Misure del campo EM con il Vector Field Analyzer di NSI-MI

Le prestazioni complessive dei sistemi e dispositivi wireless dipendono fortemente dalle prestazioni dell'antenna. Le moderne misurazioni delle prestazioni di un'antenna necessitano della valutazione del campo elettrico "in aria" in posizioni spaziali note relativamente alla posizione del dispositivo di prova. Questa è una complicazione seria, poiché si aggiunge il requisito della conoscenza e del controllo accurato delle posizioni relative della sonda e del dispositivo sotto esame. Per affrontare questa nuova sfida, AMETEK NSI-MI ha introdotto un nuovo tipo di strumento, il Vector Field Analyzer (VFA). In questo articolo andremo a descrivere le caratteristiche di questo nuovo strumento di misura.

Introduzione

La maggior parte di chi opera nel settore delle microonde/wireless ha familiarità con i comuni dispositivi di misurazione RF:

Un misuratore della potenza a microonde (PM) indica la potenza totale del segnale a microonde nell'intervallo di frequenza del sensore. Il misuratore di potenza effettua misure a largo spettro, quindi, segnali indesiderati possono influenzare l'accuratezza delle misurazioni.
Un analizzatore di spettro (SA) è più selettivo, e mostra l'ampiezza del segnale rispetto alla frequenza su un intervallo di frequenze selezionato.
Un analizzatore di rete scalare (SNA) aggiunge altre funzionalità. Questo strumento fornisce un segnale che può spaziare su un intervallo di frequenze prescelto e allo stesso tempo visualizza due o più ampiezze del segnale ricevuto in funzione della frequenza. Una combinazione sincronizzata di stimolo del segnale e risposta di misurazione consente la misurazione dei parametri di trasmissione e riflessione (VSWR e perdita di trasmissione) dei dispositivi a microonde.
Un analizzatore di rete vettoriale (VNA) aggiunge un altro perfezionamento. Similmente all'SNA, include una sorgente di segnale di stimolo e un ricevitore multicanale sincronizzato. Tuttavia, i canali del ricevitore nel VNA sono coerenti: le ampiezze e la fase relativa tra due segnali ricevuti possono essere misurate con precisione. Il VNA può visualizzare parametri di trasmissione e riflessione scalari, nonché parametri S completi (coefficienti complessi di trasmissione e riflessione).

Con l'evolversi della tecnologia wireless, l'industria ha integrato sempre più "domini di controllo" per effettuare misurazioni utili. Il misuratore di potenza, ad esempio, presenta come parametro controllato il tempo. L'analizzatore di spettro integra sia il controllo del tempo che della frequenza. L'SNA incorpora il controllo del tempo e della frequenza sia per la sorgente che per il ricevitore, ma include anche la dimensione aggiuntiva di più canali di misurazione. Infine, il VNA include tutti i domini precedenti oltre alla capacità di effettuare misurazioni coerenti (ampiezza/fase). C'è un fattore comune tra questi dispositivi di misurazione: sono tutti incentrati sulla misurazione dei segnali a microonde alle porte, cioè ai punti di connessione fissi con l'articolo sotto esame. Come gli altri strumenti, il VFA (Analizzatore di Campo Vettoriale) può misurare i segnali sulle porte fisse, ma il suo valore aggiunto è la capacità di effettuare misurazioni accurate del campo elettromagnetico (EM). Il VFA combina perfettamente misurazioni elettriche vettoriali multicanale (ampiezza/fase) con il controllo agile della frequenza a banda larga, temporizzazione precisa dell'ordine di 10 nanosecondi e comoda integrazione di schemi complessi di controllo del dispositivo all'interno del flusso di misurazione. Ancora più importante, il VFA coordina con precisione le misurazioni elettriche con le misurazioni spaziali (di posizione) per una comprensione completa dei campi EM tridimensionali. Le misurazioni del campo elettromagnetico includono considerazioni sia elettriche che meccaniche, e ne affronteremo alcune. Mentre il focus di questo articolo è sul VFA, queste considerazioni si applicano alle misurazioni del campo EM effettuate con qualsiasi dispositivo di misurazione.

Considerazioni elettriche

La Figura 1 illustra il concetto di linearità ideale.

Figura 1: Curva di ingresso-uscita ideale per un sistema di misurazione

La maggior parte dei componenti o sistemi elettrici sono progettati per riprodurre fedelmente un segnale di ingresso, magari aumentando o riducendo la sua ampiezza. Questo è particolarmente importante quando si effettuano delle misurazioni, poiché spesso vengono confrontate delle letture di test sconosciute con le letture note di uno standard per risultati accurati. Tale confronto funziona bene solo se il sistema di misura è lineare. Andiamo ad analizzare la Figura 1 dai livelli di segnale più bassi a quelli più alti.

Sensitivity (Noise Floor)

Per misurare i campi elettromagnetici, un'antenna (o sonda) viene collegata ad un ricevitore di misura con un cavo RF flessibile. Questo permette di spostare la sonda e campionare il campo in varie posizioni. Ma c'è un limite a quanto piccolo un segnale possa essere (o quanto debole un campo) per poter essere misurato. Questo è determinato in parte dalle caratteristiche dell'antenna della sonda, ma più direttamente dal ricevitore. Ogni ricevitore ha un livello di segnale minimo rilevabile, o rumore di fondo, al di sotto del quale tutti i segnali vengono mascherati. In generale, un ricevitore progettato per misurazioni di campo dovrebbe avere un basso rumore di fondo, poiché i segnali da misurare sono spesso piuttosto deboli. In situazioni in cui il segnale misurato è troppo forte, è facile aggiungere un attenuatore a microonde tra l'antenna della sonda e il ricevitore. D'altra parte, l'aggiunta di un amplificatore per potenziare la sensitivity di un ricevitore richiede più cura e denaro. C'è un altro modo per migliorare la sensitivity di un ricevitore: prendere più tempo con le misurazioni. Quasi tutti gli strumenti, dal misuratore di potenza al VFA, hanno un controllo per la larghezza di banda, o tempo di integrazione; essi sono l'uno il reciproco dell'altro, e selezionando una larghezza di banda più stretta comporterà un tempo maggiore per ogni misurazione. In questo modo, anche il rumore di fondo sarà inferiore, estendendo la gamma dinamica dello strumento. Nella selezione di un ricevitore per le misurazioni di campo, è utile confrontare le sensitivity in una specifica larghezza di banda adatta alla propria applicazione. Una larghezza di banda di 10 kHz è solitamente appropriata per questi confronti.

Regione lineare

Qualsiasi ricevitore di misura deve essere utilizzato nella sua regione di linearità per effettuare misurazioni accurate. All'interno di questa regione, dal rumore di fondo al punto di compressione, i segnali possono essere misurati e confrontati con precisione. Per un ricevitore di misura, è importante assicurare che la risposta sia effettivamente lineare sull'intero intervallo compreso tra il rumore di fondo e il punto di compressione, poiché le imperfezioni dei componenti possono ciascuna aggiungere la propria forma alla curva complessiva. È risaputo che l'accuratezza e la ripetibilità delle misurazioni elettroniche migliorano all'aumentare del livello del segnale al di sopra del rumore di fondo all'interno dell'intervallo lineare. L'impatto del rumore di fondo sull'incertezza di una misura è dato da questa equazione:

UdB ≈ -20 log₁₀[1 – 10^{(-SNRdB/ 20)}]

dove SNRdB è il rapporto segnale-rumore in decibel. Un segnale che supera di 20 dB il rumore di fondo è misurabile con un'incertezza di circa 1 dB. Aumentando l'SNR a 40 dB, l'incertezza si riduce a meno di 0,1 dB.

Punto di compressione

Il punto di compressione ad 1 dB viene spesso utilizzato per descrivere le prestazioni di un amplificatore all'estremità superiore della sua gamma dinamica. Questo punto è definito come il livello di potenza in uscita per il quale il guadagno dell'amplificatore degrada di 1 dB rispetto al segnale di ingresso gradualmente aumentato. Un concetto simile viene utilizzato per descrivere le prestazioni di un ricevitore di misura all'estremità superiore della sua gamma operativa. Possiamo utilizzare un punto di compressione più rigoroso a 0,1 dB, per contrassegnare l'estremità superiore della regione lineare. Tale punto è definito come il punto in cui l'ampiezza del segnale (o intensità di campo) devia di 0,1 dB dalla "linea ideale" dell'intervallo lineare del sistema. Un punto di compressione più alto significa che possiamo misurare con precisione livelli di segnale più elevati. Punto di compressione e sensitivity sono entrambi espressi come livelli del segnale, RF o alle microonde, all'ingresso del ricevitore. In generale, la sensitivity e il punto di compressione per un moderno ricevitore sono funzioni complesse dei componenti e del design del ricevitore. Alcuni ricevitori consentono maggiori sfumature di regolazione, come le impostazioni del guadagno a IF, del preamp o dell'attenuatore per ottimizzare al meglio il ricevitore per una specifica situazione di test. Per meglio adattare la gamma dinamica disponibile ai livelli di segnale misurati, i ricevitori come il Vector Field Analyzer possono acquisire le misurazioni più rapide per una data precisione, o la più accurata misura per una data velocità.

Saturazione

L'area al di sopra del punto di compressione non è utile per le misurazioni, poiché qualsiasi ricevitore produrrà letture inaffidabili quando in sovraccarico. Per misurare livelli di segnale più elevati, un attenuatore può essere aggiunto all'estremità anteriore del ricevitore. Aggiungendo 10 dB di attenuazione, aumenterà il punto di compressione di 10 dB, ma farà aumentare anche il rumore di fondo di 10 dB. Questo, a sua volta, può richiedere una riduzione della larghezza di banda per ripristinare il rumore di fondo originale. Effettuare delle misurazioni rapide e precise del campo elettromagnetico dipende da un'attenta regolazione dei parametri di test e del ricevitore per ottimizzare la misura.

Gamma dinamica

La gamma dinamica è l'intera estensione della gamma lineare per un sistema di misura. La gamma dinamica può essere ampliata o contratta selezionando la larghezza di banda (influenzando la sensitivity), ma può essere "spostata" solo verso l'alto o verso il basso regolando l'attenuazione del front-end (l'attenuatore influisce sulla sensitivity e sul punto di compressione). Per misurazioni pratiche del campo elettromagnetico, un altro metodo può migliorare la sensitivity e la velocità. Si considerino le due configurazioni di prova in Figura 2, usate per valutare un'antenna sotto test (AUT):

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