Hiện nay có nhiều phương pháp đo khác nhau có liên quan tới 2 miền dùng để đo ăng ten. Miền trường xa, hay cũng thường được gọi là miền bức xạ trường xa hoặc miền Fraunhofer, được định nghĩa là miền mà trong đó các mẫu bức xạ không bị thay đổi bởi khoảng cách.
Phương pháp đo truyền thống: Trường gần, trường xa là gì?
Mặc dù không có một định nghĩa chính xác nào về trường xa, nhưng một cách tương đối thì trường xa cho khoảng bức xạ của miền điện ăng ten được tính toán như là miền có d ≥2D2/λ, trong đó d là khoảng cách từ ăng ten vùng bức xạ trường xa, D là kích thước lớn nhất của ăng ten, và λ là bước sóng. Một cách tính xấp xỉ khác mà không đề cập tới kích thước ăng ten đó là d > 10λ. Do đòi hỏi giá thành cao và đáp ứng các yêu cầu khắt khe nên hiếm khi các nhà sản xuất ăng ten kiểm tra trường xa.
Hình 1: Khoảng cách tới các miền khác nhau
Trái lại, Trường gần, hay thường được gọi là miền bức xạ trường gần hoặc miền Fresnel, thể hiện miền lan truyền nhiều nhất thì thường xuyên được các nhà sản xuất ăng-ten sử dụng. Các phép đo đo lường trường gần cần được thực hiện trong một phạm vi nhỏ hơn, và đòi hỏi phải có một phòng câm nhỏ. Một khi đã đạt được kết quả trong trường gần, nhờ thuật toán chuyển đổi có thể đưa ra được kết quả dự đoán trong trường xa. Về mặt lý thuyết, mặc dù tham chiếu từ trường gần, nhưng thông tin sẽ được bảo toàn khi dự đoán kết quả trường xa. Vì về mặt khách quan để đạt được độ chính xác đo trường xa, việc đo trường gần trong phòng câm đòi hỏi phải cung cấp môi trường được giám sát và đã được che chắn rất tốt. Nếu không, các nhiễu từ bên ngoài và tín hiệu phản xạ sẽ gây ảnh hưởng nghiêm trọng tới độ chính xác đo.
Giống như trường xa, trường gần cũng không được định nghĩa một cách chính xác. Trường gần có thể được biểu diễn dưới dạng toán học như là d < 2D2/ λ. Hoặc một cách ít chính thức hơn thì trường gần có thể được tính toán ở khoảng ba đến 10 lần bước sóng. Bằng cách sử dụng biến đổi Fourier từ việc đo lường trường gần sẽ cho ra kết quả của mô hình trường xa. Đặc biệt các biến đổi Fourier được gọi là "phân chia khẩu độ hai chiều để biến đổi góc phổ ". Phương pháp này giúp biến đổi kết quả từ trường gần sang trường xa được chứng nhận là chính xác bởi hầu hết các cơ quan quản lý.
Trường rất gần, là một khái niệm mới, bằng cách thực hiện đo ăng ten ở khoảng cách đủ gần để tính toán công suất của ăng ten. Trường rất gần có thể tác động tức thời tới vùng phản xạ, điều này ngược lại với trường gần sẽ bức xạ ra xa vùng phản xạ.
Phương pháp đo truyền thống thường không thực hiện lấy mẫu liên tục ăng ten trong vùng phản xạ, vùng mà được tính toán dưới dạng toán học là d ≤ λ/2π cho ăng ten nhỏ và d <0.62 √(D3/λ) với ăng ten lớn hơn. Việc đo trong trường rất gần được thực hiện rất sát với các cảm biến nơi mà khó có thể tránh được hiêu hứng Coupling.
Để có thể đo trong trường rất gần, thiết bị đo phải tối thiểu hiệu ứng coupling và dự đoán trước được hiệu ứng này. Để làm được điều này, cần phải bố trí một mảng các đầu dò tĩnh bao trùm toàn bộ mặt bảng quét và có thể chụp lại được dữ liễu đo. Vì các đầu dò là tĩnh, không có sự di chuyển cơ học nào trong suốt quá trình đo, nên thiết bị sẽ chụp lại dữ liệu trường rất gần cực kỳ nhanh. Một ưu điểm nữa của việc không di chuyển các đầu dò đó là hiệu ứng Coupling giữa ăng ten và mảng đầu dò sẽ như nhau trong suốt quá trình đo. Ngay cả với ưu điểm này thì không có một giải pháp riêng rẽ nào có thể giải quyết hoàn toàn được vấn đề Coupling vì hiệu ứng Coupling phụ thuộc vào mẫu dạng của ăng ten. Tuy nhiên, với một phép xấp xỉ hợp lý thì có thể thực hiện được việc đo ngay cả khi không biết mẫu dạng ăng-ten.
Hình 2: Mảng đầu dò tĩnh và ăng ten
Để thực hiện phương pháp này cần phải có một mảng các đầu dò mà có thể đo từ trường (H-Field) và đưa ra dữ liệu của trường xa bằng cách sử dụng thuật toán chuyển đổi phân chia khẩu độ hai chiều để biến đổi góc phổ hoặc chuyển đổi phổ sóng phẳng (PWS). Một thuật toán thứ hai sau đó được sử dụng để điều chỉnh kết quả trường xa giúp loại bỏ dự đoán các hiệu ứng Coupling của mảng đầu dò. Việc dự đoán hiệu ứng Coupling này sẽ có một số lỗi vì nó phụ thuộc vào mẫu ăng ten. Lỗi này thường rất nhỏ vì nó là không đổi đối với một dạng ăng ten cụ thể và có khả năng đưa ra kết quả cho một mô hình ăng-ten đã quy định là cực kỳ tốt.
Các thông số ăng ten cần đo
Mục tiêu chính của việc đo ăng ten đó là để có được thông số công suất của ăng ten, thông số có mối quan hệ gần gũi với kết quả trường xa. Mặc dù có nhiều loại dự đoán khác nhau, chúng tôi sẽ tập trung việc thảo luận dựa trên sóng phẳng Plane Wave/ Modal Expansion. Các phép đo cơ bản yêu cầu bao gồm mẫu bức xạ (hay giản đồ bức xạ), độ lợi, hiệu suất, độ rộng búp sóng và độ phân cực. Có nhiều công nghệ phức tạp, như 4G LTE, công nghệ ăng ten mimo để giúp cải thiện tốc độ và chất lượng của việc truyền sóng. Các công nghệ này cũng yêu cầu đòi hỏi các phương pháp đo tiên tiến như công nghệ tương quan đường bao (envelope correlation).
Tỷ số trục là thông số đặc trưng cho các ăng ten phân cực tròn, và các ăng ten này thường được sử dụng trong GPS, vệ tinh, và một số ăng ten mặt đất. Việc đo mẫu dạng búp sóng, được sử dụng cho mảng ăng ten và các ứng dụng chung trong ra đa, cũng đang được sử dụng trong các ứng dụng thương mại. Việc đo mẫu dạng búp sóng cũng có thể được sử dụng cho sửa chữa một số lỗi trường gần như sau: xác định một hoặc nhiều lỗi cơ bản trong một mảng ăng ten, xác định lỗi cộng hưởng không mong muốn trong một thiết bị, và xác định lỗi dò năng lượng ăng ten từ vùng nằm ngoài ăng ten của một thiết bị.
Hai dữ liệu mẫu phương pháp kiểm tra ăng ten truyền thống theo ba chế độ: Mặt phẳng (Planar), Mặt trụ (Cylindrical), và Mặt cầu (Spherical). Trong bảng so sánh ở trên (Hình 3), sẽ so sánh nhiều thông số đo của mỗi chế độ theo nhiều điểm. Một cách ngắn gọn, chế độ đo mặt phẳng trong trường gần là lý tưởng cho đo ăng ten định hướng như là các bộ phát đáp vệ tinh.
Các phương pháp đo ăng ten truyền thống
Hình 3: So sánh tổng quát các phương pháp đo ăng ten
Mặc dù chế độ đo mặt phẳng trong trường gần bỏ qua hiệu ứng coupling, trong thực tế, hiệu ứng coupling thường xuyên hiện diện, nhưng sẽ được tối thiểu hóa tới một mức độ vừa đủ như là nó chỉ có ảnh hưởng rất nhỏ trong các kết quả đo được. Điều đó cho thấy rằng, việc giảm diện tích vùng quét cho các phép đo trong trường gần sẽ dẫn đến rút ngắn phép đo trường gần và gây ra kết quả mẫu trường xa không được chính xác. Để có được kết quả trường gần chính xác, các phương pháp đo phải duy trì một mẫu chuẩn nội của một nửa búp sóng (λ/2) và phải đủ diện tích vùng quét.
Chế độ đo mặt trụ trong trường gần đã được sử dụng cho ăng ten hoạt động trong một mặt phẳng như là ăng ten BTS. Chế độ đo mặt cầu trong trường gần phù hợp nhất cho đo các ăng ten vô hướng (Omnidirectional antennas) mà được sử dụng cho thông tin di động, Wi-fi, Bluetooh và nhiều loại ăng ten khác.
Các thách thức từ Công nghệ đo lường ăng ten truyền thống
Trường xa:Thách thức lớn nhất đối với các phép đo trường xa được hàm ý ngay trong cái tên của nó." Đo Trường xa đòi hỏi phải có một không gian lớn. Nếu đo ngoài trời, phép đo sẽ bị làm sai lệch do các ảnh hưởng từ các tín hiệu thu phát xung quanh. Nếu đo trong nhà nơi đã được đảm bảo không bị ảnh hưởng từ môi trường xung quanh, việc đo trường xa đòi hỏi phải có một phòng rất lớn được che chắn toàn bộ và các tấm sốp hấp thụ sóng vô tuyến này thì có giá thành rất đắt.
Hơn nữa, phương pháp đo trường xa yêu cầu phải có rất nhiều thời gian vì các đầu đo đơn cần phải được bố trí cực kỳ chính xác trong ba trục (x,y và z). Để so sánh, với chế độ đo mặt phẳng chỉ yêu cầu phép đo chính xác trong hai trục (x và y). Kết quả là, các phép đo trường xa sẽ mất vài giờ hoặc nhiều hơn nữa, ngoài ra còn đòi hỏi một kỹ thuật viên đã được đào tạo chuyên sâu, và có thể dẫn tới sự chậm trễ kế hoạch đo lường. Đối với chế độ đo mặt cầu hoặc mặt trụ trong trường xa còn cần có thời gian lớn hơn rất nhiều và cần có các cánh tay robot hỗ trợ giúp có được vị trí chính xác các đầu đo. Tóm lại, các phép đo trường xa rất tốn kém về tài chính.
Trường gần:Phương pháp đo trong trường gần cũng vướng phải các thách thức đo giống như trong trường xa, tất nhiên là phòng đo của phương pháp này sẽ nhỏ hơn một chút. Mặc dù có thể thời gian đo nhanh hơn, nhưng cũng sẽ mất vài phút. Thêm nữa, một số lỗi trong việc tính toán ảnh hưởng của hiệu ứng coupling có thể dẫn tới các sai sót trong kết quả đo. Và cũng như phương pháp trường xa, phép đo trong trường gần cũng đòi hỏi chi phí cao cũng như bố trí bài đo khá phức tạp.
Phòng vang:Mặc dù chúng có thể giải quyết một số thách thức đã đặt ra đối với phương pháp đo trong trường gần và trường xa, nhưng Phòng vang vẫn có những hạn chế đáng kể. Chúng không thể đưa ra được thông tin về độ định hướng của phân cực trường xa. Phương pháp đo này có thể đưa ra được một số kết quả của vài phép đo rất nhanh nhưng người đo sẽ phải cân nhắc về độ chính xác và tốc độ đo cũng rất ít khi đạt được như mong muốn; một số trường hợp thích hợp với phương pháp đo này đó là đo thông số độ lợi phân tập (diversity gain), các ăng ten Mimo, thông số tổng công suất bức xạ và thông số độ nhậy máy thu khi đã biết tỷ số lỗi bit (BER). Phương pháp đo phòng vang cũng không đòi hỏi không gian lớn và giá thành cũng thấp hơn so với phương pháp đo phòng câm (Anechoic Chambers) sử dụng cho phép đo trường gần và trường xa, tuy nhiên vẫn đòi hỏi chi phí đầu tư ban đầu lớn.
Mối liên hệ giữa dữ liệu dự đoán và kết quả thực tế trong trường xa sử dụng phép trường rất gần.
Các thiết bị sử dụng phương pháp đo trong trường rất gần như sản phẩm RFxpert cần phải đưa ra các dự đoán cực kỳ ý nghĩa mà có mối liên hệ mật thiết tới kết quả đo trường xa. Thông qua lợi ích của việc thiết kế nhiều loại Ăng ten khác nhau từ việc sử dụng phép đo trong trường rất gần, phương pháp đo này sẽ đưa ra được các kết quả chính xác nhất với các Ăng ten có cấu trúc mặt phẳng như Ăng ten Patch và khẩu độ phẳng như Ăng ten Horn. Một ví dụ điển hình của các loại Ăng ten này đó là Ăng ten cho các Thiết bị di động. Các Công ty sản xuất Thiết bị di động cần đo nhiều thông số Ăng-ten để kết luận các Ăng ten đó có đáp ứng yêu cầu quy định không và kiểm tra công suất của Ăng ten bao gồm tính định hướng và hiệu suất. Hiệu suất Ăng ten đặc biệt quan trọng vì với một Ăng ten có hiệu suất cao thì chỉ cần một Nguồn Công suất thấp do đó sẽ tăng thời gian sử dụng của Pin.
Các kết quả đo sau sẽ cho thấy việc đo trường rất gần có thể dự đoán được kết quả thực tế trong trường xa khá chính xác. Sự khác biệt giữa kết quả đo trong Phòng câm và RFxpert chỉ trong dải +/- 1.5 dB.
Kết quả đo #1-3: So sánh giữa dự đoán thông số trường xa sử dụng phép đo trường rất gần và kết quả đo trường xa trong Phòng câm cho 3 loại điện thoại di động khác nhau ở các tần số di động điển hình.
Kết quả đo #1:
Kết quả đo #2:
Kết quả đo #3:
Kết quả đo #4:
Biểu đồ so sánh kết quả đo từ phép đo trường rất gần dự đoán kết quả đo trường xa (trục y) và phép đo trường gần dự đoán ra kết quả đo trường xa (trục x). Với kết quả này cho thấy trường rất gần ở băng WCDMA băng thấp và băng tần Wifi ở tần số 2.4 GHz sẽ đưa ra được các kết quả đo trường xa sai số trong khoảng +/- 1.5dB.
KẾT LUẬN: Các ưu điểm của phương pháp đo trường rất gần
Các hệ thống đo trường gần và trường xa đòi hỏi phải hiệu chuẩn và bảo trì liên tục, nhưng đối với phương pháp đo trường rất gần như sản phẩm RFxpert thì không cần điều đó. Một số phòng câm còn yêu cầu các Ăng ten tham chiếu để phục vụ phép đo, nhưng với phương pháp đo trường rất gần thì không yêu cầu. Hiện nay, quan trọng nhất đối với công việc thiết kế Ăng ten đó là đẩy nhanh thời gian đưa ra thị trường của Sản phẩm, và RFxpert làm được điều đó nhờ vào khả năng đưa ra kết quả đo chính xác chỉ trong vài giây.
Với kích thước nhỏ của Sản phẩm giúp nó có thể sử dụng ở mọi nơi như một Hệ thống đo để bàn nhỏ gọn. Mặc dù có kích thước nhỏ, nhưng sản RFxpert vẫn đạt được độ chính xác cao cả về Mẫu Pattern và cả về các thông số của trường xa.
Với phương pháp đo trường rất gần có thể đo được rất nhiều thông số như: Độ lợi, Công suất bức xạ, Hiệu suất, tính định hướng, và Tỷ số trục.
