Misure sulle antenne con l'analizzatore di reti vettoriale

Misura dell'impedenza dell'antenna

Mentre le simulazioni e la modellazione possono prevedere le prestazioni dell'antenna, i fattori del mondo reale spesso determinano variazioni rispetto alle caratteristiche teoriche. Come tale, le misure fisiche in condizioni reali sono necessarie al fine di verificare le prestazioni dell'antenna.

Esistono due tipologie di misura dell'antenna:

• Misure della radiazione, che rilevano parametri quali il guadagno, la direttività, l'ampiezza del fascio e l'efficienza
• Misure dell'impedenza, che rilevano l'impedenza (complessa) dell'antenna

L'impedenza di un'antenna determina quanta potenza in ingresso o in trasmissione viene assorbita o irradiata dall'antenna e quanta ne viene restituita al trasmettitore. Viene determinata iniettando un segnale nell'antenna e misurando poi l'ampiezza e la fase del segnale riflesso.

Esistono diversi approcci e strumenti per misurare l'impedenza dell'antenna, ma il metodo preferito consiste nell'utilizzare un analizzatore di reti vettoriale (VNA) per eseguire una misura di riflessione (S11).

Gli analizzatori di reti vettoriali (VNA) sono strumenti versatili in grado di eseguire misure scalari e vettoriali di potenza diretta e riflessa. Garantiscono un'elevata precisione su un'ampia gamma di frequenze e un'elevata gamma dinamica. Questi strumenti possono essere utilizzati anche per altre attività in ambito RF, come la misura della perdita dei cavi o il test di filtri e amplificatori.

Come misurare l'impedenza dell'antenna

Le misure dell'antenna constano di tre passaggi chiave:

1. Collegamento dell'antenna
Le antenne sono spesso collegate ai VNA tramite una linea di alimentazione. Questa linea di alimentazione (feed line) può essere collegata direttamente alla porta del VNA; oppure, per collegare il VNA al cavo sotto esame può essere utilizzato un cavo aggiuntivo del dispositivo sotto esame (DUT). Se si utilizza un cavo del DUT, la calibrazione all'estremità del cavo garantisce misure accurate.

2. Configurazione del VNA
Vanno presi in considerazione tre aspetti:

• Configurazione del generatore tracking: fornisce un segnale di stimolo scansionato utilizzato, sia come ingresso dell'antenna, sia come riferimento per la misurazione del segnale riflesso.
• Specifica dell'intervallo di frequenze di sweep: determina l'intervallo di frequenze su cui viene eseguita la scansione del generatore tracking.
• Impostazione del numero di punti di misura: aumentare questo numero oltre le impostazioni predefinite dell'analizzatore fornisce maggiori dettagli, ma aumenta anche il tempo necessario per effettuare una singola scansione.

3. Calibrazione della configurazione
Per eseguire misure accurate dell'impedenza dell'antenna è necessaria la calibrazione a una porta. Il processo di calibrazione prevede l'applicazione sequenziale di standard di calibrazione al punto in cui verrà collegata l'antenna.
I tra standard che si utilizzano normalmente sono:

• Circuito aperto / Open
• Corto circuito / Short
• Circuito adattato (oppure carico) / Match (load)

Un'alternativa a questi standard che si collegano manualmente può essere rappresentata dalle unità di calibrazione elettroniche. Queste unità commutano automaticamente i loro standard interni e sono controllate dal VNA collegato, offrendo una calibrazione più rapida.

Se l'antenna o la linea di alimentazione è collegata direttamente alla porta del VNA, anche gli standard di calibrazione devono essere collegati direttamente a questa porta. Se si utilizza un cavo di un dispositivo sotto esame, anche gli standard di calibrazione devono essere collegati all'estremità di tale cavo.

Iniziamo dal collegamento dell'antenna. Le antenne sono spesso collegate ai VNA tramite una linea di alimentazione. Questa linea di alimentazione (feed line) può essere collegata direttamente alla porta del VNA; oppure, per collegare il VNA al cavo sotto esame può essere utilizzato un cavo aggiuntivo del dispositivo sotto esame (DUT). Se si utilizza un cavo del DUT, la calibrazione all'estremità del cavo garantisce misure accurate.

Nel configurare il VNA vanno presi in considerazione tre aspetti:

• Configurazione del generatore tracking, che fornisce un segnale di stimolo scansionato utilizzato, sia come ingresso dell'antenna, sia come riferimento per l'analisi della quantità di segnale riflesso dall'antenna.
• Specifica dell'intervallo di frequenze di sweep su cui viene eseguita la scansione del generatore tracking.
• Impostazione del numero di punti di misura; aumentando questo numero oltre le impostazioni predefinite dell'analizzatore si otterranno maggiori dettagli, ma un maggior numero di punti di frequenza aumenterà anche la quantità di tempo necessaria per effettuare una singola scansione.

Standard di calibrazione per misure accurate dell'impedenza dell'antenna

Per eseguire misure accurate dell'impedenza dell'antenna è necessaria, oltre alla configurazione del VNA, la calibrazione a una porta. Il processo di calibrazione prevede l'applicazione sequenziale di standard di calibrazione al punto in cui verrà collegata l'antenna.

La calibrazione può essere, secondo gli standard correnti:

• Circuito aperto / Open
• Corto circuito / Short
• Circuito adattato (oppure carico) / Match (load)

Un'alternativa a questi standard che si collegano manualmente può essere rappresentata dalle unità di calibrazione elettroniche. Queste unità commutano automaticamente i loro standard interni e sono controllate dal VNA collegato. Esse tendono a essere molto più veloci rispetto all'utilizzo di standard manuali.

Se l'antenna o la linea di alimentazione saranno collegate direttamente alla porta del VNA, anche gli standard di calibrazione dovranno essere collegati direttamente a questa porta. Se si utilizza un cavo di un dispositivo sotto esame, anche gli standard di calibrazione devono essere collegati all'estremità di tale cavo.

Formati di misura dell'impedenza dell'antenna

I VNA offrono diversi formati per l'analisi dell'impedenza dell'antenna:

• Rapporto di onda stazionaria (SWR): Il parametro SWR (o ROS) indica il rapporto tra la potenza diretta e quella riflessa, con un valore ideale di 1:1. Spesso viene tracciato in funzione della frequenza per determinare la larghezza di banda.
• Perdita di ritorno: espressa in dB, la perdita di ritorno rappresenta, su una scala logaritmica, il rapporto tra la potenza riflessa e quella diretta. Valori più alti indicano migliori prestazioni dell'antenna.
• Impedenza complessa e carta di Smith: oltre ai valori scalari, i VNA possono misurare l'impedenza complessa, fornendo informazioni sui componenti reali e immaginarie. I risultati sono visualizzati su una carta di Smith, che offre una visione completa del comportamento dell'impedenza in funzione della frequenza.