AntenneMessung ist der Prozess der quantitativen Bewertung und Analyse der Antennenleistung und -eigenschaften. Mithilfe spezieller Prüfgeräte und Messmethoden messen wir Verstärkung, Strahlungsdiagramm, Stehwellenverhältnis, Frequenzgang und weitere Parameter der Antenne, um zu überprüfen, ob die Designspezifikationen der Antenne den Anforderungen entsprechen, die Leistung der Antenne zu prüfen und Verbesserungsvorschläge zu unterbreiten. Die Ergebnisse und Daten aus Antennenmessungen können zur Bewertung der Antennenleistung, zur Optimierung des Designs, zur Verbesserung der Systemleistung und zur Bereitstellung von Anleitungen und Feedback für Antennenhersteller und Anwendungsingenieure genutzt werden.
Erforderliche Ausrüstung bei Antennenmessungen
Das grundlegendste Gerät zum Testen von Antennen ist der VNA. Der einfachste VNA-Typ ist ein 1-Port-VNA, der die Impedanz einer Antenne messen kann.
Die Messung des Strahlungsmusters, des Gewinns und der Effizienz einer Antenne ist schwieriger und erfordert deutlich mehr Ausrüstung. Die zu messende Antenne wird als AUT (Antenna Under Test) bezeichnet. Zur erforderlichen Ausrüstung für Antennenmessungen gehören:
Eine Referenzantenne – Eine Antenne mit bekannten Eigenschaften (Verstärkung, Muster usw.)
Ein HF-Leistungssender – Eine Möglichkeit, Energie in die AUT [zu testende Antenne] einzuspeisen
Ein Empfängersystem - Dies bestimmt, wie viel Leistung von der Referenzantenne empfangen wird
Ein Positionierungssystem – Dieses System wird verwendet, um die Testantenne relativ zur Quellantenne zu drehen und so das Strahlungsmuster als Funktion des Winkels zu messen.
Ein Blockdiagramm der oben genannten Ausrüstung ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1. Diagramm der erforderlichen Antennenmessausrüstung.
Auf diese Komponenten wird kurz eingegangen. Die Referenzantenne sollte selbstverständlich bei der gewünschten Messfrequenz gut abstrahlen. Referenzantennen sind häufig dualpolarisierte Hornantennen, sodass horizontale und vertikale Polarisation gleichzeitig gemessen werden können.
Das Sendesystem sollte in der Lage sein, eine stabile, bekannte Leistung abzugeben. Die Ausgangsfrequenz sollte zudem einstellbar (wählbar) und einigermaßen stabil sein (stabil bedeutet, dass die vom Sender empfangene Frequenz nahe der gewünschten Frequenz liegt und nicht stark von der Temperatur abhängt). Der Sender sollte bei allen anderen Frequenzen möglichst wenig Energie enthalten (es wird immer etwas Energie außerhalb der gewünschten Frequenz geben, aber beispielsweise sollte bei Oberwellen nicht viel Energie vorhanden sein).
Das Empfangssystem muss lediglich ermitteln, wie viel Leistung von der Testantenne empfangen wird. Dies kann über ein einfaches Leistungsmessgerät erfolgen, das die HF-Leistung (Hochfrequenz) misst und über eine Übertragungsleitung (z. B. ein Koaxialkabel mit N-Typ- oder SMA-Steckern) direkt an die Antennenanschlüsse angeschlossen werden kann. Der Empfänger ist typischerweise ein 50-Ohm-System, kann aber auf Wunsch auch eine andere Impedanz aufweisen.
Beachten Sie, dass das Sende-/Empfangssystem häufig durch einen VNA ersetzt wird. Eine S21-Messung sendet eine Frequenz aus Port 1 und zeichnet die empfangene Leistung an Port 2 auf. Daher ist ein VNA für diese Aufgabe gut geeignet; es ist jedoch nicht die einzige Methode, diese Aufgabe zu erfüllen.
Das Positionierungssystem steuert die Ausrichtung der Testantenne. Da wir das Strahlungsdiagramm der Testantenne winkelabhängig (typischerweise in Kugelkoordinaten) messen möchten, müssen wir die Testantenne so drehen, dass die Quellantenne die Testantenne aus jedem möglichen Winkel beleuchtet. Zu diesem Zweck wird das Positionierungssystem verwendet. Abbildung 1 zeigt die Drehung der AUT. Beachten Sie, dass es verschiedene Möglichkeiten gibt, diese Drehung durchzuführen; manchmal wird die Referenzantenne gedreht, manchmal werden sowohl die Referenz- als auch die AUT-Antenne gedreht.
Nachdem wir nun über die gesamte erforderliche Ausrüstung verfügen, können wir besprechen, wo die Messungen durchgeführt werden sollen.
Wo eignet sich ein guter Ort für unsere Antennenmessungen? Vielleicht möchten Sie dies in Ihrer Garage tun, aber die Reflexionen von Wänden, Decken und Boden würden Ihre Messungen verfälschen. Der ideale Ort für Antennenmessungen ist irgendwo im Weltraum, wo keine Reflexionen auftreten können. Da Raumfahrt derzeit jedoch unerschwinglich teuer ist, konzentrieren wir uns auf Messorte auf der Erdoberfläche. Eine schalltote Kammer kann verwendet werden, um den Antennentestaufbau zu isolieren und gleichzeitig reflektierte Energie mit HF-absorbierendem Schaumstoff zu absorbieren.
Freiraumbereiche (schalltote Räume)
Freiraummessplätze sind Antennenmessplätze, die Messungen simulieren, die im Weltraum durchgeführt würden. Das heißt, alle reflektierten Wellen von nahegelegenen Objekten und dem Boden (die unerwünscht sind) werden so weit wie möglich unterdrückt. Die gängigsten Freiraummessplätze sind reflexionsarme Räume, erhöhte Messplätze und der Kompaktmessplatz.
Absorberkammern
Absorberkammern sind Antennenanlagen für den Innenbereich. Wände, Decken und Boden sind mit speziellem Material zur Absorption elektromagnetischer Wellen ausgekleidet. Indoor-Anlagen sind vorteilhaft, da die Testbedingungen deutlich besser kontrolliert werden können als in Außenbereichen. Das Material ist oft gezackt, was diese Kammern optisch sehr interessant macht. Die gezackten Dreiecke sind so gestaltet, dass die von ihnen reflektierten Signale in zufällige Richtungen verteilt werden und die Summe aller zufälligen Reflexionen inkohärent ist und dadurch zusätzlich unterdrückt wird. Die folgende Abbildung zeigt eine Absorberkammer zusammen mit einigen Testgeräten:
(Das Bild zeigt den RFMISO-Antennentest)
Der Nachteil reflexionsarmer Räume besteht darin, dass sie oft recht groß sein müssen. Antennen müssen oft mindestens mehrere Wellenlängen voneinander entfernt sein, um Fernfeldbedingungen zu simulieren. Für niedrigere Frequenzen mit großen Wellenlängen benötigen wir also sehr große Räume, deren Größe jedoch oft aus Kosten- und praktischen Gründen begrenzt ist. Einige Rüstungsunternehmen, die den Radarquerschnitt von großen Flugzeugen oder anderen Objekten messen, verfügen bekanntermaßen über reflexionsarme Räume von der Größe eines Basketballfeldes, obwohl dies nicht üblich ist. Universitäten mit reflexionsarmen Räumen verfügen in der Regel über Räume mit einer Länge, Breite und Höhe von 3 bis 5 Metern. Aufgrund der Größenbeschränkung und weil HF-absorbierendes Material in der Regel bei UHF und höher am besten funktioniert, werden reflexionsarme Räume am häufigsten für Frequenzen über 300 MHz verwendet.
Erhöhte Bereiche
Erhöhte Messbereiche sind Messbereiche im Freien. Bei diesem Aufbau werden die zu testende Quelle und Antenne oberirdisch montiert. Diese Antennen können sich auf Bergen, Türmen, Gebäuden oder an jedem anderen geeigneten Ort befinden. Dies wird häufig bei sehr großen Antennen oder bei niedrigen Frequenzen (VHF und darunter, <100 MHz) angewendet, wo Messungen in Innenräumen nicht möglich wären. Das grundlegende Diagramm eines erhöhten Messbereichs ist in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2. Darstellung der erhöhten Reichweite.
Die Quellantenne (oder Referenzantenne) befindet sich nicht unbedingt höher als die Testantenne; ich habe es hier nur so dargestellt. Die Sichtlinie (LOS) zwischen den beiden Antennen (dargestellt durch den schwarzen Strahl in Abbildung 2) muss frei sein. Alle anderen Reflexionen (wie der vom Boden reflektierte rote Strahl) sind unerwünscht. Bei erhöhten Reichweiten ermitteln die Tester nach der Bestimmung des Quell- und Testantennenstandorts die signifikanten Reflexionen und versuchen, diese von diesen Oberflächen zu minimieren. Häufig wird hierfür HF-absorbierendes Material oder anderes Material verwendet, das die Strahlen von der Testantenne ablenkt.
Kompakte Bereiche
Die Quellantenne muss im Fernfeld der Testantenne platziert werden. Der Grund dafür ist, dass die von der Testantenne empfangene Welle für maximale Genauigkeit eine ebene Welle sein sollte. Da Antennen Kugelwellen ausstrahlen, muss die Antenne ausreichend weit entfernt sein, damit die von der Quellantenne abgestrahlte Welle annähernd eine ebene Welle ist – siehe Abbildung 3.
Abbildung 3. Eine Quellantenne strahlt eine Welle mit einer sphärischen Wellenfront ab.
Bei Innenkammern ist der Abstand jedoch oft nicht ausreichend, um dies zu erreichen. Eine Methode, dieses Problem zu beheben, ist eine kompakte Reichweite. Dabei wird eine Quellantenne auf einen Reflektor ausgerichtet, dessen Form so gestaltet ist, dass er die Kugelwelle annähernd planar reflektiert. Dieses Prinzip ähnelt stark dem einer Parabolantenne. Die grundlegende Funktionsweise ist in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4. Kompakte Reichweite – die sphärischen Wellen von der Quellantenne werden planar (kollimiert) reflektiert.
Die Länge des Parabolreflektors sollte typischerweise ein Vielfaches der Testantenne betragen. Die Quellantenne in Abbildung 4 ist vom Reflektor versetzt, sodass sie den reflektierten Strahlen nicht im Weg steht. Es muss außerdem darauf geachtet werden, jegliche direkte Strahlung (gegenseitige Kopplung) von der Quellantenne zur Testantenne zu vermeiden.
Beitragszeit: 03.01.2024
