Đo và kiểm tra anten là nhu cầu phổ biến trong ngành viễn thông nói chung và cao tần nói riêng khi đây là một trong những công việc cơ bản của lý thuyết anten.
1. Giới thiệu chung
Đo kiểm anten là nhu cầu rất phổ biến trong ngành viễn thông nói chung và cao tần nói riêng. Đo và kiểm tra anten là một trong những công việc cơ bản trong lý thuyết anten. Lý thuyết anten không thể được hoàn thiện nếu việc đo kiểm anten cần kiểm tra (AUT) không thể được đạt như mong muốn. Về cơ bản, khi thực hiện công việc này, chúng ta mong muốn đo kiểm các thông số cơ bản của anten theo lý thuyết như độ lợi, hiệu suất, trở kháng hoặc VSWR, băng thông, phân cực của anten. Công nghệ mới kết hợp với các phần mềm xử lý dữ liệu còn có thể vẽ được giản đồ hướng của anten.
2. Lý thuyết truyền sóng anten
Vùng không gian truyền sóng của anten được chia làm 3 khu vực: trường cực gần (reactive), trường gần (near-field) và trường xa (far-field).
Vùng không gian có khoảng cách lớn hơn bức xạ 2D2/λ được gọi là vùng trường xa, trong đó D là độ dài lớn nhất của anten. Tại vùng này, hình dạng búp sóng không thay đổi theo khoảng cách, hay nói cách khác, giản đồ bức xạ đo được là xác định.
Vùng không gian giới hạn từ λ tới 2D2/ λ, được gọi là vùng trường gần. Giản đồ bức xạ của anten trong vùng không gian này có sự thay đổi theo khoảng cách, đặc biệt là hình dạng các búp sóng. Tuy nhiên, bằng các phép biến đổi toán học từ trường gần sang trường xa, chúng ta có thể xác định được giản đồ bức xạ tương đương như vùng trường xa.
Vùng không gian giới hạn từ mặt phản xạ của anten tới khoảng cách λ (tức là 1 lần bước sóng) được gọi là vùng trường cực gần. Trong vùng không gian này, bức xạ của anten có tác động ngược trở lại chính anten. Chính vì thế, tín hiệu ở khu vực này bị nhiễu động rất nhiều, không ổn định, có nhiều hình dạng búp sóng khác nhau thay đổi theo khoảng cách. Nói cách khác, cực kì khó để có thể xác định được giản đồ bức xạ của anten trong trường hợp này.
Ví dụ, với 1 anten đường kính 1m hoạt động tại 10 GHz (λ = 3cm), vùng trường gần sẽ kéo dài tới khoảng 2/.03 = 66m.
Do đặc tính thay đổi sóng tín hiệu theo vùng và khoảng cách của anten, nên phương pháp đo kiểm anten cũng được chia thành các cách khác nhau. Trên thực tế, anten là phần tử được sử dụng chính cho các liên lạc, truyền thông ở khoảng cách xa, khi mà truyền dẫn hữu tuyến khó đáp ứng được yêu cầu. Vì thế, nên việc đo kiểm anten ở khu vực vùng không gian trường xa là công việc cần làm và sát thực nhất. Tuy nhiên, để thiết lập hệ thống đo kiểm và đánh giá anten ở vùng không gian này là điều không dễ. Phương pháp đo kiểm anten được chia thành 2 loại: đo kiểm trường gần và đo kiểm trường xa. Với phương pháp đo trường gần, khoảng cách đo khá nhỏ nên thông thường, hệ thống có thể được lắp đặt chuyên dụng trong nhà, còn được gọi là Buồng đo, phòng câm. Đo kiểm ở vùng trường xa thường có khoảng cách rất lớn, đặc biệt là các anten có kích thước lớn, tần số cao như anten của các đài radar, anten của máy bay, các anten trong hệ thống thu – phát cao tần…
3. Các yêu cầu và thông số chung
3.1. Các thiết bị cần thiết để đo kiểm anten
Khi sử dụng sóng phẳng để kiểm tra anten cần đo (AUT), ta có thể coi như sử dụng 1 anten nguồn (phát) với các đặc tính và đồ thị bức xạ đã biết, tác động tới anten theo cách các trường ngẫu nhiên. Các thiết bị cần thiết bao gồm:
- Anten phát và máy phát tín hiệu: anten này có bức xạ đã biết sử dụng để phát cho AUT.
- Hệ thống thu: phần này xác định xem mức công suất mà AUT thu được là bao nhiêu.
- Một hệ thống định vị: Hệ thống này để xoay AUT, được kết hợp với anten phát (nguồn), đưa ra đồ thị bức xạ dựa trên hàm của góc quay.
Anten nguồn phải đảm bảo hoạt động tốt ở tần số cần đo kiểm. Anten này phải được phân cực xác định trước và có băng thông phù hợp với dải đo anten AUT. Anten nguồn thường là anten horn, anten lưỡng cực với mặt phản xạ parabol.
Máy phát đảm bảo tạo ra công suất ổn định theo tính toán. Tần số đầu ra cũng phải chính xác và khả chỉnh (có khả năng lựa chọn, thay đổi dải tần) và có độ ổn định hợp lý (độ trôi tần số thấp).
Máy thu sẽ chịu trách nhiệm thu và xác định mức công suất của tín hiệu thu được từ AUT. Máy thu này có thể được bổ sung các bộ khuếch đại tạp âm thấp để đo được các mức công suất thấp và mở rộng dải đo của hệ thống.
Hệ thống định vị để điều khiển và kiểm soát hướng của AUT. Bản chất của phương pháp này là tính toán đồ thị bức xạ của AUT dựa trên kết quả thu được từ 1 hàm của giá trị góc quay (ví dụ như các tọa độ cầu). Hệ thống sẽ quay AUT theo các hướng và góc khác nhau để anten phát (nguồn) có thể phát sóng trực tiếp từ nhiều hướng. Thông thường, AUT sẽ được quay quét đủ 360 độ theo hình cầu.
3.2. Không gian đo
Sau khi có thiết bị đo, điều cần thiết là ta cần thiết lập không gian thực hiện bài đo kiểm anten. Theo lý thuyết, người ta có thể triển khai hệ thống đo với các thiết bị như trên ở bất cứ đâu. Tuy nhiên trên thực tế, điều này cần được lựa chọn và tính toán chi tiết, do bài đo anten cần một không gian không bị ảnh hưởng bởi bất kể tín hiệu hoặc nhiễu nào đó trong suốt quá trình thực hiện bài đo. Về mặt lý tưởng, ta cần thực hiện bài đo này ở một không gian mà không có bất cứ sự phản xạ hay phát xạ tín hiệu không mong muốn nào trong suốt quá trình thực hiện bài đo. Tuy nhiên, điều này hiện nay là bất khả thi. Chính vì thế, giải pháp hiện nay được lựa chọn đó là xây dựng một không gian kín, chắn mọi loại sóng điện từ từ những nguồn phát xạ không mong muốn, và có khả năng khử các phản xạ điện từ trong khu vực thực hiện bài đo. Ta gọi đó là Buồng Câm hay Phòng chắn sóng điện từ.
Dễ dàng nhận thấy, phương pháp này rất phù hợp với phương pháp đo anten trường gần, do diện tích buồng đo chỉ có thể xây dựng theo giới hạn nào đó, không thể nào mở rộng quá lớn, sẽ gặp phải vấn đề về xây dựng và chi phí. Các buồng đo trường xa cũng được triển khai nhưng không phổ biến bằng trường gần.
* Buồng Câm (Phòng chắn sóng điện từ)
AUT và anten thu đặt cách nhau trong phạm vi trường gần, AUT được đặt trên gá có thể xoay theo các trục AZ/EL (azimuth/elevation). Anten thu cũng có khả năng chuyển động trên mặt phẳng theo trục X, Y và Z. Chuyển động tương đối giữa anten thu và AUT tạo thành các phương pháp quét khác nhau: quét phẳng, quét trụ và quét cầu.
Sử dụng buồng đo khi nào?
Khi nhu cầu đo kiểm và đánh giá chính xác anten là cần thiết. Việc xây dựng buồng đo đòi hỏi không gian, thiết bị vật tư và đầu tư về ngân sách phù hợp khi anten cần đo có kích thước nhỏ, phương pháp đo kiểm sử dụng là đo trường gần. Buồng đo cũng tiện lợi hơn cho người vận hành, theo dõi quá trình đo kiểm, không chịu nhiều ảnh hưởng bởi thời tiết.
- Quét phẳng:
Bố trí đo trường gần thực hiện quét phẳng được mô tả trên hình bước lấy mẫu ∆x = ∆y = λ/2. AUT được đặt cố định. Ở chế độ phát, đầu dò được di chuyển quét lấy mẫu từng bước ∆x, ∆y, lên – xuống/sang ngang, trên 1 mặt phẳng (x,y) song song với mặt phẳng khẩu độ AUT, cách khẩu độ AUT từ 3λ tới 10λ.
Dữ liệu trường thu sẽ được đầu dò thu nhận, được ghi lại rồi sử dụng phép biến đổi (transform) và bù đầu dò (probe compensation) để có mẫu phát xạ trường xa của AUT. Đây là kiểu đo đơn giản nhất cả về thiết bị định vị (positioner) lẫn phần mềm xử lý (processing software). Sai số chủ yếu gặp phải trong phép đo planar là do mặt quét không vô hạn, dẫn đến các sai số trong cấu trúc búp phụ và hạn chế về góc phương vị (trunctrion error).
Phương pháp này thường sử dụng để đo các anten định hướng, có G > 15 dBi, góc phương vị đo được lớn nhất khoảng < ±70 độ. Tùy theo kích thước phòng đo, có thể đo được các anten mảng hoặc anten phản xạ.
- Quét trụ:
AUT quay quanh trục z theo từng bước ∆φ còn đầu dò di chuyển lên-xuống song song trục z theo từng bước ∆z, tạo nên hành trình quét tương đương một mặt trụ bao kín AUT. Khoảng cách giữa giá đầu dò và AUT được chọn để tránh tương hỗ giữa AUT và đầu dò. Độ dài của mặt trụ quyết định sai số cắt ngắn (truncation error). Các tham số cần quan tâm ở phương pháp này là ∆z = λ/2, ∆φ = λ/2 R; với R là bán kính của mặt trụ.
Phương pháp này phù hợp để đo các anten có búp sóng rộng (góc phương vị) với khẩu độ trong khoảng dưới 1,5m.
- Quét cầu:
Có 2 phương pháp quét cầu:
AUT quay quanh trục z với bước ∆φ, đầu dò quay theo một quỹ đạo tròn quanh AUT theo từng bước ∆θ, đầu dò đứng yên tại một điểm trên trục z của AUT.
AUT quay đồng thời quanh trục z và trục θ theo từng bước ∆φ và ∆θ. Quỹ đạo quét của đầu dò tương đương như trên một mặt cầu bán kính R. Độ phân giải góc quét là ∆φ = ∆θ = λ/2 R rad.
** Ưu điểm của giải pháp
- Dải đo lớn, thiết lập hệ thống nhanh, không tốn nhiều nhân công và thời gian.
- Chi phí hợp lý, thực hiện đo kiểm đơn giản.
- Dễ theo dõi, không bị ảnh hưởng bởi thời tiết.
** Nhược điểm của giải pháp
- Yêu cầu xây dựng hoặc lựa chọn 1 phòng đủ diện tích để làm phòng câm.
- Thời gian thực hiện phép đo khá lâu tuy nhiên hãng có các giải pháp xử lý dữ liệu cũng đã tối ưu việc xử lý, giảm thời gian thực hiện phép đo.
*** Một số giải pháp thực tế cho đo kiểm anten 5G
5G Compact Range Measurement System
Hệ thống CATR cho đo kiểm 5G anten loại nhỏ
Kích thước trong (L x H x W): 3.13 x 1.65 x 1.1 m
Mặt phản xạ: 0.76 x 0.76 m
Vùng câm: 0.5 x 0.5 m
Dải tần: 2.4-41 GHz
Hệ số chắn sóng: >20 dB
Lý tưởng cho:
- Trạm BTS
- Thiết bị IoT
- Anten cho điện thoại di động
- Anten cho Laptop
Spherical Near-field Measurement System
Một hệ thống lý tưởng để đo ăng-ten mức tăng trung bình và thấp có đường kính lên tới 2,0 m (79 in) và rất phù hợp để kiểm tra ăng-ten trạm gốc di động.
Kích thước (L x H x W): Tùy chọn x 2.9 x 2.7 m
Vùng quét: Full Spherical; Phi/Theta – 360°
Tải trọng anten tối đa: 136 kg at 23 cm CG offset
Kích thước anten tối đa: 3.0 m
Độ phân giải: 0.01° Phi and Theta
Độ tái lặp vị trí: 0.03° RMS
Tốc độ quay: 20°/s Phi, 30°/s Theta
Lý tưởng cho: Ăng-ten trạm gốc di động
Spherical Near-field Measurement System
Giải pháp lý tưởng để cung cấp đặc tính 3D hoàn chỉnh của bất kỳ ăng-ten hoặc thiết bị không dây nào.
Kích thước (L x H x W): 3.7 x 4.1 x 3.7 m
Vùng quét: 360° Phi and 330° in Theta°
Tải trọng anten tối đa: 136 kg
Kích thước anten tối đa: 1.5 m
Độ phân giải: 0.01° Phi and Theta
Độ tái lặp vị trí: 0.03° RMS
Tốc độ quay: 40°/s Phi, 10°/s Theta
Lý tưởng cho:
- Thiết bị IoT
- Anten điện thoại di động
- Anten Laptop
* Bãi đo ngoài trời
Khi thực hiện phương án đo ngoài trời, anten AUT được lắp trên bộ định vị kiểm tra được đặt trên đỉnh tháp (hoặc mái nhà, bệ đỡ ngoài phòng điều khiển thiết bị hệ thống). Phía cuối tuyến thu (bộ dao động nội) thường được đặt ở phía dưới bộ định vị, với bộ trộn được nối trực tiếp với cổng của AUT. Hệ thống này chỉ yêu cầu một đường dẫn cao tần duy nhất tới bộ định vị, làm đơn giản hóa thiết lập và hoạt động của hệ thống. Hệ thống có thể lắp thêm các màn chắn bao bọc ngoài trời để bảo vệ bộ dao động nội khỏi thời tiết và nhiệt độ khắc nghiệt. Các anten nhiều cổng có thể thực hiện đo đồng thời bằng cách sử dụng bộ ghép kênh được lắp đặt trước máy trộn. Các vị trí máy thu, phát đều được điều khiển và kiểm soát thông qua giao diện phía thu.
Anten phát (nguồn) được đặt đối diện với tháp thu, đảm bảo phía thu thu được tín hiệu. Nguồn tín hiệu được đặt gần anten phát để giảm suy hao tín hiệu. Liên lạc điều khiển giữa 2 phía phát và thu được thực hiện bởi dây cáp quang hoặc Ethernet.
Xây dựng bãi đo ngoài trời khi nào?
Bãi đo ngoài trời yêu cầu quá trình triển khai phức tạp và lâu dài hơn. Đương nhiên, hiệu quả của phép đo cũng được cải thiện rất nhiều, đặc biệt là tính thực tiễn của bài đo, do hệ thống đo ngoài trời có thể đo được rất nhiều loại anten AUT ở dải đo và kích thước khác nhau, đặc biệt là các anten có kích thước lớn như các dàn anten radar, anten mảng pha… Ngoài ra, bãi đo ngoài trời cũng đem lại kết quả thực tế hơn do chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường trong quá trình đo kiểm.
Các thông số đặc trưng:
- Dải tần: toàn dải tần được hỗ trợ bởi thiết bị cao tần
- Hệ thống điều khiển: động cơ bước hoặc động cơ servo
- Trọng tải anten tối đa: linh động, tùy thuộc yêu cầu
- Độ phân giải vị trí: 0.01°
- Tốc độ quay: 40°/s
- Hệ thống đo: máy trạm điều khiển đo với màn hình điều khiển LCD
- Dây cáp motor: Quick-connect; 40′ (12.2m)
- Cáp cao tần: ~6.1m; DC-18 GHz; kết nối SMA hoặc N
Phương án triển khai:
Anten tham chiếu (anten nguồn) và Anten AUT cùng bố trí trên các tháp cao, đảm bảo được các yêu cầu về khoảng cách và độ cao như sau:
+ Cự ly giữa các anten tham chiếu và AUT: r > 2D2/λ;
+ Chiều cao các tháp hAUT = hAS > 4D (với D là kích thước chiều đứng của AUT) nhằm bảo đảm giảm thiểu phản xạ.
+ Kích thước d của anten tham chiếu: d < 0,37 λR/D
Nhằm đảm bảo độ côn biên độ tại bề mặt AUT và nhiễu phản xạ do môi trường, yêu cầu điểm không (null) đầu tiên phải thấp hơn so với chân đế của anten. Trường hợp muốn giảm phản xạ hơn nữa có thể sử dụng rào chắn (range fences).
** Ưu điểm của giải pháp
- Dải đo rộng, có thể đo được rất nhiều loại anten.
- Thực hiện đo nhanh, kết quả đo rất sát thực.
- Tính chuyên nghiệp cao, độ tin cậy của kết quả lớn.
** Nhược điểm của giải pháp
- Chi phí lớn, thời gian thực hiện khá lâu để đảm bảo chất lượng kĩ thuật, công trình.
- Chịu ảnh hưởng vật lý bởi thời tiết, khí hậu, tuy nhiên hãng cũng có giải pháp bảo vệ cho công trình.
4. Danh mục thiết bị đầu tư
Quý Khách hàng vui lòng liên hệ với chúng tôi để biết thêm thông tin chi tiết về giải pháp.
Công ty chúng tôi luôn luôn mong muốn được trở thành đối tác tin cậy và là nhà cung cấp thiết bị, giải pháp hàng đầu cho sự thành thành công của Quý Khách hàng. Mọi thông tin chi tiết Quý Khách vui lòng liên hệ:
Công ty Cổ phần Công nghệ MITAS Hà Nội
Địa chỉ: Tầng 5, tòa nhà C’Land, Số 81 Lê Đức Thọ, Nam Từ Liêm, Hà Nội
Web: https://mitas.vn | ĐT: (+84) 243 8585 111 | Email: sales@mitas.vn
Sự ủng hộ tin yêu của Quý Khách hàng là động lực và tài sản vô giá đối với tập thể công ty chúng tôi. Chúng tôi xin trân trọng cảm ơn./.
