เสาอากาศการวัดคือกระบวนการประเมินและวิเคราะห์ประสิทธิภาพและคุณลักษณะของเสาอากาศในเชิงปริมาณ โดยใช้เครื่องมือทดสอบและวิธีการวัดพิเศษ เราจะวัดค่าอัตราขยาย รูปแบบการแผ่รังสี อัตราส่วนคลื่นนิ่ง การตอบสนองความถี่ และพารามิเตอร์อื่นๆ ของเสาอากาศ เพื่อตรวจสอบว่าข้อกำหนดการออกแบบของเสาอากาศตรงตามข้อกำหนดหรือไม่ ตรวจสอบประสิทธิภาพของเสาอากาศ และให้คำแนะนำในการปรับปรุง ผลลัพธ์และข้อมูลจากการวัดเสาอากาศสามารถนำมาใช้ในการประเมินประสิทธิภาพของเสาอากาศ ปรับปรุงการออกแบบ ปรับปรุงประสิทธิภาพของระบบ และให้คำแนะนำและข้อเสนอแนะแก่ผู้ผลิตเสาอากาศและวิศวกรผู้ใช้งาน
อุปกรณ์ที่จำเป็นในการวัดเสาอากาศ
สำหรับการทดสอบเสาอากาศ อุปกรณ์พื้นฐานที่สุดคือ VNA (Virtual Network Analyzer) VNA ชนิดที่ง่ายที่สุดคือ VNA แบบ 1 พอร์ต ซึ่งสามารถวัดค่าอิมพีแดนซ์ของเสาอากาศได้
การวัดรูปแบบการแผ่รังสี อัตราขยาย และประสิทธิภาพของเสาอากาศนั้นยากกว่าและต้องใช้อุปกรณ์มากกว่ามาก เราจะเรียกเสาอากาศที่จะวัดว่า AUT ซึ่งย่อมาจาก Antenna Under Test (เสาอากาศที่กำลังทดสอบ) อุปกรณ์ที่จำเป็นสำหรับการวัดเสาอากาศ ได้แก่:
เสาอากาศอ้างอิง - เสาอากาศที่มีคุณลักษณะที่ทราบแล้ว (อัตราขยาย รูปแบบการกระจายสัญญาณ ฯลฯ)
เครื่องส่งกำลังไฟฟ้า RF - วิธีการป้อนพลังงานเข้าไปใน AUT [เสาอากาศที่กำลังทดสอบ]
ระบบรับสัญญาณ - ระบบนี้จะกำหนดว่าเสาอากาศอ้างอิงจะได้รับพลังงานเท่าใด
ระบบกำหนดตำแหน่ง - ระบบนี้ใช้สำหรับหมุนเสาอากาศทดสอบเทียบกับเสาอากาศต้นทาง เพื่อวัดรูปแบบการแผ่รังสีเป็นฟังก์ชันของมุม
แผนภาพบล็อกของอุปกรณ์ข้างต้นแสดงอยู่ในรูปที่ 1
รูปที่ 1 แผนภาพแสดงอุปกรณ์วัดเสาอากาศที่จำเป็น
ส่วนประกอบเหล่านี้จะได้รับการอธิบายโดยสังเขป เสาอากาศอ้างอิงควรแผ่คลื่นได้ดีที่ความถี่ทดสอบที่ต้องการ เสาอากาศอ้างอิงมักเป็นเสาอากาศแบบฮอร์นสองขั้ว เพื่อให้สามารถวัดการโพลาไรซ์แนวนอนและแนวตั้งได้พร้อมกัน
ระบบส่งสัญญาณควรสามารถส่งกำลังไฟฟ้าที่มีระดับคงที่และทราบค่าได้ ความถี่ในการส่งสัญญาณควรปรับได้ (เลือกได้) และมีความเสถียรพอสมควร (ความเสถียรหมายความว่าความถี่ที่ได้จากตัวส่งสัญญาณนั้นใกล้เคียงกับความถี่ที่ต้องการ และไม่เปลี่ยนแปลงมากนักตามอุณหภูมิ) ตัวส่งสัญญาณควรมีพลังงานน้อยมากในความถี่อื่นๆ (จะมีพลังงานอยู่บ้างนอกเหนือความถี่ที่ต้องการเสมอ แต่ไม่ควรมีพลังงานมากนักในความถี่ฮาร์โมนิก เป็นต้น)
ระบบรับสัญญาณจำเป็นต้องตรวจสอบว่าได้รับกำลังไฟฟ้าจากเสาอากาศทดสอบเท่าใด สามารถทำได้โดยใช้เครื่องวัดกำลังไฟฟ้า ซึ่งเป็นอุปกรณ์สำหรับวัดกำลังไฟฟ้า RF (คลื่นความถี่วิทยุ) และสามารถเชื่อมต่อโดยตรงกับขั้วต่อเสาอากาศผ่านสายส่งสัญญาณ (เช่น สายโคแอกเชียลที่มีขั้วต่อแบบ N-type หรือ SMA) โดยทั่วไปแล้ว เครื่องรับสัญญาณจะมีค่าความต้านทาน 50 โอห์ม แต่สามารถมีค่าความต้านทานอื่นได้หากระบุไว้
โปรดทราบว่าระบบส่ง/รับสัญญาณมักถูกแทนที่ด้วย VNA (Virtual Network Analyzer) การวัด S21 จะส่งความถี่ออกทางพอร์ต 1 และบันทึกกำลังที่ได้รับที่พอร์ต 2 ดังนั้น VNA จึงเหมาะสมกับงานนี้ แต่ไม่ใช่เพียงวิธีเดียวในการทำงานนี้
ระบบกำหนดตำแหน่งจะควบคุมทิศทางของเสาอากาศทดสอบ เนื่องจากเราต้องการวัดรูปแบบการแผ่รังสีของเสาอากาศทดสอบเป็นฟังก์ชันของมุม (โดยทั่วไปในพิกัดทรงกลม) เราจึงต้องหมุนเสาอากาศทดสอบเพื่อให้เสาอากาศต้นทางส่องสว่างเสาอากาศทดสอบจากทุกมุมที่เป็นไปได้ ระบบกำหนดตำแหน่งถูกใช้เพื่อจุดประสงค์นี้ ในรูปที่ 1 เราแสดงการหมุน AUT โปรดทราบว่ามีหลายวิธีในการหมุนนี้ บางครั้งจะหมุนเฉพาะเสาอากาศอ้างอิง และบางครั้งจะหมุนทั้งเสาอากาศอ้างอิงและเสาอากาศทดสอบ
ตอนนี้เรามีอุปกรณ์ที่จำเป็นครบแล้ว เราจึงสามารถหารือกันได้ว่าจะทำการวัดที่ใด
สถานที่ใดเหมาะสมสำหรับการวัดเสาอากาศ? บางทีคุณอาจอยากทำในโรงรถ แต่การสะท้อนจากผนัง เพดาน และพื้นจะทำให้การวัดไม่แม่นยำ สถานที่ที่เหมาะสมที่สุดสำหรับการวัดเสาอากาศคือที่ใดที่หนึ่งในอวกาศ ซึ่งจะไม่มีการสะท้อนเกิดขึ้น อย่างไรก็ตาม เนื่องจากปัจจุบันการเดินทางในอวกาศมีราคาแพงมาก เราจึงจะเน้นที่สถานที่วัดบนพื้นผิวโลก ห้องเก็บเสียงสะท้อน (Anechoic Chamber) สามารถใช้แยกอุปกรณ์ทดสอบเสาอากาศในขณะที่ดูดซับพลังงานสะท้อนด้วยโฟมดูดซับคลื่นวิทยุ (RF absorbing foam)
ช่วงระยะการฝึกซ้อมในพื้นที่โล่ง (ห้องเก็บเสียงสะท้อน)
สนามทดสอบในพื้นที่ว่าง คือสถานที่วัดเสาอากาศที่ออกแบบมาเพื่อจำลองการวัดที่จะดำเนินการในอวกาศ กล่าวคือ คลื่นสะท้อนจากวัตถุใกล้เคียงและพื้นดิน (ซึ่งไม่พึงประสงค์) จะถูกลดทอนให้มากที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้ สนามทดสอบในพื้นที่ว่างที่นิยมใช้มากที่สุด ได้แก่ ห้องเก็บเสียงสะท้อน สนามทดสอบแบบยกสูง และสนามทดสอบขนาดกะทัดรัด
ห้องเก็บเสียง
ห้องเก็บเสียงสะท้อนเป็นสนามทดสอบเสาอากาศภายในอาคาร ผนัง เพดาน และพื้นบุด้วยวัสดุดูดซับคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าชนิดพิเศษ สนามทดสอบภายในอาคารเป็นที่ต้องการมากกว่า เพราะสามารถควบคุมสภาวะการทดสอบได้อย่างเข้มงวดกว่าสนามทดสอบภายนอกอาคาร วัสดุที่ใช้มักมีรูปทรงเป็นเหลี่ยมหยัก ทำให้ห้องเหล่านี้ดูน่าสนใจ รูปทรงสามเหลี่ยมหยักถูกออกแบบมาเพื่อให้คลื่นที่สะท้อนออกมามีแนวโน้มที่จะกระจายไปในทิศทางสุ่ม และคลื่นที่สะท้อนรวมกันจากทิศทางสุ่มเหล่านั้นจะรวมกันอย่างไม่สอดคล้องกัน จึงถูกลดทอนลงไปอีก ภาพของห้องเก็บเสียงสะท้อนพร้อมอุปกรณ์ทดสอบบางส่วนแสดงอยู่ในภาพต่อไปนี้:
(ภาพแสดงผลการทดสอบเสาอากาศ RFMISO)
ข้อเสียของห้องเก็บเสียงสะท้อนคือมักจะต้องมีขนาดค่อนข้างใหญ่ โดยทั่วไปแล้วเสาอากาศจะต้องอยู่ห่างกันอย่างน้อยหลายความยาวคลื่นเพื่อจำลองสภาวะสนามไกล ดังนั้นสำหรับความถี่ต่ำที่มีความยาวคลื่นมาก เราจึงต้องการห้องขนาดใหญ่มาก แต่ข้อจำกัดด้านต้นทุนและข้อจำกัดทางปฏิบัติมักจำกัดขนาดของห้อง บริษัทรับเหมาด้านการป้องกันประเทศบางแห่งที่วัดค่าเรดาร์ครอสเซคชั่นของเครื่องบินขนาดใหญ่หรือวัตถุอื่นๆ เป็นที่ทราบกันดีว่ามีห้องเก็บเสียงสะท้อนขนาดเท่าสนามบาสเก็ตบอล แม้ว่านี่จะไม่ใช่เรื่องปกติก็ตาม มหาวิทยาลัยที่มีห้องเก็บเสียงสะท้อนมักจะมีห้องที่มีความยาว ความกว้าง และความสูง 3-5 เมตร เนื่องจากข้อจำกัดด้านขนาด และเนื่องจากวัสดุดูดซับคลื่นวิทยุมักทำงานได้ดีที่สุดที่ความถี่ UHF ขึ้นไป ห้องเก็บเสียงสะท้อนจึงมักใช้สำหรับความถี่ที่สูงกว่า 300 MHz
เทือกเขาสูง
สนามทดสอบแบบยกสูง คือสนามทดสอบที่ตั้งอยู่กลางแจ้ง ในการติดตั้งแบบนี้ แหล่งกำเนิดเสียงและเสาอากาศที่ต้องการทดสอบจะติดตั้งอยู่เหนือพื้นดิน เสาอากาศเหล่านี้อาจอยู่บนภูเขา หอคอย อาคาร หรือที่ใดก็ตามที่เหมาะสม วิธีนี้มักใช้กับเสาอากาศขนาดใหญ่มาก หรือที่ความถี่ต่ำ (VHF และต่ำกว่า <100 MHz) ซึ่งการวัดในอาคารทำได้ยาก แผนภาพพื้นฐานของสนามทดสอบแบบยกสูงแสดงในรูปที่ 2
รูปที่ 2 ภาพประกอบแสดงช่วงความสูงที่เพิ่มขึ้น
เสาอากาศต้นทาง (หรือเสาอากาศอ้างอิง) ไม่จำเป็นต้องอยู่สูงกว่าเสาอากาศทดสอบเสมอไป ผมแค่แสดงให้เห็นแบบนั้นในที่นี้ เส้นสายตา (LOS) ระหว่างเสาอากาศทั้งสอง (แสดงด้วยเส้นสีดำในรูปที่ 2) ต้องไม่มีสิ่งกีดขวาง การสะท้อนอื่นๆ (เช่น เส้นสีแดงที่สะท้อนจากพื้นดิน) เป็นสิ่งที่ไม่พึงประสงค์ สำหรับการทดสอบในที่สูง เมื่อกำหนดตำแหน่งของเสาอากาศต้นทางและเสาอากาศทดสอบแล้ว ผู้ดำเนินการทดสอบจะพิจารณาว่าการสะท้อนที่สำคัญจะเกิดขึ้นที่ใด และพยายามลดการสะท้อนจากพื้นผิวเหล่านั้นให้น้อยที่สุด โดยทั่วไปจะใช้วัสดุดูดซับคลื่นวิทยุหรือวัสดุอื่นๆ ที่เบี่ยงเบนรังสีออกจากเสาอากาศทดสอบเพื่อจุดประสงค์นี้
ช่วงขนาดกะทัดรัด
ต้องวางเสาอากาศต้นทางไว้ในตำแหน่งที่ไกลจากเสาอากาศทดสอบ เหตุผลก็คือคลื่นที่เสาอากาศทดสอบรับได้ควรเป็นคลื่นระนาบเพื่อให้ได้ความแม่นยำสูงสุด เนื่องจากเสาอากาศแผ่คลื่นทรงกลม ดังนั้นเสาอากาศจึงต้องอยู่ห่างออกไปมากพอเพื่อให้คลื่นที่แผ่จากเสาอากาศต้นทางเป็นคลื่นระนาบโดยประมาณ – ดูรูปที่ 3
รูปที่ 3. เสาอากาศต้นทางแผ่คลื่นที่มีหน้าคลื่นทรงกลม
อย่างไรก็ตาม สำหรับห้องภายในอาคาร มักจะมีระยะห่างไม่เพียงพอที่จะทำเช่นนั้นได้ วิธีหนึ่งในการแก้ไขปัญหานี้คือการใช้เสาอากาศแบบกะทัดรัด ในวิธีนี้ เสาอากาศต้นทางจะหันไปทางตัวสะท้อน ซึ่งมีรูปร่างที่ออกแบบมาเพื่อสะท้อนคลื่นทรงกลมในลักษณะระนาบโดยประมาณ หลักการนี้คล้ายคลึงกับหลักการทำงานของเสาอากาศแบบจานมาก การทำงานพื้นฐานแสดงในรูปที่ 4
รูปที่ 4. ช่วงคลื่นขนาดกะทัดรัด - คลื่นทรงกลมจากเสาอากาศต้นทางจะสะท้อนกลับมาเป็นคลื่นระนาบ (คลื่นขนาน)
โดยทั่วไปแล้ว ความยาวของตัวสะท้อนแสงแบบพาราโบลาควรมีขนาดใหญ่กว่าเสาอากาศทดสอบหลายเท่า เสาอากาศต้นทางในรูปที่ 4 นั้นวางเยื้องจากตัวสะท้อนแสง เพื่อไม่ให้กีดขวางรังสีสะท้อน นอกจากนี้ยังต้องระมัดระวังไม่ให้มีการแผ่รังสีโดยตรง (การเชื่อมต่อร่วมกัน) จากเสาอากาศต้นทางไปยังเสาอากาศทดสอบด้วย
วันที่โพสต์: 3 มกราคม 2567
