DE10034308A1

DE10034308A1 - Breitbandkoppler für Antennensignalmessungen

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Publication number: DE10034308A1
Application number: DE10034308A
Authority: DE
Inventors: Marcus K Dasilva; Ryan Lowell Hendrickson
Original assignee: Agilent Technologies Inc
Current assignee: Agilent Technologies Inc
Priority date: 1999-07-30
Filing date: 2000-07-14
Publication date: 2001-02-15
Anticipated expiration: 2020-07-15
Also published as: DE10034308B4; JP2001085911A; US6215448B1

Abstract

Eine ausgewählte Länge einer Antenne eines Geräts, das einem Test unterliegt, ist in einem leitfähigen Innenzylinder plaziert, wodurch eine nicht-abgeschlossene koaxiale "Eingangs"-Übertragungsleitung gebildet ist. Im Gegenzug befindet sich der Innenzylinder innerhalb und koaxial mit einem leitfähigen Außenzylinder, wodurch eine "Ausgangs"-Wellenleitung gebildet ist. Der Innenzylinder ist der Mittelleiter der Ausgangsübertragungsleitung, wobei sich derselbe in einem Bereich, der sich jenseits der Ausdehnung der Antenne erstreckt, konisch verjüngt, um einen normalen Mittelleiter mit einem stationären Querschnitt zu bilden. Der Außenzylinder paßt sich dieser Verjüngung an, um eine konstante Kennimpedanz Z 0out (z. B. 50 ) für die Ausgangs-Übertragungsleitung aufrecht zu erhalten, die daraufhin ihr Ausgangssignal entweder über einen koaxialen Verbinder oder über eine verbindende Länge einer Hilfsübertragungsleitung zu einer angepaßten Abschlußlast in einem Meßgerät liefert. Diese triaxial geschachtelten Eingangs- und Ausgangs-Wellenleitungen werden bei einem Treiberende durch einen HF-dichten Kasten gehalten, der eine Befestigungsanbringung enthält, um das Gerät, das einem Test unterliegt, in einer stationären und geeigneten Beziehung zu der triaxial geschachtelten Eingangs- und Ausgangs-Wellenleitung zu halten, wobei derselbe mit reflexionsfreiem HF-absorbierendem Material ausgekleidet ist.

Description

Zelluläres Telephonieren (Mobil-Telephonieren) und andere Formen von einer Kommunikation auf Funk-Basis werden zuneh mend populärer. Da das Hochfrequenzspektrum (HF-Spektrum) zunehmend belegt ist und stark benützt wird, erachteten es die verschiedenen Regulierungsbehörden für notwendig, strenge Beschränkungen für die HF-Emissionen von solchen Geräten aufzuerlegen. In Verbindung mit einem Bescheinigen, daß das Gerät mit den Regelungen übereinstimmt, kann es sein, daß der Hersteller dasselbe über einen breiten Bereich von Zuständen betreiben und sicherstellen muß, daß solche meßbaren Größen wie Leistungspegel und Frequenz innerhalb der spezifizierten Grenzen liegen. Beispielsweise kann sowohl für eine regulative Übereinstimmung als auch aus Käuferbezogenen Qualitätssicherungsgründen ein erschöp fendes Testen einer ausgedehnten Auswahl derartiger Be triebsfunktionen in der Fabrik durchgeführt werden, bevor die Einheit versendet wird. Zusätzliche Herstellungsbelange umfassen eine Störungssuche während des Zusammenbaus und Routine-Qualitätssicherungsüberprüfungen.

Unabhängig davon, ob Testgeräte eines "Laborbank"-Typs oder Produktionsartikel-orientierte "automatische Testgeräte" durch einen Hersteller verwendet werden, um derartiger Mes sungen durchzuführen, ist es ziemlich wahrscheinlich, daß eine Art von Anbringung notwendig ist, um die Testgeräte mit dem zu testenden Gegenstand zu verbinden. Eine solche An bringung sollte leicht zu verwenden sein und wiederholbare Ergebnisse erzeugen. Sie sollte nicht zu sehr die gemessenen Ergebnisse beeinflussen, wobei jeder Effekt, den dieselbe erzeugt, durch eine Kompensation oder eine Anwendung von Kalibrierungskonstanten "entfernbar" sein sollte. Es wäre ferner wünschenswert, wenn eine solche Anbringung langlebig und relativ günstig wäre.

Sobald eine Einheit verkauft ist, kann sie später einen Ser vice benötigen. Die Einheit kann oder kann nicht völlig funktionsunfähig sein, wobei es der Besitzer oder Benutzer der Einheit wünschen kann, dieselbe zu einem Serviceort zu bringen, der beispielsweise der Verkaufsort sein kann, bei dem die Einheit ursprünglich gekauft wurde. Die Vorstellung ist die, daß die Einheit durch minimal geschultes Personal bei der Verkaufsniederlassung getestet werden kann, um sicherzustellen, ob zumindest Hauptfunktionen derselben funktionsfähig sind. Ein automatisierter Testsatz kann zur Durchführung dieser Tests verwendet werden, wobei dessen Verfeinerungs-Pegel von grundliegenden und fundamentalen Tests, die für alle Marken von Geräten, die eine besondere Serviceklasse erfüllen, üblich sind, bis hin zu einer er schöpfenden Überprüfung auf Fabrikebene für ein spezielles Modell eines speziellen Herstellers reichen kann. Ökono mische Betrachtungen und der Schulungsstand, der manchmal zum Konfigurieren der Testeinheit und zum Interpretieren der Resultate benötigt wird, stellen einen Faktor bei einer Testsatzentwicklung dar.

Ein derartiger Testsatz kann bei einer Verkaufsniederlassung verwendet werden, um einen ordnungsgemäßen Betrieb zu über prüfen: (a) bei dem ursprünglichen Verkauf; (b) bei einer anfänglichen oder erneuten Konfiguration von konfigurierba ren Merkmalen innerhalb der Einheit; (c) nach einem Repa rieren; und möglicherweise am bedeutendsten (d) beim Unter stützen einer Entscheidung, ob eine Einheit, die zum Service gebracht wurde, eine Reparatur benötigt.

Daher haben Hersteller, Einzelverkaufsstellen und Gebiets serviceorganisationen einen Bedarf nach einer Anbringung, die ein Drahtlos-Telephon, ein Funkgerät oder ein anderes HF-Gerät mit den unterschiedlichen Typen von Testgeräten koppelt.

Das Drahtlos-Telephon, das Funkgerät oder ein anderes zu testencies HF-Gerät sei nun als das DUT (Gerät, das einem Test unterliegt; DUT Device Under Test) bezeichnet. Das DUT wird manchmal eine Buchse für eine externe Antenne auf weisen, die die Antenne des DUT abtrennt und an deren Stelle das, was mit dem Stecker verbunden ist, verbindet, wenn ein geeigneter Stecker in dieselbe eingeführt wird. Es existie ren zumindest drei Gründe, weshalb die Verwendung einer sol chen externen Antennenbuchse für ein erschöpfendes Prüfen auf Fabrikebene, für ein Servicecenter-Prüfen (Lager-Prüfen) oder ein flüchtiges Fehlersuchen und Prüfen, das durch rela tiv ungeschultes Personal in Kleinhandelsniederlassungen durchgeführt wird, nicht geeignet sein kann. Erstens kann mehr als lediglich die Antenne abgetrennt sein. Es kann eine Antenne und ein Anpassungsnetzwerk sein, derart, daß sofern es das DUT betrifft, das Testgerät eine merkliche andere elektrische Anordnung darstellt, die für ein ordnungsgemäßes Verstehen eine auf Wissen beruhende Interpretation erfor dert. Zweitens kann der Hersteller erwarten, daß ein der artiger Verbinder ohnehin selten benutzt wird, wobei er ge neigt sein wird, die Ausgabe für ein Verwenden eines wirk lich robusten Verbinders zu vermeiden. Für die Schaltfunk tion des Verbinders, der sich in dem "Blasloch" (Blowhole) von manchen Marken-Mobiltelephonen befindet, wurde ein Ver sagen nach etwa knapp sechs Verwendungen beobachtet. Drit tens gibt es den nüchternen Punkt, den geeigneten Stecker, der für die Büchse passend ist, zur Hand zu haben. Einige Hersteller sind von wirklich seltsamen oder eigentümlichen Designs begeistert, die schwer zu finden sind, oder noch schlimmer, nicht länger geliefert werden.

Eine wünschenswerte Alternative zu dieser Situation besteht darin, die HF-Energie direkt von der Antenne eines DUT in das messende Testgerät oder in einen anderen Testsatz (die hierin nachfolgend als das Meßgerät bezeichnet werden) zu koppeln. Dies hat den weiteren Vorteil, daß der Gegenstand des Interesses "wie er ist" geprüft wird, d. h. ohne ein Einbringen von fremden Gegebenheiten, die die Angelegenheit verkomplizieren. Dies impliziert die Verwendung irgendeiner Art eines Kopplers zwischen der Antenne des DUT und dem Meßgerät. Im Prinzip kann der gleiche Koppler für Tests verwendet werden, die ein Anlegen einer HF-Energie von einer Quelle in dem Meßgerät zu dem DUT einbeziehen.

Ein derartiger Koppler weist eine Anzahl von Merkmalen auf. Er sollte flach sein, d. h. einen relativ konstanten Betrag einer Abschwächung über das Frequenzband oder die Frequenz bänder, das oder die von Interesse ist oder sind, aufweisen. Für Drahtlos-Telephone in den USA kann dies mehr als ein Band sein, z. B. 825-895 MHz ("zellulär") und 1.850-1.990 GHz (PCS). Es ist sogar noch besser, wenn zwei solcher Bänder (wie es bei Doppel-Modus-Telephone angetroffen werden kann) als ein einziges Band (0.825-1.99 GHz) aufgebaut werden können. In jedem Fall sollte der Betrag einer Abschwächung klein sein, etwa in der Größenordnung von 3 bis 6 dB. Der Grund für diese letzte Anforderung besteht darin, daß manche Spezifikationen für Mobiltelephone tatsächlich sehr strikt sind. Die Spezifikation für eine Leistungsmessung kann ± 2/10 dB bei -55 dBm für einen Träger mit 1.8 GHz sein. Wenn der Koppler eine Abschwächung von 20 dB aufweist, kann selbst ein Labor-Spektrumanalysator eines Spitzenfabrikats (oder ein Leistungsmeßgerät eines Spitzenfabrikats) aufgrund seines internen Rauschhintergrundes nicht in der Lage sein, bei solch niedrigen Pegeln auf 2/10 dB aufzulösen. Schließ lich sollte der Koppler in Anbetracht der eingebundenen Fre quenzen (für Drahtlos-Telephone ohnehin) die Antenne nicht berühren, sondern auf einer wirklichen elektromagnetischen Kopplung und nicht auf einem Ohmschen Kontakt beruhen. Die Gründe für dies sind ohne weiteres zu verstehen, wenn man erkennt, daß: (a) die Antenne oft mit einer nicht-leit fähigen Hülle oder einem nicht-leitfähigen Überzug bedeckt ist; (b) ein derartiger mechanischer Kontakt eine ungewollte Impedanz in den Meßaufbau einbringt; und (c) ein derartiger mechanischer Kontakt dazu neigt, unzuverlässig und von einer fragwürdigen Wiederholbarkeit zu sein.

Ein bekannter Koppler wird von Wavetek (Triangle Park, North Carolina) hergestellt. Er besteht aus einer Tablette (Tablet) innerhalb derer mehrere Patch-Antennen eingebettet sind. Eine Klammer hält das DUT in einer stationären Stel lung. Es weist einen Verlust von ungefähr 26 dB auf und läßt hinsichtlich der Wiederholbarkeit Wünsche offen.

Eine weitere bekannte Koppler-Entwicklung für ein Drahtlos- Telephon, die von ETS (P. O. Box 80589, Austin, Texas) her gestellt wird, schließt eine einzelne Patch-Antenne mit ei ner empirisch bestimmten Form in einen abgeschirmten refle xionsfreien Kasten ein. Ein mechanisches Befestigen hält das Telephon in einer vorbestimmten Position relativ zu der Patch-Antenne, wobei jedoch unterschiedliche Kopplungsko effizienten für jedes Modell einen unterschiedlichen Fall ergeben.

Daher wäre es vorteilhaft, wenn ein erschwinglicher und technisch ausreichender Antennen-getriebener Koppler für Funkgeräte und Drahtlos-Telephone existieren würde, der eine hohe Bandbreite, ein flaches Ansprechen und niedrige Verlust anbietet.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrich tung zu schaffen, die es ermöglicht, Kommunikationsgeräte auf Funk-Basis, Drahtlos-Telephone und andere derartige Geräte auf HF-Basis ohne eine physische Verbindung mit einem Testgerät zu koppeln, um auf vorteilhafte Weise Funktions tests durchzuführen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Die Antenne eines Geräts, das einem Test unterliegt, wird ausgefahren und eine ausgewählte Länge derselben innerhalb eines leitfähigen Innenzylinders und im allgemeinen entlang der Achse desselben plaziert. Die Antenne und der Innenzy linder bilden eine nicht-abgeschlossene koaxiale "Ein gangs"-Übertragungsleitung mit einer konstanten Kennimpe danz. Der Innenzylinder befindet sich in und ist koaxial mit einem leitfähigen Außenzylinder, mit dem derselbe ein "Aus gangs"-Übertragungsleitung mit einer konstanten Kennimpedanz bildet. Der Innenzylinder ist der Mittelleiter der Ausgangs übertragungsleitung, wobei sich derselbe in einem Bereich, der sich jenseits der Ausdehnung der Antenne erstreckt, ko nisch verjüngt, um einen normalen Mittelleiter mit einem stationären Querschnitt zu bilden. Der Außenzylinder paßt sich dieser Verjüngung an, um eine konstante Kennimpedanz Z_0out (z. B. 50 Ω) für die Ausgangsübertragungsleitung zu erhalten, die danach ihr Ausgangssignal über entweder einen koaxialen Verbinder oder eine verbindende Länge eines Hilfs übertragungsleiters zu einer angepaßten Abschlußlast in ei nem Meßgerät liefert. Diese triaxial verschachtelte Ein gangs- und Ausgangs-Wellenleitung werden bei einem Treiber ende durch einen HF-dichten Kasten getragen, der eine Be festigungseinrichtung enthält, um das Gerät, das einem Test unterliegt, in einem stationären und geeigneten Verhältnis zu der triaxial verschachtelten Eingangs- und Ausgangsüber tragungsleitung zu halten, wobei derselbe mit reflexions freiem HF-Absorptionsmaterial ausgekleidet ist. Der HF dichte Kasten verhindert, daß Signale aus der Außenumgebung die Messung verunreinigen. Das reflexionsfreie Material reduziert den Effekt einer Streustrahlung von Abschnitten des DUT, die nicht zu der Antenne gehören, wobei ein Q von weniger als 2 wünschenswert ist. Innerhalb des Geräts, das einem Test unterliegt, befindet sich eine Erdungsplatte für die Antenne. Typischerweise stellt die Erdungsplatte das Gestell oder möglicherweise das Gehäuse des DUT dar. Eine Kopplungsimpedanz Z_c existiert zwischen der Erdungsplatte und der Hebungsfläche des Außenzylinders, die sich am nächsten zu dem Gerät, das einem Test unterliegt, befindet. Die Eingangsübertragungsleitung weist eine Kennimpedanz Z_0in auf. Die drei Impedanzen Z_c, Z_0out und Z_0in bilden einen Leistungsteiler, durch den die zu der Antenne gelieferte Leistung fließt. Die zwei Kennimpedanzen stellen Eingänge für Wege dar, durch die Bruchteile der Leistung geleitet werden. Dieser Bruchteil der Leistung, der ursprünglich in die Ausgangsübertragungsleitung eintritt, wird zu dem Testsatz direkt geliefert. Die Leistung, die ursprünglich in die Eingangsübertragungsleitung eintritt, wird (unter Vernachlässigung von Verlusten) total reflektiert und nachfolgend zwischen einer Anzahl von möglichen Wegen aufgeteilt: zurück in das Gerät, das einem Test unterliegt, eine Reflexion zurück in die Eingangsübertragungsleitung und in die Ausgangsübertragungsleitung. Für die verschiedenen Teile vereinigen sich die Reflexionen und Wiederreflexionen (usw.) derselben, um ein Gleichgewichtsergebnis zu bilden, das die Antenne in einer bekannten und wiederholbaren Weise zu der Last in dem Testsatz koppelt. Eine Erklärung in der Zeitdomäne, wie die vorhergehende, ist eine nützliche Ver einfachung, obwohl sie aufgrund der benötigten ausgedehnten Summationen mühsam ist. Die Übertragungsleitungsgleichungen können verwendet werden, um für das Kopplerverhalten eine Darstellung in einer geschlossenen Form zu erhalten und ausgewählte Parameter, die das Verhalten für bestimmte Gegebenheiten optimieren, auszuwählen.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein vereinfachtes Funktionaldiagramm eines Breit bandkopplers für eine Messung von Antennensignalen;

Fig. 2 ein vereinfachtes quasi-bildliches Diagramm der Kopplung zwischen der Antenne eines Geräts, das einem Test unterliegt, und einer Last;

Fig. 3 eine äquivalente Übertragungsleitungsdarstellung der in Fig. 2 gezeigten Anordnung;

Fig. 4 eine äquivalente Schaltung, die die Übertragungs leitungen von Fig. 3 darstellt; und

Fig. 5 ein Schaubild eines relativen Kopplungsverlustes für einen bestimmten Koppler über einen Frequenzbe reich, der für Drahtlos-Telephone von Interesse ist, für zwei verschiedene Kennimpedanzen der Ein gangsübertragungsleitung in Fig. 3.

In Fig. 1 ist ein vereinfachtes Funktionaldiagramm 1 eines Breitbandkopplers für eine Messung von Antennensignalen ge zeigt. Das Diagramm 1 stellt eine Mischung dar, derart, daß ein Gerät (DUT) 2, das einem Test unterliegt, wie in einem Blockdiagramm gezeigt ist, wobei dasselbe einige bildähn liche Zeichnungen einer Antenne 5 für das DUT 2 und eines HF-dichten Kastens 3 mit einer internen Materialschicht 16, die HF-Energie absorbiert, und schematische Symbole 11-15 umfaßt.

Insbesondere ist ein DUT 2, wie beispielsweise ein Draht los-Telephon oder ein anderes Funkgerät, das eine aus fahrbare Antenne 5 aufweist, in einem leitfähigen Kasten 3 plaziert. Der leitfähige Kasten 3 kann aus einem Metall bestehen und ist bevorzugt derart, daß derselbe sechs Oberflächen aufweist: vier Seiten und eine Oberseite und eine Unterseite. Obwohl es nicht gezeigt ist, kann oder können eine oder mehrere dieser Oberflächen aus dem Weg ge schwungen werden, etwa mit Scharnieren, oder dieselbe ist oder dieselben sind durch den Betrieb von geeigneten Ver riegelungen entfernbar oder andersweitig abnehmbar. Sobald der Kasten 3 geöffnet ist, empfängt derselbe das DUT 2 in einer oder mehreren Ausrichtungsanordnungen 4. Deren Zweck ist es, das DUT in einer speziellen Position innerhalb des Kastens 3 derart zu halten, daß die Antenne 5 relativ zu einer Wellenleitung 6, die nachfolgend beschrieben ist, kor rekt positioniert ist. Zu diesem Zweck erkennt man, daß ver schiedene Modelle oder Typen eines DUT 2 entsprechend ver schiedene Ausrichtungseinrichtung 4 verlangen können. Ebenso erkennt man, daß die allgemeine Größe (und möglicherweise sogar noch die Form) des Kastens 3 ziemlich von dem spe ziellen DUT, das in demselben enthalten ist, abhängt. Als ein Beispiel kann ein Kasten 3 für ein modernes Draht- los-Telephon, wie beispielsweise ein Nokia 2160, ungefähr die Größe einer Schuhschachtel besitzen. Für ein anderes Gerät eines DUT, muß der Kasten 3 in der Größe eines Brot kastens oder sogar eines Schuhschränkchens sein.

Der Kasten 3 ist leitfähig, so daß derselbe als eine Ab schirmung wirkt, um zu verhindern, daß Streusignale von der Außenumgebung die durchzuführenden Messungen verunreinigen. Er ist ferner mit einer Schicht 16 eines HF-absorbierenden Materials, wie beispielsweise einer Schicht aus Polyeisen (ein H-Feld-Absorber) mit einer Dicke von 0,32 cm (1/8 Inch), ausgekleidet. Dies bewirkt, daß Signale, die von an deren Orten als der Antenne 5 von dem DUT abstrahlen, abge schwächt werden. Ansonsten könnten diese von der Innenseite des Kastens 3 reflektiert werden und letztlich den Koppler (6, 7, wie nachfolgend beschrieben) erreichen, was ebenso die Messungen stören würde. Ein E-Feld-Absorber (z. B. Koh lenstoff-beladener Schaumstoff) könnte anstelle dessen ver wendet werden, obwohl eine dickere Schicht des Stoffs be nötigt werden könnte.

Ein leitfähiger Außenzylinder 7 grenzt an eine Seite des Kastens 3 bei einer Öffnung an, die zur Anpassung an dieselbe dimensioniert ist, wobei der Kasten 3 und der Außenzylinder 7 an der Verbindungsstelle elektrisch ver bunden sind. Innerhalb des Außenzylinders 7 befindet sich ein leitfähiger Innenzylinder 6. Die Zylinder 6 und 7 sind koaxial, wobei die äußere Oberfläche des Innenzylinders 6 an dem Ende in der Nähe des Kastens 3 durch eine HF-durch lässige geeignete Struktur gehalten wird (z. B. eine Kunst stoffhülse), wobei dieselbe jedoch nicht in der Figur ge zeigt ist. Antenne 5 erstreckt sich eine ausgewählte Strecke in das Innere des Innenzylinders 6. Wie weit sich dieselbe erstreckt, wird später erörtert werden. Im Moment ist es ausreichend, zu erkennen, daß sich dieselbe einen bestimmten Betrag erstrecken wird und daß eine bevorzugte Weise, dies zu erreichen, die Verwendung einer Tiefe-Anbringung 17, die die Tiefe einer Antenneneinführung begrenzt, darstellt. Die Antenne 5 wird zuerst in ihrer vollen Länge ausgefahren und daraufhin durch die Anbringung 17 auf die gewünschte Länge zurück gedrückt, wenn das DUT 2 durch die Einrichtung 4 eingestellt ist. Die Tiefe-Einrichtung 17 kann entfernbar sein, so daß eine unterschiedliche Tiefe-Einrichtung für ein unterschiedliches DUT, dessen Antenneneindringung unter schiedlich sein kann, verwendet werden könnte.

Der eingebrachte Abschnitt der Antenne 5 ergibt den Mittel leiter einer koaxialen Übertragungsleitung, die mit der inneren Oberfläche des Innenzylinders 6 gebildet ist. Dies ist die zuvor erwähnte Eingangsübertragungsleitung. Die äußere Oberfläche des Innenzylinders 6 bildet eine koaxiale Wellenleitung mit der Innen-Oberfläche des Außenzylinders 7. Dies ist die Ausgangsübertragungsleitung, die zuvor erwähnt wurde. Sie besitzt eine Kennimpedanz Z_0out (die sich aus dem Innendurchmesser des Zylinders 7, dem Außendurchmesser des Zylinders 6 und der Dielektrizitätskonstante zwischen den selben ergibt), die ausgewählt wird, um für das Testgerät, den Testsatz oder ein beliebiges Meßgerät, das mit dem Signal, das von der Antenne 5 abstrahlt, gekoppelt ist, geeignet zu sein. Ein bevorzugter Wert für Z_0out ist 50 Ω, obwohl 75 Ω eine ebenso vernünftige Wahl ist. Ferner ist Z_0out nicht auf diese Werte begrenzt, wobei dieselbe im Prinzip jeden gewünschten Wert annehmen kann. Die Kennim pedanz Z_0in der Eingangsübertragungsleitung wird ebenso durch den Außendurchmesser der Antenne 5, den Innendurch messer des Zylinders 6 und die Dielektrizitätskonstante zwischen denselben beeinflußt. Sie wird auf eine nachfolgend beschriebene Art und Weise ausgewählt, wobei dieselbe typischerweise in dem Bereich von 10 Ω bis 200 Ω liegen wird.

Nach dem Bereich des Innenzylinders 6, der die Antenne 5 aufnimmt, verjüngt sich der Innenzylinder 6 über einen Bereich 8, um für die Ausgangsübertragungsleitung, die derselbe mit dem Außenzylinder 7 bildet, einen stationären Mittelleiter zu bilden. Um Z_0out konstant zu halten, verjüngt sich der Außenzylinder 7 ebenso auf eine bekannte Weise über den Bereich 9, derart, daß bei einem fernen Ende 10 derselbe eine Leistung liefert, die von der Antenne 5 zu einer angepaßten Endlast Z_L 11 gekoppelt wird, die die Ein gangsimpedanz für das Meßgerät darstellt (das selbst nicht gezeigt ist, das jedoch ein Leistungsmeßgerät oder ein Spek tralanalysator oder ein variabler Abschwächer vor einem der beiden sein kann). An dem fernen Ende der Ausgangsübertra gungsleitung kann sich ein geeigneter HF-Verbinder (N, APC 7, APC 3.5 oder SMA, usw.) befinden, der es erlaubt, daß eine Länge einer flexiblen koaxialen Leitung oder einer har ten Leitung das Signal zu dem Meßgerät liefert. Ein Aus wählen zwischen unterschiedlichen derartigen Verbindern kann den Enddurchmesser des Mittelleiters der Ausgangsübertra gungsleitung (ein N-Typ besitzt einen dickeren Mittelleiter als ein SMA-Typ) verändern, was im Gegenzug den Innendurch messer des Außenzylinders ändert, wenn die Kennimpedanz an dieser Stelle unverändert belassen werden soll.

Es sei angemerkt, daß innerhalb des Kastens 3 das DUT einen Generator 12 (der für ein Drahtlos-Telephon ein HF-Lei stungsverstärker ist) umfaßt, der auf einer Seite (vermut lich durch ein Anpaßnetzwerk 13, dessen Impedanz Z_M ist) mit der Antenne 5 und auf der anderen Seite mit einer Erdungs platte 14 gekoppelt ist, die im allgemeinen das Gestell des DUT darstellt. Es sei ferner angemerkt, daß bei dem Eingang der Ausgangsübertragungsleitung zwischen der Erdungsplatte 14 und der Hebungsfläche des Außenzylinders 7 eine äquiva lente Kopplungsimpedanz Z_c 15 existiert.

Es sei nun der elektrische Betrieb des Kopplers erklärt. Dies wird in zwei Schritten erreicht. Erstens soll eine in tuitive Erklärung, die eine Zeitdomäne-Natur aufweist, prä sentiert werden, wie es vorhergehend gemacht wurde. Zweitens sei eine zusammengefaßte rigorose Beweisführung unter Ver wendung der Übertragungsleitungsgleichungen präsentiert. Da raufhin wird eine physikalische Konstruktion größtenteils eine Sache der Auswahl sein.

Um mit der intuitiven Erklärung zu beginnen, sei angenommen, daß der Generator 12 eine Spannungsquelle darstellt, dessen Ausgangssignal zwischen der Erdungsplatte 14 und der Antenne 5 anliegt. Die äquivalente Quellenimpedanz dieser Spannungs quelle ist nicht ohne weiteres bekannt (dieselbe sei Z_X ge nannt), wobei dieselbe die serielle Zusammensetzung aus der inhärenten Impedanz des Generators selbst mit derjenigen (Z_M) des Anpassungsnetzwerks 13 ist. Diese Spannung wird über die Serienkombinationen von Z_0in, Z_0out und Z_c ange legt, was als ein Spannungsteiler wirkt. Der Bruchteil der angelegten Spannung, der über Z_0out anliegt, startet eine sich ausbreitende TEM-Welle (transversale elektromagne tische Welle), die ihre gesamte Leistung zu der Last Z_L 11 liefert. Dies ergibt sich, da die Last Z_L 11 einen ordnungs gemäßen Abschluß für die Ausgangsübertragungsleitung (7, 9, 10), die als eine konstante Kennimpedanz Z_0out aufweist, darstellt.

Der Bruchteil der angelegten Spannung, der über Z_0in an liegt, startet eine sich ausbreitende TEM-Welle, die sich entlang der Eingangsübertragungsleitung (5, 6) ausbreitet. Diese Wellenleitung ist jedoch nicht abgeschlossen, so daß die gesamte Leistung in der Welle reflektiert wird (abge sehen von dissipativen Verlusten, die als vernachlässigbar angesehen und ignoriert werden). Diese reflektierte Leistung kehrt schließlich zu dem Eingang der Eingangsübertragungs leitung zurück, wo dieselbe eine Impedanz erkennt, der die seriellen Zusammensetzung aus Z_X und Z_0out darstellt. Von dort kann dieselbe zu drei Stellen gehen. Z_X und Z_0out bil den einen Teiler, so daß ein Teil der reflektierten Leistung durch Z_X aufgenommen wird (erste Stelle), die Impedanzkom ponenten besitzen kann, die tatsächlich einiges der Leistung dissipieren. Ein Teil der reflektierten Leistung wird durch Z_0out aufgenommen (zweite Stelle), die danach auch zu der Last Z_L 11 geliefert wird, jedoch zeitlich etwas später als die Leistung, die ursprünglich in dieselbe eintritt, wie es vorhergehend beschrieben wurde. Es ist unwahrscheinlich, daß die serielle Zusammensetzung aus Z_X und Z_0out einen ord nungsgemäßen Abschluß für Z_0in darstellt, so daß der Rest der reflektierten Leistung zu der Eingangsübertragungslei tung zurück reflektiert wird (dritte Stelle). Da die Ein gangsübertragungsleitung nicht abgeschlossen ist, wird die zurückreflektierte Leistung erneut reflektiert und erfährt die Drei-Wege-Teilung, die gerade beschrieben wurde, usw., bis die übriggebliebene "verbraucht ist". Bei dieser Analyse setzt sich eine wiederholte Regression fort, (durch Bruch teile eines Bruchteils eines Bruchteils. . .), um die zu der Ausgangsübertragungsleitung gelieferten Leistung zu erhöhen. Diese sich ergebende "stückweise Lieferung" ermöglicht oder erzeugt eine Transformatorwirkung (Impedanzumwandlung), die auf einer verspäteten Lieferung von gespeicherter Energie basiert, wobei dies mehr Leistung an der Last Z_L 11 erzeugt, als es anderweitig zu erwarten wäre. Unglücklicherweise lie fert die Analyse nicht viele Hinweise über weitere Parameter von Interesse, wie beispielsweise eine Bandbreite und ein Brummen. Dafür ist es notwendig, die Übertragungsleitungs gleichungen anzuwenden.

In Fig. 2 ist ein vereinfachtes bildliches Diagramm eines Drahtlos-Telephons (2, 18) oder eines anderen DUT gezeigt, das seine Antenne (5, 19) in eine Eingangsübertragungs leitung, die durch die Antenne und den Innenzylinder 6 gebildet ist, eingeführt hat. Der Rest des Diagramms ist gleichartig zu Fig. 1, sofern es sich auf den Außenzylinder 7 und die Abschnitte mit einer Verjüngung, die zu der Last 11 führen, bezieht. Man bemerke die Orte A, B und C, die Orte anzeigen, zwischen denen sich Impedanzen von Interesse befinden.

Fig. 3 ist ein äquivalentes Impedanzdiagramm der Situation in den Fig. 1 und 2. Insbesondere bemerke man, daß die Ein gangsübertragungsleitung 20 (die Impedanz von A nach B) eine Länge L₁ aufweist, und mit einer Impedanz Z_end 20 abge schlossen ist. Die Impedanz von B nach C bildet die Aus gangsübertragungsleitung 21, die eine Länge L₂ aufweist und durch die Impedanz Z_L 11 abgeschlossen ist. Es wurde bereits auf eine nicht-formale Weise erklärt, daß eine Leistung von der Eingangsübertragungsleitung 20 in die Ausgangübertra gungsleitung 21 gelangt, wobei es ferner angenommen wird, daß die Anordnung von Fig. 3 von Fachleuten für Übertra gungsleitungen unabhängig von dem als nicht-kontroverstell akzeptiert wird.

Von den (verlustfreien) Übertragungsleitungsgleichungen kann nun die Impedanz zwischen den Punkten A und B erkannt wer den:

Z_AB = Z₀₁(Z_end + jZ₀₁tanβL₁)/(Z₀₁ + jZ_endtanβL₁) Gl. (1)

(Das Symbol β stellt die Fortpflanzungskonstante für Wel lenleitungen dar, die in Luft 2π/c ist.)

Z_end ist eine offene Leitung, so daß sich nun für die Glei chung ergibt:

Z_AB = Z₀₁/(jtanβL₁) Gl. (2)

Der Plan besteht darin, die Ausgangsübertragungsleitung 21 derart zu konzipieren, daß Z_L einen Abschluß darstellt, der der Kennimpedanz 202 derselben entspricht. Wenn dies durch geführt ist, beträgt die die Impedanz zwischen den Punkten B und C Z_BC = Z_L.

Die äquivalente Schaltung von Fig. 4 kann nun für den ge samten Koppler substituiert werden. Es ergibt sich daher Folgendes:

V_out/V_in = Z_L/(Z_L + Z_AB) = Z_L/((Z_L+(Z₀₁/jtanβL₁)) Gl. (3)

Fig. 5 ist ein Schaubild eines relativen Kopplungsverlustes für Z_0in = 30 Ω und für Zoin = 100 Ω. L₁ betrug 5 cm, wobei angenommen wurde, daß keine Leitfähigkeitsverluste vorhanden sind. Die Verwendung der verlustfreien Übertragungsleitungs gleichungen anstelle von denen mit Verlusten erzeugt einen vernachlässigbaren Fehler. Es sei angemerkt, daß die Ände rung über das Zellulär-Band (825-895 MHZ) und über das US- PCS-Band (1850-1990 MHZ) klein ist.

Gleichung 3 unterstützt die folgenden Beobachtungen über die Form des Schaubilds in Fig. 5:

A) Ein Erhöhen von L₁ verschiebt die Kurve nach links, während ein Vermindern von L₁ dieselbe nach rechts verschiebt.
B) Der Koppler ist am unempfindlichsten auf Änderungen bezüglich der Frequenz, wenn die Kennimpedanz Z₀₂-Z_0out der Ausgangsübertragungsleitung an die Last Z_L angepaßt ist. Z_0out wird selbstverständlich durch das Verhältnis seiner Durchmesser beeinflußt.
C) Ein Vermindern der Kennimpedanz Z₀₁ = Z_in der Ein gangsübertragungsleitung vermindert ebenso die Änderung des Verlusts über eine Frequenz. Dies kann erreicht werden, indem das Verhältnis des Innendurchmessers der inneren Röhre auf den Durchmesser der Antenne verrin gert wird.

Man bemerkt ferner durch ein Prüfen des Schaubilds, daß die Kurve ohne Verlust bei einer Frequenz ein Maximum besitzt. Wenn zwei Betriebsbänder gewünscht sind, wie beispielsweise das Zellulär-Band und das PCS-Band, kann es wünschenswert sein, L₁ derart anzupassen, daß das Maximum bei dem geome trischen Mittel der Mittelfrequenzen f₁ und f₂ der zwei Bän der liegt: f_geom = √((f1)² + (f₂)²). Dies wird den Unter schied bezüglich eines Ansprechens des Kopplers über die zwei Bänder minimieren. Das Maximum liegt aus zwei Gründen bei einem minimalen Verlust von 0 dB, und nicht bei irgend einem anderen Betrag (z. B. in dem Bereich von 2 dB bis 6 dB). Erstens, da die verlustfreie Übertragungsleitungsglei chungen verwendet wurden. Dies bedeutet, daß tatsächliche Verluste in einer wirklichen Übertragungsleitung ignoriert werden. Diese Fehler sind jedoch gering. Zweitens, und von größerer Bedeutung, berücksichtigen die Darlegung und deren Gleichungen, die oben gezeigt sind, keinen Abschnitt der An tenne, der nicht innerhalb der Eingangsübertragungsleitung liegt. Jeder Abschnitt der Antenne, der sich über das DUT hinaus erstreckt, jedoch nicht in den Koppler eintritt, wird abstrahlen und als eine Leistung zu sehen sein, die das DUT verlassen hat aber nicht bei dem Ausgangssignal des Kopplers auftritt (z. B. als Verlust). Im wesentlichen wird bei den Gleichungen und dem Schaubild von Fig. 5 angenommen, daß die gesamte ausgefahrene Antenne in den Koppler eindringt. Ein derartiger Idealfall ist wahrscheinlich unpraktisch, wobei die Ausdehnung einer solchen "freigelegten" Antenne sich vermutlich mit dem Fabrikat und dem Modell des DUT verändern wird. Es ist vernünftig zu erwarten, daß tatsächliche Kopplerverluste irgendwo in dem Bereich zwischen etwa 2 dB bis etwa 6 dB liegen.

Man erkennt ferner, daß die Verjüngung bewirkt, daß die großen Durchmesser des Antennenendes sich allmählich zu dem kleinen Durchmesser umwandeln, der für Standardverbinder benötigt wird. In diesem Fall bewirkt die Verjüngung, daß die Kennimpedanz der Ausgangsübertragungsleitung erhalten wird (und nicht denselben ändert), wenn sich die Durchmesser verändern, um den HF-Verbinder an dem Ende anzupassen. Es ist am besten, wenn die Verjüngung länger als ein Viertel einer Wellenlänge bei der untersten Frequenz von Interesse ist.

Die tatsächlichen Durchmesser des Innen- und Auße-Zylinders hängen von den Kennimpedanzen, die für die Eingangs- und Ausgangsübertragungsleitung ausgewählt sind, ab, genauso wie das mechanische Zusammenpassen mit einem ausgewählten Ver binder, um Z_L (das in einigen Testgeräten vorhanden ist) anzubringen, wobei dieselben ein Gegenstand der Design-Wahl sind.

Zusätzlich erkennt man, daß der beschriebene Koppler eine Umkehrbarkeit aufweist, und daß derselbe verwendet werden kann, um eine HF-Energie mit den gleichen Verlusten, die auftreten, wenn eine Leistung von der Antenne ausgekoppelt wird, in die Antenne eines DUT zu koppeln.

Schließlich erkennt man, daß, obwohl der Koppler mit Ab schnitten 6 und 7 gezeigt und beschrieben ist, die einen konstanten Durchmesser aufweisen, das tatsächliche Interesse darin besteht, daß diese Abschnitte der Eingangsübertra gungsleitung 20 und der Ausgangsübertragungsleitung 21 konstante Kennimpedanzen aufweisen. Es sei angenommen, daß die Antenne 5 des DUT verjüngt ist. Einige ausfahrbare Antennen sind aus abgestuften Durchmesserabschnitten ge fertigt, die zum Einfahren der Antenne ineinander gleiten. Dann wären konstante Durchmesser für die Zylinder 6 und 7 in diesen Bereichen nicht geeignet; man möchte dieselben ver jüngen, möglicherweise gleichartig zu den Bereichen 8 und 9, oder gestuft, in Übereinstimmung mit den Durchmesserände rungen in der Antenne. Als ein weiteres Beispiel kommt es oft vor, daß eine Antenne, die entweder einen einzelnen Abschnitt aufweist oder ausfahrbar ist, einen Wulst 23 an dem Ende aufweist (siehe Fig. 2). Es kann wünschenswert sein, die entsprechenden Durchmesseränderungen in den Zylindern 6 (24) und 7 (25) zu umfassen, die in der Nähe des Wulst die konstante Kennimpedanz der Eingangs- und Aus gangs-Übertragungsleitung erhalten.

Claims

1. Antennenkoppler (1) zum Koppeln der Antenne (5, 19) eines Geräts (2, 18), das einem Test unterliegt, zu einer Stufe eines Testgeräts, wobei der Antennenkoppler (1) folgende Merkmale aufweist:
einen Innenzylinder (6) aus leitfähigem Material, in den eine Antenne (5, 19) an einem ersten Ende desselben über eine ausgewählte Tiefe (L₁) entlang der Achse des Innenzylinders (6) eingebracht werden kann, wobei der Innenzylinder einen konstanten Innen- und Außendurch messer entlang einer Länge, die mindestens gleich der ausgewählten Tiefe (L₁) ist, die bei dem ersten Ende beginnt, aufweist, und wobei sich danach der Außen durchmesser des Innenzylinders (6) über eine zweite Länge (8) zu einem ersten ausgewählten Durchmesser ver jüngt, wobei der konstante Innendurchmesser des In nenzylinders (6) mit einer eingebrachten Antenne (5) eine nicht-abgeschlossene koaxiale Übertragungsleitung mit einer Kennimpedanz Z_in bildet;
einen Außenzylinder (7) aus leitfähigem Material, bei dem ein erstes Ende desselben im allgemeinen gegenüber dem ersten Ende des Innenzylinders (7) angeordnet ist, und der die gleiche Achse wie der Innenzylinder (6) aufweist, wobei der Außenzylinder (7) den Innenzylinder (6) enthält und gegenüber dem Bereich mit einem kon stanten Außendurchmesser des Innenzylinders (6) und über die gleiche Länge einen konstanten Innendurch messer aufweist, und wobei sich danach der Innendurch messer des Außenzylinders (7) über die zweite Länge (9) verjüngt, um eine konstante Kennimpedanz Zoin aufrecht zu erhalten, wenn sich der Außendurchmesser des Innen zylinders (6) zu dem ersten ausgewählten Durchmesser verjüngt, wobei der konstante Innendurchmesser des Außenzylinders (7) mit dem konstanten Außendurchmesser des Innenzylinders (6) eine koaxiale Über tragungsleitung, die ebenfalls eine Kennimpedanz Z_0out aufweist, bildet; und
eine HF-Verbindung zum Übertragen von HF-Leistung, die zwischen der Antenne (5, 19) und einer Stufe eines Testgeräts (11) gekoppelt wird, wobei sich die HF-Ver bindung an den fernen Enden (10) des Innenzylinders (6) bzw. Außenzylinders (7) an oder jenseits der Verjüngung befindet.

2. Antennenkoppler (1) gemäß Anspruch 1, der ferner fol gendes Merkmal aufweist:
einen leitfähigen HF-dichten Kasten (3), um ein Gerät (2, 18), das einem Test unterliegt, zu enthalten, wobei derselbe mit HF-absorbierendem Material (16) ausge kleidet ist, wobei der Kasten (3) eine Seite mit einer Öffnung in derselben aufweist, mit der das erste Ende des Außenzylinders (7) mit derselben und von außerhalb des Kastens (3) leitfähig passend gekoppelt ist.

3. Antennenkoppler (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, der ferner eine Ausrichtungseinrichtung (4) in der HF-dichten Box (3) aufweist, um das Gerät (2, 18), das einem Test unterliegt, an einem Ort zu halten, an dem die Antenne (5, 19) desselben positioniert ist, um entlang der Achse des Innenzylinders (6) zu liegen.

4. Antennenkoppler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Innenzylinder (6) einen Tiefe-Anschlag (17) umfaßt, um das Eindringen der Antenne auf die ausge wählte Tiefe zu begrenzen.

5. Antennenkoppler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem Z_0out in dem Bereich von 50 Ω bis 75 Ω und Z_0in in dem Bereich von 30 Ω bis 200 Ω liegt.

6. Antennenkoppler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem die HF-Verbindung an den fernen Enden (10) ein koaxialer HF-Verbinder ist.

7. Antennenkoppler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Gerät (2, 18), das einem Test unterliegt, ein Drahtlos-Telephon ist.

8. Antennenkoppler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Gerät (2, 18), das einem Test unterliegt, eine Drahtlos-Rufanlage (Drahtlos-Pager) ist.

9. Antennenkoppler (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem das Gerät (2, 18), das einem Test unterliegt, ein Sende/Empfangs-Hand-Funkgerät ist.