FI88750B - Kompakt antenntestbana - Google Patents

Description

1 88750

Kompakti antennimittarata

Keksinnön kohteena on kompakti antennimittarata 5 antenni- ja tutkapoikkipintamittausten suorittamiseksi.

Mittarata käsittää (i) lähetyselimet sähkömagneettisen aallon lähettämiseksi, (ii) muutinelimet lähetyselimien lähettämän aaltorintaman muuttamiseksi tasoaalloksi, ja (iii) mitattavan kappaleen, joka on sijoitettu siten, että 10 muutinelimistä saatava tasoaalto osuu siihen.

Antennimittausmenetelmät, joiden avulla mitataan antennin ominaisuuksia, kuten esim. säteilykuviota, polarisaatiota, vahvistusta tai suuntaavuutta, voidaan jakaa kolmeen pääryhmään eli mittauksiin (1) kaukokentässä, (2) 15 lähikentässä, ja (3) kompaktissa antennimittaradassa.

Kaukokenttämittauksissa muodostetaan mitattavan antennin eteen tasoaaltokenttä erillisellä lähetinanten-nilla. Lähetinantennin tulee olla riittävän kaukana mitattavasta antennista, jotta siitä lähtenyt pallovaiherinta-20 matyyppinen aalto approksimoisi riittävän hyvin tasoaaltoa mitattavan antennin edessä. Yleisesti katsotaan kaukoken-tän alkavan etäisyydeltä 2D2/X, missä D on mitattavan antennin apertuurin halkaisija, ja X on aallonpituus. Tämä ei kuitenkaan ole jyrkkä raja, koska antennin oroinaisuuk-25 sien riippuvuus siitä etäisyydestä, jolla ne mitataan heikkenee etäisyyden kasvaessa. Määrättäessä kaukokentän etäisyyttä onkin kysymys siitä, kuinka suuri virhe voidaan sallia todellisiin kaukokenttäolosuhteisiin nähden. Edellä mainittu kaukokenttäetäisyys on saatu, kun sallitaan 22,5 .30 asteen vaihe-ero mitattavan antennin apertuurissa. Suurille antenneille kaukokenttäetäisyys tulee joka tapauksessa epäkäytännöllisen suureksi; se voi olla jopa useita kilometrejä, joten mittaukset on näissä tapauksissa suoritettava aina ulkona.

35 Lähikenttämittauksissa, jotka suoritetaan yleensä 2 P8750 radiokaiuttomassa huoneessa, mitataan mitattavan antennin edessä oleva kenttä. Mittaustuloksista saadaan kaukoalueen ominaisuudet selville laskennallisesti. Tätä menetelmää käytetään yleisesti lähinnä alle 40 GHz:n taajuuksilla.

5 Tätä suuremmilla taajuuksilla on ongelmana mittauskaape-leista ja mittauspisteiden epätarkkuudesta syntyvät vaihe-virheet sekä varsinkin suurilla antenneilla valtava mittauspisteiden lukumäärä, koska kenttä täytyy mitata vähintään puolen aallonpituuden välein. Jokainen mittaustapah-10 tuma on tällaisissa olosuhteissa erittäin työläs.

Kompakti antennimittarata (Compact Antenna Test Range, CATR) on mittausrata, jossa muodostetaan keinotekoinen kaukokenttä eli tasoaalto mitattavan antennin eteen. Varsinainen antennin mittaus suoritetaan samaan 15 tapaan kuin tavallisessa kaukokenttämittauksessa. Haluttu tasoaalto muodostetaan palloaallosta fokusoivalla elementillä. Tähän asti on käytetty lähes yksinomaan kaarevia metalliheijastimia tasoaallon muodostamisessa. Tällaisen mittaradan periaate on esitetty esim. US-patentissa 20 3,302,205, jonka kuvaamissa suoritusmuodoissa käytetään tasoaallon muodostamisessa joko yhtä pyörähdysparaboloidi-heijastinta tai kahta parabolista sylinteriheijastinta.

Kompaktin mittaradan etuna kaukokenttämittauksiin nähden on se, että se on kooltaan riittävän pieni niin, 25 että se voidaan suurenkin antennin tapauksessa sijoittaa sisätiloihin suojaan sääolosuhteiden vaikutuksilta. Lähi-kenttämittauksiin verrattuna sen etuna on se, että jokainen mittaus voidaan, sen jälkeen, kun rata on paikallaan, suorittaa helposti normaalina kaukokenttämittauksena esim. 30 mitattavaa antennia pyörittämällä. Lisäetu on myös se, että se mahdollistaa myös suurten kohteiden tutkapoikki-pinnan mittauksen sisätiloissa. Kompaktin antennimitta-radan käyttö mittauksiin on myös joissakin tapauksissa ainoa järkevä vaihtoehto, esim. tapauksissa, joissa lähi-35 kenttämittausta ei voida tehdä tai joissa ilmakehän vai- m 3 88750 mennus on suuri ja vaihtelee ajan funktiona. Kompakti antennimittausrata on kuitenkin kallis (erityisesti milli-metrialueella) johtuen heijastimien korkeista valmistuskustannuksista. Tämä johtuu siitä, että heijastimien pin-5 tatarkkuusvaatimus on noin 1/100 aallonpituudesta. Esim.

100 GHz:n taajuudella on pintatarkkuuden oltava siten 30 Mm:n luokkaa. Esimerkkinä mainittakoon erään kaupallisesti saatavissa olevan kompaktin mittaradan tiedot: - heijastimen pintatarkkuus 20 m® (voidaan käyttää 10 200 GHz:iin asti) - heijastimen paino noin 50 000 kg - hiljainen alue (tasoaallon leikkaus) 5,5 m x 5 m - heijastimen valmistuskustannukset noin 5 milj. mk.

Esillä olevan keksinnön tarkoituksena onkin päästä 15 eroon edellä kuvatusta epäkohdasta ja saada aikaan kompakti antennimittarata, joka on aikaisempia selvästi edullisempi rakentaa. Tämä saavutetaan keksinnön mukaisella mittaradalla, jolle on tunnusomaista se, että muutinelimet käsittävät ainakin yhden hologrammin.

20 Keksinnön mukaisena perusajatuksena on muodostaa kompaktissa antennimittaradassa vaadittava keinotekoinen kaukokenttä hologrammin avulla.

Keksinnön mukaisen mittaradan valmistuskustannukset ovat vain murto-osa perinteisestä heijastimin toteutetun 25 kompaktin mittaradan valmistuskustannuksista. Käytettävän hologrammin pintatarkkuusvaatimus on pienempi, joten keksinnön mukainen mittarata on sopiva myös hyvin suurten taajuuksien (yli 300 GHz) mittaradaksi. Lisäksi keksinnön mukainen mittarata on kevyt ja vie kokoonpantuna vain ...30 vähän tilaa.

Keksinnön mukaisessa kompaktissa antennimittaradassa käytettävät hologrammit ovat sinänsä tunnettuja ja ne voidaan suunnitella ja valmistaa samalla tavalla kuin esim. optiikassa käytettävät tietokonehologrammit (engl. .35 computer generated holograms, saks. synthetische Hologram- 4 88750 me) . Tällaisia hologrammeja on esitelty esim. viitejul-kaisussa [1] (viitejulkaisulista on selitysosan lopussa). Taustaksi lukijaa varten todetaan hologrammeista yleisesti seuraavaa. Hologrammit voidaan jakaa kahteen pääluokkaan: 5 läpäisy- ja heijastushologrammit. Yleisesti hologrammi muuttaa sekä kentän amplitudia että vaihetta. Käytännössä käytetään kuitenkin paljon hologrammeja, jotka muuttavat vain toista kentän parametreista, eli käytetään ns. amplitudi- tai vaihehologrammeja. Hologrammeja on tunnetusti 10 käytetty paitsi optiikassa myös radiotaajuusalueella, jossa läpäisytyyppiset hologrammit ovat korvanneet lins-siantenneja, ja heijastustyyppiset hologrammit puolestaan paraboloidiantenneja. Radiotaajuusalueella hologrammeja on kuitenkin käytetty ainoastaan kaukokenttäsovelluksissa, 15 eikä lainkaan lähikenttäolosuhteissa, kuten esillä olevassa keksinnössä tehdään. Hologrammeja ja niiden käyttöä ra-diotaajuusalueella on kuvattu viitejulkaisuissa [2] ja [3].

Seuraavassa keksintöä selitetään tarkemmin viitaten 20 oheisen piirustuksen mukaiseen esimerkkiin, jossa kuvio 1 esittää keksinnön mukaisen kompaktin anten-nimittausradan periaatteellista mittausasetelmaa ylhäältä päin nähtynä, kuvio 2 esittää kuvion 1 mukaisessa mittaradassa 25 käytettävää hologrammia kuvion 1 viivan II-II suunnasta nähtynä, ja kuvio 3 esittää kuvion 1 mukaisen periaatteellisen mittausasetelman edullista suoritusmuotoa ylhäältä päin nähtynä.

30 Kuviossa 1 on esitetty keksinnön mukaisen kompaktin antennimittaradan periaatteellinen mittausasetelma ylhäältä päin nähtynä. Lähetyselimenä toimii antenni, esim. tor-viantenni 1, joka lähettää pääkeilansa suuntaan palloaal-lon 2 kohti läpäisytyyppistä amplitudihologrammia 3, joka 35 on sijoitettu antennin 1 lähikenttään (voi olla myös kau- 5 88750 kokentässä) sopivalle korkeudelle lattiasta. Tässä esimerkkitapauksessa torviantenni 1 sijaitsee hologrammin 3 keskiakselilla ja lisäksi siten, että hologrammin reuna on -3 dB:n kohdalla torven keilassa. Hologrammi 3 on suunni-5 teltu niin, että tasoaalto 4 lähtee mainittuun keskiakse-liin nähden vinoon (tässä esimerkkitapauksessa noin 30 asteen) kulmaan. Näin menetellen saadaan tasoaalto erottumaan hologrammista sen akselin suuntaan lähtevistä haitallisista aaltomuodoista. Tasoaallon 4 leikkauksen sisään 10 (hiljainen alue) on sijoitettu mitattava kappale 5, joka kuvion esimerkissä piirretty torviantenniksi, ja joka on varustettu normaaliin tapaan kääntö- ja siirtoelimillä (ei esitetty) sen kääntämiseksi ja siirtämiseksi sopivaan asentoon tasoaaltoon nähden. Luonnollisestikin mittarataan 15 kuuluu myös antenniin 1 kytketyt lähetinelimet sekä mitattavaan kappaleeseen 5 ja/tai antenniin 1 kytketyt mit-tauselimet mittausten suorittamiseksi. Koska nämä järjestelyt ovat kuitenkin sinänsä tunnettuja ja koska mittaukset suoritetaan sinänsä tunnetulla tavalla, ei niitä ole 20 esitetty tarkemmin. Mikäli kysymyksessä on antennimittaus-ten suorittaminen, on mitattava kappale 5 antenni, ja mittauselimet on kytketty siihen. Mikäli kysymyksessä on taas kappaleen 5, esim. tutkaheijastimen tai lentokoneen pienoismallin, tutkapoikkipinnan mittaus, joka suoritetaan ' 25 lähettämällä antennilla 1 tutkapulssi kappaleeseen ja vastaanottamalla kappaleesta heijastunut kaiku samalla antennilla, on mittauselimet kytketty antenniin l.

Kuviossa 2 on esitetty tarkemmin hologrammi 3, joka muodostuu ympyränmuotoisesta, radioaaltoja läpäisevästä . 30 substraatista 6 ja sen pinnalla olevasta, radioaaltoja läpäisemättömästä hologrammikuviosta 7, joka on valmistettu substraatin pinnalle piirilevytekniikan tapaan syövyttämällä kuviota vastaavan maskin avulla. Tässä esimerkkitapauksessa muodostuu hologrammikuvio 7 rinnakkaisista 3b pystysuuntaisista, kaarevista kupariliuskoista 8. Subst- 6 88750 raatti 6 on tässä esimerkkitapauksessa 0,075 mm paksua kapton"-kalvoa, ja hologrammikuvio muodostuu 0,035 mm paksusta kuparikerroksesta. Tällaisen yksinkertaisen me-talloidun muovikalvon valmistuskustannukset ovat noin 1000 5 mk/m2, mikä on vain murto-osa perinteisesti käytetyn heijastimen valmistuskustannuksista. Hologrammi 3 on kiinnitetty kehykseen 10, joka on päällystetty radioaaltoja absorboivalla materiaalilla (ei esitetty). Kehys 10 on sijoitettu jalustalle 11 niin, että sitä voidaan kääntää 10 haluttuun asentoon tulevaan aaltorintamaan 2 nähden.

Kuvio 3 esittää kuvion 1 mukaisen periaatteellisen mittausasetelman erästä edullista suoritusmuotoa ylhäältä päin nähtynä. Mittaushuoneeseen 12 on tässä tapauksessa tehty radioaaltoja vaimentavalla materiaalilla (ei esitet-15 ty) päällystetty väliseinä 13, jossa on aukko 14, johon hologrammi 3 on kiinnitetty. Näin voidaan varmistua siitä, että lähetyselimien lähettämä aaltorintama ei pääse hologrammin ohi tutkittavalle kappaleelle 5.

Vaikka keksintöä on edellä selostettu viitaten 20 oheisen piirustuksen mukaiseen esimerkkiin, on selvää, ettei keksintö ole rajoittunut siihen, vaan sitä voidaan muunnella monin tavoin edellä ja oheisissa patenttivaatimuksissa esitetyn keksinnöllisen ajatuksen puitteissa. Esim. hologrammin tyyppi ja varsinkin hologrammikuvio 25 voivat vaihdella monin tavoin, ja alan ammattimies pystyy helposti suunnittelemaan hologrammin sen jälkeen, kun lähetyselimien lähettämän aallon amplitudin ja vaiheen muutokset tunnetaan halutussa hologrammitasossa. Näin ollen voi tuleva aaltorintama periaatteessa tulla holo-30 grammiin mistä suunnasta tahansa, ja tasoaalto voi lähteä mihin suuntaan tahansa, kunhan huolehditaan siitä, että tasoaalto lähtee eri suuntaan kuin hologrammista lähtevät muut, haitalliset aaltomuodot. Lähetyselimien lähettämän aallon muoto ei siten myöskään ole sidottu palloaaltoon 35 (eivätkä lähetyselimet ole sidottuja torviantenniin). Mit- 7 88750 taradassa käytetyn hologrammin ei myöskään välttämättä tarvitse olla läpäisytyyppinen, vaan sen tilalla voi olla myös heijastustyyppinen hologrammi, joka muodostuu tasaisesta heijastimesta, jossa kuparikuvioiden tilalla on urat 5 (viitteet [2] ja [3]). Mittaradassa voidaan myös käyttää useampaa kuin yhtä peräkkäistä hologrammia. Koska mittarata mahdollistaa paitsi antennien mittauksen myös esim. tutkapoikkipinnan mittauksen, on oheisissa vaatimuksissa käytetyn termin "antennimittarata" ymmärrettävä pitävän 10 sisällään muitakin kuin antennimittauksia.

Viitejulkaisut: [1] . Wai-Ηοη Lee: "Computer Generated Holograms:

Techniques and Applications", ed. E. Wolf, Progress in Op-

15 tics XVI

[2] . J. C. Wiltse, J. E. Garrett: "The Fresnel Zone Plate Antenna", Microwave Journal, January 1991, ss. 101-114.

[3] . J. C. Wiltse, J. E. Garrett: "Fresnel Zone 20 Plate Antennas at Millimeter Wavelengths", International

Journal of Infrared and Millimeter Waves, Vol. 12, No. 3, 1991, ss. 195-220.

Claims (5)

8 88750

1. Kompakti antennimittarata antenni- ja tutkapoik-5 kipintamittausten suorittamiseksi, joka mittarata käsittää - lähetyselimet (1) sähkömagneettisen aallon lähettämiseksi, - muutinelimet lähetyselimien (1) lähettämän aalto-rintaman (2) muuttamiseksi tasoaalloksi (4), ja 10. mitattavan kappaleen (5), joka on sijoitettu siten, että muutinelimistä saatava tasoaalto (4) osuu siihen, tunnettu siitä, että muutinelimet käsittävät ainakin yhden hologrammin (3).

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kompakti antenni-15 mittarata, tunnettu siitä, että mainittu ainakin yksi hologrammi (3) on läpäisytyyppinen amplitudihologram-mi ja käsittää dielektrisen substraatin (6) päälle muodostetun, sähkömagneettisia aaltoja läpäisemättömän kuvion (7) .

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen kompakti antenni mittarata, tunnettu siitä, että substraatti muodostuu dielektrisestä muovikalvosta (6), jonka päällä on raetallikuvio (7).

4. Patenttivaatimuksen 1 mukainen kompakti antenni-25 mittarata, tunnettu siitä, että lähetyselimet (1) on sovitettu hologrammin (3) keskiakselille ja tasoaalto (4) lähtee hologrammista (3) vinoon kulmaan sen keskiakse-liin nähden.

5. Jonkin edeltävän patenttivaatimuksen 1 mukainen 30 kompakti antennimittarata, tun nettu siitä, että hologrammi (3) on sijoitettu mittaushuoneen (12) väliseinään (13) tehtyyn aukkoon (14). 9 88750