DE3722406A1 - Verfahren zur antennenmesstechnik mittels der komplexen reflexionsfaktoren des messobjekts - Google Patents

Description

In der Antennenmeßtechnik werden bis heute fast ausschließlich Transmissionsmeßverfahren eingesetzt. Hierbei wird das Meßobjekt, die zu vermessende Antenne, als Sende- oder Empfangsantenne ver­ wendet. Zur Bestimmung der relevanten Antennengrößen wie der Richtcharakteristik mit allen inherenten Merkmalen wie Halbwerts­ breite, Nebenmaxima, Nulltiefe, Rückwärtsdämpfung u.s.w. wird das Meßobjekt relativ zur Aufnahmeantenne angular in einem Zylinder- oder Polarkoordinatensystem gedreht. Gewinn und Wirkungsgrad wer­ den durch Vergleich mit Antennennormalen (Standard Gain Horns) be­ stimmt. Es sind sowohl Nahfeld als auch Fernfeldmeßverfahren be­ kannt. Die Nachteile der bekannten Verfahren liegen in Störungen durch den Kabelanschluß am Meßobjekt, schlechten Kalibrierungsmög­ lichkeiten zur Eliminierung der Meßumgebung sowie in der Be­ stimmung von Absolutwerten für Gewinn und Wirkungsgrad, da in der Regel auch Antennennormale mit erheblichen Fehlern behaftet sind. Weiterhin ist bei diesem Verfahren die Bandbreite in der Regel beschränkt auf weniger als eine Oktave.

Erfindungsgemäß wird das Meßobjekt, die zu vermessende Antenne nicht mit Sender oder Empfänger verbunden, sondern mit definierten Abschlüssen terminiert wie in Bild 1 gezeigt. In ein kohärentes Meßsystem, bestehend aus HF-Generator, Netzwerkanalysator zur Bestimmung komplexer Reflexionsfaktoren, einer Rechnersteuerung zur Kontrolle der Meßwertaufnahme und Datenverarbeitung, einer oder zwei Breitbandantennen mit jeweils horizontalem und vertika­ lem Speisesystem sowie ggf. einer reflexionsarmen Kammer mit Meßobjekthalterung wird das Meßobjekt eingebracht. Das vom Meßsy­ stem abgestrahlte Sendesignal wird von der zu vermessenden Antenne je nach Abschluß reflektiert. Das reflektierte Signal wird von der Empfangsantenne aufgenommen und dem Meßsystem zugeführt. Sendesig­ nal E ⁱ und Empfangssignal E ^s sind über die komplexe Polarisations- Streumatrix (S) nach Gleichung 1 für vertikale und horizontale Polarisation verknüpft:

Andere Polarisationsarten führen zu anderen Streumatrizen, es kann jedoch aus obenstehenden linearen, orthogonalen Polarisationen durch Linearkombination der Streumatrixelemente jede beliebige Polarisation ermittelt werden.

Der Schlüssel zur qualifizierten Antennenmessung liegt in der Kalibration und Fehlerkorrektur des gesamten Meßsystems, welche vorzugsweise gemäß folgender Schritte durchgeführt wird.

Beispielhaft wird an Hand einer 20 Term Fehlerkorrektur gemäß Gleichung 2 die Beziehung fehlerhafter, gemessener Streuparameter zu fehlerfreien berechneten Streuparametern über die Fehlermatrix (C) dargestellt:

Zur Ermittlung der Fehlerkoeffizienten sind Kalibrationsmessungen mit fünf Objekten mit definiert bekanntem Rückstreuverhalten not­ wendig, deren komplexe Streumatrizen linear unabhängig sein müs­ sen. Zweckmäßig verwendet man hierfür den leeren Raum ohne Meßob­ jekt sowie vier metallisch leitende Objekte wie Kugel, Zweieckre­ flektor vertikal und unter 45 Neigung und eine entsprechend zum Feld angestellte Kreisscheibe.

Diese Objekte lassen sich mechanisch hochgenau dem für die theore­ tische Berechnung ihres Rückstreuverhaltens eingesetzten Modell nachbilden.

Die eigentliche Antennenmessung wird im weiteren beschrieben, wobei die Meßanlage durch die hier beschriebene Vorschrift als korrigiert angenommen und im folgenden als Reflexionsmeßanlage bezeichnet wird und bei ermittelten Streuparametern immer von korrigierten Werten ausgegangen wird.

Zur Ermittlung der Richtcharakteristik wird das Meßobjekt, die Antenne, entsprechend Bild 2 in die oben beschriebene Relexions­ meßanlage eingebracht. Unter feststehendem Aspektwinkel (ϑ _A , ψ _A ) relativ zu Sende und Empfangsantenne der Reflexionsmeßanlage wird das Meßobjekt nun mit einer bekannten Impedanz Z terminiert und die komplexe Polarisations-Streumatrix S ^Z (ϑ _A , c _A ) ermittelt.

Da die Elemente der komplexen Polarisations-Streumatrix außer mit den antennenspezifischen Größen auch mit dem Wert der Abschlußim­ pedanz des Meßobjekts eindeutig verknüpft ist, läßt sich hieraus unter Anwendung eines entsprechenden Algorithmus ein dem Produkt aus Richtcharakteristik C( ϑ _A , ψ _A ) zum Quadrat mal Wirkfläche A _W proportionaler Wert bestimmen. Durch analoge Messungen unter einer genügenden Anzahl von Aspektwinkeln ϑ, ψ läßt sich das Maximum von C²(ϑ, ψ)*A _w bestimmen, woraus mit C²(ϑ, ψ) _max =1 sofort die Wirkfläche und der Absolutwert der Richtcharakteristik für alle anderen Winkelwerte folgt. Unter Anwendung der aus der Theorie bekannten Beziehungen lassen sich aus diesen Meßgrößen alle für die Antennencharakterisierung interessanten Größen wie z.B. Ge­ winn, Belegung, Nullwertsbreite etc., bei bekannter Antennengeometrie zusätzlich Nahfeld bzw. Fernfeld und Wir­ kungsgrad berechnen.

Im Gegensatz zu idealen und quasiidealen Antennen treten bei nahezu allen realen Antennen Verfälschungen des Meßergebnisses durch Reflexionen an der mit der Antenne untrennbar verbundenen Umgebung wie Halterungen, Positionierer und Gehäuse (Trägermate­ rial) auf. Erfindungsgemäß werden diese Fehler dadurch eliminiert, daß durch eine Wiederholung der Meßprozedur mit Abschluß des Meßobjekts durch eine unterschiedliche Impedanz ein zweiter Daten­ satz angelegt wird, der zur Kalibration dient. Aus den ermittelten Daten läßt sich sodann mit Hilfe eines geeigneten Algorithmus auf der Grundlage des Superpositionsprinzips der Wellenamplituden von erwünschter und unerwünschter Reflexion die gesuchte Polarisa­ tions-Streumatrix der eigentlichen Antenne bestimmen.

Vorteilhaft können als Terminierungsimpedanzen ein Kurzschluß sowie ein Wellenwiderstandssumpf eingesetzt werden. Bei Abschluß mit dem Wellenwiderstand wird dann die in die Antenne einfallende, nutzbare Leistung vollständig absorbiert, bei Abschluß mit Kurzschluß wird sämtliche nutzbare Leistung reflektiert und erhöht so definiert den Reflexionsfaktor der Antenne.

Während bei quasiidealen Antennen die Meßprozedur nur bei einer Abschlußimpedanz ausgeführt wird und reale Antennen vielfach durch Messung bei zwei unterschiedlichen Abschlußimpedanzen charakteri­ siert werden können, treten bei starker Verkopplung zwischen An­ tenne und Umgebung ggf. Meßfehler auf. Hierzu wird erfindungsge­ mäß vorgeschlagen, das Meßobjekt für mehr als zwei unterschied­ liche Abschlußimpedanzen unter jedem Raumwinkel zu vermessen. Hierdurch werden genügend Kalibrierwerte zur Fehlerkorrektur er­ zeugt.

Aus der, durch die vorstehend beschriebene Kalibration ermittelten Polarisations-Streumatrix der eigentlich interessierenden Antenne lassen sich durch Superposition der Streumatrixelemente die anten­ nenspezifischen Parameter wie Richtcharakteristik, Gewinn etc. für jede beliebige Polarisation ermitteln. Soll umgekehrt die Antenne nur für eine diskrete Polarisation untersucht werden, so reicht es aus, nicht die vollständige Polarisations-Streumatrix (S) zu ermit­ teln, sondern lediglich den zur entsprechenden Polarisation gehö­ renden Streuparameter.

Für die praktische Durchführung des Meßverfahrens ist es aus Gründen der Reproduzierbarkeit sinnvoll, nicht für eine Abschluß­ impedanz der Antenne alle Aspektwinkel zu vermessen und an­ schließend die Terminierung zu wechseln, sondern unter einem ein­ gestellten Aspektwinkel sämtliche gewünschten Abschlußimpedanzen konsekutiv einzusetzen und erst anschließend den Aspektwinkel zu ändern.

Das beschriebene Verfahren kann entweder monofrequent oder multi­ frequent durchgeführt werden. Bei monofrequentem Einsatz ergeben sich kürzere Meßzeiten, es werden jedoch höhere Anforderungen an die reflexionsarme Meßkammer bestehen. Bei multifrequentem Einsatz mit Ermittlung des Reflexionsfaktors für viele äquidistante Fre­ quenzpunkte, besteht wie aus der Impulsreflektometrie bekannt die Möglichkeit, mittels Fouriertransformation und setzen eines Zeit­ fensters (Gating), Störungen durch Reflexionen an der Wand der Meßkammer etc. aufgrund unterschiedlicher Laufzeiten zu separieren und eliminieren. Dadurch können die Anforderungen an die refle­ xionsarme Kammer reduziert werden, ggf. kann ganz auf sie ver­ zichtet werden.

Ein aufgebautes System arbeitet momentan im Frequenzbereich von 2- 26 GHz zufriedenstellend, es sind jedoch auch beliebige andere Frequenzbereiche, niederfrequentere und höherfrequentere und spe­ ziell auch im optischen Bereich liegende bei entsprechender Modi­ fikation der Apparatur denkbar.

Claims (8)

1. Antennenmeßverfahren zur Bestimmung von Richtcharakte­ ristik, Belegung, Nahfeld und Fernfeld sowie Gewinn und Wirkungsgrad dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt, die zu vermessende Antenne, definiert abge­ schlossen wird und von ihr im Nahfeld oder Fernfeld die komplexe Streumatrix für die definierten Abschlüsse in Abhängigkeit von der Frequenz der Polarisation und dem Aspektwinkel in Azimuth und Elevation bestimmt wird und daß daraus die Richtcharakteristik, die Belegung, Nahfeld und Fernfeld bestimmt werden.

2. Antennenmeßverfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als definierte Abschlüsse des Meßobjekts insbesondere Kurzschluß, Leerlauf, Anpassung und beliebige reine imagi­ näre bzw. definiert im Regel- und Frequenzverhalten be­ kannte passive oder aktive, komplexe Impedanzen verwendet werden.

3. Antennenmeßverfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Kalibration für die Bestimmung des Ge­ winns und des Wirkungsgrades, sowie der absoluten komplexen Streumatrixkoeffizienten theoretisch exakt oder sehr genau berechenbare Reflexionsnormale wie Kugeln, plane Reflek­ toren und Eckenreflektoren benutzt werden.

4. Antennenmeßverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3 da­ durch gekennzeichnet, daß zur Kalibration ein Fehler­ termodell mit der, der jeweiligen Meßaufgabe und Ge­ nauigkeitsanforderung Genüge leistenden Anzahl ggf. frequenz- und pegelabhängiger komplexer Elemente be­ nutzt wird.

5. Antennenmeßverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4 da­ durch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung von Empfind­ lichkeit und Genauigkeit Integrationsverfahren und statische Eliminationsverfahren mit einer Reduktion der statischen bzw. pseudostatischen Fehler benutzt werden.

6. Antennenmeßverfahren nach Anspruch 1 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Messung in reflexionsarmen Räumen, im Freien oder in jedem anderen Raum durchgeführt wer­ den kann.

7. Antennenmeßverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6 da­ durch gekennzeichnet, daß ein ein- vorzugsweise jedoch mehrkanaliges, kohärentes Meßsystem, vorzugsweise mit Meßwertspeicher und integriertem und oder externen Rech­ ner verwendet wird, welches über eine, vorzugsweise jedoch zwei oder mehr getrennte breitbandige oder schmalbandige dual orthogonal oder linear oder in beliebiger, der je­ weiligen Meßaufgabe angepaßter Weise elliptisch polari­ sierter Antennen sendet und das reflektierte Signal empfängt.

8. Antennenmeßverfahren nach den Ansprüchen 1 bis 7 da­ durch gekennzeichnet, daß aus den komplexen Streumatrizen oder einer beliebigen anderen gleichwertigen gleichungsartigen Darstellung des Zusammenhangs zwi­ schen den Signalen der unter Anspruch 7 benannten Sende- und Empfangskanäle Gewinn, Wirkungsgrad, Richt­ charakteristik, Nah- und Fernfeld des Meßobjekts für, je nach Anzahl der nach Anspruch 7 eingesetzten Kanäle, eine, mehrere oder beliebige Polarisationen durch li­ neare Kombination der Streumatrixelemente bestimmt wer­ den können.