Alternatívne spôsoby merania antén s impulzovým UWB radarom

Technológia typu UWB (Ultra Wide Band) sa stáva jednou z najsľubnejších pri riešení problémov v širokom spektre rôznych aplikácii [1]. Snímanie pohybu a zobrazovanie s UWB radarovým systémom má veľký potenciál počnúc od použitia na medicínske účely [2], pri georadarových (GPR-Ground Penetrating Radar) systémoch [3], pri detekcii a lokalizácii osôb za stenou prípadne inou pevnou prekážkou [4], ale aj pri impedančnej spektroskopii [5]. Okrem menovaného je možné impulzový UWB radar použiť aj v iných zaujímavých aplikáciách, z čoho nás najviac zaujíma ich použite pri meraní elektrických vlastností antén. O radaroch pracujúcich s veľmi veľkou šírkou frekvenčného pásma (UWB) hovoríme vtedy, ak je zlomková šírka frekvenčného pásma signálov emitovaných radarom väčšia ako 0,2 alebo ak je ich absolútna šírka frekvenčného pásma väčšia jako 0,5 GHz [6].

Anténa je tým komponentom, ktorý hrá veľmi dôležitú úlohu v moderných komunikačných systémoch, a to nielen pri technológiách typu UWB. Každý jeden komunikačný systém má svoje špecifické požiadavky na elektromagnetické vlastnosti antény, ktoré treba nejakým spôsobom odmerať. Medzi základné elektromagnetické vlastnosti antén patrí impulzová odpoveď antény, S11 parameter a vyžarovací diagram antény.

Na meranie týchto vlastností sa bežne používa vektorový obvodový analyzátor v kombinácii s bezodrazovou komorou. Aj keď tieto zariadenia vedia odmerať vlastnosti antén veľmi presne, ich najväčšou nevýhodou je cena a potrebný priestor na meranie. Lenže tieto vlastnosti je možné merať už aj so spomínaným impulzovým UWB radarovým systémom.

Spôsob, ako je možné merať s impulzovým UWB radarom, blokový diagram zapojenia meracieho pracoviska, ale aj simulované a namerané výsledky nami vyrobenej antény.

Meranie s radarom

Princíp merania v skratke je jednoduchý. UWB impulzový radar pracuje na báze vysielania a prijímania úzkych impulzov (tvaru lambda, tvaru Gauss). Tie sú ďalej spracované a z impulzových odpovedí sú následne získané vlastnosti antén, jako impulzová odpoveď (zvonenie antény), S11 parameter (koeficient odrazu) a vyžarovací diagram. Merania s impulzovým UWB radarom vieme rozdeliť do dvoch menších kategórií. Prvou kategóriou je meranie na princípe spracovania odrazeného impulzu od vstupnej brány vyšetrovanej antény a druhou kategóriou je meranie, kde impulz je vyslaný jednou referenčnou anténou a prijímaný je vyšetrovanou anténou.

Merací systém s jednou anténou

Principiálna schéma zapojenia meracej zostavy je vyobrazená na obr. 1. Tento systém sa používa pri meraní S11 parametrov a zvonenia antény. Systém pozostáva z generátora impulzov, zobrazovacieho okna osciloskopu, mikrovlnových väzobných prvkov a z káblov.

Obr. 1 Principiálna schéma meracej zostavy s jednou anténou

Generátor impulzov vyšle veľmi úzky impulz so špičkovou hodnotou, v našom prípade U ≈ 30 V/50 Ω a šírkou t < 50 ps priamo do antény. Odrazený impulz od antény je následne spracovaný v zobrazovacom okne, kde je aj nastavené, aký časový interval odrazeného signálu chceme vidieť, a to podľa dĺžok vedení a, b a c.

Merací systém s dvoma anténami

Druhá meracia zostava (obr. 2) sa používa v prípade merania vyžarovacieho diagramu. Impulz z generátora je vysielaný z referenčnej antény a je prijímaný meranou anténou. Vzájomná vzdialenosť medzi anténami musí byť väčšia ako 10 λ. Je to z toho dôvodu, aby sme zachytili takmer rovinnú vlnu vysielaného impulzu, ktorá je až vo vzdialenej zóne vysielanej antény. Taktiež meraná anténa je upevnená na točni a v priebehu merania sa ňou otáča s určitým krokom. Prijatý signál je zaznamenávaný pre každý uhol otočenia antény na zobrazovacom okne. Všetky zaznamenané signály sú následne spracované a je z nich vytvorený vyžarovací diagram antény.

Obr. 2 Principiálna schéma meracej zostavy s dvoma anténami

Kalibrácia a verifikácia pre meranie S11 parametra

Pred samotným meraním antén je dôležité skalibrovať a nastaviť správne merací systém. Tvar budiaceho signálu vstupujúceho do antény a jeho referenčná pozícia (v zobrazovacom okne) bola získaná tak, že anténu z principiálnej schémy na obr. 1 sme zamenili s prispôsobením typu OPEN (otvorený koniec vedenia – nekonečná zaťažovacia impedancia). Zakončenie LOAD (prispôsobená záťaž 50 Ω) a SHORT (skrat – nulová impedancia) boli použité pri procesných krokoch na výpočet S11 parametra antény.

Taktiež sme si pre overenie správnosti merania vyrobili vlastnú sondu s odporom 18,75 Ω.

Meranie S11 parametra antény s UWB radarom

Pre výpočet S11 parametrov antény potrebujeme impulzové odpovede meranej antény, prispôsobenej záťaže a skratu. Taktiež je potrebné zabezpečiť v zobrazovacom okne osciloskopu, aby zo skúmanej odrazenej impulzovej odpovede antény boli vylúčené vplyvy okolitých objektov meracej aparatúry a okolia antény. Vyšetrované časové okno sa musí začínať v mieste, kde sa začína impulzová odpoveď skratu, a končiť v čase, keď vysielaný signál nedopadol na objekt nachádzajúci sa v blízkosti meranej antény. Týmto spôsobom vylúčime vplyv viacnásobného odrazu, jako napríklad od stien, stropov a pod. V našom prípade bola šírka nastaveného časového okna 10 ns.

V prvom rade odčítame impulzovú odpoveď prispôsobenej záťaže od impulzovej odpovede antény, čo znamená, že týmto krokom eliminujeme vplyv vedení a celého systému. Toto je odrazený signál.

Ďalej sa od zápornej impulzovej odpovede skratu odráta impulzová odpoveď prispôsobenej záťaže. To predstavuje dopadajúci signál na anténu s odčítaním vplyvu vedenia. Je známe, že od skratu sa vlna odráža s opačnou fázou ako od otvoreného konca vedenia, aj preto sú v tomto kroku použité záporné hodnoty signálov.

Posledným krokom na získanie S11 parametra antény je dať do pomeru fourierové obrazy odrazeného signálu a dopadajúceho signálu. Získame funkciu frekvenčnej závislosti S11 parametra, ktorý už len prevedieme do decibelovej mierky.

Meranie vyžarovacieho diagramu antény s UWB radarom

V tomto prípade je používaná druhá meracia schéma (obr. 2). Hlavnou výhodou merania s UWB impulzovým radarom je, že vhodným nastavením zobrazovacieho okna osciloskopu vieme eliminovať v prijímanom signáli meranej antény signály odrážané od okolia podobne jako v predchádzajúcom prípade tak, že tieto nežiaduce javy z okolia v prijímanom signáli jednoducho nebudeme brať do úvahy, lebo v okne osciloskopu sú všetky až za odpoveďou antény, keďže ich cesta je dlhšia ako priama viditeľnosť medzi anténami.

Na výpočet diagramu sme použili prijaté impulzové odpovede meranej antény pri rôznych uhloch jej natočenia. Následne bola každá jedná impulzová odpoveď antény pri rôznom uhle spracovaná FFT (Fast Fourier Transform – Rýchlou Fourierovou transformáciou) a vplyv šumu vo výsledkoch bol vyhladený.

Takto spracované signály pre každý odmeraný uhol natočenia antény boli vydelené signálom s maximálnou hodnotou a celé to bolo prevedené do decibelovej mierky. Všetky namerané výsledky sú uvedené a porovnané v kapitole Experimentálne výsledky.

Antény

Pre experimentálne merania boli použité komerčné širokopásmové antény a nami navrhnutá a zostrojená anténa typu Vivaldi. Použité komerčné antény sú:

• malá motýliková anténa (bow-tie): GEOZONDAS AU – 1.0G4.5GR (1,0–4,5 GHz),
• veľká motýliková anténa (bow-tie): GEOZONDAS AU – 0.8G2.4G-B (0,8–2,4 GHz),
• Lieviková anténa s dvojitým rebrom (Horn): RFspin DRH10 (0,74–10,5 GHz).

Anténa typu Vivaldi bola navrhnutá, simulovaná a doladená v programovom prostredí CST Microwave Studio.

Pre anténu bol použitý substrát ARLON 600 s relatívnou εr = 6,15, stratovým činiteľom tan δ = 0,003 a hrúbkou substrátu 1,575 mm. Finálne optimalizované rozmery antény sú: W = 128 mm, L = 190 mm, W₁ = 39,55 mm, W₂ = 48,94 mm, L₁ = 58 mm, l_f = 8 mm, d = 124 mm, w_feed = 2,75 mm. Šírka mikropásikového napájania bola vyrátaná a prispôsobená k charakteristickej impedancii 50 Ω. Nami navrhnutá anténa je vyobrazená na nasledujúcom obrázku (obr. 3: vpravo nahoře).

Experimentálne výsledky

V tejto kapitole sa budeme zaoberať výsledkami meraní našej Vivaldiho antény pomocou impulzového UWB radaru a porovnáme ich s výsledkami merania realizovanými pomocou vektorového sieťového analyzátora v bezodrazovej komore.

Ako bolo už ozrejmené, S11 parameter antény bol získaný z impulzovej odpovede antény, kde bolo postačujúce zapojenie s jednou anténou (obr. 1). Na nasledujúcom obrázku (obr. 4) je zobrazená impulzová odpoveď Vivaldiho antény a budiaceho impulzu. Mierka budiaceho impulzu je v obr. 4 zmenšená.

Pre zaujímavosť v nasledujúcich grafoch uvedieme impulzové odpovede komerčných UWB antén.

Ďalší obrázok zobrazuje simulovaný a nameraný (oboma spôsobmi) S11 parameter Vivaldiho antény. Je vidieť dobrú zhodu medzi nameranými a simulovanými výsledkami.

Merania oboma metódami ukazujú, že frekvenčné pásmo antény pod hodnotou −10 dB sa začína od dolnej frekvencie 0,810 GHz a končí pri viac ako 9 GHz. Čo znamená že uvedené frekvenčné pásmo danej antény spĺňa podmienky definované pre UWB technológie. Aj keď na obr. 8 je možné vidieť pár výchyliek prekračujúcich hodnotu −10 dB smerom k nule, aj napriek tomu tieto malé výchylky sú pre nás akceptovateľné.

Obr. 8 S11 parameter antény typu Vivaldi

Vyžarovacie diagramy Vivaldiho antény boli rovnako ako v predošlom prípade porovnávané medzi simulovanými a meranými výsledkami pomocou UWB impulzového radaru a vektorového sieťového analyzátora v bezodrazovej komore.

Pre experimentálnu časť bola anténa meraná iba v H rovine v rozpätí od −90° do +90°. Krok otočenia antény pri meraní s impulzovým UWB radarom bol 11,25°. Vyžarovací diagram antény bol meraný pre frekvencie 2 GHz a 4 GHz.

Záver

Pre experimentálne merania s UWB impulzovým radarom bola použitá nami navrhnutá a vyrobená Vivaldiho anténa, kde pre jej návrh, optimalizáciu a simuláciu bolo použité CST MWS. Primárne bola táto anténa navrhnutá pre UWB radar senzorovej siete. Zmienená UWB anténa pracuje vo frekvenčnom pásme od 0,81 do cca 9 GHz.

V prvom rade môžeme z výsledkov impulzových odpovedí meraných v časovej oblasti povedať, že nami navrhnutá anténa má v porovnaní s komerčne dostupnými UWB anténami veľmi nízke zvonenie. To ju predurčuje na použitie v aplikáciách citlivých na zmeny skupinového oneskorenia prijímaného a vysielaného signálu, a to napr. pre UWB radary. Ako ďalšie z výsledkov S11 parametra Vivaldiho antény je zrejmé, že namerané výsledky s UWB impulzovým radarom majú dobrú zhodu zo simulovanými a nameranými výsledkami s VNA až do hodnoty frekvencie 6 GHz. Nad touto frekvenciou je už postupné zvyšovanie nepresnosti S11 parametra meraného UWB impulzovým radarom. Táto nepresnosť je pravdepodobne spôsobená šumom a obmedzením šírky pásma hardvéru impulzového UWB radaru. Podobne ako pri S11 parametri, tak aj pri vyžarovacom diagrame antény meranom s UWB impulzovým radarom je dobrá zhoda výsledkov so simulovanými a meranými VNA v bezodrazovej komore do hodnoty 6 GHz. Od tejto frekvencie nastáva rovnaká, postupne sa zvyšujúca nezhoda výsledkov.

Ako je možné vidieť z meraní získaných impulzovým UWB radarom v porovnaní s ostatnými (merané VNA v bezodrazovej komore a simulované), impulzový UWB radar poskytuje uspokojivý odhad parametrov antén aj so značne lacnejším a jednoduchším technickým hardvérom bez nutnosti použitia bezodrazovej komory, akým toto zariadenie je.

Poďakovanie:

Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy č. APVV-0404-12 a v rámci projektu „Centrum excelentnosti integrovaného výskumu a využitia progresívnych materiálov a technológií v oblasti automobilovej elektroniky“, ITMS 26220120055.

(Obr. 3 vpravo nahoře: Navrhnutá anténa typu Vivaldi)