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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik Vermessung

Messtechnik Vermessung des Abstrahldiagramms eines aktiven Radarmoduls in einer Compact Range Bild 1: Das aktive Radarmodul (ARM), links die Draufsicht, rechts die Unteransicht Aufgrund der Tatsache, dass sie sich reziprok verhalten, können passive Antennen sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus charakterisiert werden. Im Gegensatz dazu kann die Charakterisierung bei aktiven Antennen wegen ihres nicht-reziproken Verhaltens nicht vollständig in nur einem der beiden Modi durchgeführt werden. Dieses Merkmal aktiver Antennen erfordert, dass eine Antennenmesseinrichtung sowohl im Sende- als auch im Empfangsmodus betrieben werden kann. Dieser Artikel beschreibt einen speziellen Messaufbau zur Charakterisierung eines aktiven Radarmoduls (ARM) im Sendemodus und präsentiert die Ergebnisse dieser Messungen, die in der Compact Antenna Test Range des Instituts für Hochfrequenztechnik der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH), Aachen, Deutschland, durchgeführt wurden. Aktive Antennen gewinnen wegen ihrer Flexibilität und höheren Effizienz, für bestimmte Anwendungen [1] in der mobilen Kommunikation zunehmend an Interesse (z. B. für Basisstationen). Die Bezeichnung “aktive Antenne” rührt von der Tatsache her, dass aktive Bauelemente, wie etwa Leistungsverstärker (engl. Power Amplifier, PA) oder rauscharme Verstärker (engl. Low Noise Amplifier, LNA) als feste Bestandteile in die Antenne integriert sind. Da für den Betrieb der Antenne im Sende- oder Empfangsmodus jeweils andere aktive Bauteile verwendet werden, muss eine aktive Antenne entweder im Empfangs- oder im Sendefall charakterisiert werden. Einige aktive Antennen werden mit sogenannten Sende-/Empfangsmodulen (engl. Tx/Rx Module) ausgerüstet, damit sie in beiden Modi betrieben werden können [2]. Diese Antennen müssen Bild 2: Ein Blockdiagramm mit Darstellung des NT-TL-basierten SFCW-Radarmoduls 44 hf-praxis 4/2015

Messtechnik Bild 3: Schematische Darstellung eines kombinierten Kompaktantennen-Prüfbereichs und einer sphärischen Nahfeld- Antennenmesseinrichtung am IHF in Aachen (7) ebenso separat für den entsprechenden Betriebsmodus charakterisiert werden. Im Gegensatz zu passiven Antennen stellt das Messen an aktiven Antennen eine größere Herausforderung dar, die Schwierigkeit beim Messen kann verschiedene Ursachen haben. Besonders anspruchsvoll sind Antennengruppen, da zum Betrieb und zur Strahlformung eine besondere Kalibrierung zur Bestimmung von Unterschieden im Verhalten der einzelnen Kanäle notwendig ist [3, 4, 5]. Die Messungen stellen ebenfalls hohe Ansprüche an die verwendete Messeinrichtung, insbesondere für sphärische Nahfeld-Messeinrichtungen, die zu jeder Zeit zwecks Durchführung der Nah-zu-Fernfeld-Transformation [6] präzise Phasen- und Amplitudeninformationen benötigen. Durch die feste Kombination von Antenne und Elektronik z.B. in Form von MMIC fehlt häufig eine feste Bezugseben (Antennentor) Dieser letzte Punkt wird in den heutigen Technologien dort deutlich, wo das gesamte System, einschließlich der Tx- und Rx-Antennen, der digitalen Signalverarbeitungsmodule (engl. Digital Signal Processing DSP-Module), der Verstärker usw. in einem Chip integriert ist. Dies macht ein Zugreifen auf die Phaseninformation sehr schwierig (falls nicht in den frühen Designphasen berücksichtigt), wenn nicht sogar unmöglich. In diesem Artikel werden die Ergebnisse einer Messreihe vorgestellt, die in der Compact Antenna Test Range (CATR) des Instituts für Hochfrequenztechnik (IHF) der RWTH Aachen [7] durchgeführt wurde. Beim Messobjekt (engl. Device Under Test DUT) handelt es sich um ein von der Fa. Anritsu neu entwickeltes aktives Radarmodul, das in Form eines der ersten Prototypen untersucht wurde. Der vorliegende Beitrag enthält eine detaillierte und technische Beschreibung des Messaufbaus und gibt einen Überblick über das Modul als solches, die Technologie und die Verwendung. Abschnitt II ist dem Radarmodul gewidmet. Abschnitt III erörtert Messeinrichtung und -aufbau. Abschließend sind in Abschnitt VI die Messergebnisse dargestellt. Das aktive Radarmodul Das ARM ist ein Schrittfrequenz-Dauerstrich-Radar (engl. Stepped Frequency Continuous Wave SFCW-Radar). Es besteht aus zwei durch Dual-Hohlleiter mit schwenkbarem Strahl eingespeisten Hornstrahlern, von denen der eine zum Senden von Continuous Wave-Signalen (CW-Signalen) und der andere zum Empfangen der Signalreflektionen genutzt wird. Die Hörner besitzen Schnittstellen zu nichtlinearen, übertragungsleitungsbasierten, regelbaren Phasenschiebern (eng. Nonlinear Transmission Line NLTL-Phasenschiebern) [8], Samplern, Frequenzvervielfachern und peripheren Baugruppen in einer kompakten Einheit, die über eine USB-Schnittstelle gesteuert wird. Sie funktioniert im Frequenzbereich 55 GHz – 65 GHz. Bild 1 zeigt das Modul. Das linke Foto in Bild 1 zeigt eine Draufsicht des ARM. Es sind sowohl Tx- als auch Rx- Hornantennen zu erkennen. Das rechte Foto in Bild 1 zeigt eine Unteransicht des ARM. Deutlich erkennbar sind das Modulboard, Gleichspannungsanschluss und USB-Anschlüsse. Funktionsprinzip Bild 2 zeigt ein allgemeines Blockdiagramm mit Darstellung des SFCW-Moduls, welches aus einem Abtast-Richtkoppler und Empfänger, strahlschwenkbaren Sende- und Empfangsantennen, einer CW- Impulsquelle und der USB-Steuerung besteht. Der untere Diagrammzweig zeigt die Antenne. Die Aufgabe des SFCW-Radars ist, den Abstand zu einem bestimmten Objekt zu messen. Dies erfolgt durch das Abtasten des CW-Senders in einem vorgegebenen Frequenzbereich, wobei die Reflexion bei den übertragenen Frequenzen gebildet wird, und durch die Verwendung der Chirp-Z-Transformation mit dem Ziel, die Zeitverzögerung bis zum Objekt wieder einzuholen. Die Verzögerung wird hinterher verwendet, um die Entfernung des Objekts zum Radar zu bestimmen [9][10]. Eine besondere Funktion dieses Moduls ist die Steuerbarkeit des Strahls. Diese wird mit Hilfe von regelbaren Phasenschiebern (eng. Variable Phase Shifters VPS) erreicht, die in einem mit Dual-Hohlleiter eingespeis- Bild 4: Quiet-Zone-Scan auf der H-Ebene bei 55 GHz Bild 5: Quiet-Zone-Scan auf der H-Ebene bei 57 GHz hf-praxis 4/2015 45

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© beam-Verlag Dipl.-Ing. Reinhard Birchel