DE4292497C2 - Antennen-Kompaktmessanlage - Google Patents

Description

Bei der Erfindung handelt es sich um eine Antennen-Kompakt­ meßanlage zur Durchführung von Antennen- und Rückstrahl­ querschnittsmessungen. Die Testanlage umfaßt (i) eine Sende­ einheit zum Senden einer elektromagnetischen Welle, (ii) eine Meßumformereinheit zur Umwandlung der von der Sendeeinheit gesendeten Wellenfront in eine Planwelle und (iii) ein Testobjekt, das so positioniert wird, daß es von der durch die Meßumformereinheit erzeugte Planwelle getroffen wird.

Mit Hilfe von Antennentestmethoden können bestimmte Merk­ male von Antennen ermittelt werden, z. B. deren Strahlungs­ diagramm, Polarisierung, Verstärkung und Richtvermögen. Die besagten Methoden lassen sich in drei Hauptkategorien ein­ teilen: Messungen im (1) Fernfeld, (2) im Nahfeld und (3) in einer Antennen-Kompaktmeßanlage.

Bei Messungen im Fernfeld wird mit Hilfe einer separaten Sendeantenne, die sich vor der zu prüfenden Antenne befin­ det, ein Planwellenfeld erzeugt. Dabei soll die Sende­ antenne in einem ausreichend großen Abstand zur Testantenne positioniert werden, damit eine von der Sendeantenne ausge­ hende Welle mit sphärischer Stirnform sich der Planwelle vor der zu testenden Antenne in ausreichendem Maße nähern kann. Normalerweise geht man davon aus, daß das Fernfeld in einem Abstand von 2D²/λ beginnt, wobei D für den Durch­ messer der Apertur der zu testenden Antenne und λ für die Wellenlänge steht. Dies ist jedoch keine starre Grenze, da sich die Abhängigkeit der Antennenkennlinien vom Meßabstand mit wachsendem Abstand verringert. Bei der Bestimmung des Fernfeldabstands kommt es darauf an, den maximal zulässigen Fehler im Hinblick auf die tatsächlich im Feld herrschenden Bedingungen zu bestimmen. Der besagte Fernfeldabstand gilt als erreicht, wenn eine Phasendifferenz von 22,5 Grad in der Apertur der zu testenden Antenne zugelassen wird. Der Abstand des Fernfeldes von größeren Antennen wird in der Praxis ohnehin zu groß sein; er kann mehrere Kilometer betragen, und aus diesem Grund muss der Test in diesen Fällen stets im Freien durchgeführt werden.

Bei Nahfeldmessungen, die normalerweise in einem reflexionsfreien Raum durchgeführt werden, wird das vor der zu testenden Antenne befindliche Feld gemessen. Die Kennlinien der Fernzone werden aus den Messergebnissen rechnerisch ermittelt. Diese Methode wird grundsätzlich bei Frequenzen unter 40 GHz bevorzugt angewendet. Bei höheren Frequenzen ergibt sich ein Problem aufgrund von Phasenfehlern, die auf Messkabeln, ungenauen Messpunkten und - besonders im Zusammenhang mit großen Antennen - auf der immensen Anzahl von Messpunkten beruhen, da das Feld in Abständen von mindestens einer halben Wellenlänge gemessen werden muss. Unter diesen Umständen ist jeder Messvorgang äußerst schwierig.

Ein Verfahren zur Nahfeldmessung wird beispielsweise in der US 4 201 987 beschrieben. Dabei werden Phasen und Amplitudeninformationen durch Abtasten des Feldes mit einer Testantenne über eine sphärische Fläche bestimmt. Das Fernfeld wird dann rechnerisch aus den bestimmten Mess­ werten ermittelt.

Eine Antennen-Kompaktmessanlage (Compact Antenna Test Range, CATR) ist eine Messanlage, in dem ein künstliches Fernfeld, d. h. eine Planwelle, vor der zu testenden Antenne erzeugt wird (vgl. z. B. US 5 001 494). Der eigentliche Antennentest wird in ähnlicher Weise durch­ geführt wie eine gewöhnliche Fernfeldmessung. Die gewünschte Planwelle wird aus einer sphärischen Welle mit Hilfe eines Fokussierelementes geformt. Bis dato wurden fast ausschließlich gebogene Metallreflektoren zur Formung der Planwelle verwendet. Das Prinzip eines solchen Testbereichs wurde z. B. im US-Patent 3 302 205 be­ schrieben, in dessen Ausführung entweder ein Rotationsparabolreflektor oder zwei Zylinderparabolreflektoren zur Formung der Planwelle vorgesehen sind.

Hinsichtlich der Fernfeldmessungen besteht ein Vorteil der Kompaktmeßanlage in ihrer geringen Größe, die selbst bei großen Antennen eine Verwendung in geschlossenen, wetter­ geschützten Räumen ermöglicht. Hinsichtlich der Nahfeld­ messungen liegt der Vorteil darin, daß alle Messungen nach Einrichtung der Kompaktanlage auf einfache Weise als nor­ male Fernfeldmessung durchgeführt werden können, z. B. durch Drehen der zu prüfenden Antenne. Ein weiterer Vorteil der Kompaktanlage besteht darin, daß sie auch in geschlossenen Räumen die Messung des Rückstrahlquerschnitts selbst großer Objekte zuläßt. In bestimmten Fällen stellt eine Antennen- Kompaktmeßanlage sogar die einzig sinnvolle Alternative zur Durchführung von Messungen dar, wenn beispielsweise eine Nahfeldmessung nicht möglich ist oder die Luftfeuchtigkeit hoch ist oder als Funktion der Zeit variiert. Eine herkömm­ liche Antennen-Kompaktmeßanlage ist jedoch teuer (besonders im Millimeterbereich), da die Herstellung der Reflektoren mit hohen Kosten verbunden ist. Das liegt daran, daß die geforderte Verarbeitungsgenauigkeit der Reflektoroberfläche bei etwa 1/100 der Wellenlänge liegt. Bei einer Frequenz von beispielsweise 100 GHz müßte die Oberflächengenauigkeit in einem Bereich von 30 µm liegen. Als Beispiel sollen im folgenden die technischen Daten einer kommerziell erhält­ lichen Kompaktmeßanlage genannt werden:

• - Oberflächengenauigkeit des Reflektors 20 µm (zur Verwen­ dung bis 200 GHz)
• - Gewicht des Reflektors ca. 50.000 kg
• - tote Zone (Planwellenbereich) 5,5 m × 5 m
• - Herstellungskosten des Reflektors ca. 5 Millionen DM.

Mit der vorliegenden Erfindung wird angestrebt, den besag­ ten Nachteil zu eliminieren und eine Antennen-Kompaktmeß­ anlage verfügbar zu machen, die deutlich kostengünstiger als bisherige Anlagen dieser Art hergestellt werden kann. Dies kann mit einer Kompaktmeßanlage erreicht werden, der die Erfindung zugrundeliegt, und welche dadurch gekenn­ zeichnet ist, daß die Meßumformereinheit mindestens ein Hologramm aufweist.

Die Grundidee der Erfindung besteht darin, daß ein für die Antennen-Kompaktmeßanlage benötigtes künstliches Fernfeld mit Hilfe eines Hologramms erzeugt wird.

Die Herstellungskosten der auf der Erfindung beruhenden Kompaktmeßanlage betragen nur einen Bruchteil der bei der Herstellung einer herkömmlichen, auf Reflektorenbasis funk­ tionierenden Kompaktmeßanlage anfallenden Kosten. Die vom zu verwendenden Hologramm geforderte Oberflächengenauigkeit ist geringer, so daß die auf der Erfindung beruhende Kom­ paktmeßanlage auch bei sehr hohen Frequenzen (über 300 GHz) als Kompaktmeßanlage eingesetzt werden kann. Außerdem ist die auf der Erfindung beruhende Kompaktmeßanlage leicht­ gewichtig und benötigt im zusammengebauten Zustand nur wenig Platz.

Hologramme zur Verwendung in der Antennen-Kompaktmeßanlage sind hinlänglich bekannt und können auf gleiche Weise ent­ worfen und hergestellt werden wie die beispielsweise im Bereich der Optik verwendeten, von Computern erzeugten Hologramme. Solche Hologramme werden z. B. in Literatur­ hinweis [1] beschrieben (siehe die im Anschluß aufgeführten Literaturhinweise). Die folgenden allgemeinen Angaben zu Hologrammen sollen dem Leser ein gewisses Hintergrundwissen vermitteln. Hologramme lassen sich in zwei Hauptkategorien einteilen: Sende- und Reflexionshologramme. Allgemein läßt sich sagen, daß ein Hologramm sowohl die Amplitude als auch die Phase eines Felds verändert. In der Praxis werden viele Hologramme jedoch meist nur zur Veränderung eines einzigen Feldparameters verwendet, d. h. es kommen sogenannte Ampli­ tuden- und Phasenhologramme zum Einsatz. Ausgehend vom aktuellen Stand der Technik, wurden Hologramme bisher außer für optische Zwecke auch im Hochfrequenzbereich eingesetzt, wo einerseits Sendehologramme die Linsenantennen und ande­ rerseits Reflexionshologramme die Parabolantennen ersetzt haben. Im Hochfrequenzbereich wurden Hologramme bislang jedoch nur bei Anwendungen im Fernfeldbereich eingesetzt, nicht jedoch unter Nahfeldbedingungen, was nun aufgrund der vorliegenden Erfindung ermöglicht wird. Die Verwendung von Hologrammen im Hochfrequenzbereich wird in den Literatur­ hinweisen [2] und [3] erläutert.

Im folgenden soll die Erfindung durch Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung genauer beschrieben werden, wobei fol­ gende Einzelfiguren enthalten sind:

Fig. 1 zeigt das Prinzip der Testanordnung für eine Anten­ nen-Kompaktmeßanlage nach der besagten Erfindung.

Fig. 2 zeigt ein entlang der in Fig. 1 angedeuteten Linie II-II positioniertes Hologramm zur Verwendung mit der in Fig. 1 abgebildeten Kompaktmeßanlage.

Fig. 3 zeigt die bevorzugte Ausführungsart der grundsätz­ liche Testanordnung nach Fig. 1.

Fig. 1 zeigt die grundsätzliche Testanordnung einer Anten­ nen-Kompaktmeßanlage nach der besagten Erfindung. Eine Sen­ deeinheit besteht aus einer Antenne, z. B. einer Hornantenne 1, die eine sphärische Welle 2 in Richtung ihres Haupt­ strahls an ein Amplitudenhologramm 3 vom Sendetyp sendet, wobei besagtes Hologramm sich in einem geeigneten Abstand vom Boden im Nahfeld (oder aber im Fernfeld) der Antenne 1 befindet. In diesem Beispiel befindet sich die Hornantenne 1 in der Mittelachse des Hologramms 3, und zwar dergestalt, daß der Rand des Hologramms bei -3 dB im Strahl der Horn­ antenne liegt. Das Hologramm 3 ist so entworfen, daß eine Planwelle 4 von einem zur besagten Mittelachse verlaufen­ den, schiefen Winkel (im vorliegenden Beispiel ca. 30 Grad) ausgeht. Dadurch läßt sich die Planwelle von den vom Holo­ gramm ausgehenden und in Richtung seiner Achse verlaufenden nachteiligen Wellen unterscheiden. Innerhalb eines Bereichs (tote Zone) der Planwelle 4 befindet sich ein zu testendes Objekt 5, das in der Figur als Hornantenne dargestellt ist und unter realistischen Bedingungen mit einer (nicht abge­ bildeten) Dreh- und Bewegungsvorrichtung versehen ist, die ein Drehen und Fortbewegen der Hornantenne in eine geeig­ nete Position zur Planwelle ermöglichen soll.

Die Meßanlage beinhaltet natürlich auch eine mit der Antenne 1 gekoppelte Sendeeinheit sowie eine mit dem zu testenden Objekt 5 und/oder der Antenne 1 gekoppelte Meß­ einheit zur Durchführung entsprechender Messungen. Da jedoch diese Anordnungen und die zugehörigen Meßverfahren hinlänglich bekannt sind, wird im folgenden auf eine detaillierte Beschreibung derselben verzichtet. Besteht die Absicht, eine Antenne zu testen, so wird es sich bei dem zu testenden Objekt 5 um eine Antenne handeln, die mit der besagten Meßeinheit gekoppelt ist. Besteht andererseits die Absicht, den Rückstrahlquerschnitt des Objekts 5 zu messen, beispielsweise eines Radarreflektors oder eines maßstabs­ getreuen Flugzeugmodells, indem ein Radarimpuls mittels der Antenne 1 an das Objekt gesendet und das vom Objekt reflek­ tierte Echo von der selben Antenne empfangen wird, so wird die Meßeinheit mit Antenne 1 gekoppelt.

In Fig. 2 ist das Hologramm 3 genauer dargestellt, beste­ hend aus einer für Radiowellen durchlässigen, kreisförmigen Trägerschicht 6 und einem für Radiowellen undurchlässigen, auf der Oberfläche der Trägerschicht angebrachten Holo­ grammuster 7. Dieses Hologrammmuster wird in einem der Lei­ terplattenherstellung ähnlichen Verfahren durch Ätzung der Trägerschichtoberfläche erzeugt, wobei eine dem Muster ent­ sprechende Maske zum Einsatz kommt. Im vorliegenden Bei­ spiel wird das Hologrammmuster 7 von parallel und vertikal verlaufenden, bogenförmigen Kupferstreifen 8 gebildet. Im vorliegenden Beispiel besteht die Trägerschicht 6 aus einem kapton^TM-Film von 0,075 mm Stärke, und das Hologrammmuster besteht aus einer Kupferschicht von 0,035 mm Stärke. Die Herstellungskosten eines solchen einfachen Metall-Kunst­ stoff-Films liegen bei ungefähr 1000 DM/m² und betragen somit nur einen Bruchteil der bei der Herstellung eines herkömmlichen Reflektors entstehenden Kosten. Das Hologramm 3 ist an einem Rahmen 10 befestigt, der mit einem Radio­ wellen absorbierenden Material (nicht abgebildet) beschich­ tet ist. Der Rahmen 10 sitzt auf einem Gestell 11, und zwar so, daß er hinsichtlich der auftreffenden Wellenfront 2 in eine beliebige Position gedreht werden kann.

Fig. 3 zeigt eine bevorzugte Ausführungsart der in Fig. 1 dargestellten Testanordnung. Im vorliegenden Fall findet sich ein von einer Trennwand 13 geteilter Testraum 12. Die Trennwand ist mit einem Radiowellen dämpfenden Material (nicht abgebildet) beschichtet. Die Trennwand weist ferner eine Öffnung 14 auf, in die das Hologramm 3 eingesetzt wird. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, daß die von der Sendeeinheit ausgehende Wellenfront das Hologramm nicht passieren und sich nicht bis zum Testobjekt 5 aus­ breiten kann.

Obgleich die Erfindung im vorstehenden Text unter Bezug­ nahme auf die beigefügte Zeichnung beschrieben wurde, ist es offensichtlich, daß sich die Erfindung nicht auf die beschriebene Anordnung beschränkt, sondern daß sie sich im Rahmen der oben erläuterten gedanklichen Erfindung und des beigefügten Patentanspruchs auf vielerlei Arten modifizie­ ren läßt. So kann beispielsweise der Hologrammtyp und ins­ besondere das Hologrammmuster auf vielerlei Arten verändert werden, und eine technisch entsprechend erfahrene Person kann mit Leichtigkeit ein neues Hologramm entwerfen, sobald die Veränderungen von Amplitude und Phase der von der Sen­ deeinheit abgegebenen Welle in der gewünschten Hologramm­ ebene bekannt sind. Unter den gegebenen Umständen kann die herannahende Wellenfront grundsätzlich aus jeder beliebigen Richtung an das Hologramm gelangen, und die Planwelle kann sich in jede beliebige Richtung ausbreiten, wenn nur darauf geachtet wird, daß sich die Planwelle in eine andere Rich­ tung als die anderen Störwellenformen des Hologramms aus­ breitet. Folglich muß es sich bei der von der Sendeeinheit abgegebenen Wellenform nicht unbedingt um eine sphärische Welle handeln (ebensowenig muß es sich bei der Sendeeinheit um eine Hornantenne handeln). Bei dem in der Meßanlage ver­ wendeten Hologramm muß es sich auch nicht unbedingt um ein Sendehologramm handeln. Ebensogut könnte auch ein Refle­ xionshologramm eingesetzt werden, dessen ebener Reflektor kein Kupfermuster, sondern Rillen aufweist (vgl. Literatur­ hinweise [2] und [3]). Auch können in der Meßanlage mehrere sequentielle Hologramme verwendet werden. Da die Meßanlage neben Antennentests beispielsweise auch Rückstrahl­ querschnittsmessungen ermöglicht, soll sich der im beilie­ genden Patentanspruch verwendete Begriff "Antennen-Meß­ anlage" inhaltlich neben Antennentests auch auf andere Mes­ sungen beziehen.

Literaturhinweise

[1] Wai-Hon Lee: "Computer Generated Holograms: Techniques and Applications", Progress in Optics

1993

, Vol. 31/119.
[2] J. C. Wiltse, J. E. Garrett: "The Fresnel Zone Plate Antenna", Microwave Journal, Januar 1991, S. 101-114.
[3] J. C. Wiltse, J. E. Garrett: "Fresnel Zone Plate Anten­ nas at Millimeter Wavelengths", International Journal of Infrared and Millimeter Waves, Bd. 12, Nr. 3, 1991, S. 195-220.

Claims (5)

1. Antennen-Kompaktmessanlage zur Durchführung von Antennen- und Rückstrahlquerschnittsmessungen, bestehend aus folgenden Komponenten:

• - eine Sendeeinheit (1) zum Senden einer elektro­ magnetischen Welle;
• - eine Messumformereinheit zur Umwandlung der von der Sendeeinheit (1) gesendeten Wellenfront (2) in eine Planwelle (4);
• - hin zu testendes Objekt (5) das so positioniert wird, dass es von der von der Messumformereinheit erzeugten Planwelle (4) getroffen wird;

dadurch gekennzeichnet, dass die Messumformereinheit mindestens ein auf einer Trägerschicht (6) angebrachtes Hologrammmuster (7) aufweist, welches so entworfen ist, dass es bei Bestrahlung mit der Sendeeinheit (1) Planwellen von nachteiligen Wellen räumlich trennt, indem es bewirkt, dass die nachteiligen Wellen das Hologrammmuster (7) unter anderen Winkeln verlassen als die Planwellen.

2. Antennen-Kompaktmeßanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem besagten, mindestens einmal vorhandenen Hologramm (3) um ein Amplitudenhologramm vom Sendetyp handelt, das ein auf einer dielektrischen Trägerschicht (6) aufgetragenes Muster (7) aufweist und für elektromagnetische Wellen undurchlässig ist.

3. Antennen-Kompaktmeßanlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschicht aus einem dielektrischen Kunststoffilm (6) besteht, auf der sich ein Metallmuster (7) befindet.

4. Antennen-Kompaktmeßanlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinheit (1) sich in der Mittelachse des Hologramms (3) befindet und daß die Planwelle (4) ihren Ausgang am Hologramm (3) in einem schiefen Winkel zur Mittelachse des Hologramms nimmt.

5. Antennen-Kompaktmeßanlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Holo­ gramm (3) in eine Öffnung (14) eingesetzt wird, die sich in einer Trennwand (13) des Testraums (12) befin­ det.