В Институте исследований Юго-Запада (SwRI) открылась новая лаборатория для испытания антенн — сферический ближнепольный измерительный комплекс. Это помещение площадью 117 квадратных метров, стены которого покрыты специальным поглощающим материалом. Здесь можно с высокой точностью измерить электромагнитное поле вблизи от антенны, а потом с помощью математических расчетов получить данные о ее работе на большом расстоянии.

Ближнее поле — это сложная картина излучения прямо вокруг антенны. Дальнее поле — это уже упорядоченные радиоволны, которые распространяются в пространстве. Анализ обоих типов полей дает полное представление о характеристиках антенны. Измерения в ближней зоне обычно проводят, сканируя поле по плоскости, цилиндру или сфере.

Сбор данных по сферической поверхности — это самый полный и универсальный метод измерения диаграммы направленности для любых типов антенн, — объясняет ведущий инженер отделения оборонных и разведывательных решений SwRI, доктор Джимми Ли. — Мы получаем полные трехмерные данные о радиационной характеристике антенны, а не ограниченные проекции, как при других методах.

Антенны — это интерфейс между электронными устройствами и эфиром. Их тестирование необходимо для оценки эффективности и соответствия стандартам. Они используются повсеместно: в сотовых сетях, Wi-Fi, радарах, спутниковой связи и навигационных системах.

Новый комплекс в SwRI предлагает ряд уникальных преимуществ:

• Свобода от ограничений по расстоянию. Не нужна огромная дистанция для измерений в дальней зоне — эти данные вычисляются из ближнепольных замеров.
• Мощная инфраструктура. Встроенный потолочный подъемник грузоподъемностью 500 кг позволяет устанавливать крупногабаритные антенны до 3 метров в диаметре.
• Широкий диапазон частот. Комплекс работает в диапазоне от 200 мегагерц до 40 гигагерц.
• Высокая скорость. Непрерывное вращение антенны во время измерений ускоряет сбор данных.
• Глубокая диагностика. Возможна не только полная характеристика диаграммы направленности и поляризации, но и поиск неисправных элементов в антенных решетках, оценка их работы, настройка обтекателей (радомов) и картографирование поверхности отражателей.

Главное же отличие от открытых полигонов — независимость. На работу не влияют погодные условия или строгие правила Федеральной комиссии по связи (FCC) США, которые регулируют высоту установки и мощность передачи на открытом воздухе.

Поскольку наш комплекс находится внутри здания, нам не нужно соблюдать требования FCC относительно высоты антенны и других ограничений на передачу сигналов, которые действуют для испытаний под открытым небом, — говорит вице-президент отделения оборонных и разведывательных решений SwRI, Нилс Смит. — Теперь мы можем проводить всесторонние испытания антенн прямо на нашей площадке, и у нас больше свободы действий. Это значит, что анализ характеристик антенн для наших клиентов станет еще качественнее.

В планах развития — модернизация комплекса для поддержки технологий миллиметрового диапазона волн, которые критически важны для сверхбыстрой передачи данных в сетях 5G.

SwRI проектирует, разрабатывает и испытывает антенны, а также создает программное обеспечение для обработки сигналов для государственных и коммерческих заказчиков, включая ВМС, ВВС, Корпус морской пехоты США и разведывательные ведомства.

Реальная польза от таких разработок лежит в нескольких плоскостях.

• Прежде всего, это ускорение и удешевление цикла создания новых антенн для критически важных систем: спутниковой связи, военных радаров, систем ПВО. Возможность быстро и точно протестировать прототип в контролируемых условиях без согласований с регуляторами сокращает время выхода продукта на рынок на месяцы.
• Во-вторых, глубокая диагностика (поиск сломанных элементов в фазированных антенных решетках, анализ обтекателей) напрямую повышает надежность конечных устройств. Представьте антенну спутника, которую невозможно починить после запуска: благодаря такому комплексу можно быть уверенным в ее идеальной работе до старта.
• В-третьих, это фундамент для будущего — тестирование антенн для сетей 5G/6G в миллиметровом диапазоне. Без таких точных внутренних комплексов развитие этих технологий уперлось бы в стену невозможности адекватно проверить их компоненты в городских условиях.

Основное уязвимое место подобных комплексов — это принципиальная зависимость точности итоговых данных о дальней зоне от математических преобразований. Алгоритмы трансформации ближнего поля в дальнее (например, сферическое разложение в ряд по сферическим гармоникам) требуют идеального учета всех погрешностей: неточности позиционирования зонда, отражений от поглотителей даже с высоким коэффициентом поглощения, внешних помех. Малейшая неучтенная системная ошибка на этапе ближнепольных измерений может привести к значительным искажениям в рассчитанной дальней диаграмме направленности, особенно для антенн с очень низким уровнем боковых лепестков или сложной поляризационной характеристикой. Таким образом, преимущество «независимости от расстояния» компенсируется повышенными требованиями к калибровке и метрологическому обеспечению всего тракта.

Ранее ученые разработали антенну на основе ложных поверхностных плазмонных поляритонов.