-
Die
vorliegende Erfindung betrifft die Messung von Antennenabstrahlungsdiagrammen.
-
Definitionsgemäß weisen
Funkkommunikationssysteme Antennen auf, die als Sendeempfänger zwischen
der Funkfrequenz-(RF)-Energie innerhalb des Systems und der abgestrahlten
Energie zwischen einzelnen Systemen dienen. Die benutzten Antennen
müssen
den Anforderungen des jeweiligen RF-Systems entsprechen. Obwohl dies zu
verschiedenen Auslegungen für
unterschiedliche Kommunikationssysteme führt, sind die meisten Antennen doch
durch eine gemeinsamen Satz von Antennenleistungsparametern gekennzeichnet.
-
Um
eine Antenne auszuwählen
oder auszulegen, die für
ein jeweiliges Kommunikationssystem geeignet ist, ist es notwendig,
die Leistung der verschiedenen Alternativen zu kennen oder messen
zu können.
Zu den Antennenleistungsparametern gehören typischerweise Eingangsimpedanz,
Polarisation, Richtfaktor, Abstrahlungseffizienz, Gewinn und Strahlungsdiagramm.
-
Die Übertragung
von RF-Leistung von einer Antenne an ein Kommunikationssystem und
umgekehrt steht im Zusammenhang mit der Eingangsimpedanz der Antenne
und der Impedanz des Kommmunikationssystems. Der Abgleich der Impedanz
von Antenne und System ist deshalb äußerst wichtig. Die Polarisation
einer Antenne ist als die Polarisation der elektromagnetischen Welle
definiert, die von der Antenne an einem Vektor abgestrahlt wird,
der seinen Ursprung an der Antenne nimmt, und in die primäre Ausbreitungsrichtung
verläuft.
Der Richtfaktor einer Antenne ist als das 4π-fache des Verhältnisses
der maximalen Abstrahlungsintensität (abgestrahlte Leistung pro
Raumeinheitswinkel) zur abgestrahlten Gesamtleistung der Antenne
definiert. Der Gewinn einer Antenne ist ein Messwert ihrer Fähigkeit,
ihre abgestrahlte Leistung in eine bestimmte Richtung zu konzentrieren.
Die Abstrahlungseffizienz ist das Verhältnis der von der Antenne abgestrahlten
Leistung zu der an ihrem Eingang akzeptierten Nutzleistung.
-
Antennenstrahlungsdiagramme
sind graphische Darstellungen der direktionalen Verteilung der Energie,
die von der Antenne abgestrahlt wird. Strahlungsdiagramme können in
Bezug auf Feldstärke, Leistungsdichte
oder Dezibel aufgezeichnet werden. Sie können absolut sein oder sich
auf einen Referenzpegel beziehen, wobei häufig die Spitze des Strahls
als Referenz gewählt
wird. Die Strahlungsdiagramme können
in rechteckiger oder polarer Form als Funktionen der Kugelkoordinaten θ und ϕ angezeigt
werden. Grundsätzlich
ist anzumerken, dass eine Reziprozität vorliegt, d.h., obwohl die
Leistungsparameter einer Antenne oben explizit mit der Antenne als
Strahlungsquelle definiert wurden, sind die Parameter (Polarisation,
Richtfaktor, Gewinn und Abstrahlungsmuster) dieselben, unabhängig davon,
ob die Antenne zum Senden oder Empfangen benutzt wird. In der nachfolgenden
Beschreibung und in den Ansprüchen
wird die Reziprozität
implizit vorausgesetzt; es ist irrelevant, ob eine bestimmte Antenne zum
Senden oder zum Empfangen benutzt wird.
-
Messungen
von Antennenstrahlungsdiagrammen werden traditionell mit Hilfe von
im Freien angeordneten Antennenbereichen und in Gebäuden angeordneten
reflexionsarmen Räumen
durchgeführt.
Die Auswahl der Anlage wird von einer Reihe von Faktoren beeinflusst,
darunter Betriebsfrequenz, Größe der Antenne
oder des zu messenden Gegenstands, Durchsatz oder Messgeschwindigkeit,
und erforderliche Messgenauigkeit. Ein Antennenbereich ist eine
kostspielige Anlage, die spezialisierte Auslegungs- und Konstruktionskenntnisse,
ausreichend Platz, regelmäßige Wartung
und Kalibrierung, ausgebildetes Personal und eine Verwaltung der
Ressourcen erfordert.
-
Für Messungen
im Freien sowie in Gebäuden
sowohl von Fernfeld- als auch Nahfeldkomponenten des Strahlungsdiagramms
einer Antenne ist es wichtig, dass weder die Testantenne (AUT) noch die
Bereichsantenne (RA) selbst von unerwünschten Signalen oder Streuenergie
gestört
werden. Beispiele für
Streuenergie sind: Interferenz von äußeren elektrischen, Funk- und
Mikrowellenquellen, und Reflexionen des gemessenen oder erwünschten
Signals selbst, im Folgenden als Mehrwegeeinfluss bezeichnet.
-
Wenn
die AUT im Empfangsmodus benutzt wird, erfordert eine genaue Messung
ihres Fernfeldabstrahlungsmusters eine Variation von idealerweise
null in Amplitude und Phase des einfallenden Felds bei einer bestimmten
Frequenz für
ihre Apertur. Bei vielen Messungen gilt allerdings eine Wellenfront mit
einer Phasenvariation von unter 22,5° als ausreichend. Diese wird
durch eine ausreichend große
Distanz zwischen den zwei Antennen (der Bereichsantenne und der
Testantenne) erreicht. Trotzdem ist es in der Praxis wünschenswert,
Antennenmessungen mit einem minimalen Separationsabstand durchzuführen, der
das Erzielen der erforderlichen Genauigkeit ermöglicht. Kleine Phasenabweichungen
verursachen geringfügige
Verzerrungen der gemessenen Nebenkeulenstruktur, während größere Abweichungen
zu größeren Fehlern
im gemessenen Gewinn und in der gemessenen Keulenstruktur führen. Unter diesen
Umständen
können
zudem eigentlich vorhandene asymmetrische Nebenkeulenstrukturen überdeckt
werden.
-
Große Separationsabstände erhöhen, wie oben
erwähnt,
die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Mehrwegereflexionen
vom Boden und von anderen Streuern, welche die Testantenne erreichen.
Traditionell werden Reflexionen bei Bereichen im Freien mit Hilfe
von einem oder mehreren der folgenden Verfahren reduziert: Erhöhte Anordnung
der Bereichsantenne und der Testantenne; Benutzen von Bereichsantennen
mit Richtwirkung; Entfernen oder Reduzieren von Stör- und Streuflächen; und
Hinzufügen
von Abschirmungen und Ablenkplatten, um reflektierte Wellen abzufangen.
Ein alternativer Prozess verlangt die Verwendung eines flachen Bereichs
und nutzt den Effekt einer spiegelnden Reflexion vom Boden.
-
In
Fällen,
in denen die Länge
des Antennenbereichs ausreichend kurz ist, kann der gesamte Bereich
in einem reflexionsarmen Raum in einem Gebäude angeordnet werden. Die
Auslegungsgrundkriterien für
reflexionsarme Fernfeld- sowie Nahfeldräume in Gebäuden sind dieselben wie für Bereiche
im Freien. Um allerdings Reflexionen zu eliminieren oder wenigstens
zu minimieren, sind die Flächen
des Raums mit einem Funkfrequenz (RF) oder Mikrowellen absorbierenden
Material abgedeckt. Der Absorber ist dazu ausgelegt, reflektierte
Signale eines festgelegten Frequenzbereichs zu reduzieren. Zu den zahlreichen
Vorteilen von Innenraumtests zählen
erhöhte
Sicherheit, Vermeidung unerwünschter Überwachung,
und Eliminierung meteorologischer und anderer Umweltfaktoren. Diese
Vorteile sind der Grund für
den jüngsten
Trend hin zu ausgefeilten Innenraumanlagen, die Kompaktbereiche
oder Nahfeldsondierungssysteme verwenden.
-
EP 1043801 offenbart eine
Antenne mit einem adaptiven Entzerrungsmittel, das betriebsfähig ist,
um eine entzerrte Version eines Signals zu erzeugen, das an der
Antenne gemessen wird.
-
US 5384572 offenbart die
Benutzung einer Testantenne, die beabstandet von einer zu testenden Antenne
angeordnet ist, und dazu dient, das Strahlungsdiagramm der Antenne
zu testen.
-
Es
ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Antennenmesssystem
bereitzustellen, das die Auswirkungen von Echoeinflüssen oder
Mehrwegeeinflüssen
eliminiert oder zumindest wesentlich reduziert.
-
Eine
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mechanismus für die robuste,
genaue und effiziente Messung von Antennenstrahlungsdiagrammen bereitzustellen.
-
Eine
weitere Aufgabe einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung ist
es, ein System zum Messen des Strahlungsdiagramms einer Antenne
bereitzustellen, das Messungen des Strahlungsdiagramms der Antenne
ohne die Bewegung von Bauteilen in Echtzeit durchführt.
-
Essentiell
stellt die Erfindung genaue und robuste Messungen von Antennenstrahlungsdiagrammen
bereit, indem die Auswirkungen unerwünschter Signale und Rauscheffekte
gezielt korrigiert werden, anstatt zu versuchen, diese Auswirkungen
mit Hilfe von Abschirmungen oder Ablenkplatten oder durch Benutzen
eines reflexionsarmen Raums zu entfernen oder zu minimieren.
-
Entsprechend
stellt ein Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Antennenmessbereich
bereit, umfassend: eine Testantenne (AUT), mindestens eine Bereichsantenne
(RA) oder mindestens einen Messknoten (MN), und ein Entzerrungsmittel,
das betriebsfähig
ist, eine entzerrte Version eines an der Testantenne oder der mindestens
einen Bereichsantenne oder dem mindestens einen Messknoten gemessenen
Signals zu erzeugen, ein Mittel P zur Rotation oder Translation
entweder der Testantenne AUT oder der Bereichsantenne RA, ein Mittel
zum Erzeugen eines Trainingssignals, ein Mittel zum Vergleichen
des Empfangssignals mit dem erwarteten Trainingssignal, und ein
Mittel CC zum Bestimmen einer Entzerrungskoeffizientenmenge, um
den Fehler zwischen dem Trainingssignal und dem Empfangssignal zu
eliminieren oder zu minimieren, ein Mittel zum Speichern der Entzerrungskoeffizienten, und
ein Signalsynchronisationsmittel SSCP, um die relative Position
einer beweglichen Antenne unter den Antennen Bereichsantenne RA
und Testantenne AUT mit dem Empfangssignal zu assoziieren, und ein Mittel
zum Speichern der Entzerrungsdaten für jede ausgewählte Position.
-
Allgemein
bezeichnet ein Entzerrer einen elektronischen Schaltkreis, der dazu
eingerichtet werden kann, Fehler in einem Funkausbreitungskanal
zu korrigieren. Im Kontext von Antennenmessungen kann er dazu eingerichtet
sein, die Auswirkungen von Mehrwegeausbreitung im Funkkanal zu korrigieren,
die innerhalb des Antennenmessbereichs auftreten.
-
In
einer idealen Situation ohne Mehrwegeausbreitung ist der Funkkanal,
der innerhalb des Antennenbereichs vorliegt, durch einen Amplitudengang
gekennzeichnet, der unabhängig
von der Frequenz ist, und durch einen Phasengang, der eine lineare
Funktion der Frequenz ist. Die Mehrwegeausbreitung bewirkt, dass
der Amplitudengang frequenzabhängig
und der Phasengang nichtlinear wird.
-
In
der beschriebenen Erfindung wird ein Entzerrer benutzt. Der Zweck
des Entzerrers ist es, die Kanalkennlinien so nah wie möglich den
oben beschriebenen Kanalkennlinien entsprechend wiederherzustellen,
und so die Mehrwegeeinflüsse
implizit zu korrigieren. Dazu muss der Entzerrer die tatsächlichen
Kanalkennlinien berechnen und ihre Koeffizienten in geeigneter Weise
anpassen. Dies tut er während
eines Trainingsmodus, der der eigentlichen Messung des Strahlungsdiagramms
vorausgeht.
-
Die
Betriebsmoden eines (adaptiven) Entzerrers beinhalten einen Trainingsmodus,
in dem ein vorbestimmtes Signal, typischerweise eine pseudozufällige Binärfolge,
oder ein feststehendes, vorgeschriebenes Bitmuster, über den
Funkkanal gesendet wird. Da die Bitfolge bekannt ist, kann der Entzerrer
einen rekursiven Algorithmus benutzen, z.B. den Algorithmus der
kleinsten Quadrate (least mean square – LMS), um seine Koeffizienten
so anzupassen, dass der Fehler zwischen dem gewünschten und dem tatsächlichen
Ausgang minimiert wird. Beispielsweise kann ein allgemeiner Entzerrer
die Form eines Tapped-Delay-Line-Filters annehmen, das einen Satz
von Koeffizienten W0 bis WN aufweist;
allerdings existieren auch mehrere andere Entzerrerstrukturen, darunter
neuronale Netze, und andere Algorithmen, mit deren Hilfe derselbe
Effekt erzielt werden kann.
-
Der
Trainingsprozess richtet die Entzerrungseinheit so ein, dass sie
Verzerrungen registriert, die aufgrund der Konfigurierung und/oder
der Auslegung und/oder der Betriebsumgebung des verwendeten Antennenmessbereichs
in das gemessene Signal eingebracht werden. Mit anderen Worten,
das Training ermöglicht
die Einrichtung der Koeffizienten des Entzerrers derart, dass die
Auswirkungen unerwünschter
Signale und Streuenergie beseitigt werden. Nachfolgende Tests erzeugen
deshalb ein gemessenes Strahlungsdiagramm, das eine präzise Darstellung
des wahren Strahlungsdiagramms der Testantenne AUT ist.
-
Da
die Tests darauf abzielen, das Strahlungsdiagramm zu messen, können Antennenbereiche,
die auf der Rotation oder Translation (in 2 oder 3 Dimensionen)
entweder einer einzigen Bereichsantenne oder einer AUT beruhen,
eine Reihe von Ausgleichswertemengen nutzen, wobei jede einzelne Menge
jeweils der Rotationsposition entweder der Bereichsantenne oder
der AUT entspricht. Entsprechend sind ein Mittel für die Rotation
oder Translation der Testantenne oder der Bereichsantenne, und ein Mittel
zum Assoziieren der Position der Bereichsantenne oder der AUT mit
der geeigneten Entzerrungskoeffizientenmenge vorgesehen. Die Inkremente zwischen
den Messungen werden durch die gewünschte Genauigkeit der Strahlungsdiagrammmessung
vorgegeben.
-
Vorgesehen
sind entsprechend ein Mittel zum Erzeugen eines Trainingssignals,
ein Mittel zum Vergleichen des empfangenen Signals mit dem abgestrahlten
erwarteten (Trainings-)-Signal, ein Mittel zum Bestimmen einer Menge
von Entzerrungskoeffizienten, um den Fehler zwischen dem Trainingssignal
und dem empfangenen Signal zu eliminieren oder zu minimieren, und
ein Mittel zum Abspeichern der Entzerrungskoeffizienten.
-
Eine
spezifische Ausführungsform
der Erfindung umgeht die Notwendigkeit der Rotation oder Translation
der Bereichsantenne oder der AUT, indem eine Vorrichtung bereitgestellt
wird, die eine Vielzahl von beabstandeten Messknoten vorsieht, die
Signale von der AUT empfangen; diese Vorrichtung ersetzt die Bereichsantenne.
In diesem Fall ist mit jedem Knoten eine spezifische Entzerrungskoeffizientenmenge
assoziiert. Die Vielzahl von Messknoten kann in einem zwei- oder
dreidimensionalen Muster angeordnet sein. Es wird bevorzugt, dass
alle Knoten in demselben Abstand von der AUT angeordnet sind.
-
Die
Erfindung kann auf existierende Messbereiche im Freien oder in einem
Gebäude,
sowie auf eine neue Form von Antennenmessbereich angewandt werden,
der keinen reflexionsarmen Raum benötigt. Eine weitere Ausführungsform
des Systems und Verfahrens stellt ein Mittel zum Reduzieren der Zeit
bereit, die zum Messen des Strahlungsdiagramms der Antenne erforderlich
ist.
-
Ein
anderer Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum Kalibrieren
eines Antennenmessbereichs bereit, der mit einem Signalentzerrungsmittel versehen
ist, und eine Testantenne sowie mindestens eine Bereichsantenne
oder einen Messknoten umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte
umfasst: Positionieren der Testantenne in den Bereich und
- (i) Abstrahlen eines Trainingssignals;
- (ii) Empfangen des abgestrahlten Trainingssignals und Vergleichen
des Empfangssignals mit dem erwarteten Trainingssignal;
- (iii) Bestimmen einer Entzerrungskoeffizientenmenge, die unter
diesen Umständen
benutzt wird, um den Fehler zwischen dem erwarteten Trainingssignal
und dem Empfangssignal zu eliminieren oder zu minimieren; und
- (iv) Speichern der Entzerrungskoeffizientenmenge und Assoziieren
derselben mit der Rotations- oder Translationsposition der Testantenne,
so dass diese Koeffizienten auf nachfolgende Antennendiagrammmessungen
für diese
relative Rotations- oder Translationsposition angewendet werden
können.
-
Das
Verfahren umfasst außerdem
das Rotieren der Position der Testantenne (AUT) in aufeinander folgende
Positionen relativ zu der mindestens einen Bereichsantenne (RA)
oder dem mindestens einen Messknoten (MN); wobei die aufeinander
folgenden relativen Positionen aufgezeichnet werden und die Schritte
(i) bis (iv) für
jede Position der Reihe nach wiederholt werden, um für jede Position
eine Entzerrungskoeffizientenmenge zu erzeugen, so dass die jeweiligen
Koeffizienten auf nachfolgende Antennendiagrammmessungen für die betreffende
Rotationsposition angewendet werden können.
-
Auf
diese Weise werden mehrere Mengen von Entzerrungskoeffizienten abgespeichert
und mit den unterschiedlichen Positionen der Antenne assoziiert.
-
Das
Trainingssignal kann eine Bitfolge sein, wie zuvor erörtert. Vorzugsweise
wird das Trainingssignal von der Testantenne abgestrahlt. Wenn die
relative Rotation zwischen der Testantenne und der Bereichsantenne
erforderlich ist, wird bevorzugt, dass die Testantenne gedreht wird.
-
Wenn
der Bereich eine Vielzahl von Messknoten zum Empfangen von Signalen
der Testantenne aufweist, kann die Koeffizientenmenge, die mit jedem
Messknoten assoziiert ist, bestimmt werden, ohne dass eine Rotation
oder Translation erforderlich ist.
-
Es
ist wichtig, dass die Bandbreite des Trainingssignals für die jeweilige
Testantenne geeignet ist.
-
Abhängig von
der Implementierung des Entzerrers kann der Kalibrierungsprozess
auch Messungen beinhalten, die mit und ohne Entzerrer ausgeführt werden,
wobei eine Kalibrierungsantenne mit klar definierten Kennlinien
benutzt wird, beispielsweise eine Standardgewinn-Hornantenne. Bei
den Messungen kann es sich um Gewinnmessungen handeln.
-
Es
ist vorgesehen, dass die Entzerrungskoeffizienten mathematisch komplex
sind.
-
Um
sicherzustellen, dass die vorbestimmten Nennkennlinien des Trainingssignals
und jedes anderen Signals, das anschließend zu Messzwecken benutzt
wird, im Zeitablauf beibehalten werden, werden in bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung Direktmessungen oder eine Voreinstellung der Signalgeneratoren
für Variablen
wie z.B. Temperatur oder Frequenz genutzt.
-
Die
Erfindung ist allgemein in jedem Antennenstrahlungsdiagramm-Messsystem
anwendbar und implementierbar, das Präzision verlangt. Beispielsweise
kann die Erfindung als Zusatzfunktion aus Kombinationen von Hardware
und Software in existierenden Antennemnessbereichen implementiert
werden. Ein grundsätzlicher
Fortschritt besteht in der Implementierung der Erfindung in neuen
Antennenmessbereichen, die so ausgelegt sind, dass kein reflexionsarmer
Raum benötigt
wird.
-
Die
Erfindung ist auf die Entzerrung von Antennenstrahlungsdiagramm-Messsystemen
anwendbar, bei denen die Messung von der Frequenz abhängig oder
auch unabhängig
ist. In beiden Fällen
kann das Messsignal beispielsweise die Form eines Mehrtonsignals
annehmen, das eine geeignete Bandbreite abdeckt und Töne von regelmäßigem oder
zufälligem
Abstand in der Frequenz umfasst. Bei Bereichen, in denen nur ein
Messknoten vorliegt, kann die Messung für jede Rotations- oder Translationsposition
der Antenne durchgeführt
werden, und zwar unmittelbar nach dem Training des Entzerrers an
dieser Antennenposition; alternativ können die verschiedenen Koeffizientenmengen
abgespeichert werden, und es kann eine anschließende Serie von Messungen vorgenommen
werden. Wenn eine Vielzahl von Messknoten vorliegt, um eine Rotation
oder Translation zu vermeiden, kann für jeden einzelnen Knoten ein ähnlicher
Prozess befolgt werden. Wenn allerdings jedem Knoten ein einzelner
Entzerrer zugeordnet ist, können
alle Entzerrer zugleich trainiert werden, und auch alle Messungen
können
anschließend gleichzeitig
ausgeführt
werden.
-
Die
Ausführungsformen
der Erfindung bieten einen oder mehrere der folgenden Vorteile:
- – robuste
und effiziente Kalibrierung;
- – automatische
Kalibrierung und Korrektur während
des Betriebs;
- – Anwendung
auf existierende Antennenmessbereich im Freien und in Gebäuden;
- – Anwendung
auf neue Antennenmessbereiche, und dadurch Aufhebung der Notwendigkeit
von kostspieligen reflexionsarmen Räumen und Funkfrequenz absorbierendem
Material;
- – ein
Messsystem mit mehreren Knoten, das in Echtzeit arbeitet;
- – vereinfachter
Aufbau.
-
Andere
Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden
Beschreibung der Ausführungsformen
der Erfindung hervor.
-
Im
Gegensatz zu Vorschlägen
des Stands der Technik, die eine Wellenform bestimmen und erzeugen,
welche die Auswirkungen von Mehrwegeeinflüssen ausgleicht (z.B. eine
Wellenform, von der die Mehrwegeeinflüsse abgezogen werden), nutzt die
vorliegende Erfindung Entzerrungskoeffizienten in der Hardware oder
der Software, um die Auswirkungen von Mehrwegeeinflüssen aus
dem empfangenen Testsignal und dem Messsignal zu beseitigen. Das
Messsignal, das zum Erzielen der Strahlungsdiagramm-Messungen benutzt
wird, muss also in keiner Weise modifiziert werden.
-
Die
vorliegende Erfindung soll nun nur zur Veranschaulichung unter Bezugnahme
auf die begleitenden Figuren weiter beschrieben werden, wobei:
-
1a bis 1g sieben
Beispiele häufig benutzter
Antennentestbereiche zeigen, auf die die Erfindung angewandt werden
kann;
-
2 eine
vereinfachte zweidimensionale Darstellung eines Antennenmessbereichs
im Freien ist, auf den die Erfindung angewandt werden kann, wobei
die Bereichsantenne und der Messgegenstand oder die Testantenne
gezeigt sind;
-
3 eine
vereinfachte zweidimensionale Darstellung eines reflexionsarmen
Raumes ist, auf den die Erfindung angewandt werden kann, wobei die
Bereichsantenne und der Messgegenstand oder die Testantenne gezeigt
sind;
-
4(a) ein Blockdiagramm ist, das in schematischer
Weise eine Entzerrungseinheit zeigt, und 4(b) ein
Beispiel einer praktischen Implementierung eines Entzerrers in Form
eines Tapped-Delay-Line-
(Transversal-)Filters ist;
-
5 eine
schematische Darstellung eines Antennenmessbereichs gemäß einer
ersten Ausführungsform
ist, auf den die Erfindung anwendbar ist wobei, die Bereichsantenne
fest angeordnet ist, und die Testantenne mechanisch angeordnet werden kann;
-
6 eine
schematische Darstellung eines Antennenmessbereichs gemäß einer
zweiten Ausführungsform
ist, auf den die Erfindung anwendbar ist, wobei die Testantenne
fest angeordnet ist, und die Bereichsantenne mechanisch angeordnet
werden kann;
-
7 eine
schematische Darstellung eines Antennenmessbereichs gemäß einer
dritten Ausführungsform
ist, auf den die Erfindung anwendbar ist, wobei die Bereichsantenne
fest angeordnet ist, und die Testantenne mechanisch angeordnet werden kann;
-
8 eine
schematische Darstellung eines Antennenmessbereichs gemäß einer
vierten Ausführungsform
ist, auf den die Erfindung anwendbar ist, wobei die Testantenne
fest angeordnet ist, und die Bereichsantenne mechanisch angeordnet
werden kann;
-
9 eine
schematische Darstellung einer Mehrknoten-Messsystemarchitektur
gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist;
-
10 ein
Beispiel eines Bogens aus Messknoten zeigt; und
-
11 eine
perspektivische Ansicht eines Ikosaederstumpfes ist, der die vorliegende
Erfindung verkörpern
kann.
-
Die
Erfindung ist auf existierende Messbereiche in Gebäuden und
im Freien anwendbar, wobei im Folgenden in Kürze typische Beispiele hierfür beschrieben
werden sollen, und wobei insbesondere beschrieben werden soll, wie
die vorliegende Erfindung auf diese angewandt wird.
-
Zunächst soll
auf 1a bis 1g Bezug genommen
werden. Dargestellt sind sieben häufig benutzte Antennenbereiche.
Sie umfassen einen rechteckigen reflexionsarmen Raum (1a),
einen kompakten Antennentestbereich (1b), einen
erhöht
angeordneten Bereich im Freien (1c), einen Bodenreflexionsbereich
(1d), einen flachen Nahefeldtestbereich (1e),
einen zylindrischen Nahfeldtestbereich (1f),
und einen kugelförmigen Nahfeldtestbereich
(1g). Abgesehen von den Änderungen, die durch Anwendung
der vorliegenden Erfindung entstehen, werden ihr Aufbau und ihre
Benutzung zum Testen von Antennen nicht im Detail erläutert, da
dies im Stand der Technik allgemein bekannt ist.
-
2 ist
eine vereinfachte zweidimensionale Darstellung eines Antennenmessbereichs
im Freien, wobei die Bereichsantenne RA und der Messgegenstand oder
die Testantenne AUT gezeigt sind. In der Testzone sind die Auswirkungen
der Mehrwegereflexion und der Signalstreuung schematisch als Feldwelligkeit
FR dargestellt, die sowohl Phasen- als auch Amplitudenvariationen
beinhalten kann. Die Erfindung reduziert diese Welligkeit in effektiver
Weise, wie im Folgenden beschrieben werden soll.
-
3 ist
eine vereinfachte zweidimensionale Darstellung eines reflexionsarmen
Raumes AC, wobei die Bereichsantenne RA und der Messgegenstand oder
die Testantenne AUT gezeigt sind. Der Raum umfasst einen zweischaligen
Raum, der mit einem Material ausgekleidet ist, das dazu ausgelegt
ist, Funkfrequenz oder Mikrowellenenergie zu absorbieren. In der
so genannten ruhigen Zone oder Testzone sind die Auswirkungen der
Mehrwegereflexion und der Signalstreuung wieder als Feldwelligkeit
FR dargestellt, die sowohl Phasen- als auch Amplitudenvariationen
beinhalten kann. Die Erfindung reduziert diese Welligkeit in effektiver
Weise, wie im Folgenden beschrieben werden soll.
-
4(a) zeigt eine vereinfachte Entzerrungseinheit,
die einen Koeffizientenkalibrator CC und einen Entzerrer EQ umfasst.
Der Koeffizientenkalibrator bestimmt die erforderliche Entzerrungskoeffizientenmenge
anhand bereits bekannter Information in Bezug auf das übertragenen
Trainingssignal; diese Koeffizienten entzerren den Amplituden- und Phasengang
des Ausbreitungswegs in effektiver Weise, so dass der Ausgang der
Entzerrungseinheit eine entzerrte (oder korrigierte) Version des
gemessenen Signals darstellt. Mit anderen Worten, der Trainingsprozess
ermöglicht
die Bestimmung einer Menge von Entzerrungskoeffizienten, die den
Fehler zwischen dem erwarteten und dem tatsächlich empfangenen Signal minimieren;
der Entzerrer ist also dazu eingerichtet, Fehler im Ausbreitungskanal
zu korrigieren, so dass für
die Bandbreite des übertragenen Signals
insgesamt ein flacher Amplitudengang und ein linearer Phasengang
vorliegen.
-
Die
klarste Form eines Linearentzerrers ist, in diskreter Form, ein
Tapped-Delay-Line-(TDL)- oder Transversalfilter, wie in 4(b) gezeigt, das als ein Umkehrfilter
für den
Kanal ausgelegt ist. Dargestellt sind der Eingang x(k), der Ausgang
y(k), der gewünschte
Ausgang d(k) und der Fehler e(k). Es liegt eine Koeffizientenmenge
W0 bis Wn vor, und
eine Anzahl von inkrementellen Zeitverzögerungen τ. In dieser Form handelt es
sich um ein Filter mit endlicher Impulsantwort (finite impulse response
(FIR)-Filter). Allerdings existieren auch andere Entzerrerstrukturtypen,
und andere Algorithmen, die denselben Zweck erfüllen. Viele davon werden als
nichtlineare Entzerrer bezeichnet und sind von intrinsisch adaptiver
Natur, d.h., die Koeffizienten lassen sich durch erneutes Training
einstellen, um eine Anpassung an eine geänderte Umgebung zu erreichen.
Dazu gehören
entscheidungsrückgekoppelte
Entzerrer (decision feedback equaliser – DFE), Filter, die den rekursiven
Algorithmus der kleinsten Quadrate verwenden, und Kalman-Filter.
In dieser Erfindung können
jede geeignete Struktur und jeder geeignete Algorithmus benutzt
werden, und der Entzerrer kann als Kombination von Hardware und
Software auf Basisband-, Zwischen- und Funkfrequenz implementiert
werden. Der Entzerrer kann als Teil seiner Struktur ein neuronales Netz
aufweisen, oder kann selbst ein neuronales Netz sein.
-
Jedes
der oben genannten Entzerrungssysteme kann in den im Folgenden beschriebenen und/oder
dargestellten Ausführungsformen
benutzt werden.
-
Im
Allgemeinen umfasst ein Antennenmessbereich mindestens zwei Antennen:
eine Bereichsantenne RA, und eine Testantenne oder ein Testantennensystem
AUT. Bei bestimmten Anwendungen kann die Bereichsantenne ein Antennenarray
umfassen. Für
Strahlungsdiagramme gilt Reziprozität (d.h., das Strahlungsdiagramm
ist sowohl beim Empfangen als auch beim Senden von Signalen gleich),
so dass die Bereichsantenne und die AUT entweder als die Quelle
(sendende) oder die Messeinrichtung (empfangende) Antenne benutzt
werden können,
oder umgekehrt. Außerdem
können
entweder die Bereichsantenne oder die AUT fest angeordnet oder mit
Hilfe eines Positionierungssystems P beweglich sein.
-
Zwischen
der Quelle und der Messausrüstung
bedarf es normalerweise einer Signalsynchronisation, die entweder
durch einen Leitungsweg SSCR (5 und 6)
oder durch eine Luftschnittstellenverbindung und eine Referenzantenne
REF (7 und 8) bereitgestellt werden kann.
Die Auswahl der genannten Konfigurierungen, deren Beispiele in 5 bis 8 gezeigt
sind, wird häufig
von praktischen Fragen bestimmt. Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst
die Einbeziehung der Entzerrungseinheit in die Messausrüstungsblöcke MEB,
gezeigt in 5 bis 8. Zu diesem
Zweck findet die Erfindung Anwendung als ein nachträglich in
existierende Antennenmessbereiche eingebautes Element, sei es in
Gebäuden
oder im Freien.
-
5 ist
eine schematische Darstellung eines Antennenmessbereichs, wobei
die Bereichsantenne RA fest angeordnet ist, und die Testantenne AUT
mechanisch positioniert werden kann. Mit Hilfe einer Verbindung
SSCP zwischen der Quellausrüstung
und der Messausrüstung
MEB wird ein Synchronisationssignal bereitgestellt. Die Erfindung
ist auf diesen Typ von Antennenmessung in Form einer Zusatzfunktion
anwendbar.
-
6 ist
eine schematische Darstellung eines Antennenmessbereichs, wobei
die Testantenne AUT fest angeordnet ist, und die Bereichsantenne RA
mechanisch positioniert werden kann. Mit Hilfe einer Verbindung
SSCP zwischen der Quellausrüstung und
der Messausrüstung
MEB wird ein Synchronisationssignal bereitgestellt. Die Erfindung
ist auf diesen Typ von Antennenmessung in Form einer Zusatzfunktion
anwendbar.
-
7 eine
schematische Darstellung eines Antennenmessbereichs, wobei die Bereichsantenne RA
fest angeordnet ist, und die Testantenne AUT mechanisch positioniert
werden kann. Die Referenzantenne REF stellt ein separates Signal
bereit, anhand dessen die Synchronisation zwischen der Quellausrüstung und
der Messausrüstung
erfolgt. Die Erfindung ist auf diesen Typ von Antennenmessung in Form
einer Zusatzfunktion anwendbar.
-
8 ist
eine schematische Darstellung eines Antennenmessbereichs, wobei
die Testantenne AUT fest angeordnet ist, und die Bereichsantenne RA
mechanisch positioniert werden kann. Die Referenzantenne REF stellt
ein separates Signal bereit, anhand dessen die Synchronisation zwischen
der Quellausrüstung
und der Messausrüstung
erfolgt. Die Erfindung ist auf diesen Typ von Antennenmessung in
Form einer Zusatzfunktion anwendbar.
-
Im
Zusammenhang mit den Ausführungsformen
aus 5 bis 8 sind ein Mittel zum Erzeugen
eines Trainingssignals, und ein Mittel zum Vergleichen des empfangenen
Signals mit dem erwarteten Trainingssignal und zum Bestimmen einer
Menge von Entzerrungskoeffizienten vorgesehen, die den Fehler zwischen
den Signalen eliminieren oder minimieren. Es ist ein Mittel zum
Speichern der so bestimmten Koeffizienten vorgesehen.
-
Im
Fall der Ausführungsform
aus 5 und 7 ist eine Rotation der Testantenne
erforderlich, und im Fall von 6 und 8 eine
Rotation der Bereichsantenne, um eine Anzahl von Entzerrungskoeffizientenmengen
für einen
Bereich von Rotationspositionen der Testantenne relativ zur Bereichsantenne
zu erhalten. Beim Kalibrieren des Antennensystems wird also eine
Serie von Trainingssignalen für
unterschiedliche Rotationspositionen desselben abgestrahlt, und
es werden jeweilige Entzerrungskoeffizientenmengen für diese
Positionen bestimmt und abgespeichert. Bei anschließenden Strahlungsdiagrammmessungen
werden die Koeffizienten für
die jeweils relevante relative Rotations- oder Translationsposition
angewandt.
-
Ein
Messsystem für
das spezifische Absorptionsverhältnis
(SAR) (nicht dargestellt) ist eine Sonderform eines Antennenmessbereichs,
die allgemein zum Beurteilen radiologischer Gesundheitsauswirkungen
von Mobiltelefonen und anderen persönlichen drahtlosen Geräten benutzt
wird. In diesen Beispielen stellt das Testgerät die Strahlungsquelle dar, und
eine durch Roboterarbeit positionierte Sonde misst das elektromagnetische
Feld in einem bestimmten Raumabschnitt, beispielsweise in einem mit
Flüssigkeit
gefüllten
Modell eines menschlichen Kopfes. Das gesamte System ist in einem
reflexionsarmen Raum angeordnet, und verlangt zur Durchführung genauer
Messungen eine sorgfältige
Kalibrierung der Sonde. Die Erfindung ist auf diesen Messsystemtyp
in Form einer Zusatzfunktion anwendbar.
-
Die
Erfindung stellt ein Mittel zur Signalentzerrung bereit, das auf
eine breite Spanne von Ausbreitungskanälen anwendbar ist, die sowohl
in Antennenbereichen im Freien als auch in reflexionsarmen Räumen anzutreffen
sind. Außerdem
kann die Anwendung der Entzerrung, welche die Erfindung bietet,
auch auf einen neuen Typ von Innenraumantennenmesssystem angewandt
werden, der speziell dazu ausgelegt ist, einen reflexionsarmen Raum überflüssig zu
machen.
-
9 zeigt
ein Mehrknotenmesssystem, das die folgenden Funktionsblöcke umfasst:
eine Anzahl von Messknoten MN1 bis MNN; eine Signalaufbereitungs-
und Synchronisationseinheit SCSU; eine Signalsteuerungs- und Schnittstelleneinheit
SCIU; und eine Mensch-Maschine-Schnittstelle MMI. Jeder Messknoten
enthält
einen Messempfänger
MR, eine Antennenschnittstelle AI und eine oder mehrere Messantennen
(Sonden) MA. Die Sonden jedes Messknotens stellen ein Mittel zum
Messen spezifischer Kennlinien des übertragenen Signals (z.B. Polarisation),
oder, in der Ausführungsform
eines Systems, bei dem die Messbandbreite größer ist als die einer einzelnen
Sonde, ein Mittel zum Auswählen
der geeigneten Sonde für
ein jeweiliges Frequenzband bereit.
-
Neben
den Messknoten liegt auch ein optionaler Tracking-Knoten TN vor,
der einen Antennenschnittstelle AIT und einen Tracking-Empfänger TR aufweist.
Der Tracking-Empfänger
stellt die Synchronisation zwischen dem übertragenen Signal und dem gemessenen
Signal sicher.
-
Alle
Messknoten werden von der Signalaufbereitungs- und Synchronisationseinheit
(SCSU) gesteuert und sind mit dieser synchronisiert. Die SCSU weist
eine Entzerrungseinheit auf, die der zuvor beschriebenen und in 4 gezeigten gleicht. Eine Signalsteuerungs-
und Schnittstelleneinheit (SCIU) steuert die SCSU, und kann wahlweise
mit der Quellausrüstung
verbunden sein. Mit Ausnahme der SCIU sind alle genannten Blöcke mit
den Messausrüstungsblöcken aus 5 bis 8 vergleichbar.
-
Es
liegt allerdings ein wichtiger Unterschied zwischen dem System aus 9 und
den Systemen aus 5 bis 8 vor: das
Wegfallen der Notwendigkeit eines Positionierungssystems in einer
bevorzugten Ausführungsform.
Stattdessen sind die Messknoten so angeordnet, dass sie das gesamte
Strahlungsdiagramm der AUT oder einen Teil desselben „beobachten", ohne dass sich
die Bereichsantenne oder die AUT bewegen müssen. In einigen wenigen Fällen ist
es möglicherweise
nur erforderlich, das Strahlungsdiagramm einer Antenne für einen
begrenzten Raumabschnitt zu messen, wie z.B. den Bogen aus 10,
wobei die AUT an dem Punkt angeordnet wird, von dem aus der Bogen
gezogen wurde. Das Beispiel aus 10 umfasst
neun Messknoten, die entlang einem Bogen mit dem Radius r vom Mittelpunkt
des Messgegenstands oder der Testantenne gleichförmig beabstandet sind. Eine
Ausführungsform
der Erfindung besteht darin, Messknoten zu benutzen, die zufällig oder
gleichförmig
in linearen, flachen oder dreidimensionalen Arrays angeordnet sind,
um jeweils bestimmten Zwecken zu dienen. Bei einer solchen Ausführungsform
kann eine Translation der Testantenne nötig sein, um Messungen kugelförmiger Strahlungsdiagramme
zu ermöglichen. Eine
Translation kann jedoch wegfallen, wenn die Messknoten dreidimensional
im Raum verteilt sind.
-
Messungen
kugelförmiger
Antennendiagramme verlangen, dass die Beobachtungsknoten in einem
Raumvolumen verteilt sind, das durch eine Kugel beschrieben ist.
Die Verteilung und die Anzahl der Messknoten beeinflusst die Auflösung des
gemessenen Diagramms. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist
ein Mehrknotenmesssystem, bei dem die Knoten MN an den Ecken eines
Polyeders angeordnet sind. Ein bevorzugtes Beispiel für ein Polyeder
mit einem hohen Maß an
Symmetrie ist ein Ikosaederstumpf, wie in 11 dargestellt.
Es existieren jedoch andere Geometrien, die denselben Zweck erfüllen. In
dieser Erfindung kann jede geeignete Geometrie benutzt werden. Die
Verbindungsarme oder Stäbe
unterstützen
den mechanischen Aufbau und bilden eine Führung für elektrische Verbindungen.
Der Ikosaederstumpf umfasst sechs Ecken, zwölf pentagonale Flächen und
fünfzehn
hexagonale Flächen.
Der Abstand jedes beliebigen Punktes zu seinem nächsten Nachbarn ist für alle Punkte
gleich. Jeder Punkt weist genau drei Nachbarn auf.
-
Das
Mehrknoten-Antennendiagrammmesssystem bietet bei Implementierung
als dreidimensionale geometrische Struktur die Möglichkeit, dreidimensionale
Messungen in Echtzeit durchzuführen. Diese
Ausführungsform
der Erfindung ist ein technischer Fortschritt gegenüber dem
Stand der Technik, und erlaubt es Ingenieuren, die Auswirkungen
vorgenommener Auslegungsänderungen
direkt zu beobachten.
-
Eine
weitere Ausführungsform
der Erfindung in der Form eines Mehrknoten-Antennenmesssystems, das als eine offene
Struktur aufgebaut ist, liegt in automatischen Messsystemen vor,
bei denen einander ähnliche
Messgegenstände
innerhalb des Messsystems befördert
werden (beispielsweise bei der Produktionsprüfung von Artikeln der Massenproduktion,
wie z.B. Mobiltelefonen und anderen drahtlosen Geräten). Bei
einem solchen System muss das Testgerät (DUT) dazu konfiguriert sein,
ein Signal zu übertragen,
bevor es in das System gelangt, und muss dazu konfiguriert sein,
nach Verlassen des Systems die Übertragung
einzustellen. Die Entzerrung des Messweges wird entweder durch bereits
bekannte Information zu dem vom DUT übertragenen Signal, oder durch
einen gesonderten Kalibrierungsprozess durchgeführt, aus dem sich die Kanalentzerrung
herleitet.
-
Für ein Mehrknotensystem
sind folgende Mittel vorgesehen: zum Erzeugen eines vorbestimmten
Trainingssignals, zum Vergleichen des abgestrahlten Signals im empfangenen
Signal und zum Erzeugen einer Entzerrungskoeffizientenmenge für jeden
Knoten, und zum Abspeichern der Entzerrungskoeffizientenmenge für jeden
Knoten.
-
Im
Fall einer dreidimensionalen Verteilung der Knoten können die
erforderlichen Entzerrungskoeffizienten nacheinander an jedem Knoten
berechnet werden, oder gleichzeitig, wenn die Hardware und die Software
dies zulassen. Im Fall von nicht dreidimensionalen Mehrknotensystemen
wird eine relative Rotation der Testantenne in Bezug auf die Knoten durchgeführt, um
eine Anzahl von Entzerrungskoeffizientenmengen zu erhalten, die
der relativen Rotationsposition passend zugeordnet werden. Auf diese Weise
wird ein Mittel zum Korrelieren der relativen Rotationsposition
mit der Entzerrungskoeffizientenmenge für jede Position bereitgestellt.
-
Die
oben beschriebenen Ausführungsformen dienen
der Veranschaulichung, und es versteht sich, dass die vorliegende
Erfindung nicht auf sie beschränkt
ist. Weitere Modifikationen, Änderungen und Verbesserungen,
die die hier offenbarten und beanspruchten zugrunde liegenden Grundgedanken beibehalten,
liegen im Umfang der Erfindung.