WO2012016791A1 - Verfahren und anordnung zur vermessung einer antenne - Google Patents

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WO2012016791A1
WO2012016791A1 PCT/EP2011/061643 EP2011061643W WO2012016791A1 WO 2012016791 A1 WO2012016791 A1 WO 2012016791A1 EP 2011061643 W EP2011061643 W EP 2011061643W WO 2012016791 A1 WO2012016791 A1 WO 2012016791A1
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antenna
measured
radiation
frequency
modulated
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PCT/EP2011/061643
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Fabian Kurz
Stefan Schwarzer
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
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    • G01R29/0871—Complete apparatus or systems; circuits, e.g. receivers or amplifiers
    • G—PHYSICS
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    • G01R29/08—Measuring electromagnetic field characteristics
    • G01R29/10—Radiation diagrams of antennas

Definitions

  • the invention relates to a method for measuring an antenna and a corresponding measuring arrangement.
  • the measurement of an antenna is in the transmission mode, wherein the antenna is moved with a mechanical tilting device in different space angle ranges, while a reference antenna measures the strength of the transmission signal and from the above-mentioned parameters in the form of a radiation pattern or of the An ⁇ tennengess determined.
  • the antenna to be measured and the reference antenna are usually positioned in low-reflection chambers, which reflections that tern reusable propagation and thus falsifications are avoided.
  • Another major interfering factor in the measurement of antennas is the usually coaxial high-frequency line, via which the connection of the antenna in the transmission mode supplies an electrical high-frequency signal becomes. Even with optimum coupling of the high-frequency line to the antenna, this line changes in the near field the electric ⁇ and magnetic field distribution, which leads to errors in the measurement. Especially with miniaturized antennas with small dimensions compared to the operating wavelength or to the dimensions of the high-frequency line such disturbances are very large.
  • Document [3] describes a method for measuring an antenna, which is based on so-called backscatter modulation. Not actively emitted by the vermes to send ⁇ antenna radiation is evaluated son ⁇ countries the light emitted by a reference antenna radiation which is scattered back to the antenna to be measured.
  • an RFID transponder is provided at the feed point of the antenna to be measured, and the measurement takes place via the energy required to wake up the transponder, this energy being taken from the radiation emitted by the reference antenna. After the wake the transponder this modulates the backscattered signal, which in turn can be detected by the reference antenna. From this, corresponding parameters of the antenna can then be determined.
  • the object of the invention is to provide a method for measuring an antenna, which avoids the disadvantages described above and leads to accurate measurement results, especially for antennas with small dimensions. This object is achieved by the method according to claim 1 and the measuring arrangement according to claim 11. Further developments of the invention are defined in the dependent claims.
  • electromagnetic radiation is emitted via a reference antenna with a carrier frequency and predetermined transmission power, which is backscattered at the antenna to be measured, wherein an impedance coupled to the antenna to be measured, in particular an impedance at the feed point of the antenna is varied by a Optical signal of an optical waveguide, which is modulated with a modulation frequency smaller than the carrier frequency, is supplied to an opto-electrical converter means, which is electrically connected to the antenna to be measured.
  • the radiation backscattered by the antenna to be measured which is modulated on account of the varying impedance, is received by the reference antenna and from this one or more parameters of the antenna to be measured are determined.
  • the modulation frequency is preferably 5% or less of the carrier frequency, more preferably 1% or less of the carrier frequency.
  • the term of the reference antenna is to be understood according to the invention.
  • a reference antenna given ⁇ if a separate transmitting antenna for emitting the antennas ⁇ radiation and a separate receiving antenna for receiving the backscattered radiation include, these antennas should be arranged spatially close to each other to avoid measurement errors.
  • the reference antenna is a so-called.
  • Transceiver antenna with a single transmitting and receiving antenna which emits the radiation at the carrier frequency and simultaneously receives the modulated and backscattered radiation. This ensures that the location of the emission of the radiation coincides with the location of the reception of the backscattered radiation.
  • the inventive method is characterized by the combination ⁇ nation of the backscatter measurement to an impedance variation of an optical signal.
  • electrical high frequency lines are avoided to the antenna, which disturb the near field of the antenna.
  • the impedance variation takes place in a simple manner by means of an opto-electrical converter, without the need for elaborate electronic components at the feed point of the antenna.
  • the optical signal is modulated in the optical waveguide with egg ⁇ ner frequency which is smaller than the usually very high frequency carrier frequency of the reference antenna, so that the generation of the optical signal is simplified.
  • antennas with dimensions in the centimeter range can in particular be measured without disturbing influences on the field distribution of the antenna in the near ⁇ area.
  • An application of the invention is, for example, the measurement of antennas in hearing aids, which are used there for data communication.
  • the parameters of the antenna, which are determined by the method are in particular the radiation pattern of the antenna and the gain of the antenna, wherein in the detailed description of an embodiment is set forth how these quantities can be derived from the system parameters of the measuring arrangement.
  • the optical signal of the optical waveguide is the intensity of the light transported in the optical waveguide which is amplitude-modulated with the modulation frequency.
  • the measurement of the antenna characteristics is performed such that the power received at the reference antenna is measured for a sideband of the modulated and backscattered radiation and from this the parameter or parameters of the antenna to be measured are determined.
  • the backscattered radiation for the one who ⁇ sideband frequency is determined which is increased or relative to the carrier frequency by the modulation frequency is lowered.
  • the opto-electrical converter device may be configured differently within the scope of the measuring process. It is only necessary to ensure that this device generates an electrical signal in response to the modulated optical signal of the optical waveguide such that an impedance coupled to the antenna is thereby varied.
  • the impedance can be varied by an opto-electrical converter device in the form of at least one connected to the antenna to be measured phototransistor and / or at least one connected to the antenna to be measured photodiode, wherein the optical signal of Lichtwellenlei ⁇ ters on the at least one phototransistor and / / or the at least one photodiode falls and thereby the Wegstän ⁇ de of at least one photo transistor and / or the photo- Ström at least varies an photodiode.
  • the carrier frequency is preferably when carrying out the measurement in the range of the operating frequency of the antenna to be measured, this operating frequency usually corresponds to the Resonanzfre ⁇ frequency of the antenna.
  • the carrier frequency may be, for example, at 100 MHz and greater, in particular at 500 MHz and greater.
  • the modulation frequency is preferably at 5 kHz and greater, in particular at 10 kHz and greater ⁇ SSE and more preferably at 100 kHz and greater.
  • Insbeson ⁇ particular carrier frequencies may be used in the unlicensed ISM band in order to measure antennas which operate in such a frequency range.
  • the variation of the impedance is passive without the use of a voltage or current source. If necessary, however, the impedance can also be actively changed by connecting a voltage source to the antenna to be measured. Based on a corresponding opto-electrical converter device, the impedance can be varied, for example, between the value zero (short-circuit) and the value infinite (separation of the antenna from the converter device).
  • the antenna to be measured and the reference antenna are arranged in different relative positions during the measurement, wherein in each case
  • the backscattered radiation is received by the reference antenna and from it one or more parameters of the antenna to be measured are determined.
  • the reference antenna and the antenna to be measured at ⁇ be placed during the measuring process in an anechoic environment in a particularly preferred embodiment.
  • the invention further relates to a measuring arrangement for measuring an antenna.
  • This measuring arrangement comprises a reference antenna, which in the measuring drove radiation with a carrier frequency and predetermined transmission power emits and receives the backscattered at the antenna to be measured radiation.
  • the arrangement further includes a modulator connected to an optical waveguide to feed an optical signal modulated at a modulation frequency into the optical waveguide, the modulation frequency being less than the carrier frequency.
  • an opto-electric transducer means is vorgese ⁇ hen, with a coupled antenna impedance in measuring operation with the arrival to be measured is varied by the optical signal of the optical waveguide of the opto-electric converter ⁇ device is supplied.
  • the measuring arrangement according to the invention further includes an evaluation device coupled to the reference antenna, which evaluates the radiation received by the reference antenna, which is backscattered by the antenna to be measured and modulated due to the varying impedance, and from this one or more parameters of the antenna to be measured determined.
  • the measuring system according to the invention is thus used for imple ⁇ out the method according to the invention.
  • the measuring arrangement is designed in such a way that one or meh ⁇ eral variants of the method according to the invention can be carried out with the measuring arrangement.
  • FIG. 1 shows schematically a plan view of a measuring arrangement, with which a variant of the method according to the invention for measuring an antenna is performed.
  • an antenna 1 is measured in the form of a dipole antenna.
  • This antenna is, for example, an antenna with an operating frequency in the high-frequency range, for example in the ISM band.
  • antennas can be measured with the measuring arrangement whose dimensions are small compared to the wavelength of the operating frequency or small compared to the dimensions of the connecting line of the Antenna are.
  • the antenna can be an antenna integrated in a hearing device, which is used to wirelessly carry out data communication with the hearing aid as part of the adaptation of the hearing device.
  • a so-called. Backscatter method is used, in which a reference antenna 5 in the form of a transceiver antenna emits radiation at a INCfre- frequency (in particular the operating frequency of the antenna 1) and predetermined transmission power. This antenna radiation is backscattered on the antenna to be measured 1, wherein the backscattered radiation is in turn received by the reference antenna 5 and then corresponding parameters of the antenna to be measured are determined therefrom.
  • an evaluation unit 6 in the form of a backscatter transceiver is provided which, on the one hand, causes the emission of the radiation via the reference antenna and, on the other hand, detects the backscattered radiation and determines therefrom the corresponding parameters of the antenna to be measured.
  • Fig. 1 With the measuring arrangement of Fig. 1 are preferably on the one hand, the radiation pattern of the antenna 1 and on the other hand, the gain in the main beam direction or in any other
  • both the antenna 1 to be measured and the reference antenna 5 are arranged in an anechoic room R, wherein pyramid absorbers on the walls and ceiling of the room and ferrite tiles on the floor are provided to avoid reflections are .
  • an opto-electrical conversion device 2 which receives an optical signal in the form of modulated light of an optical waveguide 3.
  • the modulated light is from a modulator 4 ⁇ he witnesses that provided at one end of the optical waveguide is and feeds the light into the waveguide.
  • an amplitude modulation of the intensity of the light is performed by the modulator 4, wherein the modulation of the light takes place with a modulation frequency which is substantially smaller than the carrier frequency of the radiation emitted by the reference antenna 5 radiation.
  • the opto-electrical transducer means By the opto-electrical transducer means to the 2 fal ⁇ light loin an electrical signal is generated which varies in a suitable way coupled to the antenna 1 impedance.
  • an impedance can be suitably modulated with an opto-electrical converter device.
  • a particularly simple opto-electrical conversion is carried out with a phototransistor T, which is shown in more detail in detail view D. It can be seen in the de ⁇ tailansicht that the opto-electric converter means comprises egg ⁇ NEN known per se phototransistor T, on which the light emerging from the waveguide 3-modulated light is incident.
  • the transistor T connects the two halves of the dipole antenna 1 and it changes its switching states by the modulated incident light, so that in the ideal case zwi ⁇ 's a state with impedance infinity (transistor blocks) and a state with zero impedance (transistor turns on and generates Short circuit) is changed. Since usually there are no ideal switching states is gewech ⁇ rare usually between a state having a first impedance value and a state having a second impedance value.
  • a modulation of the radiation backscattered by the antenna 1 is effected.
  • two sidebands comprising a frequency at the Samfre ⁇ frequency plus the modulation frequency and a frequency at the carrier frequency less the modulation frequency. These two frequencies carry most of the energy of the backscattered Radiation, so that higher or lower frequencies of the sidebands can be neglected in the context of measurement and evaluation.
  • the measurement of the reception power of the modulated and backscattered radiation is detected at the location of the reference antenna 5 by the evaluation unit 6 and from this the directional gain of the antenna 1 calculation ⁇ net.
  • the determination of the direction-dependent gain G r is based on the following formula, which is derived from the well-known monostatic radar equation: Where P t denotes the tostrahl ⁇ te from the reference antenna power, which is previously known. R represents the distance Zvi ⁇ 's reference antenna 5 and the antenna to be measured is 1, which is also known. The reference antenna is directed with its main beam direction to the antenna to be measured. In addition, ⁇ denotes the wavelength of
  • ⁇ corresponds to the wavelength of the carrier frequency plus the modulation frequency or minus the modulation frequency.
  • G t designates the gain of the reference antenna 5 in the main beam direction and, in the embodiment described here, also takes into account lead losses and polarization losses.
  • a hearing device antenna was measured based on a carrier frequency of 868 MHz, this carrier frequency corresponding to the operating frequency of the hearing device antenna.
  • the backscattered signal was modulated with a Modula ⁇ tion frequency of 200 kHz.
  • the distance between the reference antenna and the antenna to be measured was 1.9 m.
  • the transmission power P t of the reference antenna was -7 dBm.
  • the supply losses were 3 dB and the polarization losses 6 dB.
  • the antenna gain G t of the reference antenna was 7 dBi (relative to an isotropic radiator).
  • the analog received antennas nensignal was converted by an AD converter in the evaluation unit 6 into a digital signal, said digital output to give a total gain of 179 dB ⁇ from the antennas ⁇ socket of the reference antenna. All of these quantities were suitably taken into account in the above equation, with the reference antenna effectively resulting in 0 dB due to the polarization losses and the line losses for the gain G t of the reference antenna.
  • the gain G r in dB for the above Enhancement ⁇ parameters could be determined by the following formula, where P r is indicated in the unit Watt:
  • Receiving power is twice as high, since this is equally distributed on both Se ⁇ tenb.
  • the directional gain can thus be measured.
  • a rotation and tilting arrangement for rotation or tilting of the antenna 1 is provided so that the directional gain in any spatial directions can be detected.
  • a suitable radiation pattern can be used measuring antenna 1 are created and also the gain in the main beam direction of the antenna can be specified.
  • the measuring method described above has a number of advantages.
  • the measurement can be performed for different carrier frequencies as long as the variation of the impedance for each carrier frequency is known.
  • the measurement is much more accurate than conventional measurements in which a high-frequency signal is fed to the antenna to be measured via an electrical supply line and the resulting antenna radiation is measured.
  • miniaturized antennas such electrical leads lead to a change in the field distribution of the antenna to be measured and thereby to a falsification of the measurement results.
  • Frequency is limited and may also have no well calibrated output.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung einer Antenne (1). In dem Verfahren wird über eine Referenzantenne (5) Strahlung mit einer Trägerfrequenz und vorgegebener Sendeleistung ausgesendet, welche an der zu vermessenden Antenne (1) rückgestreut wird, wobei eine an die zu vermessenden Antenne (1) gekoppelte Impedanz variiert wird, indem ein optisches Signal eines Lichtwellenleiters (3), welches mit einer Modulationsfrequenz kleiner als die Messfrequenz moduliert ist, einer optoelektrischen Wandlereinrichtung (2) zugeführt wird, welche elektrisch mit der zu vermessenden Antenne (1) verbunden ist. Die von der zu vermessenden Antenne (1) rückgestreute Strahlung, welche aufgrund der variierenden Impedanz moduliert ist, wird von der Referenzantenne (5) empfangen und aus dieser Strahlung werden ein oder mehrere Parameter der zu vermessenden Antenne (1) ermittelt.

Description

Beschreibung
VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR VERMESSUNG EINER ANTENNE
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Vermessung einer An tenne und eine entsprechende Messanordnung.
Zur Charakterisierung von Antennen bzw. zur Überprüfung der Funktion von Antennen sind aus dem Stand der Technik verschiedene Messverfahren bekannt, mit denen Parameter der Antennen ermittelt werden können. Häufig wird als messtechnische Größe das Strahlungsdiagramm der Antenne im Freifeld er mittelt, wobei dieses Strahlungsdiagramm die aus verschiede¬ nen Richtungen empfangene Leistung bzw. Strahlungsdichte der Antenne in Bezug auf die Leistung bzw. Strahlungsdichte eine Referenzstrahlers, insbesondere eines isotropen Punktstrah¬ lers, angibt. Hieraus lässt sich der Antennengewinn ermit¬ teln, der die Strahlungsdichte der Antenne in Hauptstrahl¬ richtung im Verhältnis zum Referenzstrahler angibt. Dieser Gewinn wird in der Regel logarithmisch durch dB angegeben.
In vielen herkömmlichen Messverfahren erfolgt die Vermessung einer Antenne im Sendebetrieb, wobei die Antenne mit einer mechanischen Dreh- bzw. Kippvorrichtung in verschiedene Raum winkelbereiche bewegt wird, während eine Referenzantenne die Stärke des Sendesignals misst und daraus die oben erwähnten Parameter in der Form eines Strahlungsdiagramms bzw. des An¬ tennengewinns ermittelt. Um dabei eine Freifeld-Messung mit möglichst wenig Störeinflüssen durchzuführen, werden die zu vermessende Antenne und die Referenzantenne in der Regel in reflexionsarmen Kammern positioniert, wodurch Reflexionen, die zu Mehrwegeausbreitungen und somit zu Verfälschungen füh ren, vermieden werden.
Einen weiteren wesentlichen Störeinfluss bei der Vermessung von Antennen stellt die üblicherweise koaxiale Hochfrequenz- leitung dar, über die der Anschluss der Antenne im Sendebe- trieb mit einem elektrischen Hochfrequenzsignal versorgt wird. Selbst bei optimaler Ankopplung der Hochfrequenzleitung an die Antenne verändert diese Leitung im Nahfeld die elekt¬ rische und magnetische Feldverteilung, was zu Fehlern bei der Messung führt. Insbesondere bei miniaturisierten Antennen mit kleinen Abmessungen im Vergleich zur Betriebswellenlänge bzw. zu den Abmessungen der Hochfrequenzleitung sind solche Störeinflüsse sehr groß.
Um die oben beschriebenen, durch die Hochfrequenzleitung ver- ursachten Störungen zu vermeiden, ist es aus der Druckschrift [1] bekannt, das elektrische Hochfrequenzsignal der Antenne durch einen Miniatursender mit eigener Stromversorgung am Speisepunkt der zu vermessenden Antenne zu ersetzen. Dabei ist es jedoch erforderlich, dass der Sender über eine eigene Batterie verfügt. Ferner kann auch ein kleiner Miniatursender aufgrund seiner räumlichen Ausdehnung die Feldverteilung der Antenne beeinflussen.
In dem Dokument [2] wird zur Vermeidung einer elektrischen Hochfrequenzleitung vorgeschlagen, das Sendesignal optisch über einen Lichtwellenleiter zur Antenne zu leiten und dort mittels einer Schaltung mit Photodiode und Spannungsquelle wieder in ein elektrisches Hochfrequenzsignal zu wandeln. Die Schaltung benötigt wiederum eine Batterie. Ferner ist die Er- zeugung des optischen Hochfrequenzsignals technisch aufwändig .
In der Druckschrift [3] wird ein Verfahren zur Vermessung einer Antenne beschrieben, welches auf einer sog. Backscatter- Modulation basiert. Dabei wird nicht die von der zu vermes¬ senden Antenne aktiv ausgesendete Strahlung ausgewertet, son¬ dern die von einer Referenzantenne ausgesendete Strahlung, welche an der zu vermessenden Antenne rückgestreut wird. In dem Verfahren der Druckschrift [3] ist am Speisepunkt der zu vermessenden Antenne ein RFID-Transponder vorgesehen, und die Messung erfolgt über die benötigte Energie zum Aufwecken des Transponders, wobei diese Energie aus der von der Referenz- Antenne ausgesendeten Strahlung entnommen wird. Nach dem Auf- wecken des Transponders moduliert dieser das rückgestreute Signal, was wiederum von der Referenzantenne erfasst werden kann. Hieraus können dann entsprechende Parameter der Antenne ermittelt werden. Aufgrund der räumlichen Ausdehnung des Transponders kann es wiederum zu störenden Messeinflüssen bei kleinen Antennen kommen. Ferner kann das Verfahren nur für Modulationsfrequenzen eingesetzt werden, für welche passende Transponder verfügbar sind. Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Vermessung einer Antenne zu schaffen, welches die oben beschriebenen Nachteile vermeidet und zu genauen Messergebnissen, insbesondere für Antennen mit kleinen Abmessungen, führt. Diese Aufgabe wird durch das Verfahren gemäß Patentanspruch 1 bzw. die Messanordnung gemäß Patentanspruch 11 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert . In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird über eine Referenzantenne elektromagnetische Strahlung mit einer Trägerfrequenz und vorgegebener Sendeleistung ausgesendet, welche an der zu vermessenden Antenne rückgestreut wird, wobei eine an die zu vermessende Antenne gekoppelte Impedanz, insbesondere eine Impedanz am Speisepunkt der Antenne, variiert wird, indem ein optisches Signal eines Lichtwellenleiters, welches mit einer Modulationsfrequenz kleiner als die Trägerfrequenz moduliert ist, einer optoelektrischen Wandlereinrichtung zugeführt wird, welche elektrisch mit der zu vermessenden Antenne ver- bunden ist. Dabei wird die von der zu vermessenden Antenne rückgestreute Strahlung, welche aufgrund der variierenden Impedanz moduliert ist, von der Referenzantenne empfangen und daraus ein oder mehrere Parameter der zu vermessenden Antenne ermittelt. Die Modulationsfrequenz beträgt dabei vorzugsweise 5% oder weniger der Trägerfrequenz, besonders bevorzugt 1% oder weniger der Trägerfrequenz. Der Begriff der Referenzantenne ist erfindungsgemäß weit zu verstehen. Insbesondere kann eine Referenzantenne gegebenen¬ falls eine separate Sendeantenne zum Aussenden der Antennen¬ strahlung und eine separate Empfangsantenne zum Empfangen der rückgestreuten Strahlung umfassen, wobei diese Antennen zur Vermeidung von Messfehlern räumlich nahe beieinander angeordnet sein sollten. Vorzugsweise ist die Referenzantenne jedoch eine sog. Transceiver-Antenne mit einer einzigen Sende- und Empfangsantenne, welche die Strahlung mit der Trägerfrequenz aussendet und gleichzeitig die modulierte und rückgestreute Strahlung empfängt. Hierdurch wird sichergestellt, dass der Ort des Aussendens der Strahlung mit dem Ort des Empfangs der rückgestreuten Strahlung übereinstimmt. Das erfindungsgemäße Verfahren zeichnet sich durch die Kombi¬ nation der Backscatter-Messtechnik mit einer Impedanzvariation über ein optisches Signal aus. Hierdurch werden elektrische Hochfrequenzleitungen hin zur Antenne vermieden, welche das Nahfeld der Antenne stören. Ferner erfolgt die Impedanz- Variation auf einfache Weise mittels eines optoelektrischen Wandlers, ohne dass aufwändige elektronische Bauteile am Speisepunkt der Antenne vorgesehen werden müssen. Darüber hinaus wird das optische Signal im Lichtwellenleiter mit ei¬ ner Frequenz moduliert, welche kleiner als die in der Regel sehr hochfrequente Trägerfrequenz der Referenzantenne ist, so dass die Erzeugung des optischen Signals vereinfacht wird.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können insbesondere sehr kleine Antennen mit Abmessungen im Zentimeter-Bereich ohne störende Einflüsse auf die Feldverteilung der Antenne im Nah¬ bereich vermessen werden. Ein Anwendungsgebiet der Erfindung ist beispielsweise die Vermessung von Antennen in Hörgeräten, welche dort zur Datenkommunikation verwendet werden. Die Parameter der Antenne, welche mit dem Verfahren ermittelt werden, sind insbesondere das Strahlungsdiagramm der Antenne bzw. der Gewinn der Antenne, wobei in der detaillierten Beschreibung an einem Ausführungsbeispiel dargelegt wird, wie diese Größen aus den Systemparametern der Messanordnung abgeleitet werden können.
In einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Verfah- rens ist das optische Signal des Lichtwellenleiters die mit der Modulationsfrequenz amplitudenmodulierte Intensität des im Lichtwellenleiter transportierten Lichts. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Messung der An- tennencharakteristika derart, dass die an der Referenzantenne empfangene Leistung für ein Seitenband der modulierten und rückgestreuten Strahlung gemessen wird und hieraus das oder die Parameter der zu vermessenden Antenne bestimmt werden. Dabei wird insbesondere die rückgestreute Strahlung für die¬ jenige Seitenbandfrequenz ermittelt, welche gegenüber der Trägerfrequenz um die Modulationsfrequenz erhöht oder erniedrigt ist. Diese Frequenzen enthalten im Wesentlichen die gesamte rückgestreute Leistung und weitere höhere bzw. niedri¬ gere Frequenzen der Seitenbänder können vernachlässigt werden .
Die optoelektrische Wandlereinrichtung kann im Rahmen des Messvorgangs unterschiedlich ausgestaltet sein. Es ist ledig¬ lich sicherzustellen, dass diese Einrichtung in Antwort auf das modulierte optische Signal des Lichtwellenleiters ein elektrisches Signal derart erzeugt, dass hierdurch eine an die Antenne gekoppelte Impedanz variiert wird. Beispielsweise kann die Impedanz durch eine optoelektrische Wandlereinrichtung in der Form zumindest eines mit der zu vermessenden Antenne verschalteten Phototransistors und/oder zumindest einer mit der zu vermessenden Antenne verschalteten Photodiode variiert werden, wobei das optische Signal des Lichtwellenlei¬ ters auf den zumindest einen Phototransistor und/oder die zumindest eine Photodiode fällt und hierdurch die Schaltzustän¬ de des zumindest einen Phototransistors und/oder den Photo- ström der zumindest einen Photodiode variiert.
Zur Ermittlung von aussagekräftigen Messergebnissen liegt die Trägerfrequenz bei der Durchführung der Messung vorzugsweise im Bereich der Betriebsfrequenz der zu vermessenden Antenne, wobei diese Betriebsfrequenz in der Regel der Resonanzfre¬ quenz der Antenne entspricht. Die Trägerfrequenz kann z.B. bei 100 MHz und größer liegen, insbesondere bei 500 MHz und größer. Demgegenüber liegt die Modulationsfrequenz vorzugsweise bei 5 kHz und größer, insbesondere bei 10 kHz und grö¬ ßer und besonders bevorzugt bei 100 kHz und größer. Insbeson¬ dere können Trägerfrequenzen im lizenzfreien ISM-Band verwendet werden, um Antennen zu vermessen, welche in einem solchen Frequenzbereich arbeiten.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform erfolgt die Variation der Impedanz passiv ohne Verwendung einer Span- nungs- bzw. Stromquelle. Gegebenenfalls kann die Impedanz je- doch auch aktiv durch Verschaltung einer Spannungsquelle mit der zu vermessenden Antenne verändert werden. Basierend auf einer entsprechenden optoelektrischen Wandlereinrichtung kann die Impedanz beispielsweise zwischen dem Wert Null (Kurz- schluss) und dem Wert unendlich (Trennung der Antenne von der Wandlereinrichtung) variiert werden.
Um Strahlungsdiagramme mit dem erfindungsgemäßen Verfahren zu messen, werden in einer bevorzugten Variante die zu vermessende Antenne und die Referenzantenne bei der Vermessung in verschiedenen Relativpositionen angeordnet, wobei in jeder
Relativposition die rückgestreute Strahlung von der Referenzantenne empfangen wird und daraus ein oder mehrere Parameter der zu vermessenden Antenne ermittelt werden. Um eine Verfälschung der Messergebnisse aufgrund von Reflexi¬ onen zu vermeiden, werden in einer besonders bevorzugten Ausführungsform die Referenzantenne und die zu vermessende An¬ tenne beim Messvorgang in einer reflexionsarmen Umgebung angeordnet .
Neben dem oben beschriebenen Verfahren betrifft die Erfindung ferner eine Messanordnung zur Vermessung einer Antenne. Diese Messanordnung umfasst eine Referenzantenne, welche im Messbe- trieb Strahlung mit einer Trägerfrequenz und vorgegebener Sendeleistung aussendet und die an der zu vermessenden Antenne rückgestreute Strahlung empfängt. Die Anordnung beinhaltet ferner einen Modulator, der mit einem Lichtwellenleiter ver- bunden ist, um ein mit einer Modulationsfrequenz moduliertes optisches Signal in den Lichtwellenleiter einzuspeisen, wobei die Modulationsfrequenz kleiner als die Trägerfrequenz ist. Ferner ist eine optoelektrische Wandlereinrichtung vorgese¬ hen, mit der eine im Messbetrieb mit der zu vermessenden An- tenne gekoppelte Impedanz variiert wird, indem das optische Signal des Lichtwellenleiters der optoelektrischen Wandler¬ einrichtung zugeführt wird. Die erfindungsgemäße Messanord¬ nung beinhaltet ferner eine an die Referenzantenne gekoppelte Auswerteeinrichtung, welche die von der Referenzantenne emp- fangene Strahlung, die von der zu vermessenden Antenne rückgestreut und aufgrund der variierenden Impedanz moduliert ist, auswertet und daraus einen oder mehrere Parameter der zu vermessenden Antenne ermittelt. Die erfindungsgemäße Messanordnung dient somit zur Durchfüh¬ rung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Insbesondere ist die Messanordnung dabei derart ausgestaltet, dass eine oder meh¬ rere Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens mit der Messanordnung durchgeführt werden können.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Fig. 1 detailliert beschrieben. Diese Figur zeigt schematisch eine Draufsicht auf eine Messanordnung, mit der eine Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ver- messung einer Antenne durchgeführt wird.
In der Messanordnung der Fig. 1 wird eine Antenne 1 in der Form einer Dipolantenne vermessen. Bei dieser Antenne handelt es sich z.B. um eine Antenne mit einer Betriebsfrequenz im Hochfrequenzbereich, z.B. im ISM-Band. Insbesondere können mit der Messanordnung Antennen vermessen werden, deren Abmessungen klein gegenüber der Wellenlänge der Betriebsfrequenz bzw. klein gegenüber den Abmessungen der Anschlussleitung der Antenne sind. Zum Beispiel kann es sich bei der Antenne um eine in einem Hörgerät integrierte Antenne handeln, welche dazu verwendet wird, um im Rahmen der Anpassung des Hörgeräts drahtlos eine Datenkommunikation mit dem Hörgerät durchzufüh- ren .
Bei der Vermessung der Antenne 1 wird ein sog. Backscatter- Verfahren verwendet, bei dem eine Referenzantenne 5 in der Form einer Transceiver-Antenne Strahlung mit einer Trägerfre- quenz (insbesondere der Betriebsfrequenz der Antenne 1) und vorgegebener Sendeleistung aussendet. Diese Antennenstrahlung wird an der zu vermessenden Antenne 1 rückgestreut, wobei die rückgestreute Strahlung wiederum von der Referenzantenne 5 empfangen wird und daraus dann entsprechende Parameter der zu vermessenden Antenne ermittelt werden. Zur Auswertung der empfangenen Strahlung ist dabei eine Auswerteeinheit 6 in der Form eines Backscatter-Transceivers vorgesehen, der zum einen das Aussenden der Strahlung über die Referenzantenne veranlasst und zum anderen die rückgestreute Strahlung erfasst und hieraus die entsprechenden Parameter der zu vermessenden Antenne ermittelt.
Mit der Messanordnung der Fig. 1 werden vorzugsweise zum einen das Strahlungsdiagramm der Antenne 1 und zum anderen der Gewinn in Hauptstrahlrichtung bzw. in beliebigen anderen
Richtungen ermittelt, wie weiter unten noch näher erläutert wird. Um Messfehler möglichst gering zu halten, werden sowohl die zu vermessende Antenne 1 als auch die Referenzantenne 5 in einem reflexionsarmen Raum R angeordnet, wobei zur Vermei- dung von Reflexionen Pyramidenabsorber an den Wänden und an der Decke des Raums sowie Ferrit-Kacheln am Boden vorgesehen sind .
In der Messanordnung der Fig. 1 ist eine optoelektrische Wandlereinrichtung 2 vorgesehen, welche ein optisches Signal in der Form von moduliertem Licht eines Lichtwellenleiters 3 empfängt. Das modulierte Licht wird von einem Modulator 4 er¬ zeugt, der an einem Ende des Lichtwellenleiters vorgesehen ist und das Licht in den Wellenleiter einspeist. Dabei wird durch den Modulator 4 eine Amplitudenmodulation der Intensität des Lichts durchgeführt, wobei die Modulation des Lichts mit einer Modulationsfrequenz erfolgt, welche wesentlich kleiner als die Trägerfrequenz der von der Referenzantenne 5 ausgesendeten Strahlung ist.
Durch das auf die optoelektrische Wandlereinrichtung 2 fal¬ lende Licht wird ein elektrisches Signal generiert, das in geeigneter Weise eine an die Antenne 1 gekoppelte Impedanz variiert. Es sind dabei verschiedene Ausgestaltungen möglich, wie mit einer optoelektrischen Wandlereinrichtung eine Impedanz geeignet moduliert werden kann. In der Ausführungsform der Fig. 1 wird eine besonders einfache optoelektrische Wand- lung mit einem Phototransistor T durchgeführt, der genauer in der Detailansicht D dargestellt ist. Man erkennt in der De¬ tailansicht, dass die optoelektrische Wandlereinrichtung ei¬ nen an sich bekannten Phototransistor T umfasst, auf den das aus dem Lichtwellenleiter 3 austretende modulierte Licht fällt. Der Transistor T verbindet dabei die beiden Hälften der Dipolantenne 1 und er ändert seine Schaltzustände durch das modulierte einfallende Licht, so dass im Idealfall zwi¬ schen einem Zustand mit Impedanz unendlich (Transistor sperrt) und einem Zustand mit Impedanz Null (Transistor schaltet durch und erzeugt Kurzschluss) gewechselt wird. Da üblicherweise keine idealen Schaltzustände vorliegen, wird in der Regel zwischen einem Zustand mit einem ersten Impedanzwert und einem Zustand mit einem zweiten Impedanzwert gewech¬ selt.
Durch die Variation der Impedanz über das modulierte optische Signal des Lichtwellenleiters wird eine Modulation der von der Antenne 1 rückgestreuten Strahlung bewirkt. Insbesondere entstehen im Frequenzspektrum der rückgestreuten Strahlung zwei Seitenbänder umfassend eine Frequenz bei der Trägerfre¬ quenz zuzüglich der Modulationsfrequenz und eine Frequenz bei der Trägerfrequenz abzüglich der Modulationsfrequenz. Diese beiden Frequenzen tragen die meiste Energie der rückgestreu- ten Strahlung, so dass höhere bzw. niedrigere Frequenzen der Seitenbänder im Rahmen der Messung und Auswertung vernachlässigt werden können. Bei der Durchführung der Messung wird durch die Auswerteeinheit 6 die Empfangsleistung der modulierten und rückgestreuten Strahlung am Ort der Referenzantenne 5 ermittelt und hieraus der richtungsabhängige Gewinn der Antenne 1 berech¬ net. Der Ermittlung des richtungsabhängigen Gewinns Gr liegt dabei folgende Formel zu Grunde, welche aus der hinlänglich bekannten monostatischen Radargleichung abgeleitet ist:
Figure imgf000012_0001
Hierbei bezeichnet Pt die von der Referenzantenne abgestrahl¬ te Leistung, welche vorbekannt ist. R stellt den Abstand zwi¬ schen Referenzantenne 5 und zu vermessender Antenne 1 dar, der ebenfalls bekannt ist. Die Referenzantenne ist dabei mit ihrer Hauptstrahlrichtung auf die zu vermessende Antenne ge- richtet. Darüber hinaus bezeichnet λ die Wellenlänge der
Frequenz aus einem Seitenband der rückgestreuten Strahlung. Das heißt, λ entspricht der Wellenlänge der Trägerfrequenz zuzüglich der Modulationsfrequenz oder abzüglich der Modulationsfrequenz. Die Größe Gt bezeichnet den Gewinn der Refe- renzantenne 5 in Hauptstrahlrichtung und berücksichtigt in der hier beschriebenen Ausführung ferner Zuleitungsverluste und Polarisationsverluste.
In einer konkreten Messung wurde eine Hörgeräteantenne basie- rend auf einer Trägerfrequenz von 868 MHz vermessen, wobei diese Trägerfrequenz der Betriebsfrequenz der Hörgeräteantenne entspricht. Das rückgestreute Signal war mit einer Modula¬ tionsfrequenz von 200 kHz moduliert. Die Distanz zwischen Referenzantenne und zu vermessender Antenne betrug 1,9 m. Die Pfadverluste pro Weg zwischen Hörgeräteantenne und Referenz¬ antenne lagen bei 36,8 dB. Die Sendeleistung Pt der Referenz- antenne lag bei -7 dBm. Die Zuleitungsverluste lagen bei 3 dB und die Polarisationsverluste bei 6 dB. Der Antennengewinn Gt der Referenzantenne betrug 7 dBi (bezogen auf einen isotropen Strahler) . Zur Auswertung wurde das analog empfangene Anten- nensignal mit einem AD-Wandler in der Auswerteeinheit 6 in ein digitales Signal gewandelt, wobei sich von der Antennen¬ buchse der Referenzantenne bis zum Digitalausgang ein Gesamt¬ gewinn von 179 dB ergab. All diese Größen wurden in geeigneter Weise in der obigen Gleichung berücksichtigt, wobei sich aufgrund der Polarisationsverluste und der Zuleitungsverluste für den Gewinn Gt der Referenzantenne effektiv 0 dB ergab. Insgesamt konnte der Gewinn Gr in dB für die obigen Systempa¬ rameter durch folgende Formel bestimmt werden, wobei Pr in der Einheit Watt anzugeben ist:
Figure imgf000013_0001
Der in dieser Formel enthaltene Faktor 2 vor der Empfangs¬ leistung Pr berücksichtigt dabei, dass nur der Absolutpegel eines der Seitenbänder gemessen wird, und somit die gesamte
Empfangsleistung doppelt so hoch ist, da diese auf beide Sei¬ tenbänder gleich verteilt ist.
In den obigen Gleichungen (1) und (2) wird davon ausgegangen, dass die gesamte Leistung durch die Antenne 1 rückgestrahlt wird. Je nach verwendeter Ausführungsform der Impedanzvariation können auch Wirkverluste auftreten, so dass nicht alle Leistung rückgestrahlt wird. Dies kann in geeigneter Weise durch eine Kalibration der Messanordnung mit einer Antenne bekannter Strahlcharakteristik berücksichtigt werden.
Basierend auf der oben dargelegten Auswertung kann somit der richtungsabhängige Gewinn gemessen werden. Es ist dabei eine Dreh- und Kippanordnung zur Verdrehung bzw. Verkippung der Antenne 1 vorgesehen, so dass der richtungsabhängige Gewinn in beliebigen Raumrichtungen erfasst werden kann. Basierend darauf kann dann ein geeignetes Strahlungsdiagramm der zu vermessenden Antenne 1 erstellt werden und auch der Gewinn in Hauptstrahlrichtung der Antenne angegeben werden.
Das oben beschriebene Messverfahren weist eine Reihe von Vor- teilen auf. Die Messung kann für verschiedene Trägerfrequenzen durchgeführt werden, solange die Variation der Impedanz für jede Trägerfrequenz bekannt ist. Durch die Zuleitung des Modulationssignals über einen Lichtwellenleiter wird dabei die Feldverteilung um die zu vermessende Antenne in vernach- lässigbar kleinem Umfang beeinflusst, so dass die durchge¬ führte Messung hochpräzise ist. Insbesondere ist die Messung wesentlich genauer als herkömmliche Messungen, bei denen über eine elektrische Zuleitung ein Hochfrequenzsignal zu der zu vermessenden Antenne geführt wird und die sich daraus erge- bende Antennenstrahlung gemessen wird. Vor allem bei miniaturisierten Antennen führen solche elektrischen Zuleitungen zu einer Veränderung der Feldverteilung der zu vermessenden Antenne und dadurch zu einer Verfälschung der Messergebnisse. Im Gegensatz zu dem in der Druckschrift [1] beschriebenen
Verfahren ist es nicht mehr erforderlich, einen aktiven Sender an der Antenne vorzusehen. Ein solcher Sender hat nicht nur wegen seiner räumlichen Ausdehnung möglicherweise einen schädlichen Einfluss auf die Feldverteilung der zu vermessen- den Antenne, sondern er ist in der Regel auch nur auf eine
Frequenz beschränkt und hat ferner unter Umständen keine gut kalibrierbare Ausgangsleistung.
Im Unterschied zu der Druckschrift [2] benötigt man für die zu vermessende Antenne keine Batterie, um Antennenstrahlung zu erzeugen. Durch die Vermeidung einer Batterie wird wiederum die physikalische Ausdehnung der Speisung der zu vermessenden Antenne verkleinert, so dass das Strahlungsdiagramm weniger durch die Messanordnung beeinflusst wird. Zudem ist die technische Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung wesentlich einfacher, da auf dem Lichtwellenleiter nicht das durch die Antenne ausgestrahlte Hochfrequenzsignal übertragen wird, sondern lediglich ein niederfrequentes Modulationssig- nal . Im Vergleich zu dem Verfahren der Druckschrift [3] kann auf die Verwendung von RFID-Schaltkreisen verzichtet werden, welche aufgrund ihrer räumlichen Ausdehnung wiederum die Messung verfälschen können. Darüber hinaus ist das Verfahren der Druckschrift [3] auf solche Frequenzen beschränkt, für welche RFID-Transponder verfügbar sind, wohingegen das erfindungsgemäße Verfahren nahezu für beliebige Frequenzen verwendbar ist .
Literaturverzeichnis
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[2] T. Fukusawa et al . : „Accurate and Effective Measurement Method for Small Antenna using Fiber-Optics", Mitsubishi Electric Corporation.
[3] P. Pursula et al . : „Antenna effective aperture measure¬ ment with backscattering modulation", IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 55, Nr. 10, Oktober 2007.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Vermessung einer Antenne (1), bei dem:
über eine Referenzantenne (5) Strahlung mit einer Träger- frequenz und vorgegebener Sendeleistung ausgesendet wird, welche an der zu vermessenden Antenne (1) rückgestreut wird, wobei eine an die zu vermessenden Antenne (1) ge¬ koppelte Impedanz variiert wird, indem ein optisches Sig¬ nal eines Lichtwellenleiters (3) , welches mit einer Modu- lationsfrequenz kleiner als die Trägerfrequenz moduliert ist, einer optoelektrischen Wandlereinrichtung (2) zugeführt wird, welche elektrisch mit der zu vermessenden Antenne (1) verbunden ist;
die von der zu vermessenden Antenne (1) rückgestreute Strahlung, welche aufgrund der variierenden Impedanz moduliert ist, von der Referenzantenne (5) empfangen wird und daraus ein oder mehrere Parameter der zu vermessenden Antenne (1) ermittelt werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das optische Signal des Lichtwellenleiters (3) die mit der Modulationsfrequenz amplitudenmodulierte Intensität des im Lichtwellenleiter (3) transportierten Lichts ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die an der Referenzantenne (5) empfangene Leistung für ein Seitenband der modulierten und rückgestreuten Strahlung gemessen wird, insbesondere für die Seitenbandfrequenz , welche gegenüber der Trägerfrequenz um die Modulationsfrequenz erhöht oder ernied- rigt ist, und hieraus das oder die Parameter der zu vermes¬ senden Antenne (1) ermittelt werden.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Impedanz durch eine optoelektrische Wandlereinrichtung (2) in der Form zumindest eines mit der zu vermessenden Antenne (1) verschalteten Phototransistors (T) und/oder einer mit der zu vermessenden Antenne (1) verschalteten Photodiode variiert wird, wobei das optische Signal des Lichtwellenlei- ters (3) auf den zumindest einen Phototransistor (T) und/oder die zumindest eine Photodiode fällt und hierdurch die Schalt¬ zustände des zumindest einen Phototransistors (T) und/oder den Photostrom der zumindest einen Photodiode variiert.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Trägerfrequenz im Bereich der Betriebsfrequenz der zu vermessenden Antenne liegt.
6. Verfahren nach einem der vorhergehende Ansprüche, bei dem die Trägerfrequenz bei 100 MHz und größer liegt, insbesondere bei 500 MHz und größer, und/oder die Modulationsfrequenz bei 5 KHz und größer liegt, insbesondere 10 KHz und größer und besonders bevorzugt bei 100 KHz und größer.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Impedanz mit oder ohne Verwendung einer mit der zu vermessenden Antenne (1) verschalteten Spannungsquelle variiert wird .
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Referenzantenne (1) eine Transceiver-Antenne ist, welche die Strahlung mit der Trägerfrequenz aussendet und gleichzei¬ tig die modulierte und rückgestreute Strahlung empfängt.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zu vermessende Antenne (1) und die Referenzantenne (3) bei der Vermessung in verschiedenen Relativpositionen angeordnet werden, wobei in jeder Relativposition die rückge- streute Strahlung von der Referenzantenne (5) empfangen wird und daraus ein oder mehrere Parameter der zu vermessenden Antenne (1) ermittelt werden.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem bei der Vermessung die Referenzantenne (3) und die zu vermessende Antenne (1) in einer reflexionsarmen Umgebung angeordnet sind . Messanordnung zur Vermessung einer Antenne, umfassend eine Referenzantenne (5) , welche im Messbetrieb Strahlung mit einer Trägerfrequenz und vorgegebener Sendeleistung aussendet und die an der zu vermessenden Antenne (1) rückgestreute Strahlung empfängt;
einen Modulator (4), der mit einem Lichtwellenleiter (3) verbunden ist, um ein mit einer Modulationsfrequenz moduliertes optisches Signal in den Lichtwellenleiter (3) einzuspeisen, wobei die Modulationsfrequenz kleiner als die Trägerfrequenz ist;
eine optoelektrische Wandlereinrichtung (2), mit der eine im Messbetrieb mit der zu vermessenden Antenne (1) gekop¬ pelte Impedanz variiert wird, indem das optische Signal des Lichtwellenleiters (3) der optoelektrischen Wandlereinrichtung (2) zugeführt wird;
eine an die Referenzantenne (5) gekoppelte Auswerteein¬ richtung (6), welche die von der Referenzantenne (5) emp¬ fangene Strahlung, welche von der zu vermessenden Antenne (1) rückgestreut und aufgrund der variierenden Impedanz moduliert ist, auswertet und daraus einen oder mehrere Parameter der zu vermessenden Antenne (1) ermittelt.
Messanordnung nach Anspruch 11, welche derart ausgestaltet ist, dass mit der Messanordnung ein Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 10 durchführbar ist.
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