EP2464985A1 - Antennencharakterisierung in einem wellenleiter - Google Patents

Antennencharakterisierung in einem wellenleiter

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Publication number
EP2464985A1
EP2464985A1 EP10743036A EP10743036A EP2464985A1 EP 2464985 A1 EP2464985 A1 EP 2464985A1 EP 10743036 A EP10743036 A EP 10743036A EP 10743036 A EP10743036 A EP 10743036A EP 2464985 A1 EP2464985 A1 EP 2464985A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
antenna
characteristic
waveguide
signal
response signal
Prior art date
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Ceased
Application number
EP10743036A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Gunnar Armbrecht
Holger Thye
Sebastian Sczyslo
Sven Dortmund
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Original Assignee
Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG filed Critical Rosenberger Hochfrequenztechnik GmbH and Co KG
Publication of EP2464985A1 publication Critical patent/EP2464985A1/de
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
    • G01R29/10—Radiation diagrams of antennas
    • G01R29/105—Radiation diagrams of antennas using anechoic chambers; Chambers or open field sites used therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R29/00—Arrangements for measuring or indicating electric quantities not covered by groups G01R19/00 - G01R27/00
    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
    • G01R29/0807—Measuring electromagnetic field characteristics characterised by the application
    • G01R29/0814—Field measurements related to measuring influence on or from apparatus, components or humans, e.g. in ESD, EMI, EMC, EMP testing, measuring radiation leakage; detecting presence of micro- or radiowave emitters; dosimetry; testing shielding; measurements related to lightning
    • G01R29/0821—Field measurements related to measuring influence on or from apparatus, components or humans, e.g. in ESD, EMI, EMC, EMP testing, measuring radiation leakage; detecting presence of micro- or radiowave emitters; dosimetry; testing shielding; measurements related to lightning rooms and test sites therefor, e.g. anechoic chambers, open field sites or TEM cells
    • G01R29/0828—TEM-cells
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q17/00—Devices for absorbing waves radiated from an antenna; Combinations of such devices with active antenna elements or systems

Definitions

  • the invention relates to a method for determining at least one characteristic of an antenna according to claim 1 and an advantageous measuring device therefor according to claim 16.
  • a characteristic of an antenna is understood to be any type of characteristic of the antenna, e.g. individual characteristic values, time profiles of characteristic values or direction-dependent and frequency-dependent parameters such as, for example, Abstraction Diagrams.
  • the determination of such characteristic data of antennas usually takes place in the frequency domain in known methods.
  • a test signal is generated by a frequency generator in such a way that a so-called frequency sweep is passed through over a certain frequency range to be examined. Each frequency is held constant for a short period of time until the antenna enters a steady state. Then, a measurement is made at the antenna to determine the characteristic data.
  • a known method is, for example, the reference antenna method, which requires an absolutely defined radiating antenna, such as an open waveguide probe or a Homantenne, as a reference.
  • a disadvantage of this method is that the apparatus required for measurement is relatively high in terms of time and / or costs, since a large number of reference antennas often have to be provided and measured sequentially since such reference Tennen have a limited, relatively narrow-band useful bandwidth.
  • precisely fabricated and absolutely characterized reference antennas are necessary and therefore relatively expensive. The purchase therefore pays off in many cases.
  • the 2-antenna method in which two identical antennas must face each other at a defined distance in an anechoic chamber. This method involves the problem of obtaining the two identical antennas, which can be difficult in individual cases.
  • the 3-antenna method is known, which, although good results, but is relatively time and labor intensive.
  • the invention is therefore based on the object of specifying a more rational method for determining at least one characteristic of an antenna and a measuring device therefor.
  • a TEM field is a transverse electromagnetic field in which the field vector of the electric field and the field vector of the magnetic field are perpendicular to one another and both field vectors are perpendicular to the propagation direction.
  • a parallel plate line consisting of an upper and a lower metal sheet, which include a specific space in which the antenna to be measured can be placed.
  • the space surrounded by the waveguide does not necessarily have to be a closed space for carrying out the method according to the invention; a laterally partially open space is also conceivable, with shielding from external disturbing influences being less than with a closed waveguide, such as a waveguide with the same permanent or longitudinally widening coaxial waveguide.
  • a TEM waveguide is advantageous, since it promotes propagation of the advantageous for the inventive method TEM field at the location of the antenna.
  • EMC electromagnetic compatibility
  • a Crawford cell may be considered a TEM cell.
  • GTEM gigahertz transversal electromagnetic
  • the present invention expands the field of application of TEM cells, in particular of GTEM cells, by the possibility of characterizing antennas.
  • the invention now proposes a completely different approach to the known methods described in the prior art.
  • an electrical excitation signal is fed into a supply terminal of the waveguide.
  • An electrical response signal emitted by the antenna as a result of the excitation signal is recorded. taken, for example, with an oscilloscope or a signal analyzer such as a spectrum or network analyzer (NWA).
  • the excitation signal can in principle be of any type, for example a single excitation pulse, a plurality of excitation pulses or a sequence of frequencies, as in the frequency sweep mentioned above.
  • At least a portion of the response signal and a corresponding portion of the excitation signal are used to determine the at least one characteristic of the antenna.
  • a specific portion of the response signal is used, namely a period of time evaluated in the following conditions: i) at the location of the antenna only one or more of the excitation signal caused by the feed terminal in the direction of antenna waves of the electromagnetic field (hereinafter also referred to as the downstream waves),
  • the electromagnetic field is a TEM field at the location of the antenna.
  • the TEM field may propagate on plane and / or spherically curved phase fronts.
  • a period evaluated in the time domain in which the aforementioned conditions i) and ii) are satisfied which is e.g. by using a suitable waveguide, e.g. a GTEM cell, and by e.g. experimental time determination of a suitable period of the response signal can be realized.
  • the evaluated portion of the response signal contains no falsifying superimpositions due to returning waves, eg due to reflections on the back wall of the GTEM cell. Instead, such a period of time is used in which at the location of the antenna only traveling waves of the electromagnetic field exist. As a result, a high measurement accuracy and reproducibility of the antenna characterization can be achieved.
  • a period of time is used in which the electromagnetic field at the location of the antenna is a TEM field.
  • the time interval By fixing the time interval, measurement distortions that occur as a result of temporary deviations of the field from the TEM characteristic can thus be eliminated from the measurement result and thus a falsification of the measurement result can be avoided.
  • the presence of a TEM characteristic of the field has the advantage that the measurement provides equivalent field conditions which correspond to those of conventional reference antenna measurements in which the antenna to be examined is usually located in the far field of a reference antenna.
  • This reference antenna far field is at the location of the antenna to be examined is a slightly spherical curved TEM-FeId and therefore largely identical to the almost flat conditions of a free-field measurement.
  • the phase fronts of the TEM field within a GTEM cell are also slightly spherically curved due to the septum slope angle.
  • the use of a GTEM cell has the advantage, due to its special characteristics, that the evaluation of the measurement results is simplified.
  • a GTEM cell has a Dirac function as the first part of the impulse response (see IEEE publication "Pulse Propagation in Gigahertz Transverse Electro- magnetic Cells", Thye, Armbrecht, Koch) .Thus, due to its own characteristics, the GTEM cell falsifies the In particular, the influence of a convolution of the GTEM characteristics with the response signal is not to be taken into account, so that the transformation of the response signal into the signal at the location of the antenna takes place without distortion (dispersion-free) Considerations and investigations have already been made in the past To use GTEM cells for antenna measurements.
  • the electrical excitation signal as well as the response signal is a time-dependent signal.
  • a frequency domain signal can be used as the excitation signal.
  • a frequency domain signal is understood to be a signal in which a test signal is generated by a frequency generator in such a way that a so-called frequency sweep is passed through over a certain frequency range to be examined, i. Discrete frequencies are set successively in time, each frequency being kept constant for a short period of time until a steady state occurs at the antenna.
  • a short pause is advantageously provided between the setting of two frequency values of the excitation signal, which is dimensioned with respect to its length such that the electromagnetic waves within the waveguide are far enough can decay that they have no relevance to the further measurement. Then the next frequency is set.
  • the frequency domain signal is used as the excitation signal
  • the complete voltage response of the antenna during the application of the excitation signal is recorded as the response signal.
  • the present response signal which contains the plurality of injected frequencies, is transformed from the frequency domain to the time domain, e.g. by an inverse Fourier transformation.
  • a period of time for the further determination of the characteristic is used, in which only traveling waves of the electromagnetic field are present and these waves at the location of the antenna as TEM-FeId e- xist Schl.
  • a portion of the response information lying at the beginning of the time beam in the time domain is used, wherein the duration is to be determined experimentally in such a way that the mentioned conditions are present.
  • the expected time of reflected, returning waves can be estimated, and accordingly the evaluated period of time from the response information can be cut to lie before arrival of returning waves.
  • an electrical excitation pulse in particular an excitation pulse with a high frequency bandwidth
  • an excitation pulse with a high frequency bandwidth is supplied as the excitation signal
  • record the response signal of the antenna is a time characteristic.
  • an excitation pulse with a high frequency bandwidth has the advantage that a single pulse - or possibly several pulses - can be used to examine the antenna in a large frequency range, for example in the entire desired reception range of an antenna.
  • the antenna is exposed simultaneously to a large number of frequencies at once, with the frequencies contained in the spectrum of the excitation pulse.
  • the characterization of a single antenna is considerably faster than known methods of antenna characterization in which a multiplicity of reference antennas are required for this purpose.
  • an increase in the achievable dynamic range can be achieved by multiple emission of pulses of the same pulse shape, for example, by the elimination of noise influences by averaging over these results of such multiple measurements.
  • a Gaussian pulse is fed as the excitation pulse.
  • a Gaussian pulse is understood to be a pulse form in which the amplitude variation over time corresponds or at least resembles a Gaussian distribution curve.
  • Such a Gaussian pulse has the advantage of enabling excitation with a high frequency bandwidth.
  • the excitation pulse is relatively steep at its first flank. At the first edge of the excitation pulse, 80% of the amplitude of the excitation pulse will be traversed in less than 1 ns (nanoseconds). Due to the steep edge of the first edge, a high frequency bandwidth of the excitation pulse can be achieved. In this way, even a ultra wideband antenna (UWB antenna) with at least 500 MHz bandwidth over its entire frequency range can be measured with a single excitation pulse. As a result, the method according to the invention is particularly time-saving applicable. As a result, the method according to the invention allows fast, reliable antenna measurements which can be carried out inexpensively using waveguides already present in particular in the industrial environment, such as, for example, GTEM cells.
  • UWB antenna ultra wideband antenna
  • a memory oscilloscope can be used for measuring data recording. Furthermore, only a single copy of an antenna to be examined with unknown characteristic data is necessary, ie it eliminates the need for additional precisely measured reference antennas. This avoids the cost-intensive construction of multiple copies especially for more complex prototypes of antennas.
  • a further advantage of the method according to the invention is an inherent increase in the measuring accuracy, which is based on the evaluation of a portion of the response signal as a time interval evaluated in the time domain.
  • the response signal is recorded in the time domain.
  • the recording can, for example, with a
  • the recording directly in the time domain has the Advantage of a simplified evaluation of the signal and the determination of the characteristic of the antenna.
  • the response signal can directly represent the characteristic of the antenna.
  • the response signal is then a two-dimensional profile, for example a voltage over time, from which the antenna expert can extract characteristics of the antenna to be examined.
  • Another advantage is that the proposed measurements in the time domain make the use of electro-optical transducers for transmitting the response signal of the antenna to the measuring device possible, since only amplitude values are to be transmitted as time response and no relation to the phase position as the response signal of the antenna is required.
  • the possibility of using electro-optical converters in conjunction with optical fibers has the advantage that parasitic field distortions in the surroundings of the antenna are reduced in comparison to conventional metallic cables.
  • a frequency domain signal is used as the excitation signal. This has the advantage that existing vectorial network analyzers previously used for antenna measurement can continue to be used.
  • a network analyzer (Network Analyzer) is used.
  • the network analyzer may e.g. be set up by software expansion specifically for the execution of the method according to the invention.
  • the response signal is recorded in the correct frequency range.
  • the complex response variable in amplitude and phase position is thus detected directly in the antenna base point (vectorial measurement).
  • the recorded in the frequency domain Response signal can then be transformed into the time domain via an inverse Fourier transformation and further evaluated in sections.
  • the response signal for determining the characteristic can be further evaluated. It can e.g. be determined from the response signal frequency domain characteristics of the antenna. For this purpose, the time interval of the antenna response evaluated in the time domain is transformed into the frequency domain. In this way, for example, characteristics such as the gain, the directional characteristic and / or the efficiency of the antenna can be determined. In comparison with known antenna characterization methods in the frequency domain, according to the invention, these characteristics can already be determined extremely broadband with one measurement, i. for a very large frequency range, in particular if the antenna has already been excited simultaneously with high frequency bandwidth due to the electrical excitation pulse.
  • transmission characteristics of the antenna are determined from the response signal of the antenna.
  • the response signal itself characterizes the reception characteristics of the antenna since it is the reception of a wave triggered by the excitation pulse.
  • the response signal of the antenna in this case in particular the received impulse response h rx (t, cpi, ⁇ j), can also be used to deduce the transmission signal, in particular the transmission impulse response h tx (t, ⁇ j, ⁇ j). This eliminates the need for expensive additional measurements to determine the transmission behavior of an antenna.
  • the determination of the transmitted impulse response from the received impulse response can be carried out as follows:
  • ht ⁇ (t, ⁇ i, ⁇ i) hrx (t, ⁇ i, ⁇ i)
  • ⁇ j and ⁇ j are the respective coordinates of the orientation of the antenna with respect to the field in a spherical coordinate system
  • ⁇ is the azimuthal coordinate
  • ⁇ j is the elevation coordinate
  • Co is the speed of light.
  • frequency range characteristics can be derived from the reception-side impulse response. For this purpose, it is necessary to convert the time domain signal h rx Ü) into the frequency domain signal H rx ( ⁇ ) by Fourier transformation.
  • ⁇ denotes the angular frequency.
  • the following relationship applies to the effective gain (also known as "absolute gain") of an antenna:
  • Reception side (Index “rx") means here that the antenna is used for the reception of signals
  • transmitting side (index “tx”) means that the antenna is used for the transmission of signals.
  • the frequency bandwidth of the excitation signal is equal to or greater than the frequency bandwidth of the antenna to be measured. This advantageously allows the measurement of the antenna to be examined in its entire frequency spectrum with a single excitation signal, in particular with a single excitation pulse.
  • the antenna to be examined is an ultra-wideband antenna, in particular an antenna with at least 500 MHz frequency bandwidth. It has been found that the method according to the invention is particularly advantageous for measuring very broadband antennas.
  • the antenna is arranged movably in at least one spatial dimension or at least one axis of rotation in the waveguide.
  • the antenna can be rotatable by a corresponding electric drive about all three spatial coordinate axes.
  • a first value of a characteristic of the antenna in a first antenna position and at least a second value of the characteristic in a second antenna position are determined quickly and with little effort.
  • two- and / or three-dimensional radiation characteristics of the antenna can be determined with little expenditure of time.
  • a GTEM ZeIIe in a pure 2-component TEM field is an independent, ie coupling-free, characterization of co- and cross-polarized antenna components by rotation of the antenna by 90 ° to the propagation direction possible.
  • the selection of the dimensions of the waveguide and / or the positioning of the antenna in the waveguide in the longitudinal direction of the waveguide depending on the time required for a determination of the desired characteristic duration of the response signal and / or the size of the antenna takes place.
  • the antenna is positioned a little farther away from its back wall for an expected relatively long duration of the response signal than expected short response signals, again precluding the influence of reflected waves. If positioning at a greater distance from the back wall of the GTEM cell does not seem possible, for example because the distance to the side walls of the GTEM cell is too low for an unadulterated measurement, a larger GTEM cell should be selected accordingly.
  • the antenna is arranged at a position in the waveguide at which the ratio of mutually orthogonal components of the electric field strength and the magnetic field strength of a Cartesian 2-component TEM field, both components orthogonal to the main propagation direction of the electromagnetic field in the waveguide, which comes as close as possible to free field field impedance. This may distort gene of the measuring signal can be avoided by unwanted cross-polar couplings.
  • the method according to claim 1 is supplemented by the step that characteristic data of the waveguide are determined metrologically.
  • the determination of this data can be determined, for example, by positioning a field sensor with known, defined characteristic data in the waveguide and by feeding an excitation pulse, as for the GTEM cell in the IEEE publication "Pulse Propagation in Gigahertz Transverse Electromagnetic Cells", Thye, Armbrecht
  • this step thus involves measuring the unknown properties of the specific GTEM cell or waveguide by means of a reference field sensor the characteristic of the antenna is determined from the response signal of the antenna, which is determined according to claim 1, in conjunction with the metrologically recorded characteristic data of the waveguide, by mathematically correcting the response signal for the characteristic data of the waveguide aumaschine the method according to the invention are further increased. Unwanted distortions through the waveguide can be eliminated by calculation.
  • the invention further relates to a measuring device for determining at least one characteristic of an antenna, wherein the measuring device is adapted to carry out a method of the type described above.
  • the measuring device for example, a signal generating means for generating the excitation signal and a signal receiving means for receiving the response signal and an integrated evaluation of the response signal.
  • the invention also includes a separate expansion device which is adapted to determine at least one characteristic. kums an antenna according to a method of the kind explained above.
  • the adaptation of the measuring device or the expansion device can e.g. by a change or extension of a software of the respective device.
  • An advantageous embodiment of the invention relates to a specially adapted for carrying out a method of the aforementioned type Netzwer werkanalysator.
  • Figure 1 the basic structure of a GTEM ZeIIe in perspective
  • Figure 2 - an exemplary, to be examined antenna in perspective
  • FIG. 5 shows schematically the main field components of a TEM field within a GTEM cell
  • FIG. 6 is a plan view of a GTEM cell
  • FIG. 7 shows the course of the field-wave resistance in the transverse direction of the GTEM Cell specifically as a quotient of the main field components and Figure 8 - an exemplary excitation pulse and Figure 9 - exemplary impulse responses of the antenna and
  • Figure 10 another embodiment of a measuring arrangement for carrying out the method according to the invention with a GTEM ZeIIe in side view and
  • FIG. 11 shows a measurement result of the effective gain measurement of a standard
  • a GTEM ZeIIe 1 has a pyramid-like shape.
  • the GTEM cell 1 has a metallic outer housing 2 with a rectangular cross section.
  • the outer housing 2 is closed on the side facing away from the pyramid tip by a rear wall 3.
  • a high-frequency absorber 7 is provided, which has a plurality of absorber elements in pyramidal shape.
  • Inside the GTEM cell 1 is a decentralized flat inner conductor 5 in the form of a plate.
  • the inner conductor 5 is also referred to as a septum.
  • a resistance region 6 is provided in the region of the septum 5 adjoining the rear wall 3.
  • the septum 5 is arranged within the GTEM-ZeIIe 1 so that a Lei wave impedance of 50 ⁇ , which is constant over the length of the GTEM ZeIIe 1.
  • the GTEM cell 1 has an electrical coaxial connection 4 for a coaxial feed line.
  • the inner conductor of the coaxial terminal 4 goes from the junction continuously into the septum 5 of the GTEM ZeIIe 1 over.
  • the outer conductor of the coaxial terminal 4 passes continuously from the connection point into the outer conductor of the GTEM cell 1, ie into the metallic outer housing 2.
  • the cone antenna 8 has a metallic antenna body 9, 10, which has an upper approximately hemispherical region 9 and a lower approximately conical region 10.
  • the antenna body 9, 10 is held by a base 11 (shown by dashed lines), which is e.g. made of Plexiglas.
  • the conical region 10 of the antenna 8 ends in an antenna connection 12, which is led out of the base 11.
  • the antenna body 9 together with a metallic base plate 16 forms a monopole antenna structure.
  • FIG. 3 shows a measuring setup for carrying out the method according to the invention.
  • the GTEM ZeIIe 1 is shown in Figure 3 in side view.
  • a pulse generator 13 is connected.
  • an antenna 8 to be examined is arranged.
  • the antenna 8 is connected via a line 15 to a signal detection device 14.
  • the signal detection device 14 may be designed, for example, as a storage oscilloscope or transient recorder.
  • the line 15 may advantageously be designed as an optical line, ie as an optical waveguide.
  • an electro-optical converter is connected directly to the antenna connection 12, which converts signals received by the antenna 8 directly into optical signals.
  • the optical signals are then converted by an opto-electrical converter in the signal detection device 14 in turn into electrical signals.
  • an excitation pulse U t ⁇ (t) is fed from the pulse generator 13 into the GTEM cell 1.
  • the electromagnetic wave which forms and propagates in the direction of the antenna 8 impinges on the antenna 8 at a time and generates a response signal U r ⁇ (t) which is recorded by the signal detection device 14.
  • FIG. 4 shows the influencing variables of the target conflict that are to be considered for a determination of a characteristic of an antenna.
  • the first influence variable is the pulse pause duration at the respective antenna position of the antenna in the GTEM cell.
  • the pulse pause duration refers to the time that elapses between the complete reception of the wave propagating from the excitation pulse to the antenna and the beginning of the reception of a returning wave. In this period of the pulse pause duration, it can be assumed that no falsification of the measurement result by reflections takes place on the back wall of the GTEM cell.
  • the second influencing variable is the expected length of the response pulse of the antenna.
  • the expected length must be in accordance with the pulse pause duration, so that no interference by reflected waves, for example towards the end of the response signal to the traveling wave superimposed on this response signal.
  • the third factor is the excitation pulse width, i. the duration of the excitation signal. This should be much shorter than the pulse pause duration, e.g. by using an ultra-wideband pulse of the type described below is possible.
  • the fourth parameter to be considered is the antenna size, which should be in a reasonable ratio to the cross section of the GTEM cell, so that
  • the cross-sectional area of the GTEM cell in the region of the position of the antenna to be examined should be at least 25 times as large or approximately 5% of the cross-sectional area as the cross-section of the antenna in the same cross-sectional plane.
  • FIG. 5 the principal course of the main field components of a TEM field is shown schematically with reference to a Cartesian coordinate system.
  • the coordinate system is defined with respect to the GTEM cell 1 such that the x-axis extends in the transverse direction of the GTEM cell, the y-axis in the vertical direction and the z-axis in the longitudinal direction.
  • the field line H x of the magnetic field extends around the septum 5, which in FIG. 5, as well as the z-axis, runs perpendicular to the plane of the paper.
  • the field lines E y of the electric field run in the negative y direction.
  • the TEM field propagates in the direction of the z-axis.
  • FIG. 6 shows the alignment of a ground-based, painted coordinate system in a plan view of the GTEM cell 1, including two cross sections (cross sections 1 and 2), along which the field-wave resistance is calculated.
  • FIG. 7 shows the calculated field-wave resistance ⁇ in particular as a quotient of the main field components for two cross sections selected by way of example (cross sections 1 and 2) along the x'-coordinate.
  • ⁇ 0 377 ⁇
  • the characterization of the antenna 8 is particularly simple with regard to its orthogonally polarized antenna properties, since the respective co-polar field component can be measured by a rotation of the antenna by 90 ° without having contain counterfeits due to the cross-polar field component.
  • FIG. 8 shows by way of example an excitation pulse Ut x (t).
  • the excitation pulse is relatively steep-edged, in particular on its first, falling edge.
  • the time T1 in which the instantaneous value of the amplitude of the excitation pulse passes through the range between 10% and 90% of the maximum amplitude achieved, is only about 20 ps.
  • a magnitude slope of 48 V / ns accordingly results. This corresponds to a frequency bandwidth of approximately 20 GHz.
  • the response signal of the antenna is recorded as a voltage curve u rx (t).
  • the received impulse response h AUT rx (t) generally links the response signal of the antenna u rx (t) present as voltage magnitude to the three electrical field components (E x , Ey, E z ) incident on the antenna in the case of reception.
  • the unit of such impulse response is therefore usually given in [m].
  • the operator represents an inverse convolution operation.
  • the Size (X PL is a typical attenuation constant for the GTEM cell used.)
  • the subscript "TG” indicates that it is a temporal portion of the response signal, namely the time interval of u rx ( ⁇ ) evaluated to determine the characteristic of the antenna.
  • t in which the response signal comprises only traveling waves and no interference by Reflektio- NEN and also the electromagnetic field at the location of the antenna is a TEM-FeId.
  • FIG. 9 shows time courses of the impulse response h AUT rx (t) of the antenna.
  • the curve h AUT rx , REF (t) (with the least waviness) was determined to check the plausibility of the measurement results using a 2-antenna reference method.
  • the two other waveforms (with the greater ripple) give the impulse responses of the two conical antennas 8 of the same design used for the 2-antenna reference method, as obtained by the method according to the invention.
  • the measured courses are close to the course of the reference measurement. If required, further characteristics of the antenna can be derived from the impulse response according to FIG.
  • the time course of Empfangsim- impulse response h AUT rx (t) can be transformed or the other optionally, the receiving or the transmitting pulse response transformed into the frequency domain on the one hand in the transmission pulse response h AUT tx (t), for example by Fourier transformation, after which then the corresponding frequency domain characteristics of the antenna such as gain, directional characteristic or efficiency are determined.
  • FIG. 10 shows a measuring arrangement similar to FIG. 3.
  • a combined device 20 in the form of a network analyzer is provided.
  • the network analyzer 20 is particularly suitable for the generation of a typical frequency domain signal as an excitation signal and the detection of the received quantities, ie the response signal, in the frequency domain. rich.
  • the measuring setup according to FIG. 10 is fundamentally comparable to the measuring setup according to FIG. 3, but the measuring setup according to FIG. 10 allows improved measurements in the frequency range as a result of a higher dynamic range of the network analyzer 20 used as measuring device.
  • Both possibilities of signal detection i. the measurement setup according to FIG. 3 and the measurement setup according to FIG. 10 are linked to one another via the Fourier transformation.
  • the finiteness of the respective measuring range can lead to deviations in the transformation. It is therefore advisable to make a windowing in the respective area, i. to carry out the measurements in different frequency ranges.
  • windowings that have a low so-called “processing loss” in the respective relevant area are to be preferred (also referred to as “processing gain” or “coherent gain”, depending on the technical literature.)
  • the relevant area is in the frequency range due to the working area of the Antenna, in the time domain, is characterized by the time interval T1 explained with reference to Figure 8.
  • Tukey window To achieve a low processing loss, a rectangular window and the so-called “Tukey window” are particularly suitable, as described in F. Harris, "On the use of Windows for harmonic analysis with a discreet Fourier transform ", Proceedings of the IEEE, Vol. 66, no. 1, pages 51 to 83, January 1978.
  • the Tukey window has increased flexibility due to its parameterization.
  • FIG. 11 shows an exemplary measurement using the method according to the invention on the basis of a "standard gain horn.”
  • a network analyzer N5230A from Agilent was used for signal generation and detection.
  • 50L used by Seavey Engineering Associates, Inc.
  • the antenna was placed inside GTEM 5305 GTEM from ENCO.
  • the transition from the horn to the waveguide of the antenna is located in the cell center of the GTEM cell at a distance of 1.51 m to the feed point 4 of the antenna GTEM ZeIIe.
  • FIG. 11 shows by the solid line the result of the measurement, wherein the effective gain in relation to a lossless isotropic reference emitter is represented in the unit dBi over the frequency in GHz.
  • the dotted line reproduces the reference given by the manufacturer of the antenna.
  • the measurement results there are slight deviations between the measurement results and the reference given by the manufacturer, but the deviations are in the range of ⁇ 0.5 dBi. These deviations can be attributed to the finiteness of the time interval T1.
  • a further approximation of the measurement results to the manufacturer's instructions may e.g. be determined by determining a compensation function by the measurement results.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Charakteristikums einer Antenne (8) mit den Schritten: a) Platzieren einer Antenne (8), von der wenigstens ein Charakteristikum zu bestimmen ist, in einem von einem Wellenleiter (1) umgebenen Raum, b) Einspeisen eines elektrischen Anregungssignals (utx(t)) in einen Einspeiseanschluss (4) des Wellenleiters (1), c) Aufnehmen des von der Antenne (8) in Folge des Anregungssignals (utx(t)) abgegebenen elektrischen Antwortsignals (urx(t)), d) Bestimmung wenigstens eines Charakteristikums der Antenne aus wenigstens einem Anteil des Antwortsignals (urx(t)) und einem korrespondierenden Anteil des Anregungssignals (utx(t)), wobei der Anteil des Antwortsignals (urx(t)) ein im Zeitbereich ausgewerteter Zeitabschnitt ist, der folgende Bedingungen erfüllt: i) am Ort der Antenne (8) existieren nur eine oder mehrere von dem Anregungssignal (utx(t)) bewirkte, von dem Einspeiseanschluss (4) in Richtung Antenne (8) laufende Wellen des elektromagnetischen Felds, ii) das elektromagnetische Feld ist am Ort der Antenne (8) ein TEM-FeId. Dies erlaubt eine Zeit und Kosten sparende Bestimmung wenigstens eines Charakteristikums einer Antenne. Die Erfindung betrifft außerdem eine Messeinrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Description

ANTENNENCHARAKTERISIERUNG IN EINEM WELLENLEITER
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Charakteristikums einer Antenne gemäß dem Patentanspruch 1 und eine vorteilhafte Messeinrichtung hierfür gemäß dem Patentanspruch 16. Unter einem Charakteristikum einer Antenne wird jede Art von Kenngröße der Antenne verstanden, wie z.B. einzelne Kennwerte, Zeitverläufe von Kennwerten oder richtungs- und frequenzabhängige Kenngrößen wie z.B. Abstrah- lungsdiagramme. Die Bestimmung solcher charakteristischen Daten von Antennen erfolgt bei bekannten Methoden üblicherweise im Frequenzbereich. Da- bei wird von einem Frequenzgenerator ein Prüfsignal erzeugt, derart, dass über einen bestimmten, zu untersuchenden Frequenzbereich ein so genannter Fre- quenz-Sweep durchfahren wird. Jede Frequenz wird dabei für einen kurzen Zeitraum konstant gehalten, bis an der Antenne ein eingeschwungener Zustand eintritt. Sodann erfolgt eine Messung an der Antenne zur Ermittlung der cha- rakteristischen Daten.
Ein bekanntes Verfahren ist z.B. die Referenz-Antennen-Methode, die eine absolut definiert abstrahlende Antenne, z.B. eine offene Hohlleitersonde bzw. eine Homantenne, als Referenz benötigt. Ein Nachteil dieses Verfahren besteht darin, dass der erforderliche apparative Messaufwand zeitlich und/oder kostenmäßig relativ hoch ist, da oftmals eine Vielzahl von Referenzantennen bereitgestellt und sequentiell vermessen werden müssen, da solche Referenzan- tennen eine begrenzte, relativ schmalbandige Nutzbandbreite aufweisen. Um zudem eine hohe Polarisationsreinheit bereitzustellen, sind präzise gefertigte und absolut charakterisierte Referenzantennen notwendig und daher relativ teuer. Die Anschaffung rechnet sich daher in vielen Fällen nicht. Bekannt ist zudem die 2-Antennen-Methode, bei der sich zwei exakt baugleiche Antennen in einem definierten Abstand in einem reflexionsfreien Raum gegenüberstehen müssen. Diese Methode birgt das Problem in sich, die zwei exakt baugleichen Antennen zu beschaffen, was im Einzelfall schwierig sein kann. Weiterhin ist die 3-Antennen-Methode bekannt, die zwar gute Ergebnisse erbringt, jedoch relativ zeit- und arbeitsintensiv ist.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein rationelleres Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Charakteristikums einer Antenne und eine Messeinrichtung hierfür anzugeben.
Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen 1 und 16 angegebene Erfindung gelöst. Die Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung an. Die Erfindung kann vorteilhaft mit einfachen Mitteln realisiert werden. Es ist vorteilhaft, dass auf weit verbreitete Messgeräte zurückgegriffen werden kann, wie z.B. einen Wellenleiter. Als geeignete Wellenleiter für eine Anwendung der Erfindung kommen grundsätzlich alle Arten von Wellenleitern in Frage, die ausreichenden Raum zur Platzierung der Antenne bieten und zumindest zeitweise am Ort der Antenne ein TEM-FeId bereitstellen. Als TEM-FeId bezeichnet man ein transversales elektromagnetisches Feld, bei dem der Feldvektor des elektrischen Felds und der Feldvektor des magnetischen Felds senkrecht aufeinander stehen und beide Feldvektoren senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehen. Dementsprechend kommen als für die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorteilhaft anwendbare Wellenleiter diverse Anordnungen in Frage, z.B. eine Parallelplattenleitung, bestehend aus einem oberen und einem unteren Metallblech, die einen bestimmten Raum beinhalten, in dem die zu vermessende Antenne platziert werden kann. Der von dem Wellenleiter umgebene Raum muss für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens nicht zwangsläufig ein geschlossener Raum sein, denkbar ist auch ein seitlich teilweise geöffneter Raum, wobei eine Abschirmung gegenüber äußeren Störeinflüssen dann geringer ist als bei einem geschlossenen Wellenleiter, wie z.B. einen Hohlleiter mit gleich bleibendem oder sich in Längsrichtung aufweitendem Koaxialwellenleiter.
Für eine Anwendung der Erfindung ist insbesondere ein TEM-Wellenleiter vorteilhaft, da dieser eine Ausbreitung des für das erfindungsgemäße Verfahren vorteilhaften TEM-Felds am Ort der Antenne begünstigt. Insbesondere ist die Verwendung einer TEM-ZeIIe vorteilhaft, d.h. eine Zelle, die beispielsweise im Bereich von EMV-Untersuchungen (EMV = elektromagnetische Verträglichkeit) weit verbreitete Anwendung findet. Als TEM-ZeIIe kommt z.B. eine Crawford- ZeIIe in Frage. Besonders vorteilhaft kann auch eine GTEM-ZeIIe (GTEM = Gigahertz Transversal Elektromagnetisch) aufgrund ihres erweiterten Nutzfrequenzbereichs verwendet werden. Hierbei handelt es sich um eine geschlosse- ne und metallisch geschirmte Messeinrichtung in Form eines sich aufweitenden Koaxialwellenleiters. Auch GTEM-Zellen sind in verschiedenen Baugrößen bereits weit verbreitet, z.B. für EMV-Untersuchungen und daher für eine Anwendung der Erfindung einfach verfügbar. Mit der vorliegenden Erfindung wird der Einsatzbereich von TEM-Zellen, insbesondere von GTEM-Zellen, um die Möglichkeit zur Charakterisierung von Antennen erweitert. Die Erfindung schlägt gegenüber den bekannten, im Stand der Technik beschriebenen Wegen nunmehr einen vollständig anderen Ansatz vor. Gemäß der Erfindung wird ein elektrisches Anregungssignal in einen Ein- speiseanschluss des Wellenleiters eingespeist. Ein in Folge des Anregungssignals von der Antenne abgegebenes elektrisches Antwortsignal wird aufge- nommen, z.B. mit einem Oszilloskop oder einem Signalanalysator wie beispielsweise einem Spektrum- oder Netzwerkanalysator (NWA). Das Anregungssignal kann grundsätzlich beliebiger Art sein, z.B. ein einzelner Anregungspuls, eine Mehrzahl von Anregungspulsen oder eine Abfolge von Fre- quenzen, wie bei dem eingangs erwähnten Frequenz-Sweep. Gemäß der Erfindung wird für die Bestimmung des wenigstens einen Charakteristikums der Antenne wenigstens ein Anteil des Antwortsignals und ein korrespondierender Anteil des Anregungssignals verwendet. Hierbei wird ein bestimmter Anteil des Antwortsignals verwendet, nämlich ein im Zeitbereich ausgewerteter Zeitab- schnitt, der folgende Bedingungen erfüllt: i) am Ort der Antenne existieren nur eine oder mehrere von dem Anregungssignal bewirkte, von dem Einspeiseanschluss in Richtung Antenne laufende Wellen des elektromagnetischen Felds (nachfolgend auch als hinlau- fende Wellen bezeichnet),
ii) das elektromagnetische Feld ist am Ort der Antenne ein TEM-FeId.
Das TEM-FeId kann sich auf ebenen und/oder sphärisch gekrümmten Phasenfronten ausbreiten.
Somit wird vorgeschlagen, einen im Zeitbereich ausgewerteten Zeitabschnitt heranzuziehen, bei dem die zuvor genannten Bedingungen i) und ii) erfüllt sind, was z.B. durch Verwendung eines geeigneten Wellenleiters, wie z.B. einer GTEM-ZeIIe, und durch z.B. experimentelle zeitliche Ermittlung eines geeigne- ten Zeitabschnitts des Antwortsignals realisiert werden kann.
Durch die zuvor genannte Bedingung i) wird sichergestellt, dass der ausgewertete Anteil des Antwortsignals keine verfälschenden Überlagerungen durch rücklaufende Wellen, z.B. durch Reflexionen an der Rückwand der GTEM- Zelle, enthält. Stattdessen wird ein solcher Zeitabschnitt verwendet, bei dem am Ort der Antenne nur hinlaufende Wellen des elektromagnetischen Felds existieren. Hierdurch kann eine hohe Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit der Antennencharakterisierung erreicht werden.
Gemäß der Bedingung ii) ist zudem vorgesehen, dass ein Zeitabschnitt ver- wendet wird, in dem das elektromagnetische Feld am Ort der Antenne ein TEM-FeId ist. Durch die Festlegung des Zeitabschnitts können somit Messverfälschungen, die durch zeitweise Abweichungen des Felds von der TEM- Charakteristik auftreten, aus dem Messergebnis eliminiert werden und somit eine Verfälschung des Messergebnisses vermieden werden. Das Vorliegen ei- ner TEM-Charakteristik des Felds hat den Vorteil, dass die Messung äquivalente Feldbedingungen schafft, die denen herkömmlicher Referenzantennen- Messungen, bei denen sich die zu untersuchende Antenne für gewöhnlich im Fernfeld einer Referenzantenne befindet, entspricht. Dieses Referenzantennen-Fernfeld ist am Ort der zu untersuchenden Antenne ist ein leicht sphärisch gekrümmtes TEM-FeId und daher weitgehend identisch zu den nahezu ebenen Bedingungen einer Freifeld-Messung. Die Phasenfronten des TEM-Feldes innerhalb einer GTEM-ZeIIe sind ebenfalls aufgrund des Septumssteigungswin- kels leicht sphärisch gekrümmt. Die Verwendung einer GTEM-ZeIIe hat aufgrund ihrer speziellen Charakteristika den Vorteil, dass die Auswertung der Messergebnisse vereinfacht wird. Eine GTEM-ZeIIe hat eine Dirac-Funktion als ersten Anteil der Impulsantwort (vgl. lEEE-Veröffentlichung „Pulse Propagation in Gigahertz Transverse Electro- magnetic CeIIs", Thye, Armbrecht, Koch). Daher verfälscht die GTEM-ZeIIe aufgrund ihrer eigenen Charakteristika das Antwortsignal der Antenne nicht. Insbesondere ist nicht der Einfluss einer Faltung der GTEM-Charakteristika mit dem Antwortsignal zu berücksichtigen. Die Transformation des Antwortsignals in das Signal am Ort der Antenne erfolgt somit verzerrungsfrei (dispersionsfrei). Es wurden in der Vergangenheit bereits Überlegungen und Untersuchungen angestellt, GTEM-Zellen für Antennenmessungen zu verwenden. Hierbei konn- te jedoch keine ausreichend exakte Korrelation zwischen den Messergebnissen mit einer GTEM-ZeIIe und den Messergebnissen im Freifeld hergestellt werden. Dies war zum einen darin begründet, dass die untersuchte Antenne als Sendeantenne verwendet wurde, was zu einer Anregung und damit zu parasitären Resonanzen aufgrund höherer Feldmoden in der GTEM-ZeIIe führte, die auf Undefinierte Weise in eine Spannung am Koaxialanschluss der GTEM-ZeIIe transformiert wurde. Zum anderen konnte im Empfangsfall ebenfalls aufgrund dieser Multimode-Resonanz-Erscheinungen, die begünstigt durch nicht ideale Absorptionseigenschaften des an der Rückwand der GTEM-ZeIIe befindlichen Zellabschlusses entstehen, keine über einen Großteil des untersuchten Frequenzbereichs konstante Feldstärke am Ort der zu untersuchenden Antenne bereitgestellt werden. Daher konnten bestenfalls grobe Abschätzungen hinsichtlich einfacher Parameter erzielt werden. Mittels dieser Erfindung kann eine GTEM-ZeIIe nunmehr für präzisere Antennen-Charakterisierungen verwendet werden.
Grundsätzlich ist das elektrische Anregungssignal wie auch das Antwortsignal ein von der Zeit abhängiges Signal.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann als Anregungssignal ein Frequenzbereichsignal verwendet werden. Als Frequenzbereichsignal sei ein Signal verstanden, bei dem von einem Frequenzgenerator ein Prüfsignal erzeugt, derart, dass über einen bestimmten, zu untersuchenden Frequenzbereich ein so genannter Frequenz-Sweep durchfahren wird, d.h. es werden zeitlich nacheinander diskrete Frequenzen eingestellt, wobei jede Frequenz für einen kurzen Zeitraum konstant gehalten wird, bis an der Antenne ein eingeschwungener Zustand eintritt.
Vorteilhaft wird dabei zwischen der Einstellung zweier Frequenzwerte des Anre- gungssignals eine kurze Pause vorgesehen, die hinsichtlich ihrer Länge derart bemessen ist, dass die elektromagnetischen Wellen innerhalb des Wellenleiters soweit abklingen können, dass sie für die weitere Messung keine Relevanz haben. Sodann wird die nächste Frequenz eingestellt.
Sofern als Anregungssignal das Frequenzbereichssignal verwendet wird, wird als Antwortsignal die vollständige Spannungsantwort der Antenne während der Beaufschlagung mit dem Anregungssignal aufgezeichnet. Das nun vorliegende Antwortsignal, in dem die Vielzahl der eingespeisten Frequenzen enthalten ist, wird vom Frequenzbereich in den Zeitbereich transformiert, z.B. durch eine in- verse Fourier-Transformation. Von der nun im Zeitbereich vorliegenden Ant- Wortinformation wird ein Zeitabschnitt für die weitere Bestimmung des Charakteristikums verwendet, bei dem nur hinlaufende Wellen des elektromagnetischen Felds vorliegen und diese Wellen am Ort der Antenne als TEM-FeId e- xistieren. Hierzu wird beispielsweise ein zu Beginn des Zeitstrahls im Zeitbereich liegender Abschnitt der Antwortinformation verwendet, wobei die Dauer experimentell derart zu ermitteln ist, dass die genannten Bedingungen vorliegen. So kann beispielsweise aufgrund des Abstands der Antenne von einer reflektierenden Rückwand des Wellenleiters und der Ausbreitungsgeschwindigkeit des elektromagnetischen Felds der erwartete Zeitpunkt reflektierter, rücklaufender Wellen abgeschätzt werden und dementsprechend der ausgewertete Zeitabschnitt aus der Antwortinformation so ausgeschnitten werden, dass er vor Eintreffen von rücklaufenden Wellen liegt.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, als Anregungssignal einen elektrischen Anregungspuls, insbesondere einen Anre- gungspuls mit hoher Frequenzbandbreite, einzuspeisen, und das Antwortsignal der Antenne als Zeitverlauf aufzunehmen. Hierdurch kann eine Bestimmung eines Charakteristikums einer Antenne direkt im Zeitbereich erfolgen, d.h. die Informationen für eine Auswertung des Antwortsignals liegen bereits im Zeitbereich vor, so dass keine Transformation in den Zeitbereich erforderlich wird. Hierdurch ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders einfach ausführbar. Die Verwendung eines Anregungspulses mit hoher Frequenzbandbreite hat den Vorteil, dass durch einen einzigen Puls - oder gegebenenfalls mehrere Pulse - eine Untersuchung der Antenne in einem großen Frequenzbereich erfolgen kann, beispielsweise im gesamten gewünschten Empfangsbereich einer An- tenne. Es erfolgt somit durch die Verwendung eines Anregungspulses eine gleichzeitige Beaufschlagung der Antenne mit einer Vielzahl von Frequenzen auf einmal, und zwar mit den Frequenzen, die im Spektrum des Anregungspulses enthalten sind. Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist die Charakterisierung einer einzelnen Antenne erheblich schneller als bekannte Verfahren der Antennencharakterisierung, bei denen hierzu eine Vielzahl von Referenzantennen benötigt wird. Vorteilhaft kann durch Mehrfachaussendung von Pulsen derselben Pulsform eine Anhebung der erzielbaren Messdynamik erzielt werden, z.B. durch die Eliminierung von Rauscheinflüssen durch eine Mittelung über diese Ergebnisse solcher Mehrfachmessungen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als Anregungspuls ein Gauß-Puls eingespeist. Unter einem Gauß-Puls wird eine Pulsform verstanden, bei der der Amplitudenverlauf über der Zeit einer Gauß'schen Normalverteilungskurve entspricht oder zumindest ähnelt. Ein solcher Gauß-Puls hat den Vorteil, eine Anregung mit hoher Frequenzbandbreite zu ermöglichen.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Anregungspuls an seiner ersten Flanke relativ steilflankig. Bei der ersten Flanke des Anregungspulses wird 80% der Amplitude des Anregungspulses in weniger als 1 ns (Nanosekunden) durchlaufen werden. Durch die Steilflankigkeit der ersten Flanke kann eine hohe Frequenzbandbreite des Anregungspulses erzielt werden. Auf diese Weise kann mit einem einzigen Anregungspuls sogar eine ultrabreitbandige Antenne (UWB-Antenne) mit mindestens 500 MHz Bandbreite über ihren gesamten Frequenzbereich vermessen werden. Hierdurch ist das erfindungsgemäße Verfahren besonders zeitsparend anwendbar. Im Ergebnis erlaubt das erfindungsgemäße Verfahren schnelle, verlässliche Antennenmessungen, die unter Verwendung von insbesondere im industriellen Umfeld bereits vorhandenen Wellenleitern wie z.B. GTEM-Zellen kostengünstig durchführbar sind. Zur Messdatenaufzeichnung kann beispielsweise ein Spei- cheroszilloskop verwendet werden. Weiterhin ist lediglich ein einziges Exemplar einer zu untersuchenden Antenne mit unbekannten Kenndaten notwendig, d.h. es entfällt die Notwendigkeit zusätzlicher präzise vermessener Referenzantennen. Dies vermeidet gerade bei komplexeren Prototypen von Antennen den kostenintensiven Aufbau mehrerer Exemplare.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht in einer inhärenten Erhöhung der Messgenauigkeit, die in der Auswertung eines Anteils des Antwortsignals als im Zeitbereich ausgewerteter Zeitabschnitt begründet ist. Wie Untersuchungen der Wellenausbreitung innerhalb einer GTEM-ZeIIe ge- zeigt haben, tritt trotz Vorhandensein eines Hochfrequenzabsorbers eine nicht vernachlässigbare Reflektion an der Rückwand der Zelle ein, die zu einer rücklaufenden Welle führt (vgl. lEEE-Veröffentlichung„Pulse Propagation in Gigahertz Transverse Electromagnetic CeIIs", Thye, Armbrecht, Koch). Bei Messungen im Frequenzbereich, bei denen jede einzelne Messfrequenz zumindest für einen kurzen Zeitraum konstant eingestellt werden muss, erfolgt an der Antenne zwangsläufig eine Überlagerung zwischen hinlaufenden und rücklaufenden Wellen, wodurch das Messergebnis verfälscht wird. Durch die mit der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Auswertung im Zeitbereich kann eine Messdatenerfassung an der Antenne vorgenommen werden, bevor die rücklaufende Welle die Antenne erreicht. Auf diese Weise können unerwünschte Störeinflüsse durch Reflektionen vermieden werden, selbst wenn als Anregungssignal ein Frequenzbereichssignal verwendet wird.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Antwortsignal im Zeitbereich aufgenommen. Das Aufnehmen kann beispielsweise mit einem
Speicheroszilloskop erfolgen. Das Aufnehmen direkt im Zeitbereich hat den Vorteil einer vereinfachten Auswertung des Signals und der Bestimmung des Charakteristikums der Antenne. Beispielsweise kann das Antwortsignal direkt das Charakteristikum der Antenne darstellen. Das Antwortsignal ist dann ein zweidimensionaler Verlauf, beispielsweise eine Spannung über der Zeit, aus der der Antennenfachmann Charakteristika der zu untersuchenden Antenne entnehmen kann. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die vorgeschlagenen Messungen im Zeitbereich den Einsatz von elektro-optischen Wandlern zur Übertragung des Antwortsignals der Antenne zu der Messeinrichtung möglich machen, da als Antwortsignal der Antenne lediglich Amplitudenwerte als Zeit- verlauf zu übertragen sind und kein Bezug zur Phasenlage erforderlich ist. Die Möglichkeit des Einsatzes elektro-optischer Wandler in Verbindung mit Lichtleitfasern hat wiederum den Vorteil, dass parasitäre Feldverzerrungen in der Umgebung der Antenne im Vergleich zu herkömmlichen metallischen Kabeln reduziert werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird als Anregungssignal ein Frequenzbereichssignal verwendet. Dies hat den Vorteil, dass vorhandene, bisher zur Antennenmessung verwendete vektorielle Netzwerkanalysato- ren weiterverwendet werden können.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, d.h. zur Erzeugung des Anregungssignals und zur Aufnahme und zur Auswertung des Antwortsignals, ein Netz- werkanalysator (Network Analyser) verwendet. Der Netzwerkanalysator kann z.B. durch softwaremäßige Erweiterung speziell für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet sein.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Antwortsignal phasenrichtig im Frequenzbereich aufgenommen. Vorteilhaft wird somit die komplexe Antwortgröße in Amplitude und Phasenlage direkt im Antennenfuß- punkt erfasst (vektorielle Messung). Das im Frequenzbereich aufgenommene Antwortsignal kann dann über eine inverse Fourier-Transformation in den Zeitbereich transformiert werden und abschnittsweise weiter ausgewertet werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann das Antwortsignal zur Bestimmung des Charakteristikums weiter ausgewertet werden. Es können z.B. aus dem Antwortsignal Frequenzbereichskenngrößen der Antenne bestimmt werden. Hierfür wird der im Zeitbereich ausgewertete Zeitabschnitt der Antennenantwort in den Frequenzbereich transformiert. Auf diese Weise können beispielsweise Kenngrößen wie der Gewinn, die Richtcharakteristik und/oder der Wirkungsgrad der Antenne bestimmt werden. Im Vergleich zu bekannten Antennencharakterisierungsverfahren im Frequenzbereich können gemäß der Erfindung diese Kenngrößen bereits mit einer Messung extrem breitbandig bestimmt werden, d.h. für einen sehr großen Frequenzbereich, insbesondere wenn die Antenne infolge des elektrischen Anregungspulses bereits zeitgleich mit hoher Frequenzbandbreite angeregt wurde.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung werden aus dem Antwortsignal der Antenne Sendeeigenschaften der Antenne bestimmt. Das Antwortsignal charakterisiert an sich die Empfangseigenschaften der Antenne, da es sich um den Empfang einer vom Anregungspuls ausgelösten Welle handelt. Unter Heranziehung der Lorentz-Reziprozität kann jedoch aus dem Antwortsignal der Antenne, hierbei insbesondere der Empfangsimpulsantwort hrx(t, cpi, θj), auch auf das Sendesignal, insbesondere auf die Sendeimpulsantwort htx(t, ψj, θj), geschlossen werden. Hierdurch erübrigen sich aufwendige zusätzliche Messungen zur Bestimmung des Sendeverhaltens einer Antenne. Die Bestimmung der Sendeimpulsantwort aus der Empfangsimpulsantwort kann wie folgt erfolgen:
1 d
htχ(t, φi, θi) = hrx(t, φi, θi)
2πco dt (1 ) Hierbei sind ψj und θj die jeweiligen Koordinaten der Ausrichtung der Antenne bezüglich des Felds in einem Kugelkoordinatensystem, φ, ist die azimutale Koordinate, θj die Elevationskoordinate. Co ist die Lichtgeschwindigkeit. Weiter können aus der empfangsseitigen Impulsantwort Frequenzbereichskenngrößen abgeleitet werden. Hierzu ist es notwendig, das Zeitbereissignal hrxÜ) mittels Fourier-Transformation in das Frequenzbereichssignal Hrx(ω) zu überführen. Hierbei bezeichnet ω die Kreisfrequenz. Es gilt folgender Zusammenhang zum effektiven Gewinn (im Englischen auch als "absolute gain" bekannt) einer Antenne:
Eine weitere typische Kenngröße in der Antennentechnik ist die effektive Antennenfläche. Diese ist direkt mit dem effektiven Gewinn einer Antenne verknüpft. Es ergibt sich:
H Mt■ (3)
Durch die oben dargestellten Gleichungen wird der Zusammenhang zwischen den typischen Zeit- (empfangs- und sendeseitige Impulsantwort) und Fre- quenzbereichskenngrößen (effektiver Gewinn und Antennenfläche) verdeut- licht. Hierbei wird klar, dass sich die empfangsseitige Impulsantwort direkt mit der effektiven Antennenfläche verknüpft, wohingegen sich die sendeseitige Impulsantwort direkt mit dem effektiven Gewinn verknüpft. Der Bezug zwischen effektiver Antennenfläche und effektivem Gewinn wird über die Frequenz her- gestellt.
„Empfangsseitig" (Index„rx") bedeutet hierbei, dass die Antenne zum Empfang von Signalen verwendet wird;„sendeseitig" (Index„tx") bedeutet, dass die Antenne zum Senden von Signalen verwendet wird.
Ausgehend von den oben genannten Kenngrößen können weitere Kenngrößen wie die Direktivität, Effizienz, der IEEE Gewinn (Gain) sowie die Gruppenverzögerungszeit hergestellt werden. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Frequenzbandbreite des Anregungssignals gleich oder größer als die zu vermessende Frequenzbandbreite der Antenne. Dies ermöglicht vorteilhaft die Vermessung der zu untersuchenden Antenne in ihrem gesamten Frequenzspektrum mit einem einzigen Anregungssignal, insbesondere mit einem einzigen Anregungspuls.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die zu untersuchende Antenne eine Ultrabreitbandantenne, insbesondere eine Antenne mit wenigstens 500 MHz Frequenzbandbreite. Es hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren besonders vorteilhaft zur Vermessung sehr breitban- diger Antennen geeignet ist.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die Antenne in wenigstens einer räumlichen Dimension bzw. wenigstens einer Drehachse in dem Wellenleiter bewegbar angeordnet. Beispielsweise kann die Antenne durch ei- nen entsprechenden elektrischen Antrieb um alle drei räumlichen Koordinatenachsen drehbar sein. Gemäß der Weiterbildung wird ein erster Wert eines Cha- rakteristikums der Antenne in einer ersten Antennenposition und wenigstens ein zweiter Wert des Charakteristikums in einer zweiten Antennenposition bestimmt. Hierdurch kann eine Reihe von Charakteristika in einer Vielzahl von Antennenpositionen schnell und mit wenig Aufwand ermittelt werden. Im Er- gebnis können hierdurch mit wenig Zeitaufwand zwei- und/oder dreidimensionale Strahlungscharakteristika der Antenne ermittelt werden. Insbesondere bei Verwendung einer GTEM-ZeIIe bei einem reinen 2-Komponenten-TEM-Feld ist eine unabhängige, d.h. verkopplungsfreie, Charakterisierung der ko- und kreuzpolarisierten Antennenkomponenten durch Rotation der Antenne um 90° zur Ausbreitungsrichtung möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung erfolgt die Auswahl der Dimensionen des Wellenleiters und/oder die Positionierung der Antenne in dem Wellenleiter in Längsrichtung des Wellenleiters in Abhängigkeit der für eine Bestimmung des gewünschten Charakteristikums notwendigen Dauer des Antwortsignals und/oder der Größe der Antenne. Beispielsweise wird im Falle einer GTEM-ZeIIe die Antenne bei einer erwarteten relativ langen Dauer des Antwortsignals etwas weiter entfernt von deren Rückwand positioniert als bei erwarteten kurzen Antwortsignalen, um auf diese Weise wiederum den Einfluss reflektierter Wellen auszuschließen. Sofern eine Positionierung in größerer Entfernung von der Rückwand der GTEM-ZeIIe nicht möglich erscheint, etwa weil der Abstand zu den Seitenwänden der GTEM-ZeIIe für eine unverfälschte Messung zu gering wird, ist entsprechend eine größere GTEM-ZeIIe zu wählen. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird die Antenne an einer Position in dem Wellenleiter angeordnet, an der das Verhältnis von zueinander orthogonalen Komponenten der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Feldstärke eines kartesischen 2-Komponenten-TEM-Feldes, wobei beide Komponenten orthogonal zur Haupt-Ausbreitungsrichtung des elektro- magnetischen Felds in dem Wellenleiter sind, dem Freifeld- Feldwellenwiderstand, möglichst nahe kommt. Hierdurch können Verfälschun- gen des Messsignals durch unerwünschte kreuzpolare Verkopplungen vermieden werden.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird das Verfahren ge- maß Anspruch 1 um den Schritt ergänzt, dass charakteristische Daten des Wellenleiters messtechnisch ermittelt werden. Die Ermittlung dieser Daten kann beispielsweise durch Positionieren eines Feldsensors mit bekannten, definierten Kenndaten in dem Wellenleiter und durch Einspeisen eines Anregungspulses ermittelt werden, wie für die GTEM-ZeIIe in der IEEE- Veröffentlichung„Pulse Propagation in Gigahertz Transverse Electromagnetic CeIIs", Thye, Armbrecht, Koch, beschrieben. Im Gegensatz zum Platzieren einer Antenne mit unbekannten Eigenschaften, die vermessen werden sollen, erfolgt somit in diesem Schritt eine Vermessung der unbekannten Eigenschaften der spezifischen GTEM-ZeIIe bzw. des Wellenleiters mittels eines als Refe- renz dienenden Feldsensors. Schließlich wird das Charakteristikum der Antenne aus dem Antwortsignal der Antenne, das gemäß Anspruch 1 bestimmt wird, in Verbindung mit den messtechnisch erfassten charakteristischen Daten des Wellenleiters bestimmt, indem das Antwortsignal rechnerisch korrigiert wird um die charakteristischen Daten des Wellenleiters. Hierdurch kann die Messge- nauigkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter erhöht werden. Unerwünschte Verfälschungen durch den Wellenleiter können rechnerisch eliminiert werden.
Die Erfindung betrifft ferner eine Messeinrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Charakteristikums einer Antenne, wobei die Messeinrichtung eingerichtet ist zur Ausführung eines Verfahrens der zuvor erläuterten Art. Hierfür kann die Messeinrichtung beispielsweise eine Signalerzeugungseinrichtung zur Erzeugung des Anregungssignals und eine Signalaufnahmeeinrichtung zum Aufnehmen des Antwortsignals sowie eine integrierte Auswertung des Antwortsignals beinhalten. Die Erfindung umfasst auch ein separates Erweiterungsgerät, das entsprechend angepasst ist zur Bestimmung wenigstens eines Charakteristi- kums einer Antenne gemäß einem Verfahren der zuvor erläuterten Art.
Die Anpassung der Messeinrichtung bzw. des Erweiterungsgeräts kann z.B. durch eine Änderung oder Erweiterung einer Software des jeweiligen Geräts erfolgen. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung betrifft einen speziell zur Ausführung eines Verfahrens der zuvor genannten Art angepassten Netz- werkanalysator.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Ver- wendung von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 - den grundsätzlichen Aufbau einer GTEM-ZeIIe in perspektivischer
Darstellung und
Figur 2 - eine beispielhafte, zu untersuchende Antenne in perspektivischer
Darstellung und Figur 3 - eine Messanordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer GTEM-ZeIIe in Seitenansicht und
Figur 4 - die Einflussgrößen des erfindungsgemäßen Verfahrens in schema- tischer Darstellung und
Figur 5 - schematisch die Hauptfeldkomponenten eines TEM-Felds innerhalb einer GTEM-ZeIIe und
Figur 6 - eine Draufsicht auf eine GTEM-ZeIIe und
Figur 7 - den Verlauf des Feldwellenwiderstands in Querrichtung der GTEM- Zelle speziell als Quotient der Hauptfeldkomponenten und Figur 8 - einen beispielhaften Anregungspuls und Figur 9 - beispielhafte Impulsantworten der Antenne und
Figur 10 - eine weitere Ausführungsform einer Messanordnung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer GTEM-ZeIIe in Seitenansicht und
Figur 11 - ein Messergebnis der effektiven Gewinnmessung eines Standard
Gain Horns.
In den Figuren werden gleiche Bezugszeichen für einander entsprechende E- lemente verwendet.
Als Beispiel für einen Wellenleiter wird nachfolgend eine GTEM-ZeIIe beschrieben. Wie in Figur 1 erkennbar ist, hat eine GTEM-ZeIIe 1 eine pyramidenähnliche Form. Die GTEM-ZeIIe 1 weist ein metallisches Außengehäuse 2 mit recht- eckigem Querschnitt auf. Das Außengehäuse 2 ist an der der Pyramidenspitze abgewandten Seite durch eine Rückwand 3 abgeschlossen. Im Bereich der Rückwand 3 ist ein Hochfrequenzabsorber 7 vorgesehen, der eine Mehrzahl von Absorberelementen in Pyramidenform aufweist. Im Inneren der GTEM- ZeIIe 1 befindet sich ein dezentral angeordneter flacher Innenleiter 5 in Platten- form. Der Innenleiter 5 wird auch als Septum bezeichnet. In dem an die Rückwand 3 angrenzenden Bereich des Septums 5 ist ein Widerstandsbereich 6 vorgesehen. Durch die Kombination des Widerstandsbereichs 6 mit dem Hochfrequenzabsorber 7 ist die GTEM-ZeIIe 1 mit dem gewünschten Leitungswellenwiderstand im Wesentlichen reflektionsfrei abgeschlossen.
Das Septum 5 ist innerhalb der GTEM-ZeIIe 1 so angeordnet, dass sich ein Lei- tungswellenwiderstand von 50 Ω einstellt, der über die Länge der GTEM-ZeIIe 1 konstant ist. Zur Einspeisung von Signalen weist die GTEM-ZeIIe 1 einen e- lektrischen Koaxialanschluss 4 für eine koaxiale Zuleitung auf. Der Innenleiter des Koaxialanschlusses 4 geht von der Anschlussstelle aus kontinuierlich in das Septum 5 der GTEM-ZeIIe 1 über. Der Außenleiter des Koaxialanschlusses 4 geht von der Anschlussstelle aus kontinuierlich in den Außenleiter der GTEM- ZeIIe 1 , d.h. in das metallische Außengehäuse 2, über.
Die Figur 2 zeigt ein Beispiel für eine Ultrabreitbandantenne in Form einer Ko- nusantenne 8. Die Konusantenne 8 weist einen metallischen Antennenkörper 9, 10 auf, der einen oberen ungefähr halbkugelförmigen Bereich 9 und einen unteren ungefähr konischen Bereich 10 aufweist. Der Antennenkörper 9, 10 wird von einem Sockel 11 gehalten (gestrichelt gezeichnet), der z.B. aus Plexiglas besteht. Der konische Bereich 10 der Antenne 8 endet in einem Anten- nenanschluss 12, der aus dem Sockel 11 herausgeführt ist. Der Antennenkörper 9 bildet zusammen mit einer metallischen Grundplatte 16 eine Monopol- Antennenstruktur.
Die Figur 3 zeigt einen Messaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die GTEM-ZeIIe 1 ist in der Figur 3 in Seitenansicht dargestellt. An dem Koaxialanschluss 4 ist ein Pulsgenerator 13 angeschlossen. Innerhalb der GTEM-ZeIIe 1 ist eine zu untersuchende Antenne 8 angeordnet. Die Antenne 8 ist über eine Leitung 15 mit einer Signalerfassungseinrichtung 14 verbunden. Die Signalerfassungseinrichtung 14 kann beispielsweise als Speicheroszil- loskop oder Transientenrecorder ausgebildet sein. Die Leitung 15 kann vorteilhaft als optische Leitung, d.h. als Lichtwellenleiter, ausgebildet sein. In diesem Fall wird an dem Antennenanschluss 12 direkt ein elektro-optischer Wandler angeschlossen, der von der Antenne 8 empfangene Signale direkt in optische Signale wandelt. Die optischen Signale werden dann durch einen opto- elektrischen Wandler im Bereich der Signalerfassungseinrichtung 14 wiederum in elektrische Signale gewandelt. Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird ein Anregungspuls Utχ(t) von dem Pulsgenerator 13 in die GTEM-ZeIIe 1 eingespeist. Die sich dabei bildende und in Richtung der Antenne 8 ausbreitende elektromagnetische Welle trifft zu einem Zeitpunkt auf die Antenne 8 auf und erzeugt ein Antwortsignal Urχ(t), das von der Signalerfassungseinrichtung 14 aufgezeichnet wird.
Die Figur 4 zeigt die Einflussgrößen des Zielkonflikts, die für eine Bestimmung eines Charakteristikums einer Antenne zu berücksichtigen sind. Erste Einfluss- große ist die Pulspausendauer bei der jeweiligen Antennenposition der Antenne in der GTEM-ZeIIe. Mit der Pulspausendauer wird die Zeit bezeichnet, die zwischen dem vollständigen Empfang der von dem Anregungspuls ausgelösten hinlaufenden Welle zu der Antenne und dem Beginn des Empfangs einer rücklaufenden Welle vorliegt. In diesem Zeitraum der Pulspausendauer kann davon ausgegangen werden, dass keine Verfälschung des Messergebnisses durch Reflektionen an der Rückwand der GTEM-ZeIIe stattfindet.
Die zweite Einflussgröße ist die erwartete Länge des Antwortpulses der Antenne. Die erwartete Länge muss in Einklang mit der Pulspausendauer stehen, sodass nicht Störungen durch reflektierte Wellen beispielsweise gegen Ende des Antwortsignals auf die hinlaufende Welle diesem Antwortsignal überlagert werden.
Die dritte Einflussgröße ist die Anregungspulsbreite, d.h. die Dauer des Anre- gungssignals. Diese sollte wesentlich kürzer sein als die Pulspausendauer, was z.B. durch Verwendung eines Ultrabreitbandpulses der nachfolgend beschriebenen Art möglich ist.
Als vierte Einflussgröße ist die Antennengröße zu berücksichtigen, die in einem sinnvollen Verhältnis zum Querschnitt der GTEM-ZeIIe stehen soll, sodass
Feldverzerrungen durch die Antennengröße vernachlässigbar werden. Als Faustregel für das Beispiel der Konusantenne gilt, dass die Querschnittsfläche der GTEM-ZeIIe im Bereich der Position der zu untersuchenden Antenne wenigstens 25mal so groß oder ca. 5 % der Querschnittsfläche sein sollte wie der Querschnitt der Antenne in derselben Querschnittsebene.
In der Figur 5 ist der prinzipielle Verlauf der Hauptfeldkomponenten eines TEM- Felds schematisch in Bezug auf ein kartesisches Koordinatensystem dargestellt. Das Koordinatensystem ist in Bezug auf die GTEM-ZeIIe 1 derart definiert, dass die x-Achse in Querrichtung der GTEM-ZeIIe verläuft, die y-Achse in Vertikalrichtung und die z-Achse in Längsrichtung. In der Figur 5 ist erkennbar, dass die Feldlinie Hx des magnetischen Felds um das Septum 5 herum verläuft, das in der Figur 5, ebenso wie die z-Achse, senkrecht zur Papierebene verläuft. Die Feldlinien Ey des elektrischen Felds verlaufen in negativer y- Richtung. Das TEM-FeId breitet sich dabei in Richtung der z-Achse aus.
Die Figur 6 zeigt die Ausrichtung eines bodenbezogenen, gestrichenen Koordinatensystems in einer Draufsicht auf die GTEM-ZeIIe 1 einschließlich zweier Querschnitte (Querschnitt 1 und 2), entlang derer der Feldwellenwiderstand berechnet wird.
Die Figur 7 zeigt den berechneten Feldwellenwiderstand ηιin speziell als Quotient der Hauptfeldkomponenten für zwei beispielhaft ausgewählte Querschnitte (Querschnitt 1 und 2) entlang der x'-Koordinate. Wie erkennbar ist, wird bei einer mittigen Positionierung der zu untersuchenden Antenne bezüglich der Querrichtung der GTEM-ZeIIe (x' = 0) eine Impedanz von η0 = 377Ω erzielt, was den Messbedingungen im Freifeld entspricht, wobei zudem das TEM-FeId an dieser Position vorteilhafterweise lediglich als ein kartesisches 2- Komponenten-TEM-Feld (Ey, Hx) vorliegt. In diesem Punkt ist die Charakterisierung der Antenne 8 getrennt hinsichtlich ihrer orthogonal polarisierten Anten- neneigenschaften besonders einfach, da durch eine Drehung der Antenne um 90° die jeweils ko-polare Feldkomponente vermessen werden kann, ohne Ver- fälschungen durch die kreuz-polare Feldkomponente zu enthalten.
Die Figur 8 zeigt beispielhaft einen Anregungspuls Utx(t). Wie erkennbar ist, ist der Anregungspuls relativ steilflankig, insbesondere an seiner ersten, abfallen- den Flanke. Im dargestellten Beispiel beträgt die Zeit T1 , in der der Momentanwert der Amplitude des Anregungspulses den Bereich zwischen 10% und 90% der maximal erreichten Amplitude durchläuft, nur etwa 20 ps. Im dargestellten Beispiel ergibt sich dementsprechend eine betragsmäßige Flankensteilheit von 48 V/ns. Dies entspricht einer Frequenzbandbreite von in etwa 20 GHz.
Das Antwortsignal der Antenne wird als Spannungsverlauf urx(t) aufgezeichnet. Die Empfangsimpulsantwort hAUT rx(t) verknüpft im Allgemeinen das als Spannungsgröße vorliegende Antwortsignal der Antenne urx(t) mit dem im Emp- fangsfall auf die Antenne einfallenden drei elektrischen Feldkomponenten (Ex, Ey, Ez). Die Einheit einer solchen Impulsantwort wird daher für gewöhnlich in [m] angegeben. Das Antwortsignal urx(t) enthält grundsätzlich eine Überlagerung der in die verschiedenen Koordinatenrichtungen des Koordinatensystems gerichteten Komponenten eines Impulsantwortvektors hAUT rx(t) = (hx(t), hy(t), hz(t)) (AUT = antenna under test). In Folge der Ausbreitung der Welle als reines 2-Komponenten-TEM-Feld in kartesischen Koordinaten, wie es entlang der Mittelachse der GTEM-ZeIIe wie beschrieben vorliegt, können die x- und z- Anteile vernachlässigt werden, so dass sich die zur Bestimmung der Antennencharakteristik zu ermittelnde Impulsantwort hAUT rx y (t) aus dem y-Anteil wie folgt polarisationsrein ergibt:
,AUT ΛΛ _ / / .\ ., -l
Λ£τG,yW = KG,ΓX(*) *~λ Utx(t))
αpL u-i
Hierbei repräsentiert der Operator eine inverse Faltungsoperation. Die Größe (XPL ist eine für die verwendete GTEM-ZeIIe typische Dämpfungskonstante. Mit dem Index„TG" wird angegeben, dass es sich um einen zeitlichen Anteil des Antwortsignals handelt, nämlich den für die Bestimmung des Charakteristikums der Antenne ausgewerteten Zeitabschnitt von urx(t), bei dem das Antwortsignal nur hinlaufende Wellen und keine Störeinflüsse durch Reflektio- nen umfasst und zudem das elektromagnetische Feld am Ort der Antenne ein TEM-FeId ist.
Die Figur 9 zeigt Zeitverläufe der Impulsantwort hAUT rx(t) der Antenne. Hierbei sind drei Kurvenverläufe in demselben Diagramm dargestellt. Der Kurvenverlauf hAUT rx, REF(t) (mit der geringsten Welligkeit) wurde dabei zur Überprüfung der Plausibilität der Messergebnisse mittels 2-Antennen-Referenzmethode ermittelt. Die zwei weiteren Kurvenverläufe (mit der größeren Welligkeit) geben die Impulsantworten der zwei untersuchten und für die 2-Antennen- Referenzmethode verwendeten Konusantennen 8 gleicher Bauform an, wie sie durch das erfindungsgemäße Verfahren erzielt wurden. Wie erkennbar ist, liegen die gemessenen Verläufe dicht bei dem Verlauf der Referenzmessung. Aus der Impulsantwort gemäß Figur 9 können bei Bedarf weitere Kenngrößen der Antenne abgeleitet werden. Hierfür kann der Zeitverlauf der Empfangsim- pulsantwort hAUT rx(t) zum einen in die Sendeimpulsantwort hAUT tx(t) transformiert werden bzw. zum anderen wahlweise die Empfangs- oder die Sendeimpulsantwort in den Frequenzbereich transformiert, z.B. durch Fouriertransfor- mation, worauf dann die korrespondierenden Frequenzbereichskenngrößen der Antenne wie Gewinn, Richtcharakteristik oder Wirkungsgrad bestimmt werden.
Die Figur 10 zeigt einen ähnlichen Messaufbau wie die Figur 3. Im Unterschied zur Figur 3 ist statt des Pulsgenerators 13 und der separaten Signalerfassungseinrichtung 14 ein kombiniertes Gerät 20 in Form eines Netzwerkanalysa- tors vorgesehen. Der Netzwerkanalysator 20 eignet sich besonders für die Er- zeugung eines typischen Frequenzbereichssignals als Anregungssignal sowie die Erfassung der Empfangsgrößen, d.h. des Antwortsignals, im Frequenzbe- reich. Der Messaufbau gemäß Figur 10 ist grundsätzlich vergleichbar mit dem Messaufbau gemäß Figur 3, allerdings erlaubt der Messaufbau gemäß Figur 10 verbesserte Messungen im Frequenzbereich infolge eines höheren Dynamikbereichs des als Messgerät verwendeten Netzwerkanalysators 20.
Beide Möglichkeiten der Signalerfassung, d.h. der Messaufbau gemäß Figur 3 und der Messaufbau gemäß Figur 10, sind über die Fouriertransformation miteinander verknüpft. Die Endlichkeit des jeweiligen Messbereichs kann zur Abweichungen bei der Transformation führen. Es ist daher empfehlenswert, eine Fensterung im jeweiligen Bereich vorzunehmen, d.h. die Messungen bereichsweise in verschiedenen Frequenzbereichen durchzuführen. Hierbei sind Fens- terungen zu bevorzugen, die im jeweilig relevanten Bereich einen niedrigen so genannten„Processing Loss" aufweisen (je nach Fachliteratur auch als„Processing Gain" oder„Coherent Gain" bezeichnet). Der relevante Bereich ist im Frequenzbereich durch den Arbeitsbereich der Antenne, im Zeitbereich durch das anhand der Figur 8 erläuterte Zeitintervall T1 gekennzeichnet. Zur Erreichung eines niedrigen„Processing Loss" eignen sich insbesondere ein Rechteckfenster sowie das so genannte„Tukeyfenster", welches in der Veröffentlichung von F. Harris,„On the use of Windows for harmonic analysis with a disc- rete Fourier transform", Proceedings of the IEEE, Vol. 66, No. 1 , Seiten 51 bis 83, Januar 1978 beschrieben ist. Das Tukeyfenster besitzt durch seine Para- metrierung eine erhöhte Flexibilität.
Die Figur 11 zeigt eine beispielhafte Messung unter Anwendung des erfin- dungsgemäßen Verfahrens anhand eines„Standard Gain Horns". Zur Signalerzeugung und -erfassung wurde ein Netzwerkanalysator N5230A der Fa. Agilent eingesetzt. Als Antenne wurde ein„Standard Gain Hörn" des Typs SGA-50L von Seavey Engineering Associates, Inc. verwendet. Die Antenne wurde innerhalb einer GTEM-ZeIIe vom Typ GTEM 5305 der Fa. ENCO platziert. Der Ll- bergang vom Hörn zum Wellenleiter der Antenne befindet sich in der Zellmitte der GTEM-ZeIIe mit einem Abstand von 1 ,51 m zum Einspeisepunkt 4 der GTEM-ZeIIe.
Die Figur 11 zeigt mit der durchgezogenen Linie das Ergebnis der Messung, wobei der effektive Gewinn im Bezug zu einem verlustlosen isotropen Refe- renzstrahler in der Einheit dBi über die Frequenz in GHz dargestellt ist. Durch die gestrichelte Linie wird die vom Hersteller der Antenne gegebene Referenz wiedergegeben. Wie erkennbar sind, treten geringe Abweichung zwischen den Messergebnissen und der vom Hersteller vorgegebenen Referenz auf, wobei die Abweichungen aber im Bereich < ±0,5 dBi liegen. Diese Abweichungen können auf die Endlichkeit des Zeitintervalls T1 zurückgeführt werden. Eine weitere Annäherung der Messergebnisse an die Angaben des Herstellers kann z.B. durch Bestimmung einer Ausgleichsfunktion durch die Messergebnisse hergestellt werden.

Claims

Patentansprüche:
1. Verfahren zur Bestimmung wenigstens eines Charakteristikums einer Antenne (8) mit den Schritten:
a) Platzieren einer Antenne (8), von der wenigstens ein Charakteristikum zu bestimmen ist, in einem von einem Wellenleiter (1) umgebenen Raum,
b) Einspeisen eines elektrischen Anregungssignals (utx(t)) in einen Ein- speiseanschluss (4) des Wellenleiters (1),
c) Aufnehmen des von der Antenne (8) in Folge des Anregungssignals
(utχ(t)) abgegebenen elektrischen Antwortsignals (urx(t)),
d) Bestimmung wenigstens eines Charakteristikums der Antenne aus wenigstens einem Anteil des Antwortsignals (urx(t)) und einem korrespondierenden Anteil des Anregungssignals (utx(t)), wobei der Anteil des Antwortsignals (urx(t)) ein im Zeitbereich ausgewerteter Zeitabschnitt ist, der folgende Bedingungen erfüllt:
i) am Ort der Antenne (8) existieren nur eine oder mehrere von dem Anregungssignal (utx(t)) bewirkte, von dem Einspeiseanschluss (4) in Richtung Antenne (8) laufende Wellen des elektromagneti- sehen Felds,
ii) das elektromagnetische Feld ist am Ort der Antenne (8) ein TEM- FeId.
2. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass als Anregungssignal (utx(t)) ein Anregungspuls verwendet wird, insbesondere ein Anregungspuls mit hoher Frequenzbandbreite wie z.B. ein Gauß-Puls.
3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ant- wortsignal (urx(t)) im Zeitbereich aufgenommen wird.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Anregungssignal (utx(t)) ein Frequenzbereichssignal verwendet wird.
5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Antwortsignal (urx(t)) phasenrichtig im Frequenzbereich aufgenommen wird.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Antwortsignal (urx(t)) Frequenzbereichskenngrö- ßen der Antenne (8) bestimmt werden, insbesondere der Gewinn, die
Richtcharakteristik und/oder der Wirkungsgrad.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem Antwortsignal (urx(t)) Sende-Eigenschaften der Antenne (8) bestimmt werden.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Frequenzbandbreite des Anregungssignals (utx(t)) gleich oder größer ist als die zu vermessende Frequenzbandbreite der An- tenne (8).
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine proportional zur Entfaltung des Antwortsignals (urx(t)) mit dem Anregungssignal (utx(t)) bestimmbare Kenngröße (hrx(t)) ein zu bestimmendes Charakteristikum der Antenne (8) ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter ein TEM-Wellenleiter ist, insbesondere eine TEM-ZeIIe bzw. eine GTEM-ZeIIe.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (8) eine Ultrabreitbandantenne ist, insbesondere eine Antenne mit wenigstens 500 MHz Frequenzbandbreite.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne (8) in wenigstens einer räumlichen Dimension bzw. wenigstens einer Drehachse in dem Wellenleiter (1) bewegbar angeordnet ist und ein erster Wert eines Charakteristikums der Antenne (8) in einer ersten Antennen-Position und wenigstens ein zweiter Wert des Cha- rakteristikums in einer zweiten Antennen-Position bestimmt werden.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswahl der Dimensionen des Wellenleiters (1) und/oder die Positionierung der Antenne (8) in Längsrichtung des Wellen- leiters (1) in Abhängigkeit von der für eine Bestimmung des gewünschten
Charakteristikums notwendigen Dauer des Antwortsignals (urx(t)) und/oder der Größe der Antenne (8) erfolgt.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn- zeichnet, dass die Antenne (8) an einer Position in dem Wellenleiter (1) angeordnet wird, an der das Verhältnis von zueinander orthogonalen Komponenten der elektrischen Feldstärke und der magnetischen Feldstärke eines kartesischen 2-Komponenten-TEM-Feldes, wobei beide Komponenten orthogonal zur Haupt-Ausbreitungsrichtung des elektro- magnetischen Felds in dem Wellenleiter sind, dem Freifeld-
Feldwellenwiderstand möglichst nahe kommt.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass charakteristische Daten des Wellenleiters (1) messtech- nisch ermittelt werden und das Charakteristikum aus dem Antwortsignal (Urx(t)), rechnerisch korrigiert um die charakteristischen Daten des Wellenleiters, bestimmt wird.
16. Messeinrichtung zur Bestimmung wenigstens eines Charakteristikums einer Antenne, wobei die Messeinrichtung eingerichtet ist zur Ausführung eines Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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