DE4106132C2

DE4106132C2 - Verfahren zum Prüfen einer Gruppenantenne

Info

Publication number: DE4106132C2
Application number: DE19914106132
Authority: DE
Inventors: Wilfried Dipl Ing Meuser
Original assignee: Atlas Elektronik GmbH
Current assignee: Atlas Elektronik GmbH
Priority date: 1991-02-27
Filing date: 1991-02-27
Publication date: 1994-06-01
Anticipated expiration: 2011-02-28
Also published as: DE4106132A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen einer Gruppenantenne aus einer Vielzahl beabstandeter Einzelantennen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Gruppenantennen werden zum Senden und/oder Empfangen von Wellen verwendet, um Zieldaten eines Wellen reflektierenden oder aussendenden Ziels zu ermitteln, z. B. Peilung und Entfernung zum Ziel. Gruppenantennen für elektromagnetische Wellen bestehen z. B. aus Rahmen- oder Stabantennen mit Rundum- oder Dipolcharakteristik als Einzelantennen. Zum Orten eines Ziels, das Schallwellen abstrahlt, werden elektroakustische Wandler als Einzelantennen verwendet. Abhängig vom Übertragungsmedium - Luft oder Wasser - sind es Mikrophone oder Hydrophone mit beliebiger Eigencharakteristik.

Im Empfangsfall werden Empfangssignale der Einzelantennen einer Gruppenantenne ggf. nach einer Amplituden- und/oder Phasenbewertung addiert. Ihr Summensignal in Abhängigkeit vom Einfallswinkel gibt die Richtcharakteristik der Gruppenantenne wieder. Im Sendefall senden die Einzelantennen gleichzeitig und die Gruppenantenne wird mechanisch oder durch Phasenansteuerung geschwenkt. Ein stationärer Empfangswandler liefert in Abhängigkeit vom Schwenkwinkel die Richtcharakteristik. Der Öffnungswinkel der Hauptkeule der Richtcharakteristik im Fernfeld ist abhängig von der geometrischen Abmessung der Gruppenantenne und der Frequenz des Sende- oder Empfangssignals und ist um so kleiner, je größer die Gruppenantenne und je größer die Frequenz ist. Empfängt die Gruppenantenne aus der Richtung, in die ihre Hauptkeule weist, so ist das Summensignal am größten und wird als Pegel in ein Richtdiagramm eingetragen. Beim Empfang aus benachbarten Richtungen ist das Summensignal wesentlich kleiner. Die dort empfangenen Pegel charakterisieren die Nebenzipfel der Richtcharakteristik und werden Nebenpegel genannt. Die Hüllkurve der Nebenpegel im Richtdiagramm liegt wesentlich niedriger als der Pegel der Hauptkeule und nimmt mit größer werdenden Winkelwerten symmetrisch zur Hauptrichtung ab. Höhe und Anzahl der Nebenzipfel hängen von Antennenbelegung und Staffelung ab, d. h. von der Vielzahl der Einzelantennen und somit ihrem Abstand und von ihrer Phasen- und Amplitudenbewertung. Der Öffnungswinkel der Hauptkeule der Richtcharakteristik und die Dämpfung zwischen Hauptkeule und Nebenzipfeln geben die Meßgenauigkeiten einer Gruppenantenne an. Je kleiner der Öffnungswinkel, desto größer die Peilgenauigkeit, je größer die Dämpfung zwischen Hauptkeule und benachbarten Nebenzipfeln, desto größer die Trennschärfe, also das Nutz/Störverhältnis.

Durch Streuung der Sende- oder Empfangsempfindlichkeit der Einzelantennen, durch Abweichungen der Eigenrichtcharakteristik der Einzelantenne von der theoretischen Eigenrichtcharakteristik, durch Einbautoleranzen der Einzelantennen und ihre gegenseitige Beeinflussung sind Abweichungen von einer theoretisch ermittelten Richtcharakteristik im Fernfeld unvermeidbar. Deshalb werden Toleranzen für Öffnungswinkel und Nebenzipfeldämpfung vorgegeben und die Gruppenantenne auf Einhaltung der von den Toleranzen abhängig vorgegebenen Spezifikationen geprüft. Üblicherweise erfolgt eine Prüfung unter Betriebsbedingungen der Gruppenantenne, also durch Aufnahme der Richtcharakteristik im Fernfeld.

Es ist aber auch schon aus Microwave Journal, September 1979, Seite 44 bis 55, "Implementing a Near Field Antenna Test Facility", von W. A. Harmening, ein Meßverfahren bekannt, bei dem man von Messungen im Nahfeld einer sendenden Gruppenantenne auf Fernfeldverhalten schließt. Die dafür notwendigen Rechentransformationen werden durch einen Computer durchgeführt. Die dafür notwendigen Meßdaten werden durch einen Probennehmer im Nahfeld der Gruppenantenne genommen, der an vorgebbaren Punkten im Nahfeld positioniert wird und dort Amplitude und Phase des Feldes mißt. Die dabei auftretenden Schwierigkeiten bestehen insbesondere in der exakten Positionierung des Probennehmers in einer Abtastebene, die wesentlich größer als die Gruppenantenne ist, und im Auftreten von Reflexionen am Gestell für den Probennehmer, die das abzutastende Feld stören. Der Vorteil der dort beschriebenen Nahfeldmessung besteht darin, daß die Meßentfernung sich um das 17fache verkürzt, da nicht im Fernfeld, sondern im Nahfeld gemessen wird, so daß kein spezielles Testgelände zur Verfügung gestellt und aufgesucht werden muß. Die Prüfung findet in einem Prüfraum und nicht im Freien statt und ist somit unabhängig von Umwelteinflüssen.

Aus der US-PS 33 93 400 ist ebenfalls eine Nahfeldprüfung einer Gruppenantenne angegeben, bei der eine Sendeantenne am Prüfort Fernfeldbedingungen erzeugt. Die Sendeantenne befindet sich im Nahfeld der Gruppenantenne. Sie besteht aus vielen Einzelantennen, deren Sendesignale individuell in Amplitude und Phase so gestaffelt sind, daß am Prüfort eine ebene Wellenfront entsteht. Die Aperturabmessungen der Sendeantenne sind wesentlich größer als die der zu prüfenden Gruppenantenne, so daß auch hier der Aufwand immens ist.

Aus der DE-PS 29 34 279 ist eine Vorrichtung zum Messen des Richtdiagramms angegeben, bei dem eine Meßantenne mit spiegelbildlichem Aufbau der zu messenden Gruppenantenne vorgesehen ist. Meßantenne und Gruppenantenne stehen sich unmittelbar gegenüber. Die einzelnen Meßstrahlerelemente der Meßantenne sind über ein Verzweigungsnetzwerk an einen Meßsender oder -empfänger angeschlossen. Über eine Phasensteuerung wird eine ebene Wellenfront erzeugt, die dem Fernfeld der Antenne entspricht. Durch Variation der Phasenansteuerung wird die Einfallsrichtung elektronisch geschwenkt. Das von der Antenne aufgenommene Signal wird in einem Meßempfänger mit der Phasensteuerung der Meßantenne verglichen und in Abhängigkeit von der Schwenkrichtung das gewünschte Richtdiagramm aufgezeichnet. Ein Vergleich mit Sollwerten gibt an, ob die Antenne ordnungsgemäß funktioniert oder nicht. Der Nachteil einer solchen Vorrichtung besteht insbesondere darin, daß genauso viele Meßstrahlerelemente wie Einzelantennen der Gruppenantenne benötigt werden und diese Meßstrahlerelemente über Phasenschieber angesteuert werden müssen, wobei die Genauigkeit der Prüfung von der Genauigkeit der Meßanordnung unmittelbar abhängt.

Fehlermöglichkeiten sind hier im mechanischen und elektronischen Aufbau gegeben.

Aus der ein Verfahren der eingangs genannten Art angebenden japanischen Patentanmeldung Nr. 63-20 744, JP- Abstract 1-1 95 374 ist eine Meßmethode bekannt, bei der die Richtcharakteristik im Fernfeld einer Gruppenantenne durch entsprechende Ansteuerung der Einelantennen ermittelt wird. Es wird in einem Abstand gesendet, der für die Gruppenantenne im Nahfeld und für jede Einzelantenne in ihrem Fernfeld liegt. Amplitude und Phase für jede Einzelantenne werden so lange verändert und eingestellt, bis ihre Empfangssignale konphas sind und somit Fernfeldbedingungen hergestellt sind. Eine Messung der Richtcharakteristik mit einer solchen Ansteuerung der Einzelantennen ist äquivalent zur Messung einer Richtcharakteristik im Fernfeld. Um dies zu erreichen, werden zusätzliche Phasen- und Amplitudendämpfungsglieder verwendet, die die Phasen- und Amplitudenunterschiede der Empfangssignale benachbarter Einzelantennen ausgleichen. Der Nachteil einer solchen Meßmethode besteht insbesondere darin, daß durch die Einfügung weiterer Schaltelemente zusätzliche Fehlerquellen beim Messen der Richtcharakteristik auftreten können.

Es ist deshalb Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, mit dem ohne aufwendige Meßantenne, ohne Positionierungsprobleme eines Probennehmers und Einsatz eines Rechners und ohne zusätzliche Schaltelemente vor den Einzelantennen der Gruppenantenne eine Prüfung der Gruppenantenne im Nahfeld möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichenteil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst. Im Nahfeld der zu prüfenden Gruppenantenne, die als Empfangsantenne eingesetzt werden soll, sendet ein Wandler einen Sendeimpuls, dessen Schwingungen eine Frequenz aufweisen, für die die Richtcharakteristik der Gruppenantenne im Fernfeld spezifiziert ist. Sämtliche Einzelantennen der Gruppenantenne sind zusammengeschaltet, so daß ihre Empfangssignale aufsummiert werden und ein Summensignal liefern. Die Gruppenantenne ist um vorgebbare Winkelinkremente schwenkbar. Das jeweils empfangene Summensignal wird über dem Winkelinkrement aufgetragen. Man erhält eine Nahfeldrichtcharakteristik mit Hauptkeule und Nebenzipfeln. Im Sendefall werden alle Einzelantennen der Gruppenantenne konphas mit dem Sendeimpuls beaufschlagt. Das Empfangssignal des im Nahfeld angeordneten Wandlers liefert die Nahfeldrichtcharakteristik, wenn die Gruppenantenne je Sendeimpuls um Winkelinkremente geschwenkt wird.

Der Öffnungswinkel der Hauptkeule im Nahfeld ist wesentlich breiter als der Öffnungswinkel der Hauptkeule der Richtcharakteristik im Fernfeld. Der Dämpfungsverlauf der Nebenzipfel und das Dämpfungsverhältnis zwischen Hauptkeule und Nebenzipfeln der Richtcharakteristiken im Fernfeld und Nahfeld unterscheiden sich ebenfalls.

Das Dämpfungsverhältnis im Nahfeld ist geringer als bei der Richtcharakteristik im Fernfeld. Bei einer Störung der Gruppenantenne, die durch Empfindlichkeitsstreuungen der Einzelantennen oder durch unkorrekten Einbau hervorgerufen wird, verändert sich die Richtcharakteristik im Fernfeld bezüglich Öffnungswinkel und Dämpfungsverhältnis. Ein Vermessen der Nahfeldrichtcharakteristik zeigt, daß auch die Nahfeldrichtcharakteristik durch Fehler in der Gruppenantenne gestört wird. Erfindungsgemäß wird vom Verhalten der Nahfeldrichtcharakteristik auf das Verhalten der Richtcharakteristik im Fernfeld geschlossen, ohne daß die Richtcharakteristik im Fernfeld aus Nahfelddaten rekonstruiert wird. Insbesondere wird die Höhe der Nebenzipfel oder der Verlauf der Einhüllenden der Nebenzipfel im Nahfeld untersucht. Auch im Bereich der Hauptkeule der Nahfeldrichtcharakteristik ist über dem Öffnungswinkel eine Welligkeit zu verzeichnen, deren Amplitude mit steigenden Fehlern größer wird.

Erfindungsgemäß werden die Nebenzipfel der gemessenen Nahfeldrichtcharakteristik bezüglich ihrer Dämpfung ausgewertet. Hier sind die Abweichungen vom Idealverlauf wesentlich signifikanter als im Winkelbereich der Hauptkeule. Ein einfacher Vergleich mit einer Fehlergrenzkurve, gibt unmittelbar das Prüfergebnis an. Wenn ein oder mehrere Nebenzipfel die Fehlergrenzkurve übersteigen, also die Dämpfung vom Idealverlauf abweicht, ist die Gruppenantenne fehlerbehaftet.

Toleranzen der Richtcharakteristik im Fernfeld sind entsprechend fertigungstechnisch unvermeidlichen Streuungen der Empfindlichkeit der Einzelantennen in Phase und Amplitude sowie ihrer Einbauorte vorgegeben. Diese Toleranzen bestimmen zugelassene Abweichungen vom idealen Verlauf der Richtcharakteristik.

Durch Rechnersimulation einer Gruppenantenne ist der ideale Verlauf ihrer Richtcharakteristik im Fernfeld darstellbar.

Als Fehlergrenzkurve wird erfindungsgemäß eine ideale Nahfeldrichtcharakteristik verwendet. Die zugehörige Gruppenantenne erfüllt exakt die Dimensionierungsvorschrift. Wenn einer oder mehrere der Nebenzipfel der gemessenen Nahfeldrichtcharakteristik die Nebenzipfel der idealen Nahfeldrichtcharakteristik übersteigt, ist die Gruppenantenne fehlerbehaftet. Die ideale Nahfeldrichtcharakteristik wird am vorteilhaftesten mit einem Rechner berechnet.

Der besondere Vorteil des Verfahrens zum Prüfen einer Gruppenantenne gemäß Anspruch 1 besteht darin, daß die Messung bei Gruppenantennen für elektro-magnetische Wellen und Luftschall in einem speziellen Prüfraum oder bei Gruppenantennen in der Wasserschalltechnik in einem Prüftank vorgenommen werden kann und somit unabhängig ist von äußeren Einflüssen, wie Regen, Wolken, Nebel, Wind, oder im Wasser von Salzschichtungen, Temperaturschichtungen, also unabhängig ist von zeitlichen Schwankungen des Übertragungsmediums. Für die Prüfung wird nur ein einziger Wandler benötigt, der im Nahfeld der zu vermessenden Gruppenantenne angeordnet wird. Es ist also nur ein einziger Abstand zwischen Gruppenantenne und Wandler auszumessen und bei der Erstellung der Fehlergrenzkurve zu berücksichtigen. In der Wasserschalltechnik beispielsweise beträgt der Abstand nur einige Meter, wenn bei einer Fernfeldmessung einige 100 Meter zwischen Gruppenantenne und Probennehmer liegen müßten. Weiterhin ist von Vorteil, daß der Wandler während der Messung ortsfest ist und damit ein umfangreiches Gestänge für den Wandler entfällt und damit verbundene Störungen des Wellenfeldes im Übertragungsmedium durch Reflexionen auszuschließen sind. Zur Erzeugung des Wellenfeldes sind keine besonderen Phasenansteuerungen der Einzelantennen oder sonstige elektronische Baugruppen mit entsprechenden Fehlermöglichkeiten notwendig, so daß nur die Gruppenantenne allein geprüft wird. Weiterhin ist vorteilhaft, daß die Gruppenantenne unmittelbar von der Fertigung zur Prüfung ohne große Transportwege gebracht werden kann. Eine an die Messung sich anschließende Rechnerauswertung der Meßergebnisse ist überflüssig. Es wird lediglich ein Vergleich zwischen zwei Kurven durchgeführt, nämlich die Nebenzipfel der gemessenen Nahfeldrichtcharakteristik und der Verlauf einer Fehlergrenzkurve, um zu entscheiden, ob die Gruppenantenne den geforderten Spezifikationen entspricht. Es handelt sich hier also um eine einfache Gut/Nichtgutprüfung, deren Interpretation keine Spezialausbildung des Meßpersonals erfordert. Die Auswertung der Nahfeldrichtcharakteristik birgt den Vorteil in sich, daß die Dynamik der Pegel zwischen Hauptkeule und Nebenkeulen wesentlich geringer als bei einer Ausmessung der Richtcharakteristik im Fernfeld ist, weil die Hauptkeule im Nahfeld wesentlich niedriger und breiter ist als im Fernfeld.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 2 ist die Fehlergrenzkurve die Einhüllende mindestens einer simulierten, gestörten Nahfeldrichtcharakteristik. Die gestörte Nahfeldrichtcharakteristik erhält man dadurch, daß die der Simulation zugrunde gelegte Gruppenantenne nicht ideal, sondern mit solchen Toleranzen aufgebaut ist, daß sie die Spezifikationen der Richtcharakteristik im Fernfeld erfüllt.

Alle diejenigen Gruppenantennen, deren gemessene Nahfeldrichtcharakteristik im Bereich der Nebenzipfel die Fehlergrenzkurve nicht übersteigen, genügen dann der vorgegebenen Spezifikation.

Man kann zeigen, daß sich durch Variation der Einbauorte und/oder der Empfindlichkeit der Einzelantennen Hauptkeule und Nebenzipfel der Richtcharakteristik im Fernfeld bezüglich ihres Pegelverlaufs verändern. Das gleiche gilt auch für den Verlauf der Richtcharakteristik im Nahfeld.

Eine gemessene Richtcharakteristik im Fernfeld ist in eine ideale Richtcharakteristik und eine nur durch Störung verursachte Störrichtcharakteristik zerlegbar. Bei der idealen Gruppenantenne sind sämtliche Einzelantennen von gleicher Empfindlichkeit. Sie weisen alle die gleiche Eigenrichtcharakteristik auf. Die Abstände zueinander entsprechen exakt der Dimensionierung. Im Empfangsfall sind die mit einer ebenen idealen Gruppenantenne empfangenen Signale ihrer Einzelantennen konphas oder weisen je Winkelinkrement feste Phasenbeziehungen zueinander auf. Die Summe ihrer Signale liefert über dem Winkel die ideale Richtcharakteristik, wenn die Gruppenantenne in Winkelinkrementen geschwenkt wird.

Die Störrichtcharakteristik im Fernfeld kann dadurch gebildet werden, daß die Empfindlichkeiten der Einzelantennen die Abweichungen von ihrem Idealwert entsprechend vorgegebenen Fertigungstoleranzen aufweisen und/oder ihre Einbauorte entsprechend vorgegebenen Toleranzen statistisch vom idealen Ort abweichen.

Beim Senden oder Empfangen mit einer solchen bezüglich der Einzelantennen gestörten Gruppenantenne wird eine Störrichtcharakteristik über dem Winkel gemessen. Im Empfangsfall liefert ihre Summe die Störrichtcharakteristik über dem Winkel, die nicht den gewohnten Verlauf von Hauptkeule und Nebenzipfel aufweist, sondern deren Verlauf rein statistisch ist. Im Sendefall wird eine solche Störrichtcharakteristik von einem Probennehmer im Fernfeld empfangen.

Diese Störrichtcharakteristik ist im Detail für Fern- und Nahfeld verschieden, aber ihre statistischen Parameter sind gleich. Diese Eigenschaft macht sich das erfindungsgemäße Verfahren zunutze. Der Fehlergrenzkurve sind in den vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens nach den Ansprüchen 3 und 4 die statistischen Parameter der Störrichtcharakteristik zugrunde gelegt.

Bei der Simulation der gestörten Nahfeldrichtcharakteristik gemäß Anspruch 3 wird eine Gruppenantenne mit statistischen Störungen ihrer Einzelantennen entsprechend den zugelassenen Fertigungstoleranzen zugrunde gelegt. Diese unvermeidbaren Fertigungstoleranzen der Einzelantennen bezüglich Empfindlichkeit, Einbauort und auch Eigenrichtcharakteristik bestimmen das Verhalten der Richtcharakteristik nicht nur im Fernfeld, sondern auch im Nahfeld. Versuche haben gezeigt, daß eine Prüfung im Nahfeld unmittelbar Aussagen über das Verhalten der Gruppenantenne bezüglich der Richtcharakteristik im Fernfeld gestattet, obwohl die Auswirkungen des statistischen Fehlers für die Richtcharakteristik im Fernfeld und Nahfeld bezüglich des Dämpfungsverlaufs der Nebenzipfel und des Dämpfungsverhältnisses zwischen Hauptkeule und Nebenzipfel gänzlich verschieden sind, ganz zu schweigen von der enormen Vergrößerung des Öffnungswinkels zwischen Fernfeld und Nahfeld.

Eine Prüfung unter den üblichen Einsatzbedingungen der Gruppenantennen, also ein Ausmessen der Richtcharakteristik im Fernfeld, und der damit verbundene Aufwand erübrigt sich.

Nach der vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 3 wird also eine Fehlergrenzkurve verwendet, die den zugelassenen Abweichungen von der idealen Richtcharakteristik im Fernfeld bei Einhaltung der geforderten Spezifikationen entspricht, wobei die Messung nicht im Fernfeld, sondern im Nahfeld durchgeführt wird.

Gemäß der vorteilhaften Weiterbildung nach Anspruch 3 wird der statistische Fehler unmittelbar aus den Empfindlichkeitsstreuungen und/oder Einbautoleranzen der Einzelantennen abgeleitet und der Simulation einer gestörten Gruppenantenne zugrunde gelegt, mit der die gestörte Nahfeldrichtcharakteristik berechnet wird. Gemäß der vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 4 wird die gestörte Nahfeldrichtcharakteristik durch eine ideale Gruppenantenne simuliert, bei der die Signale der Einzelantennen einen statistischen Amplituden- und/oder Phasenfehler aufweisen. Die Störrichtcharakteristik kann man sich dadurch charakterisiert denken, daß die ideale Gruppenantenne an ihren Einzelantennen statistisch streuende Signale sendet oder empfängt, deren Amplitude und/oder Phase untereinander statistisch verteilt sind.

Die Überlagerung der idealen Nahfeldrichtcharakteristik und der Störrichtcharakteristik zur gestörten Nahfeldrichtcharakteristik wird dadurch erreicht, daß jede Einzelantenne mit einem Signal angesteuert wird, das aus einem Zeiger der Länge "1" und einem geometrisch dazuaddierten Störzeiger der Länge des zugelassenen statistischen Fehlers mit einer statistisch streuenden Phase besteht.

Wenn einer oder mehrere der Pegel der Nebenzipfel der gemessenen Nahfeldrichtcharakteristik die Fehlergrenzkurve überschreitet, weist die Gruppenantenne einen statistischen Fehler auf, der über dem zugelassenen statistischen Fehler liegt. Diese Gruppenantenne genügt dann nicht den vorgegebenen Spezifikationen bezüglich ihrer Richtcharakteristik im Fernfeld. Besonders vorteilhaft ist es, als Fehlergrenzkurven die Einhüllende der so erstellten, gestörten Nahfeldrichtcharakteristik zu verwenden, da dann ein Vergleich besonders einfach durchführbar ist. Wenn sämtliche Nebenzipfel der gemessenen Nahfeldrichtcharakteristik unter der Fehlergrenzkurve liegen, ist die Gruppenantenne in Ordnung.

Bei Fertigungsfehlern überschreiten in aller Regel mehrere Nebenzipfel die Fehlergrenzkurve. Aus der Lage der Nebenzipfel ist jedoch nicht auf den Fehler in der Gruppenantenne zu schließen. Um jedoch trotzdem eine Aussage über die Güte der Gruppenantenne zu gewinnen, werden gemäß der vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach Anspruch 5 mehrere Grenzkurven für unterschiedliche statistische Fehler vorgegeben. So ist nicht nur eine Gut/Schlechtprüfung durchführbar, sondern eine feinere Bewertung der Gruppenantenne möglich, ohne daß die Einzelantennen selbst bezüglich ihrer Empfindlichkeit ausgemessen werden müssen, um daraus die Richtcharakteristik im Fernfeld zu ermitteln. Der Aufwand bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist bei gleicher Aussage wesentlich geringer.

Der Vorteil der gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren nach den Ansprüchen 3 und 4 erstellten Fehlergrenzkurven besteht darin, daß sie aus statistischen Bedingungen abgeleitet sind, wie sie beim Bau einer Gruppenantenne auftreten, nämlich durch Empfindlichkeitsstreuungen und Einbautoleranzen der Einzelantennen. Der der Fehlergrenzkurve zugrunde liegende statistische Fehler ist unmittelbar den Fertigungsmöglichkeiten der Gruppenantenne praxisnah angepaßt. Der Vorteil eines Vergleichs mit mehreren Fehlergrenzkurven gemäß der Weiterbildung nach Anspruch 5 besteht insbesondere darin, daß bei unterschiedlichen Anwendungsgebieten der gleichen Gruppenantenne die geprüften Gruppenantennen in unterschiedliche Klassen aufteilbar sind. Die Fehlergrenzkurven sind einfach berechenbar, da bei einer Simulation der gestörten Nahfeldrichtcharakteristik gemäß Anspruch 4 nur der die Störrichtcharakteristik bewirkende Störzeiger der Signale für die Einzelantennen variiert zu werden braucht.

Da die Gruppenantenne einen statistischen Fehler aufweist, ist jede gestörte Nahfeldrichtcharakteristik abhängig von der individuellen Störung der Gruppenantenne verschieden bezüglich des Verlaufs ihrer Nebenzipfel, so daß eine größere Prüfsicherheit dadurch erreicht wird, daß gemäß der vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 6 eine gemeinsame Einhüllende über eine größere Anzahl simulierter, gestörter Nahfeldrichtcharakteristiken, denen der gleiche statistische Fehler zugrunde liegt, gebildet wird und diese Einhüllende die Fehlergrenzkurve angibt.

Um die dazugehörende Rechenprozedur zu vereinfachen, ist es vorteilhaft, die Fehlergrenzkurve gemäß der Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 7 zu bilden, indem die ideale Nahfeldrichtcharakteristik mit einem Kennwert kombiniert wird, der aus der zu dem statistischen Fehler gehörenden Störrichtcharakteristik abgeleitet ist.

Gemäß der vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 8 wird die Störrichtcharakteristik dadurch simuliert, daß die Einzelantennen der idealen Gruppenantenne mit Signalen beaufschlagt werden, deren Amplitude und/oder Phase entsprechend dem statistisch vorgegebenen Fehler verteilt sind. Aus dem Verlauf der Störrichtcharakteristik wird ihr Effektivwert berechnet, der Grundlage zur Ermittlung des Kennwerts ist.

Wesentlich einfacher ist es jedoch, den Effektivwert aus einer Formel zu ermitteln, wie sie in der vorteilhaften Weiterbildung gemäß Anspruch 9 angegeben ist, so daß es sich erübrigt, eine Störrichtcharakteristik zu simulieren. Der Effektivwert ist abhängig vom statistischen Fehler F und der Anzahl N der Einzelantennen bzw. der Nebenzipfel und berechnet sich erfindungsgemäß als Pegelwert zu:

20 log Stör_eff = 20 log F - 10 log N.

Dieser Pegelwert ist mit der Eigenrichtcharakteristik der Einzelantenne der zu prüfenden Gruppenantenne zu bewerten. Der sich dadurch ergebende Verlauf weist in Vorausrichtung den Pegelwert 20 log Stör_eff auf, der zu größeren Winkelwerten entsprechend der Eigenrichtcharakteristik ggf. abnimmt. Zeichnet man diesen Pegelverlauf in einen Pegelschrieb einer idealen Nahfeldrichtcharakteristik, so kann man erkennen, daß im Bereich der Hauptkeule die Pegelwerte der idealen Nahfeldrichtcharakteristik den Pegelwert des Effektivwerts bei weitem überschreiten, im Bereich der Nebenkeulen zu größeren Winkeln hin unterschreiten. Aus den Unterschieden der Pegelwerte zwischen der idealen Nahfeldrichtcharakteristik und dem Effektivwert wird unter Berücksichtigung, daß der Fehler der Gruppenantenne statistischer Natur ist, der Kennwert ermittelt, mit dem die Nahfeldrichtcharakteristik kombiniert wird, um die Fehlergrenzkurve zu erhalten.

Jedes Prüfergebnis ist aufgrund des statistischen Auftretens von Abweichungen der Empfindlichkeit und des Einbauorts der Einzelantennen mit einer Sicherheit bewertbar, mit der der zugelassene statistische Fehler eintreten wird. Diese Sicherheit oder Ausschußquote für die Gruppenantenne wird in der vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 10 zum Bestimmen des Kennwerts aus dem Effektivwert berücksichtigt. Aus einer Wahrscheinlichkeitsverteilung wird ein Faktor ermittelt, mit dem der Effektivwert multipliziert wird. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung gibt die Wahrscheinlichkeit dafür an, daß Pegelwerte der Störrichtcharakteristik einen bestimmten Pegelwert annehmen. Der mit dem Faktor multiplizierte Effektivwert ist ein Grenzpegelwert, der eine Restwahrscheinlichkeit definiert, mit der ein einziger Pegelwert der gesamten Störrichtcharakteristik sogar diesen Grenzpegelwert noch überschreitet. Diese Restwahrscheinlichkeit entspricht der Sicherheit des Prüfergebnisses oder der Ausschußquote von Gruppenantennen mit gleichem statistischem Fehler.

Der aus der Wahrscheinlichkeitsverteilung gewonnene Faktor berücksichtigt also die geforderte Sicherheit des Prüfergebnisses, der Effektivwert gibt den zugelassenen statistischen Fehler an.

Die Kennwerte, die der idealen Nahfeldrichtcharakteristik als Pegelwert zuaddiert werden, werden erfindungsgemäß je Winkelinkrement entsprechend einer Berechnungsvorschrift

K = 20 log (1 + x/a)

ermittelt, wobei x der Faktor aus der Wahrscheinlichkeitsverteilung ist und a der Numerus der Differenz zwischen den Pegelwerten der idealen Nahfeldrichtcharakteristik und dem Pegelwert des Effektivwerts der Störrichtcharakteristik geteilt durch 20 ist.

Die Wahrscheinlichkeitsverteilung, aus der der Faktor x bei vorgegebener Sicherheit des Prüfergebnisses ermittelt wird, ist gemäß der vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 11 für negative Differenzen zwischen dem Pegelwert der idealen Nahfeldrichtcharakteristik und dem Pegelwert des Effektivwerts bzw. für kleine Numeri a eine Rayleigh-Verteilung, deren Maximum ungefähr beim Effektivwert der Störrichtcharakteristik liegt.

Der Faktor x wird gemäß der vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 12 im Winkelbereich der Hauptkeule aus einer Gaußverteilung ermittelt.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterbildung nach Anspruch 11 und 12 besteht insbesondere darin, daß bei der Wahl der Wahrscheinlichkeitsverteilung dem Charakter der Störrichtcharakteristik und seinen statistischen Parametern Rechnung getragen wird. Grundlage hierzu ist die Vorstellung, daß die Störrichtcharakteristik komplex ist, wobei ihr Realteil einer Gaußverteilung, die um den Numerus a verschoben ist, und ihr Imaginärteil einer Gaußverteilung um Null gehorcht.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Weiterbildung nach Anspruch 13 besteht darin, daß für den Prüfmeßplatz ein einfacher, ganz gewöhnlicher Wandler verwendet werden kann, der nicht durch spezielle Prüfungen bezüglich Empfindlichkeit oder Eigenrichtfunktion ausgewählt werden muß, so daß der Meßaufbau denkbar einfach, billig und robust ist.

Wählt man die Impulsdauer des Sendeimpulses gemäß der vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens nach Anspruch 14, so kann die Meßzeit so gering wie möglich dimensioniert werden, indem die Impulsdauer je Winkelinkrement an die Länge der Gruppenantenne und Einschwingzeiten des Wandlers und der Einzelantennen angepaßt werden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß Reflexionen an den Prüfraum- oder Tankwänden nicht in die Meßzeit fallen und schon nach kürzester Zeit soweit abgeklungen sind, so daß ein nächster Sendeimpuls bei einer weiteren Drehung der Gruppenantenne gesendet werden kann.

Bei einer Anordnung der Gruppenantenne auf einem Drehgestell gemäß Anspruch 15 besteht der Vorteil, daß keine zusätzliche Elektronik zum Bilden des Summensignals benötigt wird, da die Schwenkung mechanisch erfolgt. Es wird also nur das Verhalten der Gruppenantenne selbst geprüft. Fehler einer Signalauswertung oder Signalansteuerung der Gruppenantenne gibt es nicht. Die Prüfung ist unabhängig vom Einsatz der Gruppenantenne.

Natürlich ist auch eine elektronische Schwenkung durch entsprechende Phasenansteuerung der Gruppenantenne möglich. Ein zu verwendender Meßplatzrichtungsbildner kann vor jeder Prüfung durchgetestet werden. Da kein Richtungsbildner einer Ortungsanlage für die Schwenkung der Gruppenantenne verwendet wird, sondern ein spezieller Meßplatzrichtungsbildner, bezieht sich die Prüfung nach wie vor allein auf die Gruppenantenne.

Bei den bisherigen Überlegungen ist von einem Linienstrahler ausgegangen, d. h. von einer Gruppenantenne, bei der die Einzelantennen längs einer Linie angeordnet sind, wobei die Einzelantennen beliebig, z. B. äquidistant oder statistisch verteilt angeordnet sein können. Bei der erfindungsgemäßen Weiterbildung nach Anspruch 16 ist eine flächenhafte Anordnung der Einzelantennen auf der Gruppenantenne vorgesehen, wobei die Fläche in Zeilen und Spalten aufgeteilt sind und jede Zeile und/oder Spalte wieder als Linienantenne aufgefaßt wird und der vorher angegebenen Prüfung unterworfen wird.

Der besondere Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Prüfen von Gruppenantennen besteht insbesondere darin, daß unvermeidbare Fehler in Vorverstärkern und Sendeansteuerungen oder Richtungsbildnern für ihre Sende- oder Empfangssignale nicht wirksam werden können, daß zum Erstellen einer Fehlergrenzkurve keine Messung im Fernfeld nötig wird, sondern sämtliche Messungen im Nahfeld einer Gruppenantenne durchführbar sind und die Fehlergrenzkurven durch Simulation gestörter Nahfeldrichtcharakteristiken zu gewinnen sind.

Die Erfindung ist anhand eines Ausführungsbeispiels für eine Vorrichtung zum Prüfen einer Gruppenantenne in der Wasserschalltechnik näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen Meßaufbau,

Fig. 2 eine ideale Richtcharakteristik im Fernfeld,

Fig. 3 eine Richtcharakteristik im Fernfeld, die die Spezifikation erfüllt,

Fig. 4 eine Störrichtcharakteristik im Fernfeld,

Fig. 5 eine ideale Nahfeldrichtcharakteristik,

Fig. 6 eine Störrichtcharakteristik im Nahfeld,

Fig. 7 eine gestörte Nahfeldrichtcharakteristik entsprechend der Spezifikation,

Fig. 8 eine gemessene Nahfeldrichtcharakteristik einer fehlerbehafteten Gruppenantenne mit Fehlergrenzkurve,

Fig. 9 eine gemessene Nahfeldrichtcharakteristik mit Fehlergrenzkurven für verschiedene statistische Fehler,

Fig. 10 eine Richtcharakteristik im Fernfeld einer realen Gruppenantenne,

Fig. 11 eine ideale Nahfeldrichtcharakteristik der Gruppenantenne gemäß Fig. 10 mit einer Fehlergrenzkurve bei einer vorgegebenen Sicherheit des Prüfergebnisses,

Fig. 12 eine Störrichtcharakteristik im Fernfeld einer realen Gruppenantenne gemäß Fig. 10,

Fig. 13 eine Störrichtcharakteristik im Nahfeld einer realen Gruppenantenne gemäß Fig. 10 und

Fig. 14 eine gemessene Nahfeldrichtcharakteristik der Gruppenantenne gemäß Fig. 10 mit Fehlergrenzkurve gemäß Fig. 11.

Fig. 1 zeigt einen Meßaufbau in schematischer Darstellung zum Prüfen einer Gruppenantenne 10 einer Wasserschallanlage, die drehbar in einem Meßtank angeordnet ist. Die Gruppenantenne weist auf einer Länge von l=0,5 m eine Anzahl N=48 Wandler auf und arbeitet bei 100 kHz. Sie wird von einem Sendegenerator 11 mit Sendeimpulsen beaufschlagt. Die Gruppenantenne 10 ist um eine Achse 12 in Winkelinkrementen drehbar angeordnet. Im Abstand a=5 m befindet sich ein Wandler 13, der die von der Gruppenantenne 10 abgestrahlten Sendeimpulse je Winkelinkrement empfängt. Sein Signal wird über dem Winkelinkrement als Pegel in dB als Nahfeldrichtcharakteristik auf einem Display 14 dargestellt. Mit diesem Meßaufbau wird geprüft, ob die Gruppenantenne 10 die entsprechend unvermeidbarer Fertigungstoleranzen aufgestellten Spezifikation für ihre Richtcharakteristik im Fernfeld erfüllt.

Fig. 2 zeigt eine ideale Richtcharakteristik einer Gruppenantenne, bei der ihre Einzelantennen entsprechend der Dimensionierungsvorschrift für die Gruppenantenne 10 eingebaut sind und die Einzelantennen gleiche Empfindlichkeit und gleiche Eigenrichtcharakteristik in Form einer Halbacht aufweisen. Der Öffnungswinkel der Richtcharakteristik im Fernfeld ist durch die Länge l der Gruppenantenne 10 und die Frequenz von 100 kHz bestimmt. Die Nebenzipfeldämpfung erreicht die theoretisch berechenbaren Werte, die Anzahl der Nebenzipfel ist unter Berücksichtigung ihrer Abstände durch die Anzahl N der Einzelantennen bestimmt. Die Richtcharakteristik ist ein Pegelschrieb, bei dem das Richtmaß in dB über dem Azimutwinkel in einem Winkelbereich von ± 90° gegenüber der Vorausrichtung dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt eine im Fernfeld z. B. in 300 m Entfernung gemessene Richtcharakteristik der Gruppenantenne 10, die den Spezifikationen genügt. Man sieht deutlich, daß sich der Dämpfungsverlauf der Nebenzipfel gegenüber dem idealen Verlauf gemäß Fig. 2 verändert hat. Diese Veränderungen sind auf die Fertigungstoleranzen zurückzuführen. Die Fertigungstoleranzen liegen hier bei einem statistischen Fehler von 10%. Die Richtcharakteristik gemäß Fig. 3 läßt sich in eine ideale Richtcharakteristik im Fernfeld, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, und eine Störrichtcharakteristik zerlegen. Die zugehörige Störrichtcharakteristik ist in Fig. 4 gezeigt. Dieser Verlauf ist abhängig davon, wie und wo die Streuungen der Einzelantennen der Gruppenantenne 10 bezüglich Empfindlichkeit und Abweichung vom Einbauort sind. Die in Fig. 4 gezeigte Störrichtcharakteristik im Fernfeld kommt durch einen Fehler von 10% zustande. Ihr quantitativer Verlauf ist aber für jede Gruppenantenne mit einem Fehler von 10% verschieden.

Fig. 5 zeigt den idealen Verlauf einer Nahfeldrichtcharakteristik für eine ideale Gruppenantenne entsprechend den Abmaßen der Gruppenantenne 10 in Fig. 1, die berechnet wurde für einen Abstand a=5 m. Vergleicht man den Verlauf in Fig. 5 mit der Richtcharakteristik im Fernfeld gemäß Fig. 2, so sieht man deutlich, daß der Öffnungswinkel der Nahfeldrichtcharakteristik breiter ist als der der Richtcharakteristik im Fernfeld und daß die Nebenzipfeldämpfung und ihr Verlauf sich ebenfalls unterscheiden. Die Dynamik zwischen Hauptkeule und Nebenzipfeln ist geringer. Entsprechend der Spezifikation der Fernfeldrichtcharakteristik der Gruppenantenne 10 ist ein statistischer Fehler von 10% zugelassen. Zur Prüfung der Gruppenantenne 10 wird eine gestörte Nahfeldrichtcharakteristik simuliert, indem der idealen Nahfeldrichtcharakteristik gemäß Fig. 5 eine Störrichtcharakteristik gemäß Fig. 6 überlagert wird. Zur Simulierung der gestörten Nahfeldrichtcharakteristik gemäß Fig. 7 wird eine statistische Verteilung der Empfindlichkeit und des Einbauortes der Einzelantenne eingeführt, wobei die Abweichung der Empfindlichkeit 10% beträgt und sich zusammensetzt aus einer Streuung der Amplitude von

entsprechend 0,6 dB
und einer Phasenstreuung von

Die Störrichtcharakteristik, die dieser gestörten Nahfeldrichtcharakteristik gemäß Fig. 7 zugrunde liegt, ist in Fig. 6 gezeigt und ergibt sich aus der Ansteuerung einer idealen Gruppenantenne entsprechend dem o.a. statistischen Fehler von 10%.

Die in Fig. 7 gezeigte gestörte Nahfeldrichtcharakteristik ist die Fehlergrenzkurve, mit der die gemäß Fig. 1 gemessene Nahfeldrichtcharakteristik der Gruppenantenne 10 verglichen wird. Für einen einfacheren Vergleich wird die Einhüllende F=10% der gestörten Nahfeldrichtcharakteristik als Fehlergrenzkurve verwendet.

Fig. 8 zeigt die gemessene Nahfeldrichtcharakteristik der Gruppenantenne 10 und die aus Fig. 7 abgeleitete Fehlergrenzkurve F=10%. Man sieht deutlich, daß Nebenzipfel im Winkelbereich ab ± 20° und größer die Fehlergrenzkurve F überschreiten. Die Gruppenantenne 10 erfüllt also nicht die Spezifikation. Ihr statistischer Fehler liegt über 10%.

Für unterschiedliche statistische Fehler der Gruppenantenne erhält man im Nahfeld mit steigendem Fehler ein Anwachsen der Nebenzipfel und zusätzlich einen Rippel auf der verbreiterten Hauptkeule. Der Verlauf der Nebenzipfel verändert sich unmittelbar mit dem statistischen Fehler signifikant. Berechnet man für verschiedene statistische Fehler die gestörte Nahfeldrichtcharakteristik, so erhält man Fehlergrenzkurven, wie sie in Fig. 8 für F=10% und F=20% eingezeichnet sind. Man sieht, daß die geprüfte Gruppenantenne 10 einen statistischen Fehler aufweist, der kleiner als 20% ist, da keiner ihrer Nebenzipfel die Fehlergrenzkurve für F=20% überschreitet. Indem man mehrere Fehlergrenzkurven angibt, ist die geprüfte Gruppenantenne verschiedenen Güteklassen zuzuordnen.

Fig. 9 zeigt die gemessene Nahfeldrichtcharakteristik einer Gruppenantenne, die aus 120 Einzelantennen besteht, 130 cm lang ist, wobei der Abstand zwischen Wandler 13 und Gruppenantenne a=5 m beträgt. Die Impulslänge des Sendeimpulses beträgt ca. 1 ms. Bei der Berechnung der Impulslänge wurden Einschwingzeiten der Einzelantennen und des Wandlers berücksichtigt sowie die Länge der Gruppenantenne. Die Sendeimpulsdauer ergibt sich dann aus der Summe der dreifachen Einschwingzeit zuzüglich dem Quotienten aus Länge und Schallgeschwindigkeit c zuzüglich einer Meßzeit, die einige Perioden der Schwingung von 100 kHz aufweist. Man kann aus Fig. 9 entnehmen, daß die Hauptkeule gegenüber der vorher gemessenen Nahfeldrichtcharakteristik gemäß Fig. 8 wesentlich breiter ist, was darauf zurückzuführen ist, daß im Fernfeld der Öffnungswinkel entsprechend der größeren Abmaße wesentlich schmaler ist. Außerdem ist die Hauptkeule gegenüber der Hauptkeule im Fernfeld um 13 dB niedriger und weist deutliche Rippel auf. In Fig. 9 sind drei Fehlergrenzkurven für F=5%, F=10% und F=20% eingezeichnet, die aus simulierten, gestörten Nahfeldrichtcharakteristiken für diese Gruppenantenne gewonnen werden. Man sieht, daß die Gruppenantenne einen statistischen Fehler von 10% aufweist, da die Nebenzipfel der gemessenen Nahfeldrichtcharakteristik die Fehlergrenzkurve für F=10% nicht überschreiten.

Fig. 10 zeigt eine Richtcharakteristik im Fernfeld einer Gruppenantenne mit N=270 Einzelantennen, deren Eigenrichtcharakteristik eine Rundumcharakteristik und nicht die Form einer halben Acht aufweist. Die Gruppenantenne arbeitet bei einer Frequenz von 300 kHz und weist einen statistischen Fehler von F=10% auf. Da die Eigenrichtcharakteristik über jedem Winkel die gleiche Empfindlichkeit aufweist, weist die Richtcharakteristik im Fernfeld bei großen Winkelwerten einen ansteigenden Verlauf auf, im Gegensatz zu der Richtcharakteristik im Fernfeld gemäß Fig. 3. Diese Richtcharakteristik erfüllt die vorgegebenen Spezifikationen.

Fig. 11 zeigt die zugehörige ideale Nahfeldrichtcharakteristik. Man sieht deutlich die Verbreiterung der Hauptkeule, ihre Dämpfung um 17 dB und die Verminderung der Dynamik zwischen dem Pegel der Hauptkeule und den Pegeln der Nebenzipfel.

Fig. 12 zeigt die Störrichtcharakteristik einer solchen Gruppenantenne im Fernfeld, deren Effektivwert -44,3 dB ist.

Fig. 13 zeigt die Störrichtcharakteristik der gleichen Gruppenantenne in Nahfeld. Der Verlauf der Pegel unterscheidet sich vom Verlauf in Fig. 12, die Störrichtcharakteristik weist aber den gleichen Effektivwert auf. Dieser Effektivwert ist in Fig. 11 ebenfalls eingezeichnet, er weist über dem Winkel stets den gleichen Pegelwert auf, da die Eigenrichtcharakteristik der Einzelantenne kreisförmig ist. Ansonsten müßte dieser Pegelwert mit der Eigenrichtcharakteristik bewertet werden. Bei einer Halbacht-Charakteristik würde der Pegelwert zu größeren Winkelwerten hin abnehmen.

Der Effektivwert der Störrichtcharakteristik läßt sich auch nach der Formel

20 log Stör_eff = 20 log F - 10 log N
= 20 log 0,1 - 10 log 270
= -44,3 dB

berechnen.

In Fig. 11 ist mit e und d die Differenz der Pegelwerte 20 log IN zwischen der idealen Nahfeldrichtcharakteristik und dem Pegelwert 20 log Stör_eff des Effektivwerts angegeben. Läßt man eine Sicherheit für das Prüfergebnis von S=90% zu, so erhält man eine Fehlergrenzkurve, die gestrichelt eingezeichnet ist. Die gleiche Fehlergrenzkurve ist in Fig. 14 zusammen mit der gemessenen Nahfeldrichtcharakteristik eingetragen und man sieht deutlich, daß die Gruppenantenne, deren Richtcharakteristik im Fernfeld in Fig. 10 dargestellt ist, der Spezifikation genügt und ihr statistischer Fehler kleiner als F=10% bei einer Sicherheit des Prüfergebnisses von S=90% ist.

Um die Fehlergrenzkurve in Fig. 11 zu konstruieren, wird die Differenz

20 log a = e = 20 log IN - 20 log Stör_eff

zwischen dem Pegel der idealen Nahfeldrichtcharakteristik und dem Pegelwert des Effektivwerts der Störrichtcharakteristik ermittelt, durch 20 geteilt und der Numerus a dazu aufgesucht. Dieser Numerus a wird in eine Formel zu Ermittlung eines Kennwerts

K = 20 log (1 + x/a)

eingesetzt. Der Kennwert K wird dem Pegelwert der idealen Nahfeldrichtfunktion zuaddiert und ergibt einen Punkt P der Fehlergrenzkurve. Der Faktor x in der Formel für den Kennwert K wird aus einer Wahrscheinlichkeitsverteilung ermittelt und berücksichtigt die Sicherheit des Prüfergebnisses. Die Wahrscheinlichkeitsverteilung gibt die Wahrscheinlichkeit dafür an, daß die Werte der Störrichtcharakteristik gemäß Fig. 13 einen bestimmten Pegelwert annehmen. Ihr Maximum liegt ungefähr beim Effektivwert der Störrichtcharakteristik. Der Faktor x ist umso größer, je größer die geforderte Sicherheit und die Zahl der Nebenzipfel ist. Für eine Sicherheit von S=90% beträgt bei dieser Gruppenantenne der Faktor x=2,5 entsprechend 8,5 db. Die Wahrscheinlichkeit dafür, daß ein einziger Wert der gesamten Störrichtcharakteristik gemäß Fig. 13 einen Grenzpegelwert von

-20 log Stör_eff + 20 log x = -44,3 + 8,5 = -35,7 dB

überschreitet, beträgt dann 10%, d. h. daß bei zehn Gruppenantennen ein einziger Nebenzipfel der Störrichtcharakteristik einer dieser Gruppenantennen diesen Grenzpegelwert überschreitet.

Der aufgrund der Differenz e und des Faktors x ermittelte Kennwert K₁ wird als Pegelwert dem Pegelwert der idealen Nahfeldrichtcharakteristik zuaddiert und ergibt den Punkt P₁ auf der in Fig. 11 eingezeichneten Fehlergrenzkurve. Der Punkt P₂ auf der Fehlergrenzkurve wird in gleicher Weise ermittelt. Die Fehlergrenzkurve ist die Einhüllende des so entstandenen Pegelverlaufs, mit der die gemessene Nahfeldrichtcharakteristik in Fig. 14 verglichen wird.

Claims

1. Verfahren zum Prüfen einer Gruppenantenne mit einer Vielzahl beabstandeter Einzelantennen bezüglich der Einhaltung von Spezifikationen ihrer Richtcharakteristik im Fernfeld beim Senden oder Empfangen, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wandler im Nahfeld der Gruppenantenne im Übertragungsmedium angeordnet wird, daß sämtliche Einzelantennen zusammengeschaltet sind, daß im Sendefall gleichzeitig von allen Einzelantennen der Gruppenantenne, im Empfangsfall von dem Wandler Sendeimpulse mit Wellen vorgebbarer Frequenz abgestrahlt werden, daß die Gruppenantenne je Sendeimpuls in vorgebbaren Winkelinkrementen gedreht wird, daß im Sendefall das Empfangssignal des Wandlers und im Empfangsfall das Summensignal aller Einzelantennen je Sendeimpuls über dem jeweiligen Winkelinkrement als Nahfeldrichtcharakteristik dargestellt wird, daß mindestens eine Nahfeldrichtcharakteristik simuliert wird und daraus eine den Spezifikationen entsprechende Fehlergrenzkurve abgeleitet wird, daß die gemessene Nahfeldrichtcharakteristik mit der Fehlergrenzkurve verglichen wird und bei Überschreiten mindestens eines Nebenzipfels die Gruppenantenne die Spezifikation nicht einhält.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine gestörte Nahfeldrichtcharakteristik simuliert wird, deren Gruppenantenne fertigungstechnisch zugelassene Toleranzen aufweist, die der Spezifikation der Richtcharakteristik im Fernfeld entsprechen, und daß die Einhüllende der gestörten Nahfeldrichtcharakteristik die Fehlergrenzkurve ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Simulation der gestörten Nahfeldrichtcharakteristik Einbauort und Empfindlichkeit der Einzelantennen mit einem den Toleranzen entsprechenden statistischen Fehler versehen werden.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Simulation der gestörten Nahfeldrichtcharakteristik Einzelantennen einer idealen Gruppenantenne mit Signalen beaufschlagt werden, deren Amplitude und/oder Phase einen statistischen Fehler aufweisen und der statistische Fehler den Toleranzen der Einbauorte der Einzelantennen und ihrer Empfindlichkeitsstreuung entspricht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Fehlergrenzkurven für unterschiedliche statistische Fehler vorgebbar sind.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine gemeinsame Einhüllende über eine Vielzahl von simulierten, gestörten Nahfeldrichtcharakteristiken mit gleichem statistischen Fehler ihrer Gruppenantennen gebildet wird und die gemeinsame Einhüllende die Fehlergrenzkurve bildet.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine fehlerfreie Nahfeldrichtcharakteristik simuliert wird, deren zugehörige Gruppenantenne ideal aufgebaut ist, und daß die ideale Nahfeldrichtcharakteristik mit einem Kennwert aus einer Störrichtcharakteristik kombiniert wird und die Fehlergrenzkurve ist.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Störrichtcharakteristik mit einer idealen Gruppenantenne simuliert wird, daß Amplitude und/oder Phase der Signale, mit denen die Einzelantennen angesteuert werden, statistisch entsprechend dem vorgegebenen statistischen Fehler verteilt sind, daß der Effektivwert der Störrichtcharakteristik berechnet wird und daraus der Kennwert gebildet wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Effektivwert aus dem den Toleranzen entsprechenden statistischen Fehler F und der Anzahl N der Einzelantennen nach der Formel 20 log F-10 log N berechnet wird.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß im logarithmischen Maßstab je Winkelinkrement vom Pegelwert (20 log IN) der idealen Nahfeldrichtcharakteristik der Effektivwert als Pegelwert (20 log Stör_eff) abgezogen wird und der Numerus (a) der durch zwanzig geteilten Differenz (log IN - log Stör_eff) gebildet wird, daß eine Sicherheit für das Prüfergebnis vorgegeben wird, daß ein dieser Sicherheit entsprechender Faktor (x) aus einer Wahrscheinlichkeitsverteilung für das Auftreten von Pegelwerten der Störrichtcharakteristik ermittelt wird, der die Wahrscheinlichkeit des Überschreitens eines zu diesem Winkelinkrement gehörenden Nebenzipfels der den statistischen Fehler wiedergebenden, möglichen Störrichtcharakteristiken über einen Grenzpegelwert berücksichtigt, daß ein Verhältnis aus dem Faktor (x) und dem Numerus (a) der Differenz zu 1 addiert wird und der Logarithmus der Summe mit zwanzig multipliziert den Kennwert (K=20 log (1+x/a)) bildet, daß der Kennwert (K) dem Pegelwert (20 log IN) der idealen Nahfeldrichtcharakteristik zuaddiert den Grenzpegelwert angibt und einen Punkt der Fehlergrenzkurve bildet.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wahrscheinlichkeitsverteilung im Bereich der Nebenzipfel für kleine Numeri (a) eine Rayleigh-Verteilung ist.

12. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Wahrscheinlichkeitsverteilung im Bereich der Hauptkeule für große Numeri (a) eine Gaußverteilung ist.

13. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Wandler eine Richtcharakteristik aufweist, mit der die Gruppenantenne in ihrem Nahfeld erfaßt wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impulsdauer des Sendeimpulses abhängig von der Länge der Gruppenantenne geteilt durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Übertragungsmedium und der Einschwingzeiten von Wandler und Einzelantennen wählbar ist und einige wenige Wellenzüge aufweist.

15. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gruppenantenne auf einem Drehgestell angeordnet ist und in Winkelinkrementen gedreht wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer Flächenanordnung der Einzelantennen die Fläche in Zeilen und/oder Spalten aufgeteilt werden, daß die Einzelantennen jeder Zeile und/oder Spalte im Empfangsfall das Summensignal liefern und im Sendefall mit dem Sendeimpuls beaufschlagt werden.