Contribution to the uncertainty evaluation in the measurement of the main antenna parameters = Contribución a la evaluación de la incertidumbre en la medida de los principales parámetros de antena

摘要

New technology demands the improvement of measuring techniques, developing tapered anechoic chambers, compact and extrapolation ranges, near-field testing techniques, improved polarization techniques and swept-frequency measurements, indirect measurements of antenna characteristics and automated test systems. The accurate determination of a physical quantity or performance by measurements is a challenging task. For microwave antennas there are some established measurement techniques based on far-field and near-field methods for antenna parameters. However, established protocols for the determination of measurement errors bounds or overall measurement accuracy are still to be implemented and widely accepted among the antenna measurement community. The current methods and approaches are continually being refined and updated although Newell’s “18 terms” paper for planar near field systems and Hansen’s book for spherical near-field measurements represent de-facto references for the antenna measurement community. Results of measurements and conclusions derived from them constitute much of the technical information produced by an antenna test facility. It is generally agreed that the usefulness of the measurement results, and thus, much of the information that it is provided by the laboratory, is clearly determined by the quality of the statements of uncertainty that go along with them. Therefore, in general, the result of a measurement is only an approximation or estimation of the value of the specific quantity subject to measurement, and thus, the result is only complete when accompanied by a quantitative statement of its uncertainty. Actually, the uncertainty constitutes the quantitative measure of the quality of a measurement, which allows comparing the measurement results with other outcomes, references, specifications or standards and therefore it is the range over which the error can be expected to lie. Nowadays, since the demand of accuracy in antenna measurement has increased, the need to properly estimate and to reduce the uncertainty in antenna measurements has become a requirement to fulfil. This requirement was detected by the Radiation Group (GR) of the Technical University of Madrid (UPM), which has a long experience in antenna measurements and that actively participates in European Antenna Measurement Networks. In the past years, the GR has tried to investigate this topic in depth. The proper estimation of the uncertainty is one of the challenges for any institution that measures antennas, because up to now it is a problem only partially solved. The fact is that up to now there are no international norms or international accepted procedures to evaluate the measurement uncertainties. Therefore, the purpose of this study is to establish different techniques for the determination of uncertainties in antenna measurement systems, and to investigate how these uncertainties may affect the antenna measurement parameters for different scanners and Antennas Under Test (AUT). In addition, once the uncertainties have been estimated, the errors can be minimized and as a result the measurement systems can be improved. In order to fulfil this task, an extensive analysis of representative uncertainty guides has been performed. Additionally, the main uncertainty sources for the different antenna parameters are described following the criteria investigated in the Antenna Centre of Excellence, where I have collaborated. This analysis is extended with a practical approach of the uncertainty sources involved in the measurements that implies analyzing three different measurement facilities: the LEHA-UPM Antenna Test Facilities (“LEHA”, Laboratorio de Ensayos y Homologación de Antenas), the DTUESA Spherical Near Field Antenna Test Facility (Technical University of Denmark) and the Outdoor Cylindrical Near Field System for RADAR Antennas located in CEAR Installations (Guadalajara – Spain). In addition, this investigation includes the advantages and drawbacks of several methodologies for the establishment of uncertainties in antenna measurement terms and their effects on the antenna measurement parameters. These methodologies are based on analytical studies, simulations, measurements or simulations combined with measurements. Although these techniques are applied to specific antennas and measurement systems, statistical analyses are performed over the results to get general conclusions. Con la aparición de una tecnología más moderna, una mejora de la instrumentación y de las técnicas de medida se hace necesaria. Ésta incluye la implementación de cámaras anecoicas, rangos compactos y de extrapolación, técnicas de medida en campo cercano, métodos de polarización mejorados, medidas de barrido en frecuencia, medidas de antena indirectas y sistemas de medida automáticas. El establecimiento preciso de una cantidad física y la evaluación de su correspondiente rendimiento son tareas que constituyen aún un reto si se requiere una gran exactitud. Para antenas de microondas, existen algunas técnicas de medida de los parámetros de antena basadas en métodos de medida en campo cercano o lejano. Sin embargo, aún están por desarrollar protocolos internacionalmente aceptados en la comunidad científica de medida de antenas para determinar los límites de los errores de medida y la precisión global de la medida. Las técnicas y los enfoques que existen actualmente se están refinando y actualizando constantemente, aunque bien es cierto que el artículo de Newell que introduce los 18 términos para el análisis de la incertidumbre en sistemas de medidas planos y el libro de Hansen para las medidas en campo esférico cercano representan referencias de facto para la comunidad científica de medida de antenas. Las conclusiones extraídas de los resultados constituyen la mayor parte de la información técnica producida por un laboratorio de medida de antenas. Está comúnmente aceptado que la utilidad de los resultados de las medidas, y por lo tanto, gran parte de la información porporcionada por el laboratorio depende de la calidad del establecimiento de la incertidumbre que acompaña las medidas. Por este motivo, en general, el resultado de una medida sólo es una aproximación o una estimación del valor de una cantida específica sujeta a la medida y por lo tanto sólo se considera que el resultado está completo cuando viene acompañado por la expresión de su incertidumbre. De hecho, la incertidumbre constituye la medida cuantitativa de la calidad de una medida, que permite comparar los resultados obtenidos con diferentes resultados, referencias, especificaciones o estándares y por lo tanto resulta ser el margen dentro del cual se espera que esté el error de la medida. En la actualidad, dado que la exigencia de precisión en la medida de antenas ha aumentado, la necesidad de estimar de manera precisa y de reducir la incertidumbre en las medidas de antena se han convertido en requisitos necesarios. El Grupo de Radiación de la Universidad Politécnica de Madrid (UPM), que posee una gran experiencia en medida de antenas y que ha participado en Redes Europeas de Medida de Antenas, detectó dicha necesidad hace ya algún tiempo y ha estado trabajando durante estos últimos años investigar en este campo. La estimación correcta la incertidumbre es uno de los retos de cualquier institución que mida antenas, ya que en la actualidad dicho problema sólo se ha solucionado parcialmente. La cuestión es que hasta ahora no existe ninguna norma internacional o procedimiento aceptado internacionalmente para evaluar las incertidumbres en medida de antenas. Así pues, el objetivo de este estudio es el de establecer diferentes técnicas para el establecimiento de incertidumbres en los sistemas de medida de antenas y el de investigar cómo dichas incertidumbres son susceptibles de afectar a los parámetros de medida de antena en distintos sistemas de medida y para diferentes tipos de antenas. Además, una vez estimadas las incertidumbres, se pueden minimizar los errores y, de este modo, mejorar los sistemas de medida. Para llevar a cabo dicha tarea, se ha realizado un extenso análisis de las guías de incertidumbres más representativas. Asimismo, se han descrito las principales fuentes de incertidumbre para los diferentes parámetros de antena, siguiendo el criterio establecido en la Red de Excelencia de Antenas (ACE), en la que he colaborado. Cabe resaltar que se ha extendido este estudio, añadiéndole una visión práctica a las fuentes de incertidumbres que están presentes en las medidas en tres sistemas distintos: el Laboratorio de Ensayos y Homologación de Antenas de la Universidad Politécnica de Madrid (LEHA-UPM), las instalaciones de campo próximo esférico de la Universidad Técnica de Dinamarca (DTU-ESA Spherical Near Field Antenna Test Facility) y el sistema próximo cilíndrico en campo abierto de las instalaciones de medida de antenas de RADAR en banda L del CEAR en Guadalajara. Por otra parte, esta Tesis incluye las ventajas e inconvenientes de varias metodologías para el establecimiento de incertidumbres en términos de medida de antenas y sus efectos en los parámetros de medida de antena. Estas metodologías están basadas en estudios analíticos, simulaciones, medidas y una combinación de medidas y simulaciones. A pesar de que estas técnicas se han aplicado para antenas y sistemas de medida específicos, se han analizado los resultados para extraer conclusiones de carácter general.