AntenneDie Antennenmessung ist der Prozess der quantitativen Bewertung und Analyse der Antennenleistung und -eigenschaften. Mithilfe spezieller Testgeräte und Messmethoden messen wir die Verstärkung, das Strahlungsdiagramm, das Stehwellenverhältnis, den Frequenzgang und weitere Parameter der Antenne. So überprüfen wir, ob die Designvorgaben den Anforderungen entsprechen, kontrollieren die Antennenleistung und geben Verbesserungsvorschläge. Die Ergebnisse und Daten der Antennenmessungen dienen der Bewertung der Antennenleistung, der Optimierung von Designs und der Verbesserung der Systemleistung. Zudem liefern sie Antennenherstellern und Anwendungsingenieuren wertvolle Hinweise und Rückmeldungen.
Erforderliche Ausrüstung bei Antennenmessungen
Für Antennentests ist das grundlegendste Gerät der Vektornetzwerkanalysator (VNA). Der einfachste VNA-Typ ist ein 1-Port-VNA, mit dem die Impedanz einer Antenne gemessen werden kann.
Die Messung des Strahlungsmusters, des Gewinns und des Wirkungsgrads einer Antenne ist aufwendiger und erfordert deutlich mehr Ausrüstung. Die zu messende Antenne bezeichnen wir als AUT (Antenna Under Test, kurz für „Antenne unter Test“). Für Antennenmessungen wird folgende Ausrüstung benötigt:
Eine Referenzantenne – Eine Antenne mit bekannten Eigenschaften (Verstärkung, Strahlungsdiagramm usw.).
Ein HF-Leistungssender – Eine Möglichkeit, Energie in das zu testende Antennenobjekt (AUT) einzuspeisen.
Ein Empfängersystem – Dieses System bestimmt, wie viel Leistung von der Referenzantenne empfangen wird.
Ein Positionierungssystem - Dieses System wird verwendet, um die Testantenne relativ zur Quellantenne zu drehen und das Strahlungsmuster in Abhängigkeit vom Winkel zu messen.
Ein Blockdiagramm der oben genannten Geräte ist in Abbildung 1 dargestellt.
Abbildung 1. Schema der benötigten Antennenmessgeräte.
Diese Komponenten werden kurz erläutert. Die Referenzantenne sollte selbstverständlich bei der gewünschten Testfrequenz gut abstrahlen. Referenzantennen sind häufig dualpolarisierte Hornantennen, sodass die horizontale und vertikale Polarisation gleichzeitig gemessen werden können.
Das Sendesystem sollte eine stabile, bekannte Ausgangsleistung liefern können. Die Ausgangsfrequenz sollte zudem einstellbar (wählbar) und hinreichend stabil sein (stabil bedeutet, dass die vom Sender abgegebene Frequenz nahe an der gewünschten Frequenz liegt und sich mit der Temperatur kaum ändert). Der Sender sollte bei allen anderen Frequenzen nur sehr geringe Energie aufweisen (etwas Energie außerhalb der gewünschten Frequenz ist zwar immer vorhanden, jedoch sollte die Energie bei Oberwellen beispielsweise gering sein).
Das Empfangssystem muss lediglich die von der Testantenne empfangene Leistung ermitteln. Dies kann mit einem einfachen Leistungsmesser erfolgen, einem Gerät zur Messung von HF-Leistung (Hochfrequenzleistung), das über eine Übertragungsleitung (z. B. ein Koaxialkabel mit N- oder SMA-Steckern) direkt an die Antennenanschlüsse angeschlossen wird. Typischerweise arbeitet das Empfangssystem mit 50 Ohm, kann aber bei Bedarf auch eine andere Impedanz aufweisen.
Beachten Sie, dass das Sende-/Empfangssystem häufig durch einen Vektornetzwerkanalysator (VNA) ersetzt wird. Bei einer S21-Messung wird eine Frequenz über Port 1 gesendet und die empfangene Leistung über Port 2 erfasst. Daher eignet sich ein VNA gut für diese Aufgabe; es ist jedoch nicht die einzige Möglichkeit, diese Aufgabe zu erfüllen.
Das Positionierungssystem steuert die Ausrichtung der Testantenne. Da wir das Strahlungsmuster der Testantenne in Abhängigkeit vom Winkel (typischerweise in Kugelkoordinaten) messen möchten, muss die Testantenne so gedreht werden, dass die Sendeantenne sie aus jedem möglichen Winkel beleuchtet. Das Positionierungssystem dient diesem Zweck. Abbildung 1 zeigt die Drehung des Prüflings (AUT). Diese Drehung kann auf verschiedene Arten erfolgen; manchmal wird die Referenzantenne gedreht, manchmal werden sowohl die Referenzantenne als auch der Prüfling gedreht.
Jetzt, da wir die gesamte benötigte Ausrüstung haben, können wir besprechen, wo wir die Messungen durchführen sollen.
Wo eignet sich ein guter Ort für unsere Antennenmessungen? Vielleicht möchten Sie dies in Ihrer Garage tun, doch die Reflexionen von Wänden, Decke und Boden würden die Messungen verfälschen. Der ideale Ort für Antennenmessungen wäre der Weltraum, wo keine Reflexionen auftreten. Da Raumfahrt derzeit jedoch extrem kostspielig ist, konzentrieren wir uns auf Messorte auf der Erdoberfläche. Eine reflexionsarme Kammer kann verwendet werden, um den Antennenaufbau zu isolieren und reflektierte Energie mit HF-absorbierendem Schaumstoff zu absorbieren.
Freiraumschießstände (schalltote Kammern)
Freiraummessanlagen sind Antennenmessplätze, die Messungen im Weltraum simulieren. Dabei werden alle unerwünschten Reflexionen von nahen Objekten und dem Boden weitestgehend unterdrückt. Zu den gängigsten Freiraummessanlagen zählen reflexionsarme Kammern, erhöhte Messanlagen und Kompaktmessanlagen.
reflexionsarme Räume
Schalltote Kammern sind Indoor-Antennenmessanlagen. Wände, Decke und Boden sind mit einem speziellen elektromagnetischen Wellen absorbierenden Material ausgekleidet. Indoor-Messanlagen sind vorteilhaft, da die Testbedingungen dort deutlich besser kontrolliert werden können als im Freien. Das Material ist oft unregelmäßig geformt, was diese Kammern optisch interessant macht. Die gezackten Dreiecksformen bewirken, dass sich die reflektierten Wellen in zufällige Richtungen ausbreiten. Die Überlagerung all dieser Reflexionen führt zu einer inkohärenten Überlagerung und damit zu einer weiteren Dämpfung. Die folgende Abbildung zeigt eine schalltote Kammer zusammen mit einigen Testgeräten:
(Das Bild zeigt den RFMISO-Antennentest)
Der Nachteil von reflexionsarmen Räumen liegt in ihrer oft erforderlichen Größe. Antennen müssen häufig mindestens mehrere Wellenlängen voneinander entfernt sein, um Fernfeldbedingungen zu simulieren. Daher benötigen wir für niedrigere Frequenzen mit großen Wellenlängen sehr große Räume, deren Größe jedoch oft durch Kosten und praktische Einschränkungen begrenzt wird. Einige Rüstungsunternehmen, die den Radarquerschnitt großer Flugzeuge oder anderer Objekte messen, verfügen bekanntermaßen über reflexionsarme Räume von der Größe eines Basketballfelds, obwohl dies eher die Ausnahme ist. Universitäten mit reflexionsarmen Räumen verwenden typischerweise Kammern mit Abmessungen von 3–5 Metern Länge, Breite und Höhe. Aufgrund der Größenbeschränkung und da HF-absorbierendes Material typischerweise im UHF-Bereich und darüber am besten wirkt, werden reflexionsarme Räume meist für Frequenzen über 300 MHz eingesetzt.
Hochgebirge
Erhöhte Messstrecken sind Freiluftmessstrecken. Dabei werden die Quelle und die zu testende Antenne über dem Boden montiert. Diese Antennen können auf Bergen, Türmen, Gebäuden oder an anderen geeigneten Orten angebracht werden. Dies wird häufig bei sehr großen Antennen oder bei niedrigen Frequenzen (VHF und darunter, <100 MHz) angewendet, wo Messungen in Innenräumen nicht durchführbar wären. Das grundlegende Schema einer erhöhten Messstrecke ist in Abbildung 2 dargestellt.
Abbildung 2. Illustration der erhöhten Reichweite.
Die Sendeantenne (oder Referenzantenne) muss nicht unbedingt höher als die Testantenne positioniert sein; hier wurde es lediglich so dargestellt. Die Sichtlinie (LOS) zwischen den beiden Antennen (dargestellt durch den schwarzen Strahl in Abbildung 2) muss frei sein. Alle anderen Reflexionen (wie z. B. der vom Boden reflektierte rote Strahl) sind unerwünscht. Bei erhöhten Messstrecken ermitteln die Testoperatoren nach Festlegung der Positionen von Sende- und Testantenne, wo die signifikanten Reflexionen auftreten, und versuchen, diese zu minimieren. Häufig wird hierfür HF-absorbierendes Material oder anderes Material verwendet, das die Strahlen von der Testantenne weglenkt.
Kompakte Sortimente
Die Sendeantenne 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 abstrahlen, muss die Sendeantenne ausreichend weit entfernt sein, damit die von ihr abgestrahlte Welle annähernd einer ebenen Welle entspricht – siehe Abbildung 3.
Abbildung 3. Eine Quellantenne strahlt eine Welle mit sphärischer Wellenfront ab.
Bei Innenräumen ist der Abstand jedoch oft nicht ausreichend, um dies zu erreichen. Eine Lösung bietet eine Kompaktantenne. Dabei wird eine Sendeantenne auf einen Reflektor ausgerichtet, dessen Form die Kugelwelle annähernd planar reflektiert. Dies entspricht dem Funktionsprinzip einer Parabolantenne. Die grundlegende Funktionsweise ist in Abbildung 4 dargestellt.
Abbildung 4. Kompakte Reichweite - die sphärischen Wellen der Quellantenne werden so reflektiert, dass sie planar (kollimiert) sind.
Die Länge des Parabolreflektors sollte typischerweise um ein Vielfaches größer sein als die der Testantenne. Die Sendeantenne in Abbildung 4 ist gegenüber dem Reflektor versetzt, sodass sie die reflektierten Strahlen nicht behindert. Es ist außerdem darauf zu achten, dass keine direkte Abstrahlung (gegenseitige Kopplung) von der Sendeantenne zur Testantenne stattfindet.
Veröffentlichungsdatum: 03.01.2024
