Transformation der Antennenmesstechnik

Bei Emerson Test & Measurement finden Ingenieure und Techniker zukunftsfähige Nahfeldtechnik für eine Vielzahl von Anwendungen. 

In drahtlosen Kommunikations- oder Sensorgeräten jeglicher Art sind Antennen unverzichtbar. Moderne Antennen, wie sie beispielsweise in Radar-, Mobilfunk- oder Satellitenkommunikationsanlagen zum Einsatz kommen, sind mit Schaltkreisen ausgestattet, mit deren Hilfe sich die Übertragungsrichtung, Interferenzen oder der Abhörschutz steuern lassen. Dadurch kann ein Radarsystem die Position von Zielen eindeutig bestimmen und die Leistungsfähigkeit von Kommunikationsverbindungen sowie Netzwerken erhöhen.

Diese Art von Antennen wird auch ESA (Electronically Steered Array; elektronisch gesteuerte Anordnung) genannt. Es handelt sich um Arrays aus passiven Antennenelementen (z. B. Patchantennen), die mit einem sogenannten Speisenetzwerk kombiniert sind, das die Steuerung von Amplitude und Phase pro Array-Element ermöglicht. So können HF-Übertragungen in die gewünschten Richtungen gelenkt werden. Dabei variieren die Ausführungen erheblich, was den Frequenzbereich, die Leistungseigenschaften und das Array-Design angeht. In diesem Artikel liegt der Fokus auf der Messung dieser Antennen.

Antennenmessungen 

Um beispielsweise Vorschriften und Systemspezifikationen einzuhalten und die Betriebsbereitschaft des Systems zu überprüfen, ist die Messung der Strahlungseigenschaften einer Antenne wichtig. Das gemessene Signal breitet sich über die Luft aus. Im Vergleich zu konduktiven Messungen, bei denen das Signal über Sondenspitzen oder Steckverbinder und Kabel oder Wellenleiter abgegriffen wird, sind Strahlungsmessungen in der Regel komplexer und kostspieliger. Sie erfordern Messantennen und schalltote Kammern, um Störungen durch andere Signale zu reduzieren, die zu einer höheren Messunsicherheit führen. Um räumliche Eigenschaften zu messen, muss die zu prüfende Antenne bzw. die Messantenne unter Verwendung von Stellungsreglern, Drehtischen oder Robotern gedreht werden. Leider sind damit komplexe mechanische Gegebenheiten verbunden, um beispielsweise Positionsunsicherheiten und Phasenabweichungen beim Bewegen von Kabeln zu minimieren.

Die meisten Antennen sind so konzipiert, dass sie eine erhebliche Entfernung zwischen Sender und Empfänger überbrücken können. Daher besteht das Interesse, die Eigenschaften für solche Entfernungen in der sogenannten „Fernfeldzone“ zu bestimmen. Abbildung 2 zeigt drei gängige Anordnungen zur Ermittlung der Fernfeld-Eigenschaften: entweder wird mit ausreichendem Abstand zwischen Antenne und Sonde gemessen, wobei die elektromagnetischen Wellen mit einem Reflektor kollimiert werden, um Fernfeldbedingungen im näheren Bereich zu erzeugen, oder es wird eine Oberfläche in der Nähe der Antenne (im sogenannten „Nahfeld“) abgetastet. Anschließend werden die Daten in Fernfeld-Eigenschaften umgewandelt. Bei diesen Anordnungen sind individuelle Kompromisse hinsichtlich Größe, Komplexität, Geschwindigkeit und Kosten zu berücksichtigen (siehe z. B. [1] als Orientierung). Sie stellen jedoch im Allgemeinen eine ökonomische Herausforderung dar – insbesondere bei größeren Antennen – und können eine gründlichere Prüfung verhindern.

Innovative Nahfeldtechnik als Lösung 

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Forscher von NI und der TU Dresden haben einen bahnbrechenden Ansatz gefunden, der es den prüfenden Technikern und Ingenieuren ermöglicht, die Strahlung einer Antenne mit äußerst kompakten Geräten zu messen – und das in einem Bruchteil der Zeit, die mit herkömmlichen Methoden erforderlich wäre, bei gleicher Genauigkeit (siehe [4], [6]). Aufgrund des kompakten Aufbaus ist dieser Ansatz ideal für die Prüfung von ESAs im Feld geeignet. So lässt sich vermeiden, große Geräte in größere Kammern zu stellen oder die Antennen aus diesen Geräten herauszunehmen, um die Messungen durchzuführen.

Eine Anordnung (Array) von Sondenantennen wird in unmittelbarer Nähe zur zu prüfenden Antenne platziert. Durch die geringe Distanz zwischen Antenne und Sonde wird der Aufbau verkleinert. „Nah“ steht in diesem Fall für „Nahfeld“. Abbildung 3 veranschaulicht den Vorteil der Platzierung im Nahfeld: Bei einer Antenne mit einem Durchmesser von 1 m und einer Frequenz von 1 GHz beginnt das abgestrahlte Nahfeld, in dem herkömmliche Nahfeldscanner arbeiten, in einem Abstand von etwa 1,13 m von der Antenne; das Fernfeld beginnt bei 6,7 m. Bei den Experimenten wurden außerdem sehr gute Ergebnisse mit dem Sonden-Array erzielt, das im reaktiven Nahfeld aufgestellt war. Dabei handelte es sich um eine noch kompakter Aufbauvariante.

Im Gegensatz zu Nahfeldscannern ist bei der neuartigen Technik keine mechanische Bewegung erforderlich. Dies vereinfacht die Mechanik erheblich und verhindert einen vorzeitigen Verschleiß der Kabel. Außerdem verbessert sich so erheblich die Betriebsstabilität und die Wiederholbarkeit der Messungen. Darüber hinaus werden die Messungen – insbesondere die von Strahlungsmustern und der räumlichen Verteilung anderer HF-Parameter – durch den Verzicht auf Bewegungen beschleunigt.

Ein lineares Mapping wandelt Nahfelddaten in Fernfeld-Äquivalente um. Hierzu sind mindestens so viele Sonden erforderlich, wie es Array-Elemente im ESA gibt. An allen diesen Sonden lässt sich das Feld gleichzeitig mit ebenso vielen Instrumentenkanälen messen. Dies ist die schnellste Methode, ist jedoch nur für eine kleine Anzahl an Elementen praktikabel. Zwischen den Sonden kann mit einem einzigen Instrumentenkanal umgeschaltet werden. Dies ist am einfachsten und ermöglicht genaue Messungen der Übertragungseigenschaften der Antenne.

Um eine einkanalige Konfiguration gut auf verschiedene Array-Größen skalieren zu können, empfiehlt es sich, das Nahfeldsonden-Array mit einem Beamforming-Netzwerk zu kombinieren. Dies ermöglicht eine optimale Steuerung der vom Sondenarray erzeugten Felder, wodurch die prüfenden Techniker und Ingenieure auch die Empfangseigenschaften eines ESA messen können.

Wir haben den Messansatz in einer Machbarkeitsprüfung auf Basis handelsüblicher mmW-Kommunikationstechnologie demonstriert (siehe auch [4]). In Abbildung 4 ist der Aufbau mit einem 64-Elemente-Array passiver Sonden sowie einem 64-Elemente-Dual-Polarisation-ESA mit NXP-MMW9014K-Beamformern dargestellt. Ein weiteres von uns gemessenes ESA umfasste 16 einfach polarisierte Elemente und nutzte Beamformer des Typs Anokiwave AWMF-0108. Der Abstand zwischen den Arrays betrug 5 mm. Zum Vergleich führten wir direkt im Fernfeld in einer schalltoten Kammer von Bojay Messungen mit den NI Softwareanwendungen RFmx und OTA für Messungen durch [2]. Bei allen Messungen verwendeten wir einen NI PXIe-5831 mmWave Vektorsignal-Transceiver (VST) mit 18 Ports.

Die Abbildungen 5 bis 7 veranschaulichen die gute Korrelation unserer Messungen mit herkömmlichen Methoden. Abbildung 5 zeigt die Übertragungsmuster des 64-Elemente-ESA für zwei verschiedene Strahlkonfigurationen bei 25,875 GHz (siehe auch [4]). Abbildung 6 veranschaulicht die Messung der Empfangsmuster des 16-Elemente-ESA bei 28 GHz. In diesem Fall vergleichen wir Ausführungen mit vier Signalgeneratoren mit einer Ausführung, die einen einzelnen Generator und einen einzigen Beamformer auf der Seite der Sonden verwendet (siehe [7] und [8]). Abbildung 7 zeigt schließlich breitbandmodulierte Messungen der Fehlervektorgröße (EVM) für dasselbe 16-Elemente-Array bei 28 GHz, die auf Basis eines 3GPP-5G-NR-Frequenzbereich-2-Signals durchgeführt wurden (siehe [5]). Die Ergebnisse für drei verschiedene Strahlrichtungen stimmen gut mit denen herkömmlicher Methoden überein.

Kalibrierung erforderlich 

Um solche hervorragenden Ergebnisse zu erzielen, müssen die Parameter des Nahfeld-zu-Fernfeld-Mappings zunächst kalibriert werden. Erst dann können Messungen in Fernfeld-Eigenschaften umgewandelt werden. Sobald die Parameter bekannt und gespeichert sind, gelten sie für die Verarbeitung von Messungen über einen langen Zeitraum. Das liegt daran, dass das Mapping von den „passiven“ Eigenschaften des Antennendesigns abhängt. Diese formen das elektromagnetische Feld über die Luft (d. h. die mechanische Auslegung und die Materialauswahl der Teile, die der abgestrahlten Umgebung zugewandt sind). Die Mapping-Parameter sind somit unabhängig von den Auswirkungen aktiver Schaltungen in der zu prüfenden Antenne.

Zur Kalibrierung des Mappings muss einmalig ein Referenz-ESA gemessen werden. Anders als beim Ansatz „Golden Unit“ muss man sich aufgrund der Konzeption des Verfahrens keinerlei Gedanken über eine langfristige Drift oder Ausfälle im Zeitverlauf machen. Dennoch sind die Mapping-Parameter vom ESA-Design abhängig. Dementsprechend eignet sich diese Nahfeldsonden-Array-Methode hervorragend, wenn Messungen für ein bestimmtes ESA-Design wiederholt durchgeführt werden müssen. Solche Situationen können sich beispielsweise bei der automatisierten Validierung während der Entwicklung, bei Produktionstests oder zur Überprüfung der Einsatzbereitschaft während der gesamten Lebensdauer des Systems ergeben.

Autoren: Thomas Deckert, Vincent Kotzsch, Emerson Test & Measurement (NI) 

Bilder: Emerson Test & Measurement (NI)