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Weiterentwicklung der Antennenmesstechnik resultiert in neuen CMC-Einträgen

30.11.2021

Die PTB hat ihre Fähigkeiten im Bereich der Antennenmesstechnik durch die Anwendung der Nahfeld-Fernfeldtransformation oberhalb von 1 GHz ausgebaut und dabei die Messunsicherheit verringern können. Die Methode ist für alle Antennentypen geeignet und setzt keine Fernfeldbedingungen mehr voraus.

 

 

Die Rückführung von Antennenparametern und hier hauptsächlich des Antennengewinns in Hauptstrahlrichtung, dem sogenannten On-Axis-Gewinn, ist für eine Vielzahl von Anwendungen notwendig, bei denen es um die korrekte Messung von Leistungspegeln bzw. Feldstärken geht. Typische Anwendungsfelder sind neben der Emissionsmesstechnik bei der Produktzulassung auch die Mobilfunkmesstechnik, wenn z.B. die Abstrahlleistung bei phasengesteuerten Antennenarrays für den 5G NR-Mobilfunk bestimmt werden soll.


Die bisher angewendete Methode zur Antennenkalibrierung war limitiert auf den On-Axis-Gewinn von linear polarisierten Antennen, die unter Feldfeldbedingungen kalibriert wurden. Insbesondere im unteren GHz-Frequenzbereich kann diese Anforderung bei sogenannten Hochgewinnantennen auf Grund des limitierten zur Verfügung stehenden Messabstandes im Antennenscanner nur schwer gewährleistet werden und führt hier gleichzeitig zu einer erhöhter Messunsicherheit. Für diese Methode wurde 2021 der beantragte CMC-Eintrag (CMC = Calibration and Measurement Capability) der PTB bestätigt und in der Key Comparison DataBase (KCDB) des BIPM veröffentlicht. Durch die Implementierung eines Nahfeld-Fernfeld-Transformationsalgorithmus, der auf einer Quell-Rekonstruktionsmethode beruht, können mit Hilfe einer beliebigen, kalibrierten Probe-Antenne auch elektrisch große Antennen beliebiger Geometrie im Antennenscanner vermessen werden. Gleichzeitig wurden aufwändige Untersuchungen zu den verschiedenen Messunsicherheitsbeiträgen durchgeführt. Durch diese nun allgemein anwendbare Messmethode konnten einigen Messunsicherheitsbeträge kleiner abgeschätzt und verifiziert werden, sodass insgesamt neben einer flexibleren Messmethode auch eine geringe Messunsicherheit ausgewiesen werden kann.

 

Ein weiterer Vorteil der neuen Messmethode ist der berechnete Antennengewinn, der sich nicht mehr auf die Hauptstrahlrichtung beschränkt, sondern in beinahe jede Richtung angeben lässt. Dadurch können nun auch winkelaufgelöste Abstrahlungsdiagramme von Antennen kalibriert werden, was insbesondere bei sehr breitbandigen Antennen sowie auch bei Antennenarrays von großem Interesse ist. Für beide Messmethoden, also sowohl für die verbesserte Kalibrierung des On-Axis-Gewinns als auch für die Kalibrierung des Antennendiagramms, wurden jeweils die CMC-Einträge der PTB verbessert bzw. für letztere neu beantragt.

 

Doppelsteg-Hornantenne (oben) und berechnete Fernfeld-Abstrahldiagramme (unten) 

Bild: Doppelsteg-Hornantenne (oben) und die mit Hilfe der Nahfeld-Fernfeldtransformation berechneten Fernfeld-Abstrahldiagramme bei 12 GHz und bei 18 GHz (unten).

 

 

 

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