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Das Verständnis von Antennenverstärkung und -direktivität ist für die Entwicklung und Bewertung drahtloser Kommunikationssysteme unerlässlich. Diese grundlegenden Parameter bestimmen, wie effektiv eine Antenne elektromagnetische Energie in bestimmte Richtungen fokussiert, was sich direkt auf die Systemleistung, den Abdeckungsbereich und die Signalqualität auswirkt. Eine genaue Messung von Verstärkung, Direktivität und Strahlungsmustern ist notwendig, um Designs zu überprüfen und sicherzustellen, dass Antennen die Spezifikationen erfüllen. Ob Sie an Satellitenkommunikation, Radarsystemen, 5G-Netzwerken oder IoT-Geräten arbeiten, die Beherrschung dieser Messtechniken stellt sicher, dass Ihre Antennensysteme optimale Leistung in realen Anwendungen liefern.

Grundlagen von Antennengewinn und Direktivität

Direktion verstehen

Richtwirkung einer Antenne ist das Verhältnis der Leistungsdichte der realen Antenne in ihrer Hauptrichtung zu einem hypothetischen, aber nicht vorhandenen isotropen Strahler, der gleichmäßig in alle Richtungen abstrahlen würde. Einfacher ausgedrückt misst die Richtwirkung, wie gut eine Antenne die abgestrahlte Leistung in einer bestimmten Richtung konzentriert, verglichen mit einer idealen isotropen Quelle, die in allen Richtungen gleich abstrahlt.

Eine gerichtete Antenne konzentriert ihre abgestrahlte Leistung nur auf einen kleinen Teil der Kugeloberfläche. Diese Konzentration von Energie gibt den gerichteten Antennen die Fähigkeit, Signale effektiver in bestimmte Richtungen zu senden oder zu empfangen. Richtwirkung zeigt an, wie konzentriert die Strahlung in einer bestimmten Richtung ist, verglichen mit einem isotropen Strahler. Höhere Richtwirkung bedeutet, dass die Antenne mehr Energie auf einen bestimmten Punkt konzentriert und so die Signalstärke erhöht.

Das Konzept der Direktivität ist rein theoretisch, da es eine verlustfreie Antenne annimmt. Direktivität fragt: Wie gut fokussiert die Antenne die Energie im Vergleich zu einer isotropen Quelle, ohne Verluste anzunehmen? Das macht die Direktivität zu einem nützlichen Parameter, um die inhärente Fokussierungsfähigkeit der physikalischen Struktur einer Antenne unabhängig von Materialverlusten oder Ineffizienzen zu verstehen.

Verständnis Antennengewinn

Der Gewinn quantifiziert, wie effektiv eine Antenne die abgestrahlte Leistung in eine bestimmte Richtung konzentriert. Sie kombiniert die Richtfähigkeit der Antenne (Direktivität) mit ihren ohmschen und materiellen Verlusten (Effizienz), was sie zur praktischsten Verdienstfigur für echte Antennen macht. Im Gegensatz zur Richtwirkung berücksichtigt der Gewinn alle Verluste in der realen Welt, die innerhalb der Antennenstruktur auftreten.

Antennenverstärkung beschreibt die Richtwirkung und Effizienz einer Antenne als einen einfach zu handhabenden Parameter. Die Beziehung zwischen Verstärkung, Richtwirkung und Effizienz kann mathematisch ausgedrückt werden, wobei Verstärkung gleich Direktivität multipliziert mit Effizienz ist. Wenn es eine ideale Antenne ohne diese Verluste gäbe, wäre die Antennenverstärkung gleich ihrer Richtwirkung.

Ein Teil der Sendeleistung geht innerhalb der Antenne an der Zuleitung bei ihren ohmschen Widerständen verloren. Diese Verluste werden definiert als der Wirkungsgrad einer Antenne. Diese Verluste umfassen Leiterverluste, dielektrische Verluste, Impedanzfehlanpassungsverluste und Polarisationsverluste. Diese Unterscheidung ist für Antenneningenieure von entscheidender Bedeutung, da sie hilft zu erkennen, ob Leistungsprobleme auf das Strahlungsmuster der Antenne oder auf Material- und Konstruktionsineffizienzen zurückzuführen sind.

Die Beziehung zwischen Gain, Directivity und Beamwidth

Antennenverstärkung steht in direktem Zusammenhang mit der Antennenrichtbarkeit und der Strahlbreite. Antennen mit höherer Verstärkung erzielen durch Fokussierung auf einen reduzierten Bereich zusätzliche Leistung; je größer die Verstärkung ist, desto kleiner ist die abgedeckte Fläche (gemessen in Strahlbreitengraden). Diese inverse Beziehung ist für Antennendesign und -auswahl von grundlegender Bedeutung.

Antennenverstärkung und -breite sind immer umgekehrt proportional. Wenn man die Verstärkung einer Antenne erhöht, reduziert man zwangsläufig ihre Strahlbreite, was bedeutet, dass die Antenne einen kleineren Winkelbereich abdeckt. Dieser Kompromiss ist wichtig, wenn man drahtlose Systeme entwickelt. Für Anwendungen, die eine breite Abdeckung erfordern, wie Rundfunkantennen oder Basisstationen, die große Bereiche bedienen, können Antennen mit geringerer Verstärkung mit breiteren Strahlbreiten geeigneter sein. Umgekehrt profitieren Punkt-zu-Punkt-Kommunikationsverbindungen von Antennen mit hoher Gewinnrate, Schmalstrahlbreite, die Energie entlang eines bestimmten Pfades konzentrieren.

Die Breite der Strahlbreite ist die Winkelbreite der Hauptkeule, die üblicherweise dort gemessen wird, wo das Signal um 3 dB vom Peak abfällt. Eine schmale Strahlbreite erhöht die Richtwirkung, verringert jedoch den Abdeckungsbereich. Die Breite der 3 dB, auch Halbleistungsstrahlbreite genannt, stellt die Winkelbreite dar, wo die abgestrahlte Leistung die Hälfte ihres Maximalwertes beträgt. Dieser Parameter ist für die Bestimmung von Antennenabdeckungsmustern und die Planung von drahtlosen Netzwerkeinsätzen entscheidend.

Gain Measurement Units und Referenznormen

In einigen Branchen, wie der Rundfunktechnik, können Hersteller dBd (Gewinn gegenüber einer Dipolantenne) als Metrik anstelle von dBi verwenden. Es ist zu beachten, dass dBd von Natur aus größer ist, definiert als 2,15 dBi-Gewinn. Dieser Unterschied ergibt sich, weil eine Halbwellen-Dipolantenne aufgrund ihres achtstelligen Strahlungsmusters eine Richtwirkung von etwa 2,15 dBi hat.

Der isotrope Strahler ist gerade deshalb nützlich, weil er die einfachste mögliche Referenz ist: gleichmäßige Strahlung in alle Richtungen. Keine physikalische Antenne ist isotrop, aber die Richtwirkung und Verstärkung jeder Antenne kann damit verglichen werden, was eine universelle Basislinie ergibt. Die Verwendung des isotropen Strahlers als Referenz bietet einen konsistenten Standard für den Vergleich von Antennen über verschiedene Arten, Frequenzen und Anwendungen hinweg.

Für einen verlustfreien Halbwellendipol betragen Richtwirkung und Verstärkung beide 2,15 dBi. Dies macht die Dipolantenne zu einem praktischen sekundären Referenzstandard, da sie im Gegensatz zum theoretischen isotropen Strahler physikalisch konstruiert und gemessen werden kann. Viele Antennenspezifikationen beziehen sich auf Dipolverstärkung, da Dipole gut verstanden, leicht herzustellen und in praktischen Anwendungen üblich sind.

Antennenmessverfahren und -verfahren

Gewinnvergleichsmethode

Es gibt mehrere Verstärkungsmessverfahren, einschließlich Vergleichsverstärkung und direkte Verstärkung, die ihre eigenen Vor- und Nachteile in Bezug auf Genauigkeit, Kosten und Messzeit haben. In dieser Studie wird die Vergleichsverstärkungstechnik verwendet. Die Verstärkungsvergleichsmethode ist eine der am häufigsten verwendeten Techniken zur Messung der Antennenverstärkung in Labor- und Produktionsumgebungen.

Die zu prüfende Antenne wird mit einer Standard-Gain-Huppe mit einer bekannten, kalibrierten Verstärkung verglichen, wobei die Differenz der Empfangsleistung direkt die Verstärkungsdifferenz ergibt. Diese Methode erfordert eine Referenzantenne mit genau bekannten Verstärkungseigenschaften. Als Referenzantenne werden Standard-Gain-Huppen verwendet, da sie stabile, vorhersagbare Verstärkungswerte aufweisen und mit hoher Genauigkeit kalibriert werden können.

Das Gain-Vergleichsverfahren bietet mehrere Vorteile: Es ist relativ einfach zu implementieren, bietet eine gute Genauigkeit bei Verwendung von richtig kalibrierten Referenzantennen und kann in verschiedenen Testumgebungen einschließlich Schallkammern und Außenbereichen durchgeführt werden. Das Verfahren ist insbesondere für Produktionstests geeignet, bei denen mehrere Antennen des gleichen Typs gegen Spezifikationen verifiziert werden müssen.

Zwei-Antennen- und Drei-Antennen-Methoden

Zwei-Antennen-Methode: Zwei identische Antennen stehen einander in einem bekannten Abstand gegenüber. Sie messen die empfangene Leistung und wenden die Friis-Übertragungsgleichung an. Die Friis-Übertragungsgleichung bezieht die von einer Antenne empfangene Leistung mit der von einer anderen übertragenen Leistung in Beziehung, wobei die Gewinne beider Antennen, der Abstand zwischen ihnen und die Betriebswellenlänge berücksichtigt werden.

Da beide Antennen identisch sind, kann der einzelne unbekannte Verstärkungsfaktor direkt gelöst werden. Diese Methode ist besonders nützlich, wenn man zwei identische Antennen hat, aber keine kalibrierte Referenzantenne zur Verfügung hat. Durch die Messung der empfangenen Leistung und die Kenntnis aller anderen Parameter in der Friis-Gleichung kann man den Antennengewinn algebraisch auflösen.

Dreiantennen-Methode: Drei verschiedene Antennen werden paarweise gemessen (A-B, A-C, B-C). Die drei Friis-Gleichungen ergeben drei Unbekannte, die den Verstärkungsgrad jeder Antenne ergeben, ohne dass eine vorkalibrierte Referenz erforderlich ist. Diese Methode ist nützlich, um Verstärkungsstandards festzulegen oder wenn keine kalibrierte Referenzantenne verfügbar ist. Durch die Durchführung von drei getrennten Messungen mit verschiedenen Antennenpaaren erstellen Sie ein System von drei Gleichungen mit drei Unbekannten, das gleichzeitig gelöst werden kann, um den Verstärkungsgrad aller drei Antennen zu bestimmen.

Musterintegrationsmethode

Musterintegration: Messen Sie das vollständige 3D-Strahlungsmuster, integrieren Sie dann die Leistungsdichte numerisch über alle Raumwinkel, um die gesamte abgestrahlte Leistung zu ermitteln. Diese Methode bietet eine vollständige Charakterisierung der Strahlungseigenschaften der Antenne und kann sowohl Richtwirkung als auch Verstärkungsinformationen liefern.

Das Musterintegrationsverfahren besteht darin, daß die Strahlungsverteilung der Antenne an vielen Winkelpositionen gemessen wird, die die gesamte Kugel um die Antenne herum abdecken. Die Leistungsdichtemessungen werden dann über alle Richtungen integriert, um die gesamte abgestrahlte Leistung zu bestimmen. Durch Vergleich der maximalen Strahlungsintensität mit der mittleren Strahlungsintensität kann die Richtwirkung berechnet werden. In Kombination mit Eingangsleistungsmessungen können auch die Antenneneffizienz und -verstärkung bestimmt werden.

Dieses Verfahren ist besonders für Forschungs- und Entwicklungsanwendungen von Bedeutung, bei denen eine vollständige Antennencharakterisierung erforderlich ist, ist jedoch zeitaufwendig und erfordert hochentwickelte Messgeräte, die die Antenne oder den Sonden durch einen vollen Winkelbereich positionieren können. Die Verwendung von planaren Nahfeldmessungen zur Bestimmung des Antennengewinns ist weit verbreitet. Nahfeldmessverfahren können den erforderlichen Testabstand und die Größe der Einrichtung reduzieren und dennoch genaue Verstärkungsmessungen durch mathematische Transformation der Nahfelddaten in Fernfeldmuster liefern.

Nahfeld-Messtechniken

Diese Arbeit bietet einen Vergleich zwischen verschiedenen Nahfeld-Messtechniken für Antennenverstärkung und Richtwirkungsschätzungen. Darüber hinaus wurden drei verschiedene Nahfeld-Messmethoden, einschließlich planarer, zylindrischer und sphärischer Antennenverstärkung und Richtwirkungsschätzung, verglichen. Jede Nahfeld-Geometrie bietet je nach Antennentyp und Messanforderungen spezifische Vorteile.

Nahfeld-Testverfahren zur Messung von Antenneneigenschaften werden in diesem Dokument beschrieben, und Nahfeld-Messverfahren für die drei Hauptgeometrien Zylinder, Plan und Kugel werden empfohlen Nahfeld-Messverfahren bieten erhebliche Vorteile gegenüber Fernfeld-Messungen, insbesondere für elektrisch große Antennen, die unpraktisch lange Messabstände im Fernfeld erfordern würden.

Die Genauigkeit der Ergebnisse hängt stark von der Größe des Abtastbereichs ab, insbesondere wenn in begrenzten Testräumen gearbeitet wird, was die Genauigkeit der Verstärkungsmessungen beeinflusst. Eine richtige Planung des Messbereichs ist unerlässlich, um ausreichende Informationen über die Abstrahleigenschaften der Antenne zu erfassen. Ein unzureichender Abtastbereich kann zu Abrundungsfehlern führen, die die Genauigkeit des transformierten Fernfeldmusters und der Verstärkungsberechnungen beeinträchtigen.

Die Antenne ist mit einem linienförmigen Nahfeld-Abstrahlmuster ausgestattet, wobei die zu messende Antenne über eine ebene Fläche vor der Antenne abgetastet wird und die gemessenen Nahfeld-Daten mathematisch transformiert werden, um Fernfeld-Abstrahlmuster und Verstärkung zu erhalten. Zylindrische Nahfeld-Abmessungen eignen sich gut für Antennen mit omnidirektionalen oder Sektor-Abstrahlmustern, während sphärische Nahfeld-Abmessungen eine vollständige Musterabdeckung für Antennen mit komplexen Abstrahleigenschaften ermöglichen.

Antennentesteinrichtungen und -umgebungen

Schallkammern

Eine schalldämpfende Kammer ist ein abgeschirmter Raum, der an allen Innenflächen mit HF-absorbierendem Material (typischerweise pyramidenförmige Schaumabsorber oder Ferritfliesen) ausgekleidet ist, wodurch Reflexionen und externe Störungen unterdrückt werden, was die Freiraumbedingungen in Innenräumen annähert. schalldämpfende Kammern bieten kontrollierte, wiederholbare Testumgebungen, die für genaue Antennenmessungen unerlässlich sind.

Indoor-Tests finden üblicherweise in einer schalldämpfenden Kammer statt, die mit HF-absorbierendem Material ausgekleidet ist. Im Freien müssen Bereiche im Fernfeldbereich aufgestellt werden. Das HF-absorbierende Material in schalldämpfenden Kammern ist so konzipiert, dass Reflexionen über einen bestimmten Frequenzbereich hinweg minimiert werden. Das Absorbermaterial besteht typischerweise aus mit Kohlenstoff beladenen Schaum- oder Ferritfliesen, die zu Pyramiden- oder Keilstrukturen geformt sind, die allmählich die Impedanz vom freien Raum zum Absorbermaterial übergehen und Reflexionen minimieren.

Innenbereiche (anschallende Kammern) unterdrücken Reflexionen (Echos), indem sie die Wände, den Boden und die Decke mit absorbierendem Material auskleiden. Die Wirksamkeit einer schallenden Kammer hängt von der Qualität und Dicke des absorbierenden Materials, der Kammergröße im Verhältnis zur zu prüfenden Antenne und dem Frequenzbereich des Betriebs ab. Niedrigere Frequenzen erfordern dickeres Absorbermaterial, was schallende Kammern für niederfrequente Messungen recht groß und teuer machen kann.

Die Ruhezone ist der Bereich innerhalb der Schallkammer, in dem die Gleichförmigkeit des Feldes und die niedrigen Reflexionswerte den festgelegten Anforderungen entsprechen. Alle Antennenmessungen sollten mit der zu prüfenden Antenne durchgeführt werden, um genaue Ergebnisse zu gewährleisten. Die Größe der Ruhezone bestimmt die maximale Antennengröße, die in einer bestimmten Kammer getestet werden kann.

Freiland-Testbereiche

Freiraumbereiche bieten eine reflexionsfreie Ausbreitung, sie können im Freien oder im Innenbereich sein. Freiraumbereiche werden sorgfältig so gebaut, dass Reflexionen von Gebäuden und anderen Objekten minimiert werden. Freiraumbereiche eignen sich besonders für Tests großer Antennen oder für Messungen bei niedrigeren Frequenzen, bei denen schallscheue Kammern unerschwinglich groß wären.

Sie können als erhöhte Bereiche und Schrägbereiche realisiert werden. Erhöhte Bereiche positionieren sowohl die Sende- als auch die Empfangsantenne in einer ausreichenden Höhe über dem Boden, um Bodenreflexionen zu minimieren. Die Antennen sind typischerweise auf Türmen montiert, wobei die Höhe so gewählt ist, dass bodenreflektierte Signale mit einer ausreichenden Weglängendifferenz an die Empfangsantenne gelangen, um vom direkten Signal getrennt zu werden.

Die Schrägbereiche benötigen weniger Platz als die erhöhten Bereiche. Die Testantenne ist in einer festen Höhe auf einem nichtleitenden Turm (z. B. aus Glasfaser) montiert, während die Quellantenne in Bodennähe montiert ist. Schrägbereiche nutzen die Geometrie, um den erforderlichen horizontalen Abstand zu verringern, während immer noch eine ausreichende Trennung zwischen direkten und reflektierten Signalpfaden aufrechterhalten wird.

Bei Antennen, die für eine Kammer zu groß sind oder bei niedrigeren Frequenzen, bei denen die Absorberleistung abnimmt, werden Außenbereichs-Testbereiche verwendet. Erhöhte Bereiche platzieren Antennen auf Türmen, um Bodenreflexionen zu minimieren. Außenbereiche müssen sorgfältig platziert werden, um Reflexionen von nahe gelegenen Gebäuden, Geländemerkmalen und anderen Strukturen zu vermeiden. Der Umgebungsbereich sollte frei von Hindernissen sein, und der Bereich sollte so ausgerichtet sein, dass Interferenzen von externen HF-Quellen minimiert werden.

Kompakte Antennenprüfbereiche

Kompakte Bereiche verwenden einen großen parabolischen Reflektor, um eine planare Wellenfront in kürzerer Entfernung zu erzeugen, was Fernfeldmessungen in einem kleineren Raum ermöglicht. Kompakte Bereiche stellen sich der Herausforderung, Fernfeldmessungen an großen Antennen durchzuführen, ohne dass extrem lange Testabstände erforderlich sind. Der parabolische Reflektor transformiert die sphärische Welle von einer Speiseantenne in eine ebene Welle, die die zu prüfende Antenne beleuchtet.

Das Konzept der kompakten Reichweite reduziert die erforderliche Einrichtungsgröße im Vergleich zu herkömmlichen Fernfeldbereichen erheblich. Ein gut konzipierter kompakter Bereich kann Fernfeldbedingungen in Entfernungen simulieren, die viel kürzer sind als das herkömmliche Fernfeldabstandskriterium von 2D2/λ, wobei D der Antennendurchmesser und λ die Wellenlänge ist. Dies macht kompakte Bereiche besonders wertvoll für die Prüfung elektrisch großer Antennen wie Satellitenantennen, Radarantennen und große Kommunikationsarrays.

Die Qualität der ebenen Welle, die durch den Kompaktbereichsreflektor erzeugt wird, ist für die Messgenauigkeit entscheidend. Der Reflektor muss präzise geformt sein und eine hochwertige Oberflächengüte haben, um Phasen- und Amplitudenschwankungen über die ruhige Zone zu minimieren. Randbehandlungen, wie Verzahnungen oder gewalzte Kanten, werden verwendet, um die Beugung von den Reflektorkanten zu reduzieren, die die Messung verunreinigen könnten.

Industriestandards für Antennenmessungen

IEEE-Standard 149: Empfohlene Praxis für Antennenmessungen

Die empfohlenen Verfahren zur Messung der Sende- und Empfangseigenschaften von Antennen werden in dieser Norm dargestellt. Es wird angenommen, dass die zu messende Antenne als passives, lineares und reziprokes Gerät behandelt werden kann. Der IEEE-Standard 149 ist einer der am häufigsten genannten Standards für Antennentests und wird seit Jahrzehnten in der gesamten Regierung, Industrie und Wissenschaft verwendet.

Die Norm bietet umfassende Anleitungen zu allen Aspekten der Antennenmessung, von der Einrichtung bis hin zu Datenanalyseverfahren, und beschreibt die Auslegung von Antennentesteinrichtungen sowie die Anforderungen an die Messtechnik für den ordnungsgemäßen Betrieb der Antenneneinrichtung, die Richtungen für die Auswertung einer (bestehenden) Reichweite und die Funktionsweise von Entfernungen.

Diese Norm wird in der gesamten Regierung, Industrie und Wissenschaft im Bereich der Antennenprüfung verwendet. Sie enthält viele der Verfahren, die derzeit von Antennenprüforganisationen verwendet werden. Die Norm wurde mehrmals aktualisiert, um neue Messtechnologien und -techniken aufzunehmen. Die neueste Version, IEEE 149-2021, enthält aktualisierte Informationen über moderne Messmethoden, digitale Instrumente und Rechentechniken.

IEEE-Norm 149 deckt eine breite Palette von Themen ab, darunter Strahlungsmustermessungen, Verstärkungsmessungen, Polarisationsmessungen, Impedanzmessungen und spezielle Messungen für bestimmte Antennentypen.

IEEE-Standard 1720: Nahfeldantennenmessungen

Die Norm IEEE 1720 behandelt speziell Nahfeld-Messtechniken, die mit zunehmender Größe und Komplexität der Antennen immer wichtiger werden. Die Norm enthält detaillierte Empfehlungen für planare, zylindrische und sphärische Nahfeld-Messsysteme.

Nahfeldmessungen erfordern spezielle Sonden, die das elektromagnetische Feld in der Nähe der zu prüfenden Antenne abtasten. Die Sondeneigenschaften, einschließlich ihres Strahlungsmusters, ihrer Polarisationsreinheit und ihres Frequenzgangs, beeinflussen direkt die Messgenauigkeit. IEEE 1720 bietet Verfahren zur Sondenkalibrierung und -charakterisierung, um genaue Nahfeldmessungen zu gewährleisten.

Die Norm befasst sich auch mit den mathematischen Transformationen, die erforderlich sind, um Nahfeld-Messdaten in Fernfeld-Strahlungsmuster umzuwandeln. Diese Transformationen basieren auf elektromagnetischer Theorie und erfordern eine sorgfältige Umsetzung, um numerische Fehler und Artefakte zu vermeiden.

IEEE-Norm 1528 und verwandte SAR-Messnormen

Während IEEE 1528 in erster Linie spezifische Messungen der Absorptionsrate (SAR) für drahtlose Geräte anstelle von herkömmlichen Antennenverstärkungsmessungen anspricht, stellt es eine wichtige Kategorie von Messungen im Antennenbereich dar. In den Normen IEEE 1528 und IEC 62209 ist ein Bereich von 2 dB vorgeschrieben, der sicherstellt, dass drahtlose Geräte die Sicherheitsvorschriften bezüglich der Exposition von Menschen gegenüber Hochfrequenzenergie erfüllen.

SAR-Messungen erfordern spezielle Geräte und Verfahren, um die von biologischem Gewebe absorbierte elektromagnetische Energie genau zu beurteilen. Die Messsysteme müssen kalibriert und validiert werden, um die Einhaltung der gesetzlichen Anforderungen zu gewährleisten. Obwohl sich die SAR-Messungen auf die Sicherheit und nicht auf die Antennenleistung konzentrieren, stehen sie in engem Zusammenhang mit dem Antennendesign und erfordern ein Verständnis der Antennenstrahlungseigenschaften.

ISO/IEC 17025: Allgemeine Anforderungen an Prüflabore

Die ISO/IEC 17025 legt allgemeine Anforderungen an die Kompetenz von Prüf- und Kalibrierlaboratorien fest. Obwohl diese Norm nicht speziell für Antennenmessungen gilt, ist sie für Laboratorien, die Antennenprüfungen durchführen, von entscheidender Bedeutung, insbesondere für Laboratorien, die Akkreditierungen anstreben oder Messungen zur Einhaltung der Vorschriften durchführen.

Laboratorien, die ISO/IEC 17025 befolgen, müssen ihre technische Kompetenz nachweisen, validierte Messmethoden anwenden, kalibrierte Geräte warten, Messunsicherheit schätzen und Qualitätskontrollverfahren einführen.

Wesentliche Messgeräte und -instrumente

Vektornetzwerkanalysatoren

Die Antenneneingangsimpedanz wird berechnet als EPMATHMARKEREP wird üblicherweise mit einem Vektornetzwerkanalysator (VNA) gemessen, der die komplexen S-Parameter von Mikrowellennetzwerken misst. Vektornetzwerkanalysatoren sind grundlegende Instrumente für Antennenmessungen, die sowohl Größe als auch Phase Informationen über die elektrischen Eigenschaften der Antenne liefern.

VNAs messen Streuparameter (S-Parameter), die beschreiben, wie HF-Signale reflektiert und durch die Antenne übertragen werden. Der S11-Parameter, auch als Reflexionskoeffizient oder Rückkopplungsverlust bekannt, gibt an, wie gut die Antenne an ihre Übertragungsleitung angepasst ist. Eine schlechte Impedanzanpassung führt zu einer reflektierten Leistung, die die Antenneneffizienz verringert und Senderkomponenten beschädigen kann.

Moderne VNAs bieten eine breite Frequenzabdeckung, einen hohen Dynamikbereich und ausgeklügelte Kalibrierungsverfahren, die systematische Fehler aus Messungen entfernen. Zeitbereichsfunktionen ermöglichen es VNAs, Impedanzunstetigkeiten innerhalb von Antennenstrukturen zu identifizieren und zu lokalisieren. Viele VNAs enthalten auch eingebaute Funktionen zur Berechnung abgeleiteter Parameter wie Spannungsstandwellenverhältnis (VSWR), Impedanz und Smith-Diagrammanzeigen.

Signalgeneratoren und -quellen

Signalgeneratoren liefern die für Antennenmessungen benötigte HF-Energie. Bei Sendemessungen steuert der Signalgenerator die zu prüfende Antenne an, während er bei Empfangsmessungen eine Quellantenne ansteuert, die die zu prüfende Antenne beleuchtet. Signalgeneratoren müssen eine stabile Ausgangsleistung, eine geringe harmonische Verzerrung und eine gute Frequenzgenauigkeit aufweisen, um die Wiederholbarkeit der Messung zu gewährleisten.

Moderne Signalgeneratoren bieten Merkmale wie Frequenzsweeping, Amplitudenmodulation und Pulsmodulation, die für unterschiedliche Arten von Antennenmessungen nützlich sind. Die Frequenzstabilität ist insbesondere für Phasenmessungen und für Messungen über längere Zeiträume wichtig. Die Leistungsstabilität gewährleistet konsistente Messergebnisse und ermöglicht genaue Verstärkungsvergleiche.

Für einige Anwendungen können spezielle Quellen wie Rauschquellen oder gepulste Quellen erforderlich sein, wobei Rauschquellen zur Messung der Antennenrauschtemperatur und der Systemrauschzahl verwendet werden, gepulste Quellen sind erforderlich, um Radarantennen und andere gepulste Systeme zu testen, bei denen die Antenneneigenschaften zwischen Dauerstrich- und Pulsbetrieb unterschiedlich sein können.

Referenzantennen und Kalibriernormen

Die Kalibrierung hält alle Messgeräte innerhalb bekannter Genauigkeitsgrenzen, darunter Signalgeneratoren, Netzwerkanalysatoren und Referenzantennen. Tester verwenden häufig eine kalibrierte Referenzantenne mit bekanntem Gewinn, um sie mit der Antennenunterprüfung (AUT) zu vergleichen. Referenzantennen sind entscheidend für die Ermittlung der Messrückverfolgbarkeit und die Gewährleistung der Genauigkeit.

Die am häufigsten in Antennenprüfeinrichtungen verwendeten Standard-Gain-Hörner sind solche, deren Verstärkungswerte sich aus ihren physikalischen Abmessungen berechnen lassen oder mit Primärstandards gemessen werden können. Je nach Frequenzbereich und Polarisationsanforderungen werden Pyramidenhörner, Kegelhörner und Doppelkammhörner verwendet.

Referenzantennen müssen regelmäßig kalibriert werden, um ihre Genauigkeit zu gewährleisten. Die Kalibrierung erfolgt in der Regel durch nationale Metrologieinstitute oder akkreditierte Kalibrierlaboratorien, die Primär- oder Sekundärstandards verwenden. Das Kalibrierzertifikat enthält die Verstärkungswerte der Antenne bei bestimmten Frequenzen sowie die damit verbundenen Messunsicherheiten.

Die theoretische Verstärkung eines Halbwellendipols ist gut etabliert, so dass er auch ohne formale Kalibrierung eine nützliche Referenz ist. Reale Dipole haben jedoch endlichen Leiterdurchmesser und können Baluns oder andere Komponenten enthalten, die ihre tatsächliche Verstärkung beeinflussen, so dass kalibrierte Dipole genauere Referenzen liefern.

Antennenpositionierer und Positioniersysteme

Richten Sie das AUT an den Koordinatenachsen des Testsystems aus. Ein rotierender Positionierer lässt Sie in Azimut und Elevation messen. Die richtige Position zu finden ist wirklich wichtig, da Fehlausrichtungen die gemessene Strahlrichtung und Verstärkungswerte verändern können. Antennenpositionierer ermöglichen das erforderliche Winkelscannen, um Strahlungsmuster zu messen und die Richtung der maximalen Verstärkung zu lokalisieren.

Positioniergeräte reichen von einfachen manuellen Drehtellern bis hin zu anspruchsvollen mehrachsigen computergesteuerten Systemen. Für vollständige Mustermessungen sind mindestens zwei Drehachsen erforderlich, um die gesamte Kugel um die Antenne abzudecken. Azimut-Über-Elevation und Roll-Over-Azimut sind gängige Positionierkonfigurationen, die jeweils Vorteile für unterschiedliche Antennentypen und Messanforderungen bieten.

Die Positioniergenauigkeit wirkt sich direkt auf die Messgenauigkeit aus, insbesondere bei Antennen mit schmalen Strahlbreiten. Hochleistungsantennen erfordern eine genaue Winkelpositionierung, um die Spitze des Hauptstrahls genau zu lokalisieren und die Seitenkeulenpegel zu messen. Moderne Positionsmessgeräte verwenden Encoder oder Resolver, um eine genaue Winkelpositionsrückmeldung mit typischen Genauigkeiten von 0,01 Grad oder besser zu liefern.

Bei Nahfeldmessungen bewegen planare Scanner die Sondenantenne rasterförmig über eine Ebene vor der zu prüfenden Antenne, wobei eine präzise Positionsregelung in zwei Dimensionen bei gleichbleibender Sondenorientierung gewährleistet sein muss. Zylindrische und sphärische Nahfeldsysteme verwenden unterschiedliche Scangeometrien, erfordern jedoch eine ähnliche Positionierungsgenauigkeit.

Empfänger und Spektrumanalysatoren

Empfänger messen die von der zu prüfenden Antenne oder von einer Sondenantenne bei Nahfeldmessungen empfangene Signalstärke; der Empfänger muss eine ausreichende Empfindlichkeit zur Messung niedriger Signalpegel, einen ausreichenden Dynamikbereich zur Verarbeitung sowohl starker als auch schwacher Signale und eine gute Frequenzselektivität zur Abweisung von Interferenzen und Oberwellen aufweisen.

Spektralanalysatoren dienen als Empfänger in vielen Antennenmesssystemen und bieten eine breite Frequenzabdeckung und die Möglichkeit, Signale im Frequenzbereich zu sehen. Diese Fähigkeit ist wertvoll, um Störsignale, Oberwellen und Störungen zu identifizieren, die die Messgenauigkeit beeinflussen könnten. Spektralanalysatoren bieten auch Marker und Trace-Funktionen, die die Datenerfassung und -analyse vereinfachen.

Für hochgenaue Messungen können spezialisierte Empfänger mit phasengekoppelter oder kohärenter Detektion verwendet werden, die sowohl Amplitude als auch Phase messen können, was für Nahfeldmessungen und für die Charakterisierung von Antennenarrays wesentlich ist, wobei die Rauschzahl und die Linearitätscharakteristik des Empfängers den gesamten Messsystemdynamikbereich und die Genauigkeit beeinflussen.

Messverfahren und Best Practices

Kalibrierung und Systemüberprüfung

Genaue Antennentests erfordern eine sorgfältige Einrichtung, kontrollierte Bedingungen und präzise Messtechniken. Sie müssen das Testsystem vorbereiten, zuverlässige Daten erfassen und auf alles achten, was die Ergebnisse verzerren könnte. Richtige Kalibrierungs- und Verifizierungsverfahren sind wesentliche Grundlagen für genaue Antennenmessungen.

Vor der Durchführung von Antennenmessungen sollten alle Prüfgeräte kalibriert und verifiziert werden, einschließlich der Kalibrierung des VNA, der Überprüfung der Ausgangsleistung und Frequenzgenauigkeit des Signalgenerators sowie der Bestätigung der Empfindlichkeit und Linearität des Empfängers. Referenzantennen sollten aktuelle Kalibrierzertifikate haben und ihre Kalibrierdaten sollten bei den Messberechnungen ordnungsgemäß verwendet werden.

Die Verifizierung des Systems umfasst die Messung einer bekannten Antenne oder eines bekannten Standards, um zu bestätigen, dass das Messsystem ordnungsgemäß funktioniert. Diese Verifizierung sollte regelmäßig durchgeführt werden, insbesondere nach Änderungen des Messaufbaus oder der Messausrüstung. Der Vergleich der Messergebnisse mit bekannten Werten gibt Vertrauen in die Genauigkeit des Messsystems und hilft, Probleme zu erkennen, bevor sie sich auf die Produktionsmessungen auswirken.

Die Dokumentation der Kalibrier- und Prüfverfahren ist wichtig für die Qualitätssicherung und den Nachweis der Rückverfolgbarkeit der Messungen, die Aufzeichnungen sollten Kalibrierdaten, Kalibrierquellen, Messunsicherheiten sowie etwaige Anpassungen oder Korrekturen am Messsystem enthalten.

Umweltkontrolle und Interferenzminderung

Die Prüfungsumgebung muss von unerwünschten Reflexionen befreit werden. Innenprüfungen finden normalerweise in einer schalldämpfenden Kammer statt, die mit HF-absorbierendem Material ausgekleidet ist. Umweltfaktoren können die Messgenauigkeit erheblich beeinflussen, so dass eine angemessene Umweltkontrolle für zuverlässige Ergebnisse unerlässlich ist.

Temperaturschwankungen können die Antenneneigenschaften beeinflussen, insbesondere bei Antennen mit temperaturempfindlichen Materialien oder Komponenten. Die Aufrechterhaltung stabiler Temperaturbedingungen während der Messungen gewährleistet Wiederholbarkeit und verhindert thermische Drift sowohl in der zu prüfenden Antenne als auch in der Messeinrichtung. Für Präzisionsmessungen können temperaturgesteuerte Umgebungen erforderlich sein.

Die Luftfeuchtigkeit kann die Antennenleistung beeinflussen, insbesondere bei Antennen mit dielektrischen Materialien oder bei Messungen bei Millimeterwellenfrequenzen, bei denen die atmosphärische Absorption signifikant wird.

Externe Interferenzen von Sendestationen, Mobilfunknetzen, Radarsystemen und anderen HF-Quellen können Antennenmessungen verunreinigen. Abgeschirmte Testeinrichtungen wie schalldämpfende Kammern bieten Isolation von externen Interferenzen. Für Außenbereiche sollten Standortvermessungen potenzielle Interferenzquellen identifizieren und Messungen sollten geplant werden, um Zeiten hoher Interferenzen zu vermeiden. Spektrumanalysator-Vermessungen vor Messungen können Interferenzen identifizieren und helfen, saubere Frequenzkanäle für Tests auszuwählen.

Verfahren für die Ausrichtung und Positionierung

Richten Sie das AUT an den Koordinatenachsen des Testsystems aus. Ein rotierender Positionierer lässt Sie in Azimut und Elevation messen. Die richtige Position ist wichtig, da Fehlausrichtungen die gemessene Strahlrichtung und Verstärkungswerte verändern können. Die richtige Ausrichtung ist entscheidend für genaue Messungen, insbesondere für Hochleistungsantennen mit schmalen Strahlbreiten.

Die zu prüfende Antenne sollte so positioniert sein, dass ihr Phasenzentrum mit dem Drehzentrum des Positionierers zusammenfällt. Bei Antennen mit genau definierten Phasenzentren, wie z. B. Hörnern und kleinen Dipolen, ist diese Ausrichtung einfach. Bei Antennen mit verteilten Phasenzentren, wie z. B. Arrays und Reflektoren, sollte die Ausrichtung die Antenne so positionieren, dass Mustermessungen auf einen aussagekräftigen Punkt bezogen werden.

Die Polarisationsausrichtung stellt sicher, daß die zu prüfende Antenne und die Source- oder Sondenantenne die richtige Polarisationsbeziehung haben. Bei linear polarisierten Antennen sollten die Polarisationsvektoren ausgerichtet sein (für Copolarisationsmessungen) oder orthogonal (für Kreuzpolarisationsmessungen), wobei Polarisationsfehlausrichtungen Fehler bei Verstärkungsmessungen und Mustermessungen einleiten.

Der Abstand zwischen der zu prüfenden Antenne und der Quellantenne oder -sonde muss den Fernfeldkriterien für Fernfeldmessungen genügen. Der Fernfeldabstand wird typischerweise als 2D2/λ oder größer definiert, wobei D die größte Dimension der Antenne und λ die Wellenlänge ist. Bei Nahfeldmessungen muss der Abstand von Sonde zu Antenne nahe genug sein, um die Nahfeldverteilung zu erfassen, aber weit genug, um reaktive Nahfeldeffekte zu vermeiden.

Datenerhebung und -verarbeitung

Systematische Datenerfassungsverfahren gewährleisten eine vollständige und genaue Charakterisierung der Antenneneigenschaften. Bei Mustermessungen muss die Winkelabtastdichte ausreichen, um alle Mustermerkmale einschließlich des Hauptstrahls, der Seitenkeulen und Nullen zu erfassen. Das Nyquist-Abtastkriterium legt nahe, dass der Winkelabtastabstand nicht größer als λ/(2D)-Radianten sein sollte, um Aliasing zu vermeiden.

Mehrere Messungen an jeder Winkelposition können die Messgenauigkeit durch Mittelung von zufälligen Rauschen und Schwankungen verbessern. Die Anzahl der Mittelwerte sollte auf der Grundlage der erforderlichen Messgenauigkeit und der verfügbaren Messzeit gewählt werden. Für die Produktionsprüfungen können weniger Mittelwerte akzeptabel sein, während Forschungsmessungen eine umfangreiche Mittelung verwenden können, um maximale Genauigkeit zu erreichen.

Die Datenverarbeitung umfasst die Anwendung von Kalibrierungskorrekturen, die Normalisierung von Mustern und die Berechnung abgeleiteter Parameter wie Strahlbreite, Sidelobe-Niveaus und Gain. Software-Tools automatisieren einen Großteil dieser Verarbeitung, aber das Verständnis der zugrunde liegenden Berechnungen ist wichtig, um Fehler zu identifizieren und zu korrigieren.

Die Analyse der Messunsicherheit quantifiziert die Genauigkeit der Messergebnisse. Zu den Unsicherheitsbeiträgen gehören Unsicherheiten bei der Kalibrierung von Geräten, Positionsfehler, Umweltauswirkungen und zufälliges Messrauschen. Die Kombination dieser Unsicherheitskomponenten gemäß festgelegten Verfahren ergibt eine Gesamtmessunsicherheit, die mit den Messergebnissen angegeben werden sollte.

Fortgeschrittene Messüberlegungen

Millimeterwellen- und Hochfrequenzmessungen

In unübersichtlichen Szenarien wie Nicht-Line-Of-Sight-Einstellungen (NLOS) wird der Antennengewinn durch die Wechselwirkung der Kanalwinkelspreizung mit dem Antennenmuster beeinträchtigt. Millimeterwellenmessungen stellen aufgrund der kurzen Wellenlängen und der hohen atmosphärischen Absorption bei diesen Frequenzen einzigartige Herausforderungen dar.

Bei Millimeterwellenfrequenzen können bereits kleine Positionierfehler zu erheblichen Phasenfehlern führen, die erforderliche Positioniergenauigkeit skaliert mit der Wellenlänge, so dass Millimeterwellenmessungen präzisere Positionierer und Ausrichtungsverfahren erfordern. Die mechanische Stabilität des Messaufbaus wird kritisch, da Vibrationen und thermische Ausdehnung Messfehler verursachen können.

Die Absorption in der Atmosphäre, insbesondere von Wasserdampf und Sauerstoff, wirkt sich auf die Millimeterwellenausbreitung aus. Für Außenbereiche müssen diese Absorptionseffekte bei Verstärkungsmessungen berücksichtigt werden. Innenmessungen in kontrollierten Umgebungen minimieren atmosphärische Effekte, erfordern jedoch eine sorgfältige Aufmerksamkeit auf Reflexionen und Beugung von Kammerstrukturen.

Schmalstrahlantennen können in NLOS-Szenarien eine erhebliche Verstärkungsdegradation erfahren, bis zu 4,4 dB beim 90. Perzentil für eine 6° HPBW-Antenne. Diese Verstärkungsdegradation in realen Umgebungen unterstreicht die Bedeutung der Messung von Antennen unter Bedingungen, die ihre beabsichtigte Betriebsumgebung darstellen, nicht nur unter idealen Freiraumbedingungen.

Arrayantennenmessungen

Phasenantennen stellen aufgrund ihrer elektronischen Strahllenkfähigkeit und komplexen Einspeisenetzwerke besondere Messherausforderungen dar, wobei nicht nur das Gesamtfeldmuster, sondern auch einzelne Elementmuster, Element-zu-Element-Kopplung und Strahllenkgenauigkeit charakterisiert werden müssen.

Aktive Arrays mit integrierten Verstärkern und Phasenschiebern erfordern Messungen unter Leistungsbedingungen, was zusätzliche Komplexität mit sich bringt, wobei das Strahlungsmuster des Arrays von den Einstellungen von Phasenschiebern und Abschwächern abhängen kann, was Messungen bei mehreren Lenkwinkeln und Konfigurationen erforderlich macht.

Nahfeldmessungen sind besonders für Arrayantennen wertvoll, da sie Informationen über einzelne Elementanregungen liefern und ausgefallene oder ausgefallene Elemente identifizieren können, während Array-Diagnostiken auf Basis von Nahfeldmessungen Amplituden- und Phasenfehler im Array-Speisenetzwerk erkennen können.

Polarisationsmessungen

Das Polarisationsmusterverfahren ist ein gängiges Teilverfahren, es erzeugt die Polarisationsellipsenparameter (Axialverhältnis und Kippwinkel) in einer gegebenen Strahlungsrichtung, Polarisationsmessungen charakterisieren, wie die Antenne elektromagnetische Wellen mit unterschiedlichen Polarisationszuständen abstrahlt oder empfängt.

Die vollständige Polarisationscharakterisierung erfordert die Messung sowohl der Copolarisations- als auch der Kreuzpolarisationskomponenten des Strahlungsmusters der Antenne, wobei die Copolarisation die gewünschte Polarisation darstellt, während die Kreuzpolarisation die orthogonale Polarisationskomponente darstellt, die typischerweise die Systemleistung verschlechtert.

Bei zirkular polarisierten Antennen wird durch Achsverhältnismessungen die Qualität der zirkularen Polarisation quantifiziert. Perfekte zirkulare Polarisation hat ein Achsverhältnis von 0 dB (oder 1:1), während praktische Antennen über ihre Betriebsbandbreite typischerweise Achsverhältnisse von 3 dB oder besser erreichen. Das Achsverhältnismuster zeigt, wie sich die Polarisationsqualität mit der Richtung ändert.

Messunsicherheit und Fehleranalyse

Das Verständnis und die Quantifizierung der Messunsicherheit sind für die Interpretation der Messergebnisse der Antennen und für den Vergleich von Messungen verschiedener Einrichtungen oder Methoden unerlässlich.

Zufallsfehler entstehen durch Rauschen im Messsystem, Umweltschwankungen und Positionierwiederholbarkeit, die durch Mittelung mehrerer Messungen und durch Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses des Messsystems verringert werden können. Die statistische Analyse wiederholter Messungen liefert Schätzungen von zufälligen Unsicherheitskomponenten.

Systematische Fehler resultieren aus unvollkommener Kalibrierung, Ausrichtungsfehlern, Reflexionen in der Testumgebung und anderen Faktoren, die durchweg Messungen in eine Richtung beeinflussen. Systematische Fehler sind schwieriger zu identifizieren und zu korrigieren als zufällige Fehler. Sorgfältige Kalibrierungsverfahren, korrekte Einrichtungsgestaltung und Vergleichsmessungen mit bekannten Standards tragen dazu bei, systematische Fehler zu minimieren.

Die kombinierte Messunsicherheit wird typischerweise als erweiterte Unsicherheit mit einem spezifizierten Abdeckungsfaktor ausgedrückt, der normalerweise einem Vertrauensniveau von 95% entspricht.

Praktische Anwendungen und Industriebeispiele

Drahtlose Kommunikationssysteme

Antennenverstärkungs- und Richtwirkungsmessungen sind für die Entwicklung und den Einsatz drahtloser Kommunikationssysteme von grundlegender Bedeutung. Basisstationsantennen für zellulare Netzwerke erfordern präzise Verstärkungs- und Mustermessungen, um eine ordnungsgemäße Abdeckung zu gewährleisten und Interferenzen mit benachbarten Zellen zu minimieren. Das vertikale Muster der Antenne, einschließlich Abwärtsneigungswinkel und Strahlbreite, beeinflusst direkt den Abdeckungsbereich und die Signalqualität.

Bei 5G-Systemen, die mit Millimeterwellenfrequenzen arbeiten, werden Antennenmessungen durch die Verwendung von massiven MIMO-Arrays und Beamforming noch kritischer. Diese Systeme beruhen auf einer genauen Antennencharakterisierung, um Strahllenkungsalgorithmen zu implementieren und die Netzwerkleistung zu optimieren. Die hohen Verstärkungs- und schmalen Strahlen von 5G-Antennen erfordern präzise Messtechniken, um die Leistung zu überprüfen.

Kundenanlagen wie WLAN-Router, mobile Geräte und IoT-Sensoren erfordern ebenfalls Antennenmessungen, um sicherzustellen, dass sie die Leistungsspezifikationen und regulatorischen Anforderungen erfüllen. Die Produktionsprüfung dieser Geräte verwendet oft vereinfachte Messmethoden, die die Genauigkeit mit den Durchsatzanforderungen in Einklang bringen.

Satellitenkommunikation

Die Messungen von Satellitenantennen müssen aufgrund der kritischen Natur der Satellitenkommunikation und der hohen Kosten von Satellitensystemen eine hohe Genauigkeit erreichen. Bodenstationsantennen, die häufig große Reflektorantennen mit hoher Verstärkung sind, erfordern eine sorgfältige Messung der Verstärkungs-, Muster- und Punktgenauigkeit.

Satelliten-Nutzlastantennen werden vor dem Start einer umfassenden Prüfung unterzogen, um ihre Leistung in der Weltraumumgebung zu überprüfen. Bei diesen Messungen müssen die Auswirkungen von Vakuum, Temperaturextremen und mechanischen Belastungen berücksichtigt werden, die die Antenne im Orbit erfahren wird. Nahfeld-Messtechniken werden bei großen Satellitenantennen häufig verwendet, da Fernfeldmessungen nicht praktikabel sind.

Das G/T-Verhältnis (Gain-to-Noise-Temperatur-Verhältnis) ist ein kritischer Parameter für Satellitenempfangssysteme, der Antennenverstärkung mit Systemrauschtemperatur kombiniert.

Radarsysteme

Radarantennen erfordern Messungen von Verstärkung, Muster, Seitenkeulenpegeln und Polarisationseigenschaften. Niedrige Seitenkeulenpegel sind besonders wichtig für Radarsysteme, um Unordnung und Interferenzen zu minimieren. Seitenkeulenmessungen erfordern Systeme mit hohem Dynamikbereich, die Signalpegel 40 dB oder mehr unterhalb des Hauptstrahlpeaks messen können.

Radarantennen arbeiten häufig mit gepulsten Signalen, was zusätzliche Meßüberlegungen mit sich bringt. Die Eigenschaften der Antenne können sich aufgrund von transienten Effekten im Speisenetz oder in aktiven Komponenten zwischen Dauerstrich- und Pulsbetrieb unterscheiden. Gepulste Messungen erfordern spezielle Instrumente, die zeitgesteuerte Signalerfassung ermöglichen.

Die Messung von Monopuls-Radarantennen erfordert die Charakterisierung der Summen- und Differenzmuster und die Überprüfung der Monopuls-Steigung, die die Trackinggenauigkeit bestimmt. Diese Messungen sind komplexer als Einzelstrahl-Antennenmessungen und erfordern spezielle Testverfahren.

Automotive Radar und V2X Kommunikation

Automobilanwendungen stellen einzigartige Antennenmessungsherausforderungen dar, da Messungen an vollständigen Fahrzeugen oder Fahrzeugabschnitten erforderlich sind. Automobilradarantennen für adaptive Geschwindigkeitsregelung, Kollisionsvermeidung und autonomes Fahren müssen in Anwesenheit des Fahrzeugaufbaus gemessen werden, was das Strahlungsmuster der Antenne beeinflusst.

Die V2X-Kommunikationsantennen müssen eine ausreichende Abdeckung des Fahrzeugs während der Montage am Fahrzeugaufbau bieten. Mustermessungen an vollständigen Fahrzeugen erfordern große Testeinrichtungen und spezielle Messverfahren, um die Auswirkungen des Fahrzeugs auf die Antennenleistung zu berücksichtigen.

Die Produktionsprüfung von Automobilantennen muss schnell und kostengünstig sein und gleichzeitig eine ausreichende Genauigkeit gewährleisten, um die ordnungsgemäße Funktion sicherheitskritischer Systeme zu gewährleisten. Automatisierte Messsysteme mit schneller Positionierung und Datenerfassung ermöglichen die Prüfung von Automobilantennen mit hohem Durchsatz.

Over-the-Air (OTA)-Tests

Da drahtlose Geräte immer integrierter und komplexer werden, werden herkömmliche durchgeführte Messungen der Antennenleistung weniger praktisch. Over-the-Air-Tests messen die gesamte Geräteleistung, einschließlich der Antenne, der HF-Schaltkreise und der digitalen Signalverarbeitung, in einer abgestrahlten Umgebung, die reale Bedingungen simuliert.

OTA-Testmethoden sind besonders wichtig für Geräte mit integrierten Antennen, auf die nicht über HF-Anschlüsse zugegriffen werden kann. Mobiltelefone, Tablets und IoT-Geräte erfordern typischerweise OTA-Tests, um ihre drahtlose Leistung zu überprüfen.

Mehrsonden-Anechokammern ermöglichen OTA-Tests mit kontrollierter Winkelverteilung von Signalen, die Mehrwegausbreitungsumgebungen simulieren. Diese Systeme können die Leistung von Geräten unter realistischen Kanalbedingungen testen, einschließlich Fading, Interferenz und mehreren Signalpfaden. OTA-Tests werden immer wichtiger für 5G-Geräte mit Strahlformungsfunktionen, die sich an die Ausbreitungsumgebung anpassen.

Computergestützte Elektromagnetik und Messvalidierung

Fortschrittliche Werkzeuge der rechnergestützten Elektromagnetik ermöglichen eine genaue Simulation der Antennenleistung, wodurch der Bedarf an umfangreichen Prototypenmessungen verringert wird. Messungen sind jedoch nach wie vor unerlässlich, um Simulationen zu validieren und Produktionsantennen zu überprüfen.

Simulationswerkzeuge können Antennenverstärkung, Direktivität und Strahlungsmuster basierend auf der Geometrie und den Materialeigenschaften der Antenne vorhersagen. Der Vergleich simulierter und gemessener Ergebnisse hilft bei der Identifizierung von Modellierungsfehlern, Fertigungsvariationen und Umweltauswirkungen, die in Simulationen nicht erfasst wurden. Dieser iterative Prozess der Simulation und Messung beschleunigt die Antennenentwicklung und verbessert die Designgenauigkeit.

Machine Learning und künstliche Intelligenz werden bei Antennenmessungen eingesetzt, um die Messgeschwindigkeit, Genauigkeit und Automatisierung zu verbessern. KI-Algorithmen können Messverfahren optimieren, Messanomalien identifizieren und die Antennenleistung anhand begrenzter Messdaten vorhersagen. Diese Techniken sind vielversprechend, um die Messzeit zu reduzieren und gleichzeitig die Genauigkeit zu erhalten oder zu verbessern.

Terahertz und Sub-Terahertz Messungen

Da drahtlose Systeme höhere Frequenzen im Subterahertz- und Terahertz-Bereich anstreben, ergeben sich neue Messherausforderungen. Bei diesen Frequenzen wird die atmosphärische Absorption stark, was Messungen in kontrollierten Umgebungen oder Vakuumkammern erfordert. Die extrem kurzen Wellenlängen erfordern eine Positioniergenauigkeit auf Mikrometerebene.

Bei Terahertz-Messsystemen werden häufig photonische oder elektronische Quellen und Detektoren verwendet, die andere Eigenschaften aufweisen als herkömmliche Mikrowellengeräte. Kalibriernormen und Referenzantennen für Terahertzfrequenzen sind weniger ausgereift als solche für niedrigere Frequenzen, was die Rückverfolgbarkeit und Genauigkeit erschwert.

Anwendungen von Terahertz-Antennen sind drahtlose Kommunikation mit hoher Datenrate, Bildgebungssysteme und Sensoranwendungen, wobei standardisierte Messverfahren für Terahertz-Antennen mit ihrer Entwicklung immer wichtiger werden.

Rekonfigurierbare und adaptive Antennen

Umkonfigurierbare Antennen, die ihre Abstrahlcharakteristik elektronisch oder mechanisch verändern können, erfordern neue Messansätze, die je nach Systemanforderungen zwischen unterschiedlichen Frequenzbändern, Polarisationen oder Abstrahlmustern umschalten können.

Adaptive Antennen, die in Echtzeit auf ihre Umgebung reagieren, stellen noch größere Messherausforderungen dar. Die Prüfung dieser Antennen erfordert die Schaffung kontrollierter Testumgebungen, die die Bedingungen simulieren, denen die Antenne im Betrieb begegnen wird. Closed-Loop-Tests, bei denen die Anpassungsalgorithmen der Antenne während der Messung aktiv sind, bieten die realistischste Leistungsbewertung.

Metamaterial- und Metaoberflächenantennen stellen neue Technologien mit einzigartigen Eigenschaften dar, die spezielle Messtechniken erfordern können. Diese Antennen können ungewöhnliche Strahlungseigenschaften durch konstruierte elektromagnetische Materialien anstelle konventioneller Antennenstrukturen erreichen.

Gemeinsame Messherausforderungen und Lösungen

Multipath und Reflexionen

Unerwünschte Reflexionen von Strukturen, Ausrüstungen und Personal der Prüfeinrichtung können Antennenmessungen verunreinigen. Diese Reflexionen erzeugen Mehrwegeinterferenzen, die das gemessene Strahlungsmuster verzerren und Fehler bei Verstärkungsmessungen verursachen. Die Identifizierung und Minderung von Reflexionen ist für genaue Messungen unerlässlich.

Durch die Umwandlung von Frequenzbereichsmessungen in den Zeitbereich kann das direkte Signal von verzögerten Reflexionen getrennt werden. Ein Zeitbereichsgatter wählt nur das direkte Signal aus, das dann zur Analyse in den Frequenzbereich zurücktransformiert wird. Diese Technik ist besonders effektiv für Messungen, bei denen das direkte und das reflektierte Signal einen ausreichenden Zeitabstand haben.

Die richtige Platzierung des Absorbers in schalldämpfenden Kammern minimiert Reflexionen an Kammerwänden. Kritische Reflexionspunkte, an denen spiegelnde Reflexionen von den Wänden die zu prüfende Antenne erreichen würden, sollten besondere Aufmerksamkeit erhalten. Zusätzliche Absorber oder strategisch platzierte Leitbleche können Reflexionen von diesen kritischen Bereichen reduzieren.

Dynamische Reichweitenbegrenzungen

Die Messung der Antennenseitenkeulen und der Kreuzpolarisation erfordert einen hohen Dynamikbereich, um Signale mit niedrigem Pegel bei Vorhandensein des viel stärkeren Hauptstrahls zu detektieren Der Dynamikbereich des Messsystems ist durch Rauschuntergrund, Empfängerlinearität und Lecksignale begrenzt.

Die Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses durch Mittelung, engere Empfängerbandbreiten oder höhere Sendeleistung erweitert den nutzbaren Dynamikbereich, jedoch kann eine übermäßige Sendeleistung zu einer Kompression oder Beschädigung des Empfängers führen, so dass die Leistungspegel sorgfältig kontrolliert werden müssen.

Leckagesignale durch unvollkommene Abschirmung oder Kopplung zwischen Sende- und Empfangspfaden können den Dynamikbereich begrenzen. Sorgfältiges Systemdesign, ordnungsgemäße Erdung und Abschirmung minimieren Leckagen. Bei kritischen Messungen wird der Dynamikbereich des Systems gemessen, wobei die zu prüfende Antenne durch eine angepasste Last ersetzt wird, um den erreichbaren Messboden zu identifizieren.

Frequenzabhängige Effekte

Die Antennencharakteristiken variieren typischerweise mit der Frequenz, was Messungen über die Betriebsbandbreite erfordert. Frequenzabhängige Effekte umfassen Änderungen in Verstärkung, Musterform, Impedanzanpassung und Polarisation. Eine umfassende Antennencharakterisierung erfordert Messungen bei mehreren Frequenzen, die das Betriebsband überspannen.

Die Eigenschaften der Prüfeinrichtung variieren auch mit der Frequenz. Die Leistung des Schallkammerabsorbers, die Qualität der kompakten Ruhezone und die Reflexionsmuster im Freien hängen alle von der Frequenz ab. Das Verständnis dieser frequenzabhängigen Eigenschaften der Einrichtung hilft, Messergebnisse zu interpretieren und Messartefakte zu identifizieren.

Breitbandantennen, die über weite Frequenzbereiche arbeiten, stellen besondere Messprobleme dar. Die elektrische Größe der Antenne ändert sich im gesamten Betriebsbereich erheblich, was sich auf die Anforderungen an Fernfeldentfernungen und Mustereigenschaften auswirkt. Die Messverfahren müssen diesen Schwankungen Rechnung tragen und gleichzeitig eine gleichbleibende Genauigkeit über den gesamten Frequenzbereich hinweg gewährleisten.

Ressourcen und weiteres Lernen

Berufsverbände und Normungsgremien

Das Institute of Electrical and Electronics Engineers (IEEE) hält mehrere Standards in Bezug auf Antennenmessungen aufrecht und bietet Foren für den Austausch von Messtechniken und Best Practices. Die IEEE Antennas and Propagation Society organisiert Konferenzen, veröffentlicht Zeitschriften und bietet Bildungsressourcen für Antenneningenieure.

Die Internationale Elektrotechnische Kommission (IEC) entwickelt internationale Normen für Antennenmessungen und -prüfungen. IEC-Normen stimmen häufig mit IEEE-Normen überein und bieten weltweit anerkannte Messverfahren.

Nationale Metrologieinstitute wie das National Institute of Standards and Technology (NIST) in den Vereinigten Staaten bieten primäre Kalibrierstandards und die Rückverfolgbarkeit von Messungen für Antennenmessungen an, die Messtechniken erforschen und die grundlegenden Standards beibehalten, die die Kalibrierung von Antennenketten unterstützen.

Ausbildung und Zertifizierung

Professionelle Schulungen in Antennenmessungen werden von Universitäten, Berufsverbänden und kommerziellen Schulungsanbietern angeboten, die Messtheorie, praktische Techniken und praktische Erfahrungen mit Messgeräten und -einrichtungen abdecken.

Zertifizierungsprogramme für Antennentesttechniker und -ingenieure bieten anerkannte Nachweise, die die Kompetenz bei Antennenmessungen belegen.

Viele Gerätehersteller bieten Schulungen zu ihren spezifischen Messsystemen und Software an, die den Anwendern helfen, die Fähigkeiten ihrer Messgeräte zu maximieren und häufige Fallstricke zu vermeiden.

Online-Ressourcen und Tools

Zahlreiche Online-Ressourcen bieten Informationen über Antennenmessungen, darunter technische Artikel, Anwendungshinweise, Webinare und Video-Tutorials. Die Websites der Gerätehersteller enthalten oft umfangreiche Anwendungsbibliotheken mit Messbeispielen und Anleitungen.

Software-Tools für die Analyse von Antennenmessdaten, Musterplott und Unsicherheitsberechnung sind bei kommerziellen Anbietern und als Open-Source-Projekte erhältlich, die die Datenverarbeitung optimieren und die Visualisierung von Messergebnissen unterstützen.

Online-Rechner für Fernfelddistanz, Strahlbreitenschätzung und Verstärkungs-Direktivitäts-Beziehungen bieten schnelle Referenzwerkzeuge für Antenneningenieure. Während diese Rechner ungefähre Ergebnisse liefern, sind sie für die Planung von Messungen und die Überprüfung von Berechnungen nützlich.

Weitere Informationen zu Antennentests und HF-Messungen finden Sie auf der Website IEEE oder in den Ressourcen von NIST Zusätzliche technische Anleitungen finden Sie in IEC-Standards und professionellen Antennentestorganisationen.

Schlussfolgerung

Die Bewertung des Antennengewinns und der Richtwirkung durch geeignete Messtechniken ist von grundlegender Bedeutung für die Entwicklung leistungsfähiger drahtloser Systeme: Vom Verständnis der theoretischen Grundlagen der Richtwirkung und des Gewinns bis hin zur Implementierung anspruchsvoller Messverfahren in schallgeschüttelten Kammern und im Freien müssen Antenneningenieure ein breites Spektrum an Fähigkeiten und Kenntnissen beherrschen.

Industrienormen wie IEEE 149 und IEEE 1720 bieten wichtige Leitlinien für die Durchführung genauer, wiederholbarer Messungen. Die Einhaltung dieser Normen stellt sicher, dass die Messungen rückverfolgbar sind, über verschiedene Einrichtungen hinweg vergleichbar sind und den Anforderungen der Aufsichtsbehörden und Kunden entsprechen.

Die für Antennentests verwendete Messausrüstung und -instrumentierung entwickelt sich weiter, mit modernen Vektornetzwerkanalysatoren, Nahfeldscannern und automatisierten Positionsbestimmungssystemen, die schnellere und genauere Messungen als je zuvor ermöglichen.

Da die drahtlose Technologie in Millimeterwellenfrequenzen, massive MIMO-Systeme und rekonfigurierbare Antennen vordringt, müssen sich die Messtechniken weiterentwickeln. Aufkommende Methoden wie Over-the-Air-Tests, Computervalidierung und KI-gestützte Messungen werden traditionelle Techniken ergänzen, um die Herausforderungen der nächsten Generation von drahtlosen Systemen zu meistern.

Ob Sie Antennen für 5G-Basisstationen, Satellitenkommunikation, Autoradar oder IoT-Geräte entwerfen, genaue Verstärkungs- und Richtwirkungsmessungen bilden die Grundlage für die Überprüfung der Leistung und stellen sicher, dass Ihre Designs ihre Spezifikationen erfüllen. Durch die Einhaltung etablierter Messverfahren, die Verwendung ordnungsgemäß kalibrierter Geräte und das Verständnis der Quellen der Messunsicherheit können Antenneningenieure die Antennenleistung sicher charakterisieren und Systeme liefern, die die anspruchsvollen Anforderungen moderner drahtloser Anwendungen erfüllen.