DE102021117664A1

DE102021117664A1 - Prüfvorrichtung für Hochfrequenzanwendungen

Info

Publication number: DE102021117664A1
Application number: DE102021117664.6A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Schroff; Sergiy Royak
Original assignee: Ingun Pruefmittelbau GmbH
Current assignee: Ingun Pruefmittelbau GmbH
Priority date: 2021-07-08
Filing date: 2021-07-08
Publication date: 2023-01-12
Also published as: CN117957450A; WO2023280582A1

Abstract

Die Anmeldung betrifft eine Prüfsonde (10) zur kontaktlosen Messung der elektromagnetischen Eigenschaften einer Funkeinheit (20), insbesondere einer Antenneneinheit, aufweisend einen Hohlleiter (1) zur Übertragung von elektromagnetischer Wellen, ein im Hohlleiter angeordnetes Füllelement (2) aus dielektrischem Material, ein endseitig am Hohlleiter (1) angeordnetes Linsenelement (3) aus dielektrischem Material zur Einkopplung von elektromagnetischen Wellen in den Hohlleiter (1), und ein an einem zum Linsenelement (3) gegenüberliegenden Ende des Hohlleiters angeordneten Kontaktabschnitt (4) zur Auskopplung eines Messsignals.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Prüfsonde für Hochfrequenzanwendungen, insbesondere zur kontaktlosen Messung der elektrischen oder elektromagnetischen Eigenschaften einer Funkeinheit, insbesondere einer Antenneneinheit oder einer Array-Antenne, sowie ein zugehöriges Verfahren zur kontaktlosen Messung, insbesondere Nahfeldmessung.
Aufgrund der fortschreitenden technologischen Entwicklung von Hochfrequenzanwendungen werden die in Basisstationen und damit kommunizierenden Endgeräte verbauten Antennen oder Array-Antennen, welche beispielsweise mittels des Mobilfunkstandards 5G arbeiten, komplexer. Hierdurch ergeben sich neue Anwendungsmöglichkeiten wie das sogenannte Massive MIMO (Multiple Input, Multiple Output) Verfahren, in welchem durch Verschaltung einer Vielzahl von Antennenelementen einer Array-Antenne eine gleichzeitige Signalübertragung an mehrere Endgeräte mit erhöhter Datenkapazität erfolgt und wobei zusätzlich mittels (3D-)Beamforming eine optimierte Bündelung und Ausrichtung der Übertragungsleistung an ein jeweiliges Endgerät ermöglicht wird. Gleichzeitig werden jedoch entsprechende Vorrichtungen und Systeme zu Prüfzwecken derartiger Anwendungen benötigt, welche eine wirtschaftliche und gleichzeitig zuverlässige Prüfung beispielsweise einer Amplitudeneigenschaft oder einer Phaseneigenschaft von entsprechenden drahtlosen Antennenelementen oder Array-Antennen ermöglichen.
In der Regel weisen Antennenelemente oder Array-Antennen für derartige Hochfrequenzanwendungen keine Prüfanschlüsse auf, so dass eine Prüfung bzw. Messung der Antenneneigenschaften mittels Over-the-Air (OTA) Verfahren und somit kontaktlos zu erfolgen hat.
Aus dem Stand der Technik sind bereits Lösungen bekannt, welche die Antenneneigenschaften beispielsweise mittels Nahfeldmessung erfassen. So offenbart die DE 10 2019 215 280 A1 eine Prüfsonde zum Testen elektronischer Prüflinge wie beispielsweise eine Dipolantenne, aufweisend einen an dem Träger angeordneten Sensor mit zwei stiftförmigen Antennen, welche elektrisch verbunden sind und dazu ausgebildet sind, eine insbesondere elektrische oder elektromagnetische Eigenschaft des Prüflings zu erfassen. Die stiftförmigen Antennen sind hierbei als Drahtelemente oder Koaxialdrähte ausgebildet.
Die WO 2020/103031 A1 offenbart eine Richtsonde zur breitbandigen Messung von Antenneneigenschaften, aufweisend einen Koaxialleiter mit einem Innenleiter, einem diesen umgebenden Isolator und einen Außenleiter. Ein endseitig vorgesehener Verbindungsleiter erstreckt sich einachsig und parallel zu einer Stirnfläche des Koaxialleiters und verbindet Innen- und Außenleiter.
Ebenfalls bekannt sind Prüflösungen, welche für eine Prüfung im Fernfeld der Antenne und hierbei zur direkten Messung der jeweiligen Feldeigenschaften ausgelegt sind. Diese bringen jedoch den Nachteil eines deutlich aufwendigeren Prüfverfahrens mit sich, bei welchem beispielsweise in einer Messkammer eine Prüfvorrichtung nacheinander an eine Vielzahl unterschiedlicher Positionen im Fernfeld der zu prüfenden Antenne platziert werden muss, wobei unter entsprechender Ansteuerung der Antenne an jeder der Positionen eine entsprechende Messung durchzuführen ist.
Die DE 10 2011 088 171 A1 offenbart ein Verfahren zum Prüfen von Mikrowellensignalen von elektronischen Komponenten, wobei ein Fernfeld einer Strahlungsquelle in der zu untersuchenden Komponente detektiert wird. Die Mikrowellensignale werden von einer Antennenvorrichtung empfangen, die aus mehreren Einzelantennen mit bestimmter Öffnungsweite besteht. Der Abstand zwischen der Antenneneinrichtung und dem elektronischen Bauteil wird größer als das 1,5-fache der Wellenlänge der gemessenen Mikrowellensignale und kleiner als das 2-fache der Öffnungsweite gewählt. Die elektrische Feldverteilung in der Ebene des elektronischen Bauteils wird durch Rückrechnung der Signalausbreitung zur Signalquelle ermittelt.
Im Lichte dieses Standes der Technik liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte Prüfvorrichtung bereitzustellen, welche eine wirtschaftliche und zuverlässige Prüfung eines Antennenelements oder einer Array-Antenne im Rahmen von Hochfrequenzanwendungen ermöglicht. Insbesondere soll eine Vorrichtung und ein zugehöriges Verfahren zur kontaktlosen Prüfung bzw. Messung bereitgestellt werden, mit welcher bzw. welchem ein Antennenelement bzw. eine Array-Antenne hinsichtlich dessen bzw. deren Eigenschaften und insbesondere hinsichtlich einer Amplitudeneigenschaft und/oder Phaseneigenschaft geprüft werden kann.
Diese Aufgabe wird durch die Prüfsonde, die Prüfvorrichtung sowie durch das Verfahren gemäß den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Die abhängigen Ansprüche beschreiben vorteilhafte Weiterbildungen der vorliegenden Erfindung.
In einem ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung eine Prüfsonde zur kontaktlosen Messung der elektromagnetischen Eigenschaften einer Funkeinheit, insbesondere einer Antenneneinheit, aufweisend einen Hohlleiter zur Übertragung von elektromagnetischer Wellen, ein im Hohlleiter angeordnetes Füllelement aus dielektrischem Material, ein endseitig am Hohlleiter angeordnetes Linsenelement aus dielektrischem Material zur Einkopplung von elektromagnetischen Wellen in den Hohlleiter, und ein an einem zum Linsenelement gegenüberliegenden Ende des Hohlleiters angeordneten Kontaktabschnitt zur Auskopplung eines Messsignals.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Bereitstellung einer Prüfsonde mit vereinfachtem Aufbau zur zuverlässigen Prüfung einer jeweiligen Antenneneinheit einer Array-Antenne mittels Nahfeldmessung. Diese lässt sich deutlich besser in einen Produktionsablauf integrieren als die aus dem Stand der Technik bekannten Fernfeldmessvorrichtungen. Durch die Ausbildung mit einem Hohlleiter zur Übertragung der elektromagnetischen Wellen wird ein relativ großer Frequenzbereich mit der Prüfsonde erfassbar. Weiterhin wird durch die erfindungsgemäße Anordnung des Füllelements aus dielektrischem Material im Hohlleiter eine Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen im Hohlleiter erzielt, wodurch sich bei gleichem Durchmesser des Hohlleiters eine tiefere Frequenz des zu übertragenen Signals ergibt. Hierdurch wird ein vereinfachter und kompakter Aufbau bei gleichzeitig optimierter Signalauswertung ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Prüfsonde ist wenigstens zur Messung einer jeweiligen Amplitudeneigenschaft eines Prüflings ausgebildet. Insbesondere kann mit der Prüfsonde wenigstens eine jeweilige Feldstärke zur einfachen Prüfung bzw. Bewertung eines Einzelantennenelements erfolgen.
Die Prüfsonde ist vorzugsweise stiftartig ausgebildet, wobei der Hohlleiter sich vorzugsweise axial erstreckt. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Hohlleiter als Rundhohlleiter ausgebildet. Dieser weist bevorzugt einen kreisrunden und alternativ einen ovalen oder elliptischen Querschnitt auf. Der Hohlleiter besteht aus einem gut leitenden Material wie beispielsweise Kupfer, Aluminium, Silber oder Gold.
Die Prüfsonde ist vorzugsweise zur Messung bzw. Prüfung von Antennenelementen oder Array-Antennen ausgebildet, welche im Bandbreitenbereich des Mobilfunkstandards 5G und insbesondere im Bereich von 24,25 bis 29,5 GHz emittieren. Die Erfindung ist nicht auf diesen Frequenzbereich beschränkt und kann auch für hiervon abweichende und insbesondere für höhere Frequenzen angewandt werden.
Das Füllelement besteht vorzugsweise aus Kunststoff und weist eine Dielektrizitätszahl ε_r von 2,5 bis 10, mehr bevorzugt von 2,8 bis 9,7 und weiter bevorzugt von 6,5 bis 9,7 auf In einer besonders bevorzugten Ausführungsform besteht das Füllelement aus Polyetheretherketon (PEEK) mit einer Dielektrizitätszahl ε_r von 3,3. In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführungsform besteht das Füllelement aus Preperm des Herstellers Premix, beispielsweise aus Preperm PPE800 oder Preperm PPE950, aufweisend eine Dielektrizitätszahl ε_r von 8 bzw. 9,5.
Alternativ kann das Füllelement aus einem Keramikmaterial wie Aluminiumoxid bestehen, insbesondere aus einem Multilagenkeramikmaterial wie beispielsweise High Temperature Cofired Multilayer Ceramic (HTCC) oder Low Temperature Cofired Multilayer Ceramic (LTCC). Das Multilagenkeramikmaterial kann integral ausgebildete Leiterelemente aufweisen, welche bereits bei der Herstellung in das Material mit eingebracht werden. Bei dieser Ausführungsform liegt die Dielektrizitätszahl ε_r vorzugsweise bei 7 bis 10, vorzugsweise bei 7 bis 9,5.
Das Füllelement erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Länge des Hohlleiters und kann ein- oder mehrteilig aufgebaut sein. Das Füllelement ist vorzugsweise ein im Wesentlichen zylinderförmiges Element und kann abschnittsweise Aussparungen und/oder Rücksprünge insbesondere in einer Mantelfläche des Füllelements aufweisen. Weiterhin kann das Füllelement darin angeordnete oder damit integral ausgebildete Leiter aufweisen.
Das Linsenelement der Prüfsonde ist vorzugsweise als elektrische Linse an einer Spitze der Prüfsonde ausgebildet. Das Linsenelement erstreckt sich vorzugsweise in Längsrichtung der Prüfsonde aus dem Hohlleiter. Das Linsenelement steht somit über einen stirnseitigen Endbereich des Hohlleiters endseitig hervor. Das Linsenelement ist vorzugsweise aus Kunststoff ausgebildet und weist eine Dielektrizitätszahl ε_r > 1 auf. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Linsenelement aus Kunststoff ausgebildet und weist eine Dielektrizitätszahl ε_r von 2,5 bis 10, mehr bevorzugt von 2,8 bis 9,7 und weiter bevorzugt von 6,5 bis 9,7 auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Linsenelement aus Polyetheretherketon (PEEK) mit einer Dielektrizitätszahl ε_r von 3,3. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform besteht das Linsenelement aus Preperm des Herstellers Premix, beispielsweise aus Preperm PPE800 oder Preperm PPE950, aufweisend eine Dielektrizitätszahl ε_r von 8 bzw. 9,5. Alternativ kann das Linsenelement aus Keramikmaterial gebildet sein, analog zum vorgehend beschriebenen Füllelement. Das Linsenelement ist weiterhin bevorzugt integral, d.h. einstückig, mit dem Füllelement oder wenigstens einem Teil des Füllelements ausgebildet.
Das Linsenelement ist vorzugsweise als Ellipsoid an der Spitze der Prüfsonde ausgebildet. Alternativ kann das Linsenelement eine gestufte Spitze der Prüfsonde ausbilden. Hierbei weist das Linsenelement vorzugsweise eine plane, vorzugsweise kreisrunde, Stirnfläche und wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei koaxial angeordnete Stufenabschnitte mit jeweils erweitertem Durchmesser auf.
Die Prüfsonde kann am dem Linsenelement zugeordneten Endabschnitt des Hohlleiters einen Kragen vorzugsweise aus leitendem Material zur Abschirmung gegenüber seitlich einfallenden elektromagnetischen Wellen aufweisen. Der Kragen kann einen parallel zur restlichen Mantelfläche der Prüfsonde angeordneten zylindrischen Abschnitt aufweisen. Der Kragen kann lediglich einen proximalen Abschnitt des Linsenelements umgebend angeordnet sein oder sich wenigstens teilweise bis zu einem distalen Abschnitt des Linsenelements erstrecken. Durch den Kragen kann insbesondere bei der Prüfung bzw. Messung von mehreren benachbarten Antennenelementen einer Array-Antenne ein Einfall von elektromagnetischen Wellen von benachbarten Antennenelementen unterdrückt oder verhindert werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Linsenelement einen sich in Längsrichtung der Prüfsonde bzw. des Hohlleiters wenigstens abschnittsweise erstreckenden und zentral angeordneten elektrischen Leiter auf. Dieser kann insbesondere ein sich axial und zentral im Linsenelement erstreckender dünner Draht sein. Hierdurch wird die Führung der elektromagnetischen Wellen im Hohlleiter optimiert und insbesondere der elektrische Teil des TM₀₁ Modes kurzgeschlossen, wohingegen eine Ausbreitung des Grundmodes TE₁₁ nicht beeinflusst wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Prüfsonde einen dem Linsenelement in Längsrichtung bzw. Wellenausbreitungsrichtung nachgelagerten Polarisator auf, welcher ausgebildet ist, die in die Prüfsonde einfallenden elektromagnetischen Wellen linearer Polarisation in eine zirkulare elektromagnetische Welle umzuwandeln. Der Polarisator weist eine Vielzahl von parallelen, rillenförmigen bzw. nutförmigen Vertiefungen auf, welche in einer Mantelfläche des Füllelements angeordnet sind und sich im Wesentlichen senkrecht zur Längsrichtung der Prüfsonde erstrecken. Die Vertiefungen sind vorzugsweise in zwei sich gegenüberliegenden Seitenabschnitten des Füllelements angeordnet und weiter vorteilhaft im Wesentlichen gleichförmig ausgebildet. Insbesondere weisen die jeweiligen Vertiefungen einen konstanten Querschnitt und Tiefe im Füllelement auf.
Die Prüfsonde weist weiter bevorzugt einen dem Polarisator in Längsrichtung bzw. Wellenausbreitungsrichtung nachgelagerten Absorber aus ferromagnetischem Material wie beispielsweise Eisen auf. Dieser ist vorzugsweise eben, beispielsweise als Flachzunge ausgebildet und erstreckt sich vorzugsweise zentral und parallel zur Längsrichtung bzw. Wellenausbreitungsrichtung der Prüfsonde. Der Absorber erstreckt sich hierbei vorzugsweise in einer Ebene, welche in einer Längsschnittansicht gegenüber einer Verlaufsrichtung der nutförmigen Vertiefungen des Polarisators bzw. einem jeweiligen Nutengrund der Vertiefungen um 45° versetzt angeordnet ist. Durch den Absorber wird aus der mittels des Polarisators erzeugten zirkularen Welle, welche selbst aus zwei linear polarisierten Wellen mit einem Phasenversatz von 90° besteht, eine linear polarisierte Welle absorbiert.
Die Prüfsonde weist weiter bevorzugt einen dem Absorber in Längsrichtung nachgelagerten Taper-Abschnitt auf, in welchem sich der Querschnitt des Füllelements entlang einer Ebene in Längsrichtung bzw. Wellenausbreitungsrichtung verjüngt, die orthogonal zur Ebene ausgerichtet ist, in welcher sich der Absorber erstreckt. Insbesondere ist der Taper-Abschnitt derart ausgebildet, dass sich ein Querschnitt des Füllelements in Längsrichtung bzw. Wellenausbreitungsrichtung von einem runden Querschnitt zu einem halbkreisförmigen Querschnitt wandelt. Der Taper-Abschnitt weist hierbei einen zum Füllelement komplementär ausgebildetes Leiterelement auf, welches sich in Längsrichtung bzw. Wellenausbreitungsrichtung hin zum Kontaktabschnitt der Prüfsonde, insbesondere halbkegelförmig, verbreitert. Die Querschnittsverjüngung ermöglicht eine optimierte Wellenführung in einem dem Kontaktabschnitt vorgelagerten Abschnitt des Hohlleiters. Insbesondere wird hierbei eine unerwünschte Anregung der TM₀₁ Mode verhindert.
Der Kontaktabschnitt der Prüfsonde weist weiter bevorzugt einen endseitig angeordneten, koaxialen Stecker auf, wobei eine induktive Ankopplung an den Innenleiter des koaxialen Steckers zum Auskoppeln eines Messsignals erfolgt. Der Kontaktabschnitt umfasst hierbei vorzugsweise einen SMPM-Stecker.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die Prüfsonde ein zwischen dem Linsenelement und dem rückseitigen Kontaktabschnitt der Prüfsonde angeordneten vorzugsweise konstant verjüngenden Taperabschnitt mit gleichbleibender Querschnittsform auf. Dieser weist einen sich vorzugsweise konstant in Längsrichtung bzw. Wellenausbreitungsrichtung verjüngenden Durchmesser auf. Insbesondere erfolgt in diesem konstant verjüngenden Taperabschnitt in Längsrichtung eine Verjüngung des Durchmessers des Hohlleiters sowie des darin angeordneten Füllelements.
Der Kontaktabschnitt der Prüfsonde dieser Ausführungsform weist vorzugsweise zwei zueinander in Längsrichtung bzw. Wellenausbreitungsrichtung versetzt angeordnete Kontaktelemente auf, welche zum Abgriff einer jeweiligen linearen Polarisation ausgebildet sind. Insbesondere sind die Kontaktelemente zur Auskopplung eines Messsignals für eine erste, insbesondere horizontale Polarisation, und eine zweite, insbesondere vertikale Polarisation, ausgebildet.
Die elektrischen Kontaktelemente umfassen jeweils einen koaxialen Stecker, welcher vorzugsweise an der Mantelfläche angeordnet ist. Weiterhin umfassen die Kontaktelemente vorzugsweise jeweils einen zugeordneten elektrischen Leiter, welcher im Hohlleiter senkrecht zur Verlaufsrichtung bzw. Wellenausbreitungsrichtung angeordnet in. Die elektrischen Kontaktelemente bilden so vorteilhaft eine Art Dipol-Probe zur Auskopplung der jeweiligen Messsignale aus. Ein erster Leiter des ersten Kontaktelements ist hierbei vorzugsweise stift- oder drahtartig ausgebildet und zu einem vorzugsweise ebenfalls stift- oder drahtartig ausgebildeten zweiten Leiter des zweiten Kontaktelements um 90° versetzt angeordnet. Weiterhin vorteilhaft kann in einem rückwärtigen Bereich des Hohlleiters zusätzlich leitende Elemente, beispielsweise stift- oder drahtartige Leiter, als Kurzschlüsse vorgesehen, welche insbesondere eine optimierte elektrische Trennschärfe bzw. Isolation zwischen den beiden Kontaktelementen im Hohlleiter ermöglichen.
Alternativ zur vorgenannten Ausbildung kann der Kontaktabschnitt auch derart ausgebildet sein, dass eine induktive Auskopplung eines Messsignals ermöglicht wird.
Diese Ausführungsform der Prüfsonde ist vorzugweise zur Messung einer jeweiligen Amplitudeneigenschaft und der Phaseneigenschaften eines Prüflings ausgebildet. Insbesondere kann mit der Prüfsonde eine Amplitudeneigenschaft sowohl für eine erste als auch für eine zweite Polarisation gemessen werden. Hierdurch wird eine detailliertere Messung und Prüfung eines jeweiligen Prüflings aufgeschlüsselt nach jeweiliger Phaseneigenschaft möglich.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Prüfung einer Array-Antenne aufweisend eine Mehrzahl von Prüfsonden wie vorgehend beschrieben, wobei die Vorrichtung eines oder mehrere Halteelemente für die jeweiligen Prüfsonden aufweist, welche eine vordefinierte Anordnung der Prüfsonden, bevorzugt in einem Abstand zueinander vom jeweils λ/2 der von der Array-Antenne emittierten Frequenz zueinander ermöglichen.
Eine Array-Antenne ist hierbei zu verstehen als eine Zusammenschaltung von einzelnen Antennenelementen. Der Abstand zwischen den einzelnen Antennenelementen ist durch den Frequenzbereich der Array-Antenne bestimmt und entspricht üblicherweise λ/2. Die Array-Antenne kann eine Anordnung der Antennenelemente in einem rechteckigen Feld aufweisen. Die Array-Antenne kann jedoch auch hiervon abweichende Formen, insbesondere auch gebogene Formen aufweisen.
Die Vorrichtung ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine jeweilige Prüfsonde in Abstrahlrichtung eines jeweiligen Antennenelements diesem direkt gegenüberliegend angeordnet ist. Hierbei können die Halteelemente für die Prüfsonden einstellbar ausgebildet sein, insbesondere um einen jeweiligen Abstand der Prüfsonden zueinander und/oder die jeweilige räumliche Ausrichtung der einzelnen Prüfsonden auf den Prüfling anzupassen.
Durch die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung wird eine gleichzeitige Messung und Prüfung einer Vielzahl von Antennenelementen einer Array-Antenne mit der erfindungsgemäßen Prüfsonde ermöglicht. Hierbei kann neben einer direkten Messung eines jeweiligen Antennenelements der Array-Antenne auf dessen Funktion, beispielsweise eine reine Überprüfung einer korrekten Funktionsweise durch Amplitudenmessung bzw. Messung der Feldstärke, auch eine gleichzeitige Prüfung der Funktionsweise der Array-Antenne durch eine Messung an mehreren Messpunkten durch die einzelnen Prüfsonden erfolgen, auf Basis welcher beispielsweise eine nachfolgende Nahfeld-zur-Fernfeld Berechnung durchgeführt werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung hierfür eine Auswerteeinheit, welche mit den einzelnen Prüfsonden der Vorrichtung verbunden ist und ausgebildet ist, einen Nah- zu Fernfeld-Abbildungsalgorithmus durchzuführen. Hierdurch kann basierend auf den im Nahfeld erfassten Messergebnissen der einzelnen Prüfsonden eine Berechnung bzw. Transformation der Nahfeldmessergebnisse auf ein Fernfeld erfolgen. Das zugrunde liegende Verfahren für eine derartige Berechnung bzw. einen derartigen Algorithmus ist aus dem Stand der Technik bekannt, siehe beispielswiese Antenna Theory, Analysis and Design, Constantine A Balanis; oder https://de.mathworks.com/ matlabcentral/fileexchange/23385-nf2ff.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Verfahren zur kontaktlosen Messung, insbesondere Nahfeldmessung, der elektrischen oder elektromagnetischen Eigenschaften einer Funkeinheit, insbesondere einer Antenneneinheit oder einer Array-Antenne, wobei die Funkeinheit Mikrowellensignale und insbesondere im Frequenzband des 5G Mobilfunkstandards emittiert, und wobei die emittierten Mikrowellensignale von einer zugeordneten Prüfsonde oder einer zugeordneten Prüfvorrichtung wie vorgehend beschrieben erfasst werden und durch eine zugeordnete Auswerteeinheit ausgewertet werden.
Das Verfahren kann den weiteren Schritt einer Nah- zu Fernfeld-Berechung bzw. die Durchführung eines Nah- zu Fernfeld-Abbildungsalgorithmus aufweisen, wie vorgehend im Zusammenhang mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung beschrieben.
Einzelheiten, weitere vorteilhafte Wirkungen und Details der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend anhand der schematischen, lediglich beispielhaften Zeichnungen erläutert.
Darin zeigen:

1: eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfsonde in perspektivischer Ansicht;
2: eine Seitenansicht der Prüfsonde nach 1 ohne den das Füllelement ummantelnden Hohlleiter;
3,4: seitliche Schnittansichten der Prüfsonde nach 1;
5a: eine Querschnittsansicht durch den Absorber nach 1;
5b: eine Detailansicht des Kontaktabschnitts der Prüfsonde nach 1;
6: eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfsonde in perspektivischer Ansicht;
7a: eine seitliche Schnittansicht der Prüfsonde nach 6;
7b: Schnittansichten der elektrischen Kontakte der Prüfsonde nach 6;
8: eine Seitenansicht der ersten Ausführungsform gemäß 1 in Zusammenwirkung mit einem Prüfling zur Messung;
9: eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung zur Messung einer Array-Antenne;
10: ein beispielhaftes Richtdiagramm zur Beurteilung der Fernfeldeigenschaften einer Array-Antenne, kalkuliert auf Basis der Nahfeldmessung durch die erfindungsgemäße Prüfvorrichtung;
11,12: eine beispielhafte Ausführung einer Mehrschichtleiterplatte zur Ankopplung an eine Mehrzahl an Prüfsonden in perspektivischer Ansicht und Draufsicht;
13: eine Detailansicht der Mehrschichtleiterplatte nach 12; und
14: eine seitliche Schnittansicht einer Mehrschichtleiterplatte.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfsonde wird im Folgenden mit Verweis auf die 1 - 5 beschrieben.
Die erfindungsgemäße Prüfsonde 10 umfasst ein an einer Spitze der Prüfsonde 10a angeordnetes Linsenelement 3 zur Einkopplung von elektromagnetischen Wellen, einen Hohlleiter 2 zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen und einen rückwärtig und insbesondere an einem dem Linsenelement 3 bzw. der Spitze 10a gegenüberliegenden Ende 10b der Prüfsonde 10 angeordneten Kontaktabschnitt 4 zur Auskopplung eines Messsignals. Die Prüfsonde 10 ist hierbei im Wesentlichen stiftförmig ausgebildet und erstreckt sich somit axial von der Spitze 10a zum gegenüberliegenden Ende 10b, an welchem der Kontaktabschnitt 4 ausgebildet ist. Eine Gesamtlänge L_G der Prüfsonde liegt vorzugsweise bei 30 bis 150 mm, mehr bevorzugt bei 30 bis 120 mm.
Der Hohlleiter 1 ist als Rundhohlleiter mit einer kreisrunden Querschnittsform ausgebildet und weist eine in Längsrichtung L konstante hohlzylindrische Form auf. Im Hohlleiter 1 ist ein Füllelement 2 aus dielektrischem Material, beispielsweise einem Kunststoff wie PEEK oder Preperm PPE angeordnet. Das Füllelement 2 erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Länge des Hohlleiters 1 bzw. füllt diesen über die gesamte Länge. Die Querschnittsform des Füllelements 2 kann dabei teilweise variieren. Weiterhin kann das Füllelement 2 einstückig oder mehrstückig ausgebildet sein. Im vorliegenden Fall umfasst das Füllelement 2 wenigstens einen ersten, der Spitze 10a zugewandten Füllelementabschnitt 2a, und einen rückwärtigen, zweiten Füllelementabschnitt 2b. Diese sind an einem komplementär zueinander ausgebildeten gestuften Kontaktabschnitt 2c zueinander anliegend angeordnet. In der gezeigten Ausführungsform ist das Linsenelement 3 als Ellipsoid einstückig mit dem Füllelement 2 und insbesondere einstückig mit dem ersten Füllelementabschnitt 2a ausgebildet. Das ellipsoide Linsenelement 3 ist zudem derart angeordnet, dass dieses in Längsrichtung L aus dem Hohlleiter 1 hervorstehend ausgebildet ist. Das Linsenelement 3 weist vorzugsweise eine Linsenlänge L_L in Längsrichtung L von 5 bis 20 mm, weiter bevorzugt von 6 bis 12 mm auf.
An der Spitze 10a weist der Hohlleiter 1 vorteilhaft einen dem Linsenelement 3 zugeordneten Kragen 18. Dieser dient zur Abschirmung gegenüber seitlich einfallenden elektromagnetischen Wellen, insbesondere bei der Messung bzw. Prüfung einer Array-Antenne.
Weiterhin weist die Prüfsonde 10 einen sich am Linsenelement 3 in Längsrichtung L wenigstens abschnittsweise erstreckenden und zentral angeordneten elektrischen Leiter 5 auf. Dieser kann insbesondere durch einen sich zentral von einer Spitze des Linsenelements 3 in Sondenlängsrichtung L erstreckenden dünnen Draht gebildet sein.
Die Prüfsonde 10 umfasst in Längsrichtung bzw. Wellenausbreitungsrichtung dem Linsenelement 3 nachgelagert einen Polarisator 6, einen diesem nachgelagerten Absorber 9, sowie einen hierzu wiederum nachgelagerten Taper-Abschnitt 14.
Der Polarisator 6 ist hierbei derart ausgebildet, dass dieser in die Prüfsonde einfallende elektromagnetische Wellen egal welcher linearen Polarisation in eine zirkulare elektromagnetische Welle umwandelt. Hierfür weist der Polarisator 6 eine Vielzahl von parallelen, rillenförmigen Vertiefungen 7a,7b auf, welche in einer Mantelfläche 8 des Füllelements 2 angeordnet sind. Die rillenförmigen Vertiefungen erstrecken sich hierbei vorzugsweise senkrecht zur Längsrichtung L der Prüfsonde. Die rillenförmigen Vertiefungen 7a,7b sind in zwei sich gegenüberliegenden Seitenabschnitten 8a,8b der Mantelfläche 8 des Füllelements 2 (vgl. 3,4) angeordnet und im Wesentlichen gleichförmig ausgebildet. Der Polarisator 6 weist vorzugsweise eine Länge L1 in Längsrichtung L von 8 bis 60 mm, weiter bevorzugt von 10 bis 50 mm auf.
Der dem Polarisator 6 nachgelagerte Absorber 9 erstreckt sich in einer Ebene E1 in Längsrichtung der Prüfsonde 10. Die Ebene E1 liegt hierbei vorzugsweise parallel zu sich gegenüberliegenden Flächen in einem gestuften Kontaktabschnitt 2c des Füllelements 2. Der Absorber 9 kann insbesondere als rechteckige Flachzunge aus ferromagnetischem Material ausgebildet sein, welche vorteilhaft wenigstens an einem der beiden Füllelementabschnitte 2a,2b befestigt ist. Der Absorber 9 ist hierbei vorzugsweise derart ausgebildet, dass die Ebene E1 in einer Längsschnittansicht (vgl. 5a) vorzugsweise um einen Winkel α = 45° versetzt gegenüber einer Verlaufsrichtung bzw. einem Nutengrund 19 der nutförmigen Vertiefungen 7a,7b des Polarisators 6 angeordnet ist. Der Absorber 9 weist vorzugsweise eine Länge L2 in Längsrichtung L von 4 bis 18 mm, weiter bevorzugt von 5 bis 14 mm auf.
Der dem Absorber nachgelagerte Taper-Abschnitt 13 weist einen sich verjüngenden Querschnitt des Füllelements 2 in Längsrichtung L auf. Hierbei verjüngt sich der Querschnitt entlang einer Ebene E2 von einer runden Querschnittsform zu einer halbkreisförmigen Querschnittsform. Die Ebene E2 liegt hierbei vorzugsweise senkrecht zur Ebene E1, in welcher der Absorber 9 angeordnet ist (vgl. 2). Der Taper-Abschnitt 13 umfasst weiterhin ein zum Füllelement 2 komplementär ausgebildetes leitendes Element 14, welches sich in Längsrichtung hin zum Kontaktabschnitt 3 der Prüfsonde, insbesondere halbkegelförmig, verbreitert. Der Taper-Abschnitt 13 weist vorzugsweise eine Länge L3 in Längsrichtung L von 4 bis 50 mm, weiter bevorzugt von 5 bis 45 mm auf.
Das leitende Element 14 ist mit dem Kontaktabschnitt 4 der Prüfsonde 10 zur Auskopplung eines Messsignals verbunden. Hierbei umfasst der Kontaktabschnitt 4 einen koaxialen Stecker 15, insbesondere einen SMPM-Stecker. Wie in 5b gezeigt ist hierbei der Außenleiter 15a des koaxialen Steckers 15 mit dem Hohlleiter 1 leitend verbunden. Der Innenleiter 15b ist mittels eines gebogenen Drahts 15c mit dem leitenden Element 14 leitend verbunden.
Die Prüfsonde 10 kann je nach Einsatzbereich für eine bestimmte Hochfrequenzanwendung angepasst ausgebildet sein. Die Abmessungen des Hohlleiters, insbesondere ein Durchmesser des Hohlleiters sind hierbei derart gewählt, dass dieser als Wellenleiter zur Übertragung von elektromagnetischen Wellen für den jeweiligen Anwendungsfall, insbesondere für die jeweils zu prüfende Hochfrequenzanwendung dienen kann. Eine Grenzfrequenz (TE₁₁) für einen Rundhohlleiter bestimmt sich hierbei durch die Formel f₀= (1.841 × c₀) / (π × D × √ε_r), wobei c₀ = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum, D = Durchmesser und ε_r= Dieelektrizitätszahl im Hohlleiter.

Untenstehend in Tabelle 1 sind exemplarische Abmessungen der Prüfsonde 10 für Hochfrequenzanwendungen im jeweiligen Frequenzbereich aufgeführt. Tabelle 1

Anwendung	28 GHz	40 GHz	70 GHz
Füllelement	Peek	Preperm PPE950	Peek
Dieelektrizitätszahl	3,3	9,5	3,3
Durchmesser Hohlleiter	6 mm	2,2 mm	2,2 mm
Gesamtlänge L_G	114 mm	45 mm	38 mm
Linsenlänge L_L	9 mm	7 mm	7 mm
Polarisator Länge L₁	45 mm	11 mm	11 mm
Absorber Länge L₂	12 mm	8 mm	6 mm
Taper Länge L₃	38 mm	10 mm	6 mm

Die erfindungsgemäße Prüfsonde 10 wird zur Nahfeldmessung eines Prüflings eingesetzt. Hierbei wird beispielsweise bei der Messung eines Antennenelements 20 (vgl. 8) die Prüfsonde 10 im Nahfeld des Antennenelements 20 und diesem in Hauptabstrahlrichtung vorzugsweise axial gegenüber positioniert. Das Antennenelement 20 sendet elektromagnetische Wellen mit linearer (horizontaler und/oder vertikaler) Polarisation 21a,21b aus. Diese werden durch das Linsenelement 3 in die Prüfsonde 10 eingekoppelt und mittels des Hohlleiters 1 in Prüfsondenlängsrichtung L übertragen. Durch das dielektrische Füllelement 2 im Hohlleiter 1 ergibt sich hierbei eine Verringerung der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen im Hohlleiter 1, wodurch sich bei gleichem Durchmesser des Hohlleiters eine tiefere Frequenz des zu übertragenen Signals ergibt. Unabhängig von der Polarisation der eingekoppelten elektromagnetischen Wellen 21a,21b werden diese mittels des Polarisators 6 innerhalb der Sonde 10 in eine zirkulare elektromagnetische Welle umgewandelt, welche wiederum aus zwei linear polarisierten Wellen mit einem Phasenversatz von 90° besteht. Im nachgelagerten Absorber 9 wird nun eine dieser linear polarisierten Wellen absorbiert, die andere Welle breitet sich weiter aus und wird im folgenden Übergang im Taper-Abschnitt 13 auf eine leistungsgebundene, koaxiale elektromagnetische Welle im Kontaktabschnitt 4 umgewandelt.
Eine zweite bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Prüfsonde wird im Folgenden mit Verweis auf die 6-7b beschrieben. Gleiche Elemente sind hierbei mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Zur Vermeidung von Wiederholungen wird zudem nur auf Unterschiede zur ersten Ausführungsform eingegangen.
Das Linsenelement 3 weist in diesem Ausführungsbeispiel eine gestufte Ausbildung auf. Hierbei weist das Linsenelement 3 vorzugsweise eine plane, vorzugsweise kreisrunde, Stirnfläche 11 und wenigstens zwei, vorzugsweise wenigstens drei koaxial angeordnete Stufenabschnitte 12a-12d mit jeweils erweitertem Durchmesser auf. Ein dem Linsenelement 3 zugeordneter Kragen 18 (hier nicht gezeigt) kann analog zum ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen sein. Ebenso kann analog zum ersten Ausführungsbeispiel ein sich in Längsrichtung erstreckendes Leiterelement 5 in der Linse vorgesehen sein (hier nicht gezeigt).
Das Linsenelement 3 ist vorzugsweise integral mit dem Füllelement 2 ausgebildet. Das Füllelement 2 ist vorliegend einstückig ausgebildet und erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Länge des Hohlleiters 1.
Das Füllelement ist hierbei derart ausgebildet, dass dieses den Hohlleiter 1 vorzugsweise vollständig füllt. Insbesondere sind vorzugsweise keine Rücksprünge im Füllelement 2 vorgesehen.
Die Prüfsonde 10 weist nunmehr einen dem Linsenelement 3 in Längsrichtung L nachgeordneten, ersten Abschnitt 24 mit eine konstanten Durchmesser auf. Diesem nachgeordnet ist ein sich konstant verjüngenden Taper-Abschnitt 23 mit gleichbleibender Querschnittsform. Dieser weist einen sich vorzugsweise konstant in Längsrichtung verjüngenden Durchmesser des Hohlleiters 1 und des darin angeordneten Füllelements 2 auf.
Für eine Hochfrequenzanwendung bei 28 GHz kann diese Ausführungsform beispielsweise ein Füllelement aus Preperm950 mit einer Dielektrizitätszahl von 9,5 aufweisen. Die Prüfsonde weist hierbei vorzugsweise einen Durchmesser D des Hohlleiters im ersten Abschnitt 24 von 3 bis 4 mm, besonders bevorzugt von 3,6 mm auf. Eine Gesamtlänge L_G der Prüfsonde liegt vorzugsweise bei 30 bis 40 mm, besonders bevorzugt bei 34 mm. Eine Linsenlänge L_L liegt hierbei vorzugsweise bei 5 bis 15mm, besonders bevorzugt bei 10mm. Eine Länge des Taper-Elements 23 liegt hierbei vorzugsweise bei 8 bis 18mm, besonders bevorzugt bei 14mm.
Dem Taperabschnitt 23 mit gleichbleibender Querschnittsform nachgeordnet ist der Kontaktabschnitt 4 der Prüfsonde 10. Dieser umfasst zwei zueinander in Längsrichtung versetzt angeordnete Kontaktelemente 16a,16b, welche zum Abgriff bzw. Auskopplung einer jeweiligen Welle mit linearer Polarisation, insbesondere einer ersten horizontalen Polarisation, und einer zweiten vertikalen Polarisation, ausgebildet sind. Die elektrischen Kontaktelemente 16a,16b sind im vorliegenden Beispiel jeweils als Leiterplatte ausgebildet und können jeweils einen zugeordneten koaxialen Stecker umfassen, welcher an der Mantelfläche des Hohlleiters 1 bzw. an einem äußeren Abschnitt der Leiterplatte angeordnet ist. Die Kontaktelemente umfassen vorzugsweise jeweils einen elektrischen Leiter 17a,17b, welcher im Hohlleiter 1 senkrecht zur Längsrichtung L angeordnet ist und vorzugsweise als Leiterbahn ausgebildet ist. Ein den elektrischen Leiter zentral umgebender vorzugsweise kreisrunder Bereich 17c ist aus dielektrischem Material ausgebildet.
Der Kontaktabschnitt 4 ist hierbei schichtartig aufgebaut. Insbesondere erstreckt sich ein erster Abschnitt 2a des Füllelements bis zur ersten Leiterplatte 16a und liegt an dieser an. Darauffolgend ist ein zweiter vorzugsweise zylindrischer Abschnitt 2b des Füllelements angeordnet, welcher sich zwischen der ersten und zweiten Leiterplatte 16a,16b erstreckt. Ein dritter, vorzugswiese ebenfalls zylindrischer Abschnitt 2c des Füllelements erstreckt sich zwischen der zweiten Leiterplatte 16b und einem endseitigen Verschlusselement 1a des Hohlleiters 1. Die jeweiligen Füllelementabschnitte 2b,2c sind hierbei von einem zylindrischen Segment als Hohlleiter umgeben.
Die zweite Ausführungsform der Prüfsonde 10 ermöglicht insbesondere eine Differenzierung zwischen einer ersten horizontalen und einer zweiten vertikalen Polarisation einer erfassten elektromagnetischen Welle. Es kann somit insbesondere eine Amplitudeneigenschaft sowohl für eine erste als auch für eine zweite Polarisation gemessen werden. Hierzu sind die jeweiligen Leiter 17a,17b in Querschnittansicht um 90° zueinander versetzt, wie in 7b gezeigt.
Der Kontaktabschnitt kann darüber hinaus zwei senkrecht zur Längsrichtung L verlaufende stift- oder drahtartige Leiter 17d,e aufweisen. Diese sind vorzugsweise im Füllelement 2, 2b,2c parallel verlaufend zum ersten Leiter 17a des ersten Kontaktelements 16a angeordnet oder ausgebildet. Insbesondere ist ein erster Leiter 17d in Längsrichtung dem Kontaktelement 16a nachgeordnet und ein zweiter Leiter 17e dem Kontaktelement 16b nachgeordnet. Die Leiter 17d,e dienen als Kurzschlüsse zur Bereitstellung einer optimierten Trennschärfe bzw. Isolation zwischen den beiden koaxialen Ausgängen am ersten und zweiten Kontaktelement 16a, 16b.
9 zeigt eine Messung einer Array-Antenne 30, aufweisend eine Vielzahl von Antennenelementen 20, welche in einem vordefinierten Raster angeordnet sind. Der Abstand zwischen den einzelnen Antennenelementen 20 wird grundsätzlich durch den Frequenzbereich der Array-Antenne 30 bestimmt. Üblicherweise entspricht dieser λ/2.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 40 zur Messung einer Array-Antenne 30 weist nunmehr eine Vielzahl von Prüfsonden 10 wie zuvor beschrieben auf, wobei die Vorrichtung 40 wenigstens ein hier lediglich schematisch gezeigtes Halteelement 41 für die jeweiligen Prüfsonden 10 aufweist. Das Halteelement 41 ist derart ausgebildet, eine bevorzugte Anordnung der jeweiligen Prüfsonden 10 zueinander und/oder zur jeweiligen Array-Antenne 30 bzw. zu den einzelnen Antennenelementen 20 der Array-Antenne 30 zu ermöglichen.
Dieses kann vorteilhaft derart ausgebildet sein, dass eine vordefinierte Anordnung der Prüfsonden 10 zueinander, bevorzugt in einem Abstand d vom jeweils λ/2 der von der Array-Antenne 30 emittierten Frequenz, ermöglicht wird. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst zudem eine mit den jeweiligen Sonden 10 verbundene und lediglich schematisch dargestellte Auswerteeinheit 42, welche ausgebildet ist, einen Nah- zu Fernfeld-Abbildungsalgorithmus, zur Berechnung bzw. Transformation der Nahfeldmessergebnisse auf ein Fernfeld durchzuführen. Vorliegend ist zur Vereinfachung lediglich eine Signalleitung zwischen einer Prüfsonde 10 und der Auswerteeinheit 42 abgebildet.
Bei der Prüfung einer Array-Antenne 30 dient als Messgröße nun die Signalübertragung von der Array-Antenne zu jeder einzelnen Sonde 10. Die Messung kann beispielsweise mit einem an sich bekannten Network-Analyser erfolgen und die Daten können beispielsweise als S-Parameter abgespeichert und weiterverarbeitet werden. Idealerweise wird hierbei in jeder Sonde 10 sowohl die horizontale als auch die vertikale Polarisation getrennt auf jeweils einen, koaxialen Ausgang gegeben und zur Signalauswertung an die Auswerteeinheit 42 übertragen.
Hierdurch kann dann basierend auf den im Nahfeld erfassten Messergebnissen der einzelnen Prüfsonden 10 eine Berechnung bzw. Transformation der Nahfeldmessergebnisse auf ein Fernfeld erfolgen. Ein beispielhaftes Ergebnis für eine derartige Auswertung ist in 10 dargestellt, welches ein eindimensionales Richtdiagram 31 der Array-Antenne 30 zeigt.
Eine Messung der Array-Antenne 30 kann hierbei unabhängig von einer genauen Zuordnung der einzelnen Prüfsonden 10 zu den Antennenelementen 20 der Array-Antenne 30 erfolgen. Hierdurch kann beispielsweise die Charakteristik einer Array-Antenne 30 aufweisend 1x2 oder 2x2 Antennenelemente 20 mit einer Prüfvorrichtung 40 bzw. einem Probe-Array aufweisend 4x4 Prüfsonden 10 erfasst, analysiert und/oder einer Nah- zu Fernfeld Transformation unterzogen werden.
Ebenfalls kann eine direkte Zuordnung der einzelnen Prüfsonden 10 der Prüfvorrichtung 40 zu den Antennenelementen 20 der Array-Antenne 30 erfolgen, wodurch eine noch genauere Prüfung ermöglicht wird. Durch die genaue Zuordnung können einzelne Antennenelemente 20 direkt geprüft werden und insbesondere auch defekte Antennenelemente unmittelbar erkannt werden.
11-14 zeigen eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Prüfvorrichtung 40 aufweisend eine Mehrschichtleiterplatte 50 zur Anbindung der einzelnen Prüfsonden 10. Die Mehrschichtleiterplatte 50 ist hierbei analog zu der in 7a,7b gezeigten Ausführungsform am Kontaktabschnitt 4 der jeweiligen Prüfsonden 10 angeordnet und verläuft senkrecht zur Längserstreckungsrichtung L der Prüfsonden. Die Mehrschichtleiterplatte 50 ist hierbei in Längsrichtung der Prüfsonde 10 schichtartig in den Hohlleiter eingebettet, analog zur Anordnung der jeweiligen Leiterplatten 16a, 16b in 6 und 7a.
Die Mehrschichtleiterplatte 50 weist ein Feld oder Raster 51 von mehreren Kontaktierungsabschnitten 52 auf, mittels welcher die einzelnen Prüfsonden 10 mit der Mehrschichtleiterplatte 50 kontaktiert werden können. Die Kontaktierungsabschnitte 52 sind vorzugsweise zur Differenzierung zwischen einer ersten horizontalen und einer zweiten vertikalen Polarisation einer jeweils erfassten elektromagnetischen Welle im Hohlleiter 1 ausgebildet. Hierzu umfassen die Kontaktierungsabschnitte jeweils einen elektrischen Leiter 53a,53b, welcher zum jeweiligen Hohlleiter 1 der Prüfsonde 10 senkrecht zur Längsrichtung L verlaufend angeordnet ist und wobei die beiden elektrischen Leiter 53a,53b in Querschnittsansicht zueinander um 90° versetzt angeordnet sind. Die elektrischen Leiter 53a,53b sind hierbei vorteilhaft als Leiterbahnen der Leiterplatte 50 ausgebildet. Ein die elektrischen Leiter 53a,53b zentral umgebender vorzugsweise kreisrunder Bereich 53c ist aus dielektrischem Material ausgebildet. Dieser ist in Form und Anordnung vorzugsweise auf den jeweiligen Hohlleiter 1 der zugeordneten Prüfsonde 10 angepasst.
Eine elektrische Kontaktierung der einzelnen Leiter 53a,b erfolgt über in der Mehrschichtleiterplatte 50 ausgebildete Leiterbahnen 54. Diese können auf einer Oberfläche der Leiterplatte und/oder im Inneren der Leiterplatte verlaufen und mittels Vias verbunden sein. Ein jeweiliger Leiter 53a,53b eines Kontaktierungsabschnitts 52 der Mehrschichtleiterplatte ist vorteilhaft mit einem jeweiligen koaxialen Verbinder 55, beispielsweise über einen auf der Leiterplattenoberfläche verlaufenden Microstrip 56 zum Messsignalabgriff verbunden. Zur Vereinfachung ist in 11 und 12 lediglich ein Verbinder 55 dargestellt.
14 zeigt lediglich schematisch einen Aufbau der Mehrschichtleiterplatte 50 aufweisend mehrere parallel zueinander verlaufende Masseflächen bzw. Groundplanes 57a, welche durch dielektrische Schichten 57b voneinander getrennt sind. In der Leiterplatte 50 sind die Leiterbahnen als Stripleitung 58 oder als auf der Oberfläche der Leiterplatte 50 verlaufende Microstrips 56 ausgebildet. Eine Dicke der Mehrschichtleiterplatte 50 und die jeweilige Position der elektrischen Leiter 53a,53b ist auf eine gewünschte Position zum Signalabgriff in Längsrichtung der Prüfsonde 10 angepasst.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen sind lediglich beispielhaft, wobei die Erfindung keineswegs auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen beschränkt ist.
Bezugszeichenliste

1: Hohlleiter
1a: Verschlusselement
2: Füllelement
2a-c: Füllelementabschnitte
3: Linsenelement
4: Kontaktabschnitt
5: elektrischer Leiter
6: Polarisator
7a,b: rilllenförmige Vertiefungen
8: Mantelfläche
8a,8b: Seitenabschnitte Mantelfläche
9: Absorber
10: Prüfsonde
10a: Spitze Prüfsonde
10b: gegenüberliegendes Ende Prüfsonde
11: plane Stirnfläche
12a-d: Stufenabschnitte
13: Taperabschnitt
14: Leiterelement
15: koaxialer Stecker
15a: Außenleiter
15b: Innenleiter
15c: gebogener Draht
16a,b: Ausgänge
17a,b: Leiter
17c: dielektrisches Material
17d,e: Kurzschlussleiter
18: Kragen
19: Verlaufsrichtung Vertiefungen, Nutengrund
20: Antennenelement
21a,b: polarisierte Wellen
23: Taperabschnitt
24: erster Abschnitt
30: Array-Antenne
31: Richtdiagramm
40: Prüfvorrichtung
41: Haltelement
42: Auswerteeinheit
50: Mehrschichtleiterplatte
51: Raster
52: Kontaktierungsabschnitte
53a,b: elektrische Leiter
53c: dielektrisches Material
54: Leiterbahnen
55: koaxialer Verbinder Mehrschichtleiterplatte
56: Microstrip
57a: Masseflächen
57b: dielektrische Schicht, Polymer
58: Stripleitung
E1,E2: erste,zweite Ebene
L: Längsrichtung
LG: Gesamtlänge
LL: Länge Linse
L1: Länge Polarisator
L2: Länge Absorber
L3: Länge Taper
d: Abstand

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102019215280 A1 [0004]
WO 2020103031 A1 [0005]
DE 102011088171 A1 [0007]

Claims

Prüfsonde (10) zur kontaktlosen Messung der elektromagnetischen Eigenschaften einer Funkeinheit (20), insbesondere einer Antenneneinheit, aufweisend einen Hohlleiter (1) zur Übertragung von elektromagnetischer Wellen, ein im Hohlleiter angeordnetes Füllelement (2) aus dielektrischem Material, ein endseitig am Hohlleiter (1) angeordnetes Linsenelement (3) aus dielektrischem Material zur Einkopplung von elektromagnetischen Wellen in den Hohlleiter (1), und ein an einem zum Linsenelement (3) gegenüberliegenden Ende des Hohlleiters angeordneten Kontaktabschnitt (4) zur Auskopplung eines Messsignals.
Prüfsonde nach Anspruch 1, wobei der Hohlleiter (1) ein Rundhohlleiter ist und insbesondere einen kreisrunden, ovalen oder elliptischen Querschnitt aufweist, und wobei das Linsenelement (3) in Längsrichtung (L) der Prüfsonde (10) aus dem Hohlleiter (1) hervorstehend ausgebildet ist.
Prüfsonde nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Füllelement (2) des Hohlleiters aus Kunststoff oder Keramikmaterial besteht und sich vorzugsweise über die gesamte Länge (L) des Hohlleiters erstreckt.
Prüfsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Linsenelement (3) integral mit dem Füllelement (2) ausgebildet ist und eine elektrische Linse an einer Spitze (10a) der Prüfsonde (10) ausbildet.
Prüfsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Linsenelement (3) als Ellipsoid an einer Spitze (10a) der Prüfsonde (10) ausgebildet ist.
Prüfsonde nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Linsenelement (3) eine gestufte Spitze (10a) der Prüfsonde ausbildet, aufweisend ein plane Stirnfläche (11) und wenigstens zwei koaxial angeordnete Stufenabschnitte (12a,b) mit einem jeweils erweiterten Durchmesser.
Prüfsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Hohlleiter (1) einen dem Linsenelement (3) zugeordneten Kragen (18) aus leitendem Material zur Abschirmung gegenüber seitlich einfallenden elektromagnetischen Wellen aufweist.
Prüfsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Linsenelement (3) einen sich in Längsrichtung (L) der Prüfsonde wenigstens abschnittsweise erstreckenden und zentral angeordneten elektrischen Leiter (5) aufweist.
Prüfsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Prüfsonde (10) einen dem Linsenelement (3) in Längsrichtung nachgelagerten Polarisator (6) aufweist, welcher ausgebildet ist, die in die Prüfsonde einfallenden elektromagnetischen Wellen linearer Polarisation in eine zirkulare elektromagnetische Welle umzuwandeln.
Prüfsonde nach Anspruch 9, wobei der Polarisator (6) eine Vielzahl von parallelen, rillenförmigen Vertiefungen (7a,7b) aufweist, welche in einer Mantelfläche (8) des Füllelements und sich senkrecht zur Längsrichtung (L) der Prüfsonde (10) erstreckend angeordnet sind.
Prüfsonde nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Prüfsonde einem dem Polarisator (6) in Längsrichtung (L) nachgelagerten Absorber (9) aus ferromagnetischem Material aufweist, welcher sich in einer Ebene (E1) in Längsrichtung erstreckt, und welcher in einer Längsschnittansicht vorzugsweise um 45° versetzt gegenüber einer Verlaufsrichtung der nutförmigen Vertiefungen (7a,7b) des Polarisators (6) angeordnet ist.
Prüfsonde nach Anspruch 11, wobei die Prüfsonde einem dem Absorber (9) in Längsrichtung (L) nachgelagerten Taper-Abschnitt (13) aufweist, in welchem sich das Füllelement (2) entlang einer Ebene (E2) in Längsrichtung (L) verjüngt, die orthogonal zur Ebene ausgerichtet ist, in welcher sich der Absorber (9) erstreckt.
Prüfsonde nach Anspruch 12, wobei der Taper-Abschnitt (13) einen zum Füllelement (2) komplementär ausgebildetes Leiterelement (14) aufweist, welches sich in Längsrichtung verbreitert.
Prüfsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Kontaktabschnitt (4) der Prüfsonde (10) einen koaxialen Stecker (15) zur induktiven Magnetfeldkopplung, insbesondere einen SMPM-Stecker, aufweist.
Prüfsonde nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 13, wobei der Kontaktabschnitt (4) zwei Ausgänge (16a.16b) zum Abgriff der jeweiligen linearen Polarisationen aufweist.
Prüfsonde nach Anspruch 15, wobei der Kontaktabschnitt zwei voneinander beabstandete und senkrecht zur Längsrichtung (L) im Hohlleiter (1) angeordnete Leiter (17a,17b) aufweist.
Vorrichtung (40) zur Prüfung einer Array-Antenne (30) aufweisend eine Mehrzahl von Prüfsonden (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung wenigstens ein Halteelement (41) für die jeweiligen Prüfsonden (10) aufweist, welches eine vordefinierte Anordnung der Prüfsonden (10) zueinander, bevorzugt in einem Abstand (d) vom jeweils λ/2 der von der Array-Antenne (30) emittierten Frequenz, ermöglicht.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die Vorrichtung (40) eine Auswerteeinheit (42) umfasst, welche mit den Prüfsonden (10) verbunden ist und ausgebildet ist, einen Nah- zu Fernfeld-Abbildungsalgorithmus, zur Berechnung bzw. Transformation der Nahfeldmessergebnisse auf ein Fernfeld durchzuführen.
Verfahren zur kontaktlosen Messung, insbesondere Nahfeldmessung, der elektrischen oder elektromagnetischen Eigenschaften einer Funkeinheit (20,30), insbesondere einer Antenneneinheit oder einer Array-Antenne, wobei die Funkeinheit Mikrowellensignale und insbesondere im Frequenzband des 5G Mobilfunkstandards emittiert, und wobei die emittierten Mikrowellensignale von einer zugeordneten Prüfsonde (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 16 oder einer Prüfvorrichtung (40) nach einem der Ansprüche 17 oder 18 erfasst und von einer zugeordneten Auswerteeinheit (42) ausgewertet werden.