Fast postprocessing techniques for advanced spherical near-field measurements

Rodríguez Varela, Fernando (2021). Fast postprocessing techniques for advanced spherical near-field measurements. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.69162.

Description

Title: Fast postprocessing techniques for advanced spherical near-field measurements
Author/s:
  • Rodríguez Varela, Fernando
Contributor/s:
  • Galocha Iragüen, Belen
Item Type: Thesis (Doctoral)
Read date: 2021
Subjects:
Freetext Keywords: Medida de antenas; postprocesado; campo próximo; expansión de ondas esféricas; submuestreo; medidas desplazadas; mallas no uniformes; transformada rápida de Fourier no uniforme; superficies arbitrarias; medidas sin referencia de fase = Antenna measurements; postprocessing; near-field; spherical wave expansion; under sampling; down sampling; offset measurements; non-uniform grid; non-uniform fast Fourier transform; arbitrary surfaces; phaseless measurements
Faculty: E.T.S.I. Telecomunicación (UPM)
Department: Señales, Sistemas y Radiocomunicaciones
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

Las medidas de campo próximo esférico son un conjunto de técnicas bien establecidas para caracterizar antenas de forma precisa. Al escanear el campo cercano con una sonda auxiliar sobre una superficie esférica que encierra la antena bajo prueba (ABP) y aplicar técnicas de postprocesado, se puede obtener su diagrama de radiación con una incertidumbre muy baja. Esto aumenta considerablemente el tiempo de medida en comparación con los enfoques de campo lejano o cuasi-lejano e impone una serie de restricciones en cuanto a la coherencia de fase entre ABP y sonda, así como el número de puntos de muestreo y su distribución. Estos requisitos pueden dar lugar a medidas más largas, costosas o poco prácticas. El desarrollo de técnicas avanzadas de postprocesado permite relajar estas restricciones, para maximizar la eficiencia de los laboratorios de medida de antenas modernos. Después de presentar la teoría básica de la transformación de campo próximo esférico a campo lejano, así como los algoritmos y desafíos actuales, esta tesis contribuye con una serie de técnicas innovadoras para el postprocesado de campo próximo esférico en diferentes escenarios. Se consideran tres aplicaciones diferentes: - Reducción del número de muestras para minimizar el tiempo de medida. Se presentarán dos técnicas diferentes que explotan las propiedades de radiación de las antenas de haz tipo pincel y de las montadas de forma descentrada en el posicionador de medida. - Mallas no uniformes y superficies arbitrarias: el uso de mallas de escaneo diferentes de las equiangulares, así como la generalización de las medidas de campo próximo a superficies arbitrarias son de gran interés para aumentar la flexibilidad del proceso de medida. Para esta aplicación, se proponen e investigan dos técnicas eficientes. - Medidas sin referencia de fase: Trabajar con datos en amplitud facilita las medidas de alta frecuencia y puede evitar la necesidad de costosos equipos de radiofrecuencia. Se investigarán técnicas de recuperación de fase que permitan el postprocesado en estos escenarios. El objetivo común de todos los algoritmos introducidos es recuperar la Expansión en Ondas Esféricas (SWE) de la ABP minimizando la información de campo cercano y los recursos computacionales necesarios. Una vez obtenida la SWE, todas las características de radiación de la ABP, incluido el diagrama de radiación, pueden derivarse directamente. Con los resultados de la investigación realizada y de los algoritmos desarrollados en esta tesis, los laboratorios de medida de antenas, como el de la Universidad Politécnica de Madrid, pueden beneficiarse incorporando los conocimientos derivados al postprocesado de sus medidas. Se han realizado ejemplos prácticos con datos de campo cercano medidos que demuestran que todas las técnicas desarrolladas pueden ser implementadas en el software de postprocesado para permitir medidas avanzadas. Además, las aportaciones introducidas abren nuevas líneas de investigación para seguir mejorando los algoritmos desarrollados. ----------ABSTRACT---------- Spherical near-field measurements are a set of well-established techniques for accurate antenna testing. By scanning the near-field with an auxiliary probe over a spherical surface enclosing the antenna under test (AUT) and applying postprocessing techniques, its radiation pattern can be obtained with very low uncertainty. This considerably increases the measurement time compared with far-field or quasi-farfield approaches and imposes a series of constraints in terms of AUT-probe phase coherence and the number of sampling points, as well as its grid distribution. Such requirements may lead to longer, more expensive, or impractical measurement processes. The development of advanced postprocessing techniques allows to relax these constraints, to maximize the efficiency of modern antenna measurement facilities. After introducing the basic theory of spherical near-field to far-field transformation, as well as the state-of-the-art algorithms and challenges, this thesis contributes with a series of innovative techniques for spherical near-field postprocessing in different scenarios. Three different challenging applications are considered: - Reduction of measurement samples to minimize measurement time: two different techniques which exploit the radiation properties of pencil beam and offsetmounted antennas will be presented. - Non-uniform grids and arbitrary surfaces: the use of scanning grids different from equiangular, as well as the generalization of near-field measurements to arbitrary surfaces are of high interest to increase the flexibility of the measurement process. For this application, two efficient techniques are proposed and investigated. - Phaseless measurements: working with amplitude-only data facilitates highfrequency measurements and may avoid the need of expensive radiofrequency equipment. Phase retrieval techniques will be investigated to allow the postprocessing in these scenarios. The common goal of all the introduced algorithms is to retrieve the Spherical Wave Expansion (SWE) of the AUT minimizing the required near-field information and computational resources. Once the SWE is obtained all radiation characteristics of the AUT, including the radiation pattern can be derived straightforwardly. With the investigation results and algorithms introduced in this thesis, antenna measurement facilities, such as the one at Universidad Politécnica de Madrid, can benefit incorporating the derived knowledge. Practical examples with measured near-field data have been carried out proving that all developed techniques can be implemented in the postprocessing software to allow for advanced measurements. In addition, new lines of research are opened for further improvement of the introduced contributions.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainTEC2017-85529-C3-1-RFUTURE-RADIOUnspecifiedRadio systems and technologies for high capacity terrestrial and satellite communications in an hyperconnected world

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Item ID: 69162
DC Identifier: https://oa.upm.es/69162/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:69162
DOI: 10.20868/UPM.thesis.69162
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 01 Dec 2021 12:46
Last Modified: 01 Dec 2021 12:54
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