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Zur Auswirkung der Messunsicherheit des Nahfeld-Scans auf die Unsicherheit abgeleiteter Fernfeld-Antenneneigenschaften

Kolloquium der Abteilung 2

Einige Autoren gehen davon aus, dass die Bestimmung typischer Fernfeldeigenschaften von Antennen, wie Gewinn oder Richtcharakteristik, aus Nahfeld-Scans unter günstigen Bedingungen sogar eine geringere Unsicherheit bieten kann als eine direkte Messung im Fernfeld [1, 2]. Beispielsweise wurde in [3] unter der Annahme, dass numerische Fehler bei Durchführung der Transformation ins Fernfeld keine Verstärkung der Messunsicherheit im Nahfeld bewirken, in Kombination mit der Idee, durch Mittelungen über einige wenige unterschiedliche räumliche Konfigurationen eine praktisch fehlerfreie Referenz zu erhalten, eine angeblich verschwindend kleinen Unsicherheit für abgeleitete Antennengrößen ermittelt. Diese Auffassung soll in dieser Präsentation kritisch hinterfragt werden. Dazu wird die Nahfeld-Fernfeld Transformation – wie weitgehend üblich – als Identifikationsproblem eines geeigneten Modells des Messvorganges mathematisch dargestellt und verschiedenartige Realisationen dieses Identifikationsprozesses auf Basis von Nahfed-Scans in Hinblick auf die mit ihnen verbundene Unsicherheit untersucht. Zu den betrachteten Realisierungen zählen u.a. Orthogonalentwicklungen mit sphärischen Wellenfunktionen [4] sowie die Identifikation von Dipolverteilungen im Sinne von elektromagnetischen Feld-Integralgleichungen [5]. In beiden Fällen ist davon auszugehen, dass die vorliegenden Nahfeld-Daten aus zahlreichen Gründen einer Messunsicherheit unterliegen und, technisch bedingt, nicht an optimalen Messpunkten gemessen werden können [6]. Die Bewertung des Einflusses der Nahfeld-Fernfeld-Transformation auf diese Unsicherheit erfordert insbesondere eine Abschätzung der Fehlerfortpflanzung durch unterschiedliche Methoden zur Lösung überbestimmter Gleichungssysteme. Mit dem Ziel eines optimalen Designs des Messprozesses ist ferner jeweils zu prüfen, wie die Feinheit der Modellierung des Messprozesses und die Anzahl der Nahfeldmessungen aufeinander abgestimmt werden müssen, um im technisch sinnvollen Rahmen minimale Abschätzungen der resultierenden Unsicherheit für die zu bestimmenden Fernfeldgrößen zu erzielen. Das Ziel von Untersuchungen dieser Art ist es, in der Zukunft antennenspezifisch angeben zu können, wie genau gewisse Fernfeldgrößen mit den zur Verfügung stehenden technischen und zeitlichen Ressourcen bestimmt werden können.

 

 

1.         A. C. Newell, R. D. Ward, E. D. McFarlane: Gain and Power Parameter Measurements Using Planar Near-Field Techniques. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 36, No. 6, 1988.

2.         F. J. Cano-Fácila, S. Burgos, M. Sierra-Castañer: Novel Method to Improve the Signal-to-Noise Ratio in Far-Field Results Obtained from Planar Near-Field measurements. IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 53, No. 2, 2011.

3.         S. Burgos: Contribution of the Uncertainty Evaluation in the Measurement of the Main Antenna Parameters. Dissertation, Universidad Politécnica de Madrid, 2009.

4.         J. E. Hansen: Spherical Near-Field Antenna Measurements. London, 1988.

5.         C. H. Schmidt, M. M. Leibfritz, T. F. Eibert: Fully Probe Corrected Near-Field Far-Field Transformation Employing Plane Wave Expansion and Diagonal Translation Operator. IEEE Transactions on Antennas and Propagation, Vol. 56, No. 3, 2008.

6.         C. Parini, S. Gregson, J. McCormick, D. J. van Rensburg: Theory and Practice of Modern Antenna Range Measurements. Herts (UK), 2014.