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DE-102016218891-B4 - Antennenmessplatz

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Abstract

Verfahren zum Bestimmen eines Antennengewinns einer zu testenden Antenne (21) im Freiraum, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Erfassen von Messergebnissen einer übertragenen Leistung eines zwischen einer Referenzantenne (22) und einer zu testenden Antenne (21) übertragenen Messsignals (24a, 24b); Erfassen eines Eingangsreflexionsfaktors ( P e _ T P e _ R ) | P g _ R = 0 der zu testenden Antenne (21) und eines Eingangsreflexionsfaktors ( P g _ T P g _ R ) | P e _ R = 0 der Referenzantenne (22); Erfassen von Polarisationsverlusten basierend auf einem Winkel zwischen dem Einheitsvektor des elektrischen Feldvektors (p̂ T ) der zu testenden Antenne (21) und des elektrischen Feldvektors (p̂ R ) der Referenzantenne (22); wobei das Erfassen im Frequenzbereich geschieht; Umwandeln der erfassten Messergebnisse in den Zeitbereich; Anwenden eines Zeitbereichsfilters (26) auf die in den Zeitbereich umgewandelten Messergebnisse, wobei sich eine Filterbreite des Zeitbereichsfilters (26) in Abhängigkeit von einem räumlichen Abstand (r) zwischen der Referenzantenne (22) und der zu testenden Antenne (21) bestimmt, so dass Messergebnisanteile (24b), die sich aufgrund einer Mehrwegeausbreitung des Messsignals (24a, 24b) zwischen der Referenzantenne (22) und der zu testenden Antenne (21) ergeben, verringert oder entfernt werden; Umwandeln der gefilterten Messergebnisse in den Frequenzbereich; und Ermitteln des Antennengewinns G T (ϑ, φ) der zu testenden Antenne (21), unter Berücksichtigung der erfassten Eingangsreflexionsfaktoren und der Polarisationsverluste, basierend auf den gefilterten, im Frequenzbereich vorliegenden Messergebnissen unter Anwendung folgender Gleichung: G T ( ϑ , φ ) = 10 log 10 ( P e _ T P g _ R ) − 20 log 10 ( λ 4 π r ) − G R E F ( ϑ , φ ) − ( 10 log ( 1 − ( P e _ T P g _ R ) | P g _ R = 0 ) + 10 log ( 1 − ( P g _ T P g _ R ) | P e _ R = 0 ) + 20 log | p ^ R ⋅ p ^ T | )

Inventors

  • Ivan Ndip
  • Volker Großer
  • Christian Tschoban
  • Brian Curran
  • Max Huhn
  • Klaus-Dieter Lang

Assignees

  • Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
  • Technische Universität Berlin

Dates

Publication Date
20260507
Application Date
20160929

Claims (20)

  1. Verfahren zum Bestimmen eines Antennengewinns einer zu testenden Antenne (21) im Freiraum, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Erfassen von Messergebnissen einer übertragenen Leistung eines zwischen einer Referenzantenne (22) und einer zu testenden Antenne (21) übertragenen Messsignals (24a, 24b); Erfassen eines Eingangsreflexionsfaktors ( P e _ T P e _ R ) | P g _ R = 0 der zu testenden Antenne (21) und eines Eingangsreflexionsfaktors ( P g _ T P g _ R ) | P e _ R = 0 der Referenzantenne (22); Erfassen von Polarisationsverlusten basierend auf einem Winkel zwischen dem Einheitsvektor des elektrischen Feldvektors (p̂ T ) der zu testenden Antenne (21) und des elektrischen Feldvektors (p̂ R ) der Referenzantenne (22); wobei das Erfassen im Frequenzbereich geschieht; Umwandeln der erfassten Messergebnisse in den Zeitbereich; Anwenden eines Zeitbereichsfilters (26) auf die in den Zeitbereich umgewandelten Messergebnisse, wobei sich eine Filterbreite des Zeitbereichsfilters (26) in Abhängigkeit von einem räumlichen Abstand (r) zwischen der Referenzantenne (22) und der zu testenden Antenne (21) bestimmt, so dass Messergebnisanteile (24b), die sich aufgrund einer Mehrwegeausbreitung des Messsignals (24a, 24b) zwischen der Referenzantenne (22) und der zu testenden Antenne (21) ergeben, verringert oder entfernt werden; Umwandeln der gefilterten Messergebnisse in den Frequenzbereich; und Ermitteln des Antennengewinns G T (ϑ, φ) der zu testenden Antenne (21), unter Berücksichtigung der erfassten Eingangsreflexionsfaktoren und der Polarisationsverluste, basierend auf den gefilterten, im Frequenzbereich vorliegenden Messergebnissen unter Anwendung folgender Gleichung: G T ( ϑ , φ ) = 10 log 10 ( P e _ T P g _ R ) − 20 log 10 ( λ 4 π r ) − G R E F ( ϑ , φ ) − ( 10 log ( 1 − ( P e _ T P g _ R ) | P g _ R = 0 ) + 10 log ( 1 − ( P g _ T P g _ R ) | P e _ R = 0 ) + 20 log | p ^ R ⋅ p ^ T | )
  2. Verfahren gemäß Anspruch 1 , wobei beim Erfassen der Messergebnisse die Referenzantenne (22) relativ zu der zu testenden Antenne (21) in unterschiedliche Messpositionen bewegt wird, und in den unterschiedlichen Messpositionen jeweils die über einen Freiraumpfad übertragene Leistung eines Messsignals (24a) bei einer bestimmten Wellenlänge λ und dem räumlichen Abstand (r) zwischen der Referenzantenne (22) und der zu testenden Antenne (21) im Frequenzbereich für verschiedene Raumwinkel (ϑ, φ) mit Elevationswinkel ϑ und Azimutwinkel φ erfasst wird.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, aufweisend die folgenden Schritte: Erfassen der in die Referenzantenne (22) hineinfließenden Messsignalleistung P g_R und der aus der zu testenden Antenne (21) herausfließenden Messsignalleistung P e_T für verschiedene Raumwinkel (ϑ,φ), und Ermitteln des Antennengewinns G T (ϑ, φ) der zu testenden Antenne (21) unter Berücksichtigung der erfassten Messsignalleistungen.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei bei dem Erfassen der Polarisationsverluste die Polarisation der Referenzantenne (22) relativ zu der Polarisation der zu testenden Antenne (21) um 90° gedreht wird.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der räumliche Abstand (r) und/oder die Ausrichtung zwischen der zu testenden Antenne (21) und der Referenzantenne (22) mittels Laserstrahlung erfasst wird.
  6. Vorrichtung (20) zum Bestimmen eines Antennengewinns einer zu testenden Antenne (21) im Freiraum, wobei die Vorrichtung (20) aufweist: Mittel (23) zum Erfassen von Messergebnissen einer übertragenen Leistung eines zwischen einer Referenzantenne (22) und einer zu testenden Antenne (21) übertragenen Messsignals (24a, 24b), wobei das Erfassen im Frequenzbereich geschieht; eine Steuervorrichtung (25), die ausgebildet ist, um die Messergebnisse in den Zeitbereich umzuwandeln; und ein Zeitbereichsfilter (26), wobei die Steuervorrichtung (25) ausgebildet ist, um das Zeitbereichsfilter (26) auf die in den Zeitbereich umgewandelten Messergebnisse anzuwenden, wobei sich eine Filterbreite des Zeitbereichsfilters (26) in Abhängigkeit von einem räumlichen Abstand (r) zwischen der Referenzantenne (22) und der zu testenden Antenne (21) bestimmt, so dass Messergebnisanteile (24b), die sich aufgrund einer Mehrwegeausbreitung des Messsignals (24a, 24b) zwischen der Referenzantenne (22) und der zu testenden Antenne (21) ergeben, verringert oder entfernt werden; wobei die Steuervorrichtung (25) ferner ausgebildet ist, um die gefilterten Messergebnisse in den Frequenzbereich umzuwandeln; wobei die Mittel (23) zum Erfassen von Messergebnissen ausgebildet sind, um einen Eingangsreflexionsfaktor ( P e _ T P e _ R ) | P g _ R = 0 der zu testenden Antenne (21) und einen Eingangsreflexionsfaktor ( P g _ T P g _ R ) | P e _ R = 0 der Referenzantenne (22) zu bestimmen; wobei die Mittel (23) zum Erfassen von Messergebnissen ferner ausgebildet sind, um Polarisationsverluste basierend auf einem Winkel zwischen dem Einheitsvektor von dem elektrischen Feldvektor (p̂ T ) der zu testenden Antenne (21) und dem elektrischen Feldvektor (p̂ R ) der Referenzantenne (22) zu erfassen; und wobei die Steuervorrichtung (25) ferner ausgebildet ist, um den Antennengewinn G T (ϑ,φ) der zu testenden Antenne (21), unter Berücksichtigung der erfassten Eingangsreflexionsfaktoren und der Polarisationsverluste, basierend auf den gefilterten, im Frequenzbereich vorliegenden Messergebnissen unter Anwendung folgender Gleichung zu ermitteln: G T ( ϑ , φ ) = 10 log 10 ( P e _ T P g _ R ) − 20 log 10 ( λ 4 π r ) − G R E F ( ϑ , φ ) − ( 10 log ( 1 − ( P e _ T P e _ R ) | P g _ R = 0 ) + 10 log ( 1 − ( P g _ T P g _ R ) | P e _ R = 0 ) + 20 log | p ^ R ⋅ p ^ T | )
  7. Vorrichtung (20) gemäß Anspruch 6 , wobei die Vorrichtung (20) ein Mittel (80) zum Bewegen der Referenzantenne (22) relativ zu der zu testenden Antenne (21) in unterschiedliche Messpositionen aufweist, und wobei Steuervorrichtung (25) ausgebildet ist, um in den unterschiedlichen Messpositionen jeweils die über einen Freiraumpfad übertragene Leistung eines Messsignals bei einer Frequenz f und dem räumlichen Abstand (r) zwischen der Referenzantenne (22) und der zu testenden Antenne (21) im Frequenzbereich für verschiedene Raumwinkel (ϑ, φ) mit Elevationswinkel ϑ und Azimutwinkel φ zu erfassen.
  8. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 6 oder 7 , wobei die Mittel (23) zum Erfassen von Messergebnissen ausgebildet sind, um die in die Referenzantenne (22) hineinfließende Messsignalleistung P g_R und die aus der zu testenden Antenne (21) herausfließende Messsignalleistung P e_T für verschiedene Raumwinkel (ϑ, φ) zu erfassen, und wobei die Steuervorrichtung (25) ausgebildet ist, um den Antennengewinn G T (ϑ, φ) der zu testenden Antenne (21) unter Berücksichtigung der erfassten Messsignalleistungen zu ermitteln.
  9. Vorrichtung (20) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8 , wobei die Mittel (23) zum Erfassen von Messergebnissen ferner ein Sendemodul (38) mit einer Sendestufe aufweisen, die in Signalrichtung einen Mischer (95), einen Verstärker (96) und eine Switching-Matrix (97) aufweist.
  10. Vorrichtung (20) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 9 , wobei die Mittel (23) zum Erfassen von Messergebnissen eine Empfangsstufe (39) aufweisen, die in Signalrichtung eine Empfangsantenne (91), eine Switching-Matrix (92), einen Verstärker (93) und einen Mischer (94) aufweist.
  11. Vorrichtung (20) nach Anspruch 9 oder 10 , wobei die Steuervorrichtung (25) ausgebildet ist, um die Sendestufe und/ oder die Empfangsstufe derart anzusteuern, dass die Polarisation der Sendestufe relativ zu der Empfangsstufe um 90° gedreht ist, wobei die Drehung durch Ansteuern der Switching-Matrix der Sendestufe und/oder der Empfangsstufe geschieht.
  12. Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 6 bis 11 , wobei die Vorrichtung (20) eine automatisierte Ablaufsteuerung (30b) zur automatisierten Ausführung eines Messablaufs aufweist.
  13. Antennenmessplatz (30) zum Bestimmen eines Antennengewinns einer zu testenden Antenne (21) im Freiraum, wobei der Antennenmessplatz (30) aufweist: ein Antennenmessgerät (33) mit einem Sendemodul (38) und einem Empfangsmodul (39), eine zu testende Antenne (31) und eine Referenzantenne (32), wobei das Sendemodul (38) zumindest mit einer der beiden Antennen (31, 32) und das Empfangsmodul (39) zumindest mit der anderen der beiden Antennen (31, 32) gekoppelt ist, ein Zeitbereichsfilter (36), wobei sich eine Filterbreite des Zeitbereichsfilters (36) in Abhängigkeit von einem räumlichen Abstand (r) zwischen der zu testenden Antenne (31) und der Referenzantenne (32) bestimmt, und eine Steuervorrichtung (35), die ausgebildet ist, um das Sendemodul (38) und das Empfangsmodul (39) anzusteuern, so dass das Sendemodul (38) mittels einer der beiden Antennen (31, 32) ein Testsignal (34a, 34b) aussendet und das Empfangsmodul (39) das Testsignal (34a, 34b) mittels der anderen der beiden Antennen (31, 32) empfängt, und die Steuervorrichtung (35) ferner ausgebildet ist, um das im Frequenzbereich empfangene Testsignal (34a, 34b) in den Zeitbereich umzuwandeln und das Zeitbereichsfilter (36) auf das empfangene Testsignal (34a, 34b) anzuwenden, um außerhalb der Filterbreite liegende Testsignalanteile (34b) auszufiltern, und wobei die Steuervorrichtung (35) ausgebildet ist, um das im Zeitbereich vorliegende gefilterte Testsignal in den Frequenzbereich zurück zu wandeln, wobei die Steuervorrichtung (35) ferner ausgebildet ist, um einen Eingangsreflexionsfaktor ( P e _ T P e _ R ) | P g _ R = 0 der zu testenden Antenne (21) und einen Eingangsreflexionsfaktor ( P g _ T P g _ R ) | P e _ R = 0 der Referenzantenne (22) zu erfassen, und um Polarisationsverluste basierend auf einem Winkel zwischen dem Einheitsvektor des elektrischen Feldvektors (p̂ T ) der zu testenden Antenne (21) und des elektrischen Feldvektors (p̂ R ) der Referenzantenne (22) zu erfassen; und wobei die Steuervorrichtung (35) ferner ausgebildet ist, um aus dem in den Frequenzbereich zurückgewandelten Testsignal den Antennengewinn G T (ϑ, φ) der zu testenden Antenne (31), unter Berücksichtigung der erfassten Eingangsreflexionsfaktoren und der Polarisationsverluste, in Abhängigkeit eines bestimmten Raumwinkels (φ, ϑ) unter Anwendung der folgenden Gleichung zu bestimmen: G T ( ϑ , φ ) = 10 log 10 ( P e _ T P g _ R ) − 20 log 10 ( λ 4 π r ) − G R E F ( ϑ , φ ) − ( 10 log ( 1 − ( P e _ T P e _ R ) | P g _ R = 0 ) + 10 log ( 1 − ( P g _ T P g _ R ) | P e _ R = 0 ) + 20 log | p ^ R ⋅ p ^ T | )
  14. Antennenmessplatz (30) nach Anspruch 13 , wobei die Referenzantenne (32) und die zu testende Antenne (31) ausgebildet sind, um Strahlung in einem Frequenzbereich zwischen 1 GHz und 10 THz, und insbesondere zwischen 50 GHz und 1,1 THz, oder zwischen 50 GHz und 100 GHz zu senden und/oder empfangen.
  15. Antennenmessplatz (30) nach Anspruch 13 oder 14 , wobei die Steuervorrichtung (35) ausgebildet ist, um den räumlichen Abstand (r) zwischen der Referenzantenne (32) und der zu testenden Antenne (31) und/oder die Ausrichtung der Referenzantenne (32) relativ zu der zu testenden Antenne (31) zu bestimmen.
  16. Antennenmessplatz (30) nach Anspruch 15 , wobei der Antennenmessplatz (30) ein Lasermessgerät aufweist, das ausgebildet ist, um den räumlichen Abstand (r) und/oder einen Winkel der Referenzantenne (32) relativ zu der zu testenden Antenne (31) zu bestimmen.
  17. Antennenmessplatz (30) nach einem der Ansprüche 13 bis 16 , wobei das Empfangsmodul (39) eine Empfangsstufe aufweist, die in Signalausbreitungsrichtung des Testsignals eine Switching-Matrix (92), einen Verstärker (93) und einen Mischer (94) aufweist.
  18. Antennenmessplatz (30) nach einem der Ansprüche 13 bis 17 , wobei das Sendemodul (38) eine Sendestufe aufweist, die in Signalausbreitungsrichtung des Testsignals einen Mischer (95), einen Verstärker (96) und eine Switching-Matrix (97; 1011) aufweist.
  19. Antennenmessplatz (30) nach einem der Ansprüche 17 oder 18 , wobei die Referenzantenne (32) eine dual polarisierte Antenne ist, und die Steuervorrichtung (35) ausgebildet ist, um die Polarisation der Referenzantenne (32) mittels der Switching-Matrix (97; 1011) um 90° zu drehen.
  20. Antennenmessplatz (30) nach einem der Ansprüche 13 bis 19 , wobei der Antennenmessplatz (30) einen drehbaren Tisch (78) aufweist, auf dem die zu testende Antenne (31) anordenbar ist, und wobei die Steuervorrichtung (35) ausgebildet ist, um den Tisch (78) zu drehen, so dass sich bei einer Drehung des Tisches (78) die zu testende Antenne (31) zusammen mit dem Tisch (78) in einer ersten Ebene dreht, um einen Azimutwinkel φ zwischen der Referenzantenne (32) und der zu testenden Antenne (31) zu verändern.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen einer Antennencharakteristik einer zu testenden Antenne im Freiraum, eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Antennencharakteristik einer zu testenden Antenne im Freiraum, sowie einen Antennenmessplatz zum Bestimmen einer Antennencharakteristik einer zu testenden Antenne im Freiraum (reflektionsfrei) mit den Merkmalen der jeweils unabhängigen Patentansprüche. Die wirtschaftliche Nutzung von Millimeter- (mm) und Terrahertz (THz) - Wellen hat in den letzten Jahren stark zugenommen. Weltweit wird zurzeit sehr intensiv an der praktischen Nutzung von mm- und THz-Wellen für Kommunikation und Radaranwendungen gearbeitet. Dieser Frequenzbereich besitzt viele wichtige Vorteile. Das anschaulichste Beispiel ist die künftige drahtlose Video-Signalübertragung, zum Beispiel an Beamer unter Nutzung des neuen HighSpeed-WLAN-Standards IEEE802.11ad im 60 GHz-Band sowie die Anwendung von 79 GHz Automotivradar für die Erkennung des Umfelds eines Autos beim autonomen Fahren. Nachteilig sind allerdings einige physikalisch bedingte Eigenschaften der mm-Wellen, wie zum Beispiel eine geringe Reichweite infolge hoher Dämpfung und Reflexion an vielen festen und flüssigen Materialien. Durch gezielte technische Entwicklungen können diese Nachteile aber umgangen bzw. sogar gezielt für die gewünschte Anwendung genutzt werden (z.B. Nahfeldkommunikation). Das zentrale Thema bei diesen technischen Entwicklungen sind die Antennen für optimales Senden und Empfangen von mm- und THz-Wellen. Dementsprechend werden die Antennenentwicklungen, und die damit verbundene Messtechnik zur Charakterisierung der Antenneneigenschaften, die Nutzung von mm- und THz-Wellen maßgeblich mitbestimmen. Üblicherweise werden heute für die messtechnische Charakterisierung von Antennen für mm-Wellen-Anwendungen Schirmkabinen genutzt. 15 zeigt beispielhaft eine Schirmkabine, wie sie derzeit im Institut des Fraunhofer IZM zum Einsatz kommt. Die Antennenmessungen sind heutzutage sehr zeitaufwendig und müssen von erfahrenen Hochfrequenz (HF)-Spezialisten durchgeführt werden. Diese teuren Schirmkabinen und die Notwendigkeit hochqualifizierter HF-Spezialisten für die Durchführung der Messungen sowie ein hoher Zeitaufwand für die Durchführung der Messungen sind Hemmnisse für die Entwicklung von mm- und THz-Wellen-Antennen und die Qualitätssicherung dieser Antennen in der Produktion. Der Stand der Technik [1] bis [5] kennt wissenschaftliche und kommerzielle Systeme. Die Systeme in der Wissenschaft bauen alle auf einem ähnlichen Prinzip auf. An einem drehbaren Arm befindet sich eine linear polarisierte Standard Gain-Horn-Antenne. Mit Hilfe des Arms wird die Standard Gain-Horn-Antenne um die zu messende Antenne herum geführt. Kommerzielle Systeme werden ausschließlich in Schirmkabinen bzw. mit Schirmkabinen angeboten, und diese Systeme basieren auf Frequenz-Bereich Messverfahren, bzw. Nahfeldmessverfahren. Ein Verfahren zum Bestimmen des Antennengewinns mittels der Substitutionsmethode ist in der auf Juni 1996 datierten Masterarbeit von Andrew M. Predoehl beschrieben (Predoehl, A. M.: Time Domain Antenna Pattern Measurements. Master Thesis, Virginia Polytechnic Institute and State University, USA, June 1996). Das darin beschriebene Verfahren erfordert stets eine relative Messung des Antennenmusters der Testantenne und einen anschließenden Vergleich mit den Transmissionskoeffizienten einer Standard-Antenne. Daraus kann der Antennengewinn der Testantenne geschätzt werden. Zudem muss eine Referenz-Messung ausgeführt werden, um die Umgebung zu schätzen. Bekannte Systeme benötigen also ein Freifeld, oder eine zumindest eine Schätzung des Umfelds, um reproduzierbare Messergebnisse zu erhalten und somit verlässliche Aussagen über die Charakteristik einer zu testenden Antenne zu erhalten. Solche Freifeldbedingungen können künstlich allerdings nur unter hohem Aufwand, nämlich unter Bereitstellung sogenannter reflexionsarmer Räume, realisiert werden. Daher benötigt ein konventioneller Messplatz sehr viel Platz (Beispielabmessung der Schirmkabine am Fraunhofer IZM ist 5×3 m2), insbesondere im Vergleich zu der tatsächlichen Größe einer zu testenden Antenne für den Millimeter- bzw. Terrahertz-Bereich. Außerdem wird fachkundiges Personal zur Durchführung der HF-Messungen benötigt. Es wäre demnach wünschenswert, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Antennencharakteristik einer zu testenden Antenne bereitzustellen, das die vorgenannten Probleme aus dem Stand der Technik adressiert. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren sowie mit einer Vorrichtung und einem Antennenmessplatz mit den Merkmalen der jeweils unabhängigen Patentansprüche gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren bietet den großen Vorteil, dass eine Antennencharakteristik einer zu testenden Antenne im Freiraum bestimmt werden kann. Der Begriff Freiraum ist hier unbedingt von dem zuvor erwähnten Begriff des Freifelds zu unterscheiden. Ein Freifeld bezeic