo prueba es el de una onda plana uniforme.
En la práctica se puede solamente aproximarse a un campo de tales características.
Al elegir un campo de medición en el espacio libre, este se diseña de tal manera que todos los efectos de los elementos cercanos se suprimen hasta niveles aceptables.

3. Criterios de diseño.

Para establecer el criterio de diseño general en cada uno de los campos de medición de antenas se debe considerar que:
a) El acoplamiento entre las antenas fuente y bajo prueba.
b) La variación de amplitud transversal y longitudinal del frente de onda iluminante.
c) La curvatura de fase del frente de onda iluminante.
d) Las variaciones espaciales en el frente de onda iluminante causada por reflexiones.
e) Interferencias por parte de fuentes de radiación espúreas.

3.1 Efectos de acoplamiento mutuo entre antena fuente y bajo prueba.

El campo total de cualquier antena consiste de una parte de radiación y de una parte reactiva. El campo de radiación disminuye con la inversa de la distancia desde la antena emisora mientras que el campo reactivo disminuye con la inversa del cuadrado de la distancia desde la antena emisora.
Normalmente el espaciado entre las antenas fuente y bajo prueba es suficientemente grande de tal manera que el nivel del campo reactivo de la antena fuente sobre la antena bajo prueba es despreciable.

3.2 Efecto de una variación de amplitud transversa sobre la apertura bajo prueba.

Una variación de amplitud del campo iluminante puede producir un error en el diagrama medido de la antena bajo prueba.
Este efecto depende de la función de excitación de la apertura de la antena bajo prueba.
Para funciones de excitación típicas el efecto de la variación de amplitud del campo incidente constituye una reducción de la ganancia medida con una pequeña modificación en los lóbulos laterales más próximos.
Este efecto se puede evaluar reconociendo que la variación de la amplitud del campo sobre la apertura de la antena bajo prueba en recepción es análogo a una modificación de la iluminación de la apertura desde su alimentación en condiciones de transmisión.
Generalmente es conveniente elegir una antena de haz estrecho, en vez de utilizar una que corresponda a un ancho de haz más ancho que habría producido una menor variación de amplitud.
Esto se debe a que el uso de un haz más ancho normalmente conduce a un incremento del error debido a las reflexiones y a veces es necesario reducirlas.
Cuando se emplea una antena más directiva, el alineamiento de la antena fuente se hace más crítico.
Se deberá extremar el cuidado en orientar la antena fuente de tal modo que el pico de su haz se centre sobre la antena bajo prueba para prevenir una variación de la amplitud de la iluminación excesiva y asimétrica con la consecuencia del incremento del error de medición.

3.3 Efectos de la variación de amplitud longitudinal sobre la antena bajo prueba.

Para obtener una dada precisión en la medición de los diagramas de radiación de la antena bajo prueba, el campo iluminante deberá ser suficientemente constante en amplitud a lo largo del eje longitudinal así como en los planos normales al eje longitudinal.

Si se producen variaciones severas en el campo iluminante se causaran errores de medición particularmente en la estructura de los lóbulos menores del diagrama de radiación.
Para la mayoría de los tipos de antena que tienen una significativa profundidad en sus regiones activas, tal error se lo considera usualmente despreciable cuando la densidad de potencia sobre la región tiene una constancia dentro del decibel.

3.4 Efecto de la variación de fase sobre la apertura de la antena bajo prueba.

Se debe establecer un criterio para determinar las variaciones de fase del campo iluminante sobre la antena bajo prueba. Para la mayoría de las situaciones prácticas la variación de fase es una función solamente de la separación entre la antena fuente y la antena bajo prueba.
Si en ausencia de reflexiones, se adopta el criterio para una variación de amplitud de 0,25 dB, entonces las variaciones de fase correspondientes serán muy próximas a aquellas que se producen cuando una onda esférica emana desde el centro de fase de la antena fuente.
Esto es cierto para distancias mayores que 2d2/λ donde d es el diámetro de la antena fuente.
Entonces se puede considerar que las variaciones de fase esperadas se pueden calcular suponiendo que el frente de fase en la antena bajo prueba es una esfera.
Se puede fácilmente demostrar que para una antena bajo prueba de diámetro D y a una separación R la variación de fase ΔΦ estará dada por:

ΔΦ = π D2 / 4 λ R

Un criterio que se emplea comunmente para determinar la mínima separación permitida entre las antenas fuente y bajo prueba es el de restringir la variación de fase ΔΦ a π/8 radianes.
Esto da como resultado que la separación entre antenas deberá serR ≥ 2d2/λ.
El efecto de la variación de fase es el de rellenar los mínimos del diagrama de radiación y de cambiar la amplitud de los lóbulos secundarios.

3.4 Las variaciones espaciales en el frente de onda iluminante causadas por reflexiones.

Los problemas asociados con reflexiones por parte de la superficie del campo y de otros obstáculos se discuten en el párrafo 4.

3.5 Interferencias por parte de fuentes de radiación espúreas.

Los campos instalados exteriormente están sometidos a interferencias por parte de fuentes de señal que están fuera del área de los campos de medición.
Estas fuentes pueden ser : comunicaciones móviles, radar, sistemas de telemetría, etc.
El uso de filtros muchas veces pueden suprimir los efectos de estas señales interferentes.

4. Diseño de campos elevados.

A la vista de la interdependencia entre el diámetro de la antena bajo prueba y la distancia entre antenas fuente y bajo prueba, es conveniente especificar la separación como R = kd2/? donde k es un número a elegirse para una medición particular.
Se puede demostrar que para campos elevados con un criterio para la variación de amplitud de 0,25 dB se obtiene un criterio para el diámetro de la antena fuente dado por d < 0,37 k D.
Esto supone que el lóbulo principal de la antena fuente tiene una característica de amplitud del tipo sen x/x.
Si el campo elevado se diseña sobre una superficie plana como se muestra en la figura 1, entonces se pueden tomar medidas para suprimir las reflexiones por parte de las superficies del campo en la región próxima al eje longitudinal.
Una regla básica de diseño consiste en que la superficie del campo frente a la antena bajo prueba no deberá interceptar ninguna energía contenida en el lóbulo principal de la antena fuente. Esto significa que el primer cero del diagrama de radiación de la antena fuente se dirigirá directamente a la base de la torre que soporte a la antena bajo prueba.
Esto conduce a la imposición de restricciones de mínimo tamaño en la antena fuente dado por:

d = 1,5 k D2/ hr

Donde hr es la altura de la antena receptora.
Este resultado se basa en el hecho que antenas fuentes típicas tienen su ancho de haz en el lóbulo principal de aproximadamente 3λ/d radianes.
Una comparación entre los dos criterios enunciados para el diámetro de la antena fuente muestra que la altura de la antena bajo prueba debería satisfacer la desigualdad:

Hr ≥ 4 D

Donde D es el diámetro de la antena bajo prueba. Entonces la antena fuente debería elevarse a la misma altura que la antena bajo prueba.

5. Instrumentación para los campos de mediciones.

La instrumentación necesaria para un campo de medición de antenas se la puede clasificar en cuatro subsistemas:
1- Antena fuente y sistemas de transmisión.
2- Sistemas de recepción.
3- Sistemas de posicionamiento.
4- Sistemas de registro y procesamiento de datos.

Sistema de medida de campo lejano IAR-CONAE

Un diagrama en bloques de los elementos de instrumentación básica de un campo de mediciones se lo puede apreciar en la figura 2.

6. Instrumentación disponible.

Haremos una descripción del instrumental disponible para poder implementar el campo de mediciones.

6.1 Antenas fuentes y sistemas de transmisión

a)Las antenas disponibles son dipolos con reflector, ajustados para la frecuencia 1275 MHz, que es la frecuencia central del Proyecto de las antenas patch. Disponemos de tres de estas antenas.
b)Bocina piramidal para la misma frecuencia 1275 MHz con una ganancia mayor que 15dB.
c) Bocinas piramidales para las frecuencias de 3,3 GHz, 4 GHz y 8 GHz.
d) Antena logo periódica para el rango 200 a 1000GHz.
f) En construcción bocina para el rango de 2 a 18 GHz.
g) Generador de RF : Sweep Oscillator HP 8350 B con módulo HP 83525 A que cubre el rango de 0,1 a 8,4 GHz.
h) Generador Wiltron Model 5411 A de 1 a 3000 MHz de propiedad de CONAE.

6.2 Sistemas de recepción.

a)Vector Voltmeter Hp 8508A de dos canales para el rango de 0,2 a 2000 MHz con sensibilidad de -72 dBm.
b) Power Meter HP 438 A de dos canales para el rango de 0,2 a 18 GHz en el rango de -20 dBm a -70 dBm con los Power Sensor 8481D .
c)Spectrum Analyzer HP 8593 E en el rango de 9kHz a 26,5 GHz.

6.3 Sistema de posicionamiento.

Un sistema de posicionamiento fue provisto por CONAE, consistente en un Posicionador Azimut sobre elevación, marca Orbit modelo AL- 4304-1, una unidad de potencia 4Q PWM Power Amplifier AL 4103-2 y una unidad de control AL-2427-3.
Este Sistema fue entregado con un solo manual que describe el mantenimiento del posicionador, pero no los necesarios para reparar las unidades o para poder programarlas. Consultada la firma Orbit presupuesta los manuales en 900 u$s.
Las unidades que funcionaban correctamente en forma manual fueron el posicionador y la unidad de potencia. La unidad de control no funcionaba, se encontró que las fuentes de poder no entregaban tensión. Se repararon, luego se encontró que uno de los conversores sincro-digitales no funcionaba, después de un cierto tiempo de operación y mientras se inspeccionaba la unidad dejó de andar el otro conversor sincro-digital, por lo que no teníamos lectura de la posición del posicionador. Los conversores fueron cotizados en 800 u$s cada uno. Al no poder saber si funcionaban las demás partes de la unidad de control se resolvió no usarla y comprar un encoder absoluto marca Kubler por valor de 600 u$s, para la toma de la posición angular en azimut y una PC por 600 u$s para leer el encoder y tener el control del sistema, mediante una tarjeta de control diseñada y construida en el IAR.