Capitolo 5 - Metodi di misura

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Capitolo 5 - Metodi di misura

Nel presente capitolo verranno descritti i metodi di misura utilizzati, una volta terminata la costruzione della camera semi-anecoica e nella recente analisi, per verificare le prestazioni della camera stessa attraverso la riflettività dei pannelli assorbenti che ne ricoprono le pareti.

5.1 Il metodo di misura Termination-VSWR

In passato per misurare il VSWR (Voltage Standing Wave Ratio), noto anche come ROS2, di un dispositivo connesso ad una linea una sonda veniva inserita nella linea di trasmissione e spostata lungo la linea stessa, i livelli massimo e minimo di tensione rilevati davano il valore del VSWR del carico e quindi il suo coefficiente di riflessione. Si ricorda che il valore del VSWR è compreso tra 1 ed infinito, dove 1 indica carico adattato e riflessione nulla mentre infinito significa linea chiusa in corto circuito o in circuito aperto con riflessione totale.

max min

1

1

V

VSWR

V

+ Γ

=

=

− Γ

Il metodo di misura detto Termination-VSWR si basa proprio su questo principio per collegare un trasmettitore/ricevitore ad un’antenna, puntata sulla parete ricoperta di pannelli assorbenti da testare, e simulare il movimento della sonda nella slotted line muovendo linearmente un carrello trasportante l’antenna e l’apparato trasmettitore/ricevitore. Per ottenere a bassi valori di VSWR una migliore accuratezza uno stub tuner viene introdotto riducendo la VSWR propria dell’antenna e migliorando così la rilevazione delle variazioni misurate muovendo il carrello.

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Figura 5.1: Test set-up per misure con il metodo “Termination-VSWR”

La procedura da seguire utilizzando il metodo Termination-VSWR è la seguente:

1. L’attrezzatura per la misurazione deve essere posta su un carrello con l’antenna puntata verso la parete da misurare. E’ sconsigliato l’uso di carrelli metallici in modo da evitare disturbi aggiuntivi al sistema, possono essere utilizzati invece carrelli in legno.

2. Il valore di riferimento per riflessione totale viene ottenuto sostituendo l’antenna con un corto circuito (la misurazione và effettuata in assenza di tuner) e viene registrato come livello A.

3. L’antenna deve essere ricollegata all’apparato preceduta sulla linea da uno stub tuner.

4. Lo stub tuner và settato in modo da ottenere un livello di segnale il più basso possibile e quando questo diviene talmente basso da confondersi con il rumore il livello di potenza deve essere aumentato. Il livello raggiunto deve essere annotato come L1.

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5. Il carrello deve essere mosso o in avanti o indietro, lungo la direzione di puntamento dell’antenna, di poche lunghezze d’onda (comunque di almeno λ/2 per essere sicuri di avere un valore massimo ed uno minimo).

Un pattern dell’onda stazionariadeve venire registrato con un livello minimo m1 ed un livello massimo M1 come mostrato in Figura 5.2.

Il livello m1 è determinato dalla differenza tra il valore della riflessione dovuta all’attrezzatura, chiamiamo questo valore Y, e quella dovuta ai pannelli assorbenti che indichiamo con B.

Il livello M1 è determinato dalla somma dei due contributi Y e B.

1

20log

Y

B

m

A

−

=

M

1

20log

Y

B

A

+

=

Una volta determinati m1 e M1 è possibile calcolare i due valori VSWR1 e

VSWR2 1 1 20 20

1

1

1

1 20log

10

10

2

2

M

m

VSWR





+

=

=



_

+



_





1

1

1

1 20log

10

10

2

2

M

m

VSWR





−

=

=



_

−



_





6. Lo stub tuner deve essere settato su di un altro livello di potenza (L2).

7. Ripetendo i punti 4 e 5 si registra un nuovo wave pattern che presenterà un nuovo valore minimo m2 ed un nuovo massimo M2 con i quali sarà possibile calcolare VSWR3 e VSWR4.

8. La riflessione dovuta ai pannelli assorbenti dovrebbe essere la stessa indipendentemente dal settaggio dello stub tuner (in realtà nella misura possono mostrarsi leggere variazioni) mentre quella dovuta all’apparecchiatura varia, sarà pertanto possibile notare che uno tra i valori VSWR1 e VSWR2 sarà uguale ad uno tra VSWR3 e VSWR4.

Il valore dei due VSWR uguali corrisponderà al valore di riflettività dei pannelli assorbenti. Nel caso di valori leggermente difformi si assume come valida la media fra i due.

Un esempio pratico di calcolo della riflettività di una parete ricoperta di pannelli assorbenti con metodo Termination-VSWR è riportato nell’ “Appendice A”.

Il metodo di misura Termination-VSWR risultava piuttosto lento dato che si poteva lavorare solo con una frequenza alla volta e che era necessario spostare il carrello del set up diverse volte per trovare valori di massimo e minimo contigui, il livello d’accuratezza raggiungibile inoltre era tale da rendere poco affidabili misure effettuate a frequenze superiori ai 12 GHz.

Oggi la presenza di analizzatori di rete con la capacità di lavorare nel dominio del tempo e l’esistenza di antenne broadband direttive, come le antenne horn, ha reso il metodo Termination-VSWR obsoleto.

La misura della riflettività viene attualmente effettuata attraverso due differenti metodi in base alla frequenza d’interesse: l’Advanced VSWR (AVSWR), usato per misure in un range frequeziale che va dai 500 MHz ai 6 GHz ed il metodo della radar cross-section (RCS), usato tra i 6 e i 18 GHz; questi nuovi metodi permettono di misurare un completo range frequenziale nello stesso tempo necessario prima per effettuare la misura a solo una o due frequenze.

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Entrambi i due nuovi metodi sono estendibili, utilizzando antenne con opportuna larghezza di banda, ad intervalli frequenziali più ampi di quelli indicati, sebbene la precisione dei valori trovati risulti inferiore.

5.2 Il metodo di misura AVSWR

L’apparecchiatura necessaria per eseguire questo metodo di misura include un analizzatore di rete (che copra il range frequenziale richiesto) con l’opzione del dominio del tempo, un kit di calibrazione per la misura del parametro S11 (composto da un corto circuito, un circuito aperto ed un carico da

50 Ω broadband), un antenna broadband direttiva, cavi coassiali con impedenza di 50 Ω di buona qualità per collegare l’antenna al VNA3 e materiale assorbente per coprire il tratto di suolo tra l’antenna e la parete al fine di ridurre la presenza di echi non desiderati.

Figura 5.3: Tipico “test set-up” per metodo di misura AVSWR

3

La procedura da seguire con il metodo AVSWR può essere così riassunta:

1. L’antenna deve essere puntata verso la parete da misurare posizionandola a breve distanza dai pannelli, una buona distanza è approssimativamente 1m dall’estremità dei pannelli (dalla punta dei coni se i pannelli sono composti da questi elementi).

2. L’analizzatore deve essere calibrato alla fine del cavo per la misura del parametro S11 con il kit di calibrazione.

3. La calibrazione deve essere verificata ricollegando gli standard del kit all’analizzatore di rete, controllando su una carta di Smith o su un diagramma polare la corretta collocazione dei punti (come mostrato in Figura 5.4) ed infine memorizzata.

Figura 5.4: Posizione dei punti in caso di corretta calibrazione

4. Si collega l’antenna all’analizzatore e su questo si seleziona il dominio del tempo, generalmente in modalità time-gating passa banda. Lo schermo a questo punto mostrerà la risposta della riflessione nel dominio del tempo includendo sia la riflessione della parete che quella propria dell’antenna.

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5. Il time gating deve essere impostato in un intorno del materiale assorbente che ricopre la parete, in modo da eliminare la componente di riflessione dell’antenna, dopodiché si reimposta sullo strumento il dominio della frequenza. La curva che apparirà (S11 in dB) mostrerà ora direttamente il coefficiente di

riflessione della parete in decibel in funzione della frequenza.

L’opzione dominio del tempo dell’analizzatore di rete è importante per la possibilità che offre di applicare un time gating, qualora il VNA non disponesse di tale opzione è comunque possibile applicare successivamente il time gating attraverso un post processing su di un personal computer, facendo una fast-Fourier transform dei risultati ottenuti dall’analizzatore, filtrando ed infine antitrasformando per riottenere una risposta nel dominio della frequenza.

5.3 Il metodo di misura RCS

Per calcolare la radar cross-section (RCS) di una parete della camera anecoica e da questa risalire alla riflettività l’equipaggiamento necessario è costituito da un analizzatore di rete con l’opzione del dominio del tempo, due antenne broadband direttive che coprano il range frequenziale d’interesse o, in alternativa, un’unica antenna broadband direttiva associata ad un accoppiatore direzionale, un bersaglio metallico di RCS nota che funga da riferimento, un posizionatore che ponga il bersaglio di riferimento ai giusti angoli di elevazione ed azimuth (non necessario nel caso di bersaglio omnidirezionale quale una sfera), cavi coassiali con impedenza 50Ω di buona qualità per collegare le antenne al VNA, pannelli assorbenti per coprire il suolo tra le antenne e la parete in modo da ridurre il peso di echi indesiderati e l’accoppiamento tra le antenne, infine un metro per misurare la distanza tra antenne e parete e tra antenne e bersaglio di riferimento.

Figura 5.5: Tipico “test set-up” per metodo di misura RCS

La procedura da seguire per la misurazione con il metodo RCS è la seguente:

1. Le antenne devono essere posizionate in modo che puntino verso la parete assorbente oggetto della misura, si procederà poi a misurare la distanza R che separa la bocca delle antenne dalla fine dei pannelli assorbenti che ricoprono la parete (vedi Figura 5.6).

2. Dopo aver collegato le antenne all’analizzatore di rete tramite i cavi coassiali si imposta il VNA per lavorare nel dominio del tempo. Sullo schermo verrà mostrata la risposta nel dominio del tempo comprendente sia la riflessione della parete testata che il ROS dell’antenna trasmittente e l’accoppiamento tra le antenne.

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Figura 5.6: Set-up per misura “Empty room”

3. Per escludere il contributo dovuto all’accoppiamento tra le due antenne ed a riflessi indesiderati deve essere impostato un time gating sulla parete. Spostandoci nel dominio della frequenza sullo schermo dell’analizzatore di rete la curva, andamento del modulo del parametro S21 in dB, mostrerà il livello di

riflessione in dB della parete assorbente, che verrà indicato come Emp 4, in funzione della frequenza.

4. Un bersaglio metallico di riferimento, di RCS teorica nota, deve essere posizionato su di un supporto a bassa RCS posto a distanza D dalla bocca delle antenne facendo sì che entrambe le antenne puntino verso di esso come mostrato in Figura 5.7. E’ importante utilizzare un posizionatore che orienti il bersaglio di riferimento, agendo su angolo di elevazione ed azimuth, in modo che l’onda

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riflessa misurata sia la più alta possibile; nel caso in cui il bersaglio di riferimento sia una sfera l’uso del posizionatore non è necessario, essendo questa un bersaglio che reirradia omnidirezionalmente.

Figura 5.7: Set-up per misura con bersaglio di riferimento

5. Dopo aver reimpostato l’analizzatore in modo da lavorare nel dominio del

tempo, sullo schermo si avrà una risposta che includerà il ROS dell’antenna in trasmissione, l’accoppiamento fra le due antenne, la riflessione dovuta al bersaglio e quella dovuta alla parete; il gating deve essere impostato in modo che inizi poco prima del bersaglio e finisca poco dopo affinchè venga considerata solo la riflessione del bersaglio di riferimento. Reimpostato il dominio della frequenza, la curva sullo schermo dell’analizzatore mostrerà il valore della

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riflessione del bersaglio in dB ed al variare della frequenza, valore che verrà indicato come Ref 5.

6. Calcolata la RCS teorica del bersaglio di riferimento alle varie frequenze,

indicata come RCSRef , da questa e dai valori Emp e Ref è possibile trovare il

valore della RCS della parete (RCSW) partendo dalla seguente formula:

2 4 W Ref

Emp

R

RCS

RCS

Ref

D



 



=

_

_

_

_









Il termine (R/D)4 nell’ Equazione 5.1 serve da fattore correttivo per compensare la differente distanza che bersaglio di riferimento e parete hanno dalla bocca delle antenne.

Essendo tutti i valori misurati in dB l’equazione da utilizzare sarà:

[

]

[

]

dBm

dBm

dB

dB

40log

R

RCS

RCS

Emp

Ref

D









₌





₊

₋

₊

_

_









_

_

7. La RCS di una parete coperta da materiale assorbente, con antenne poste a

distanza R, e la riflettività dei pannelli assorbenti, indicata con Re sono legate dalla seguente equazione lineare:

2

W

RCS

=

π

R Re

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La radar cross-section è un’area equivalente, la sua unità di misura è infatti [m2], mentre la riflettività è un valore adimensionale proprio di un certo materiale e di una certa struttura, indipendente dalla dimensione dell’area esaminata; per risalire a questo valore si dovrà tenere conto dell’area illuminata dalle antenne durante le misure, area pari ad una circonferenza che ha come diametro la distanza R tra parete e antenne (da qui il fattore πR2).

A questo punto è possibile risalire al valore della riflettività, espresso in dB, applicando la seguente formula:

[

]

(

)

Re dB

=

RCS



_

dBm



_

−

10log

π

R