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5-2019

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Antennen synthese

Antennen synthese basierend auf Partikelschwarmoptimierung ausgearbeitet. Damit lässt sich die Ansteuerung der LC-Antenne so optimieren, dass sich die gewünschten Abstrahleigenschaften bestmöglich ergeben. Schließlich wurden neuartige LC-Antennen realisiert. Die untersuchten Reflexionsstrukturen bieten vielversprechende Möglichkeiten zur Verwendung im Antennenbereich. Durch Abwandlung lassen sich die entwickelten Strukturen ebenso für die Verwendung in anderen rekonfigurierbaren Technologien einsetzen. FS Bild 3: Die an die Kapillarstruktur angelegte Gleichspannung ermöglicht dem Flüssigmetall EGaIn, in die Kapillaren zu fließen. Es fließt zurück, sobald die Spannung abgeschaltet wird (Quelle: J. Appl. Phys. 117, 194901, 2015) eine Anwendung in Bereichen wie Sensorik zur Fahrzeugumfelderkennung, drahtlosen Funkverbindungen an Hot Spots und Zitate „Das Mehrelemente-Antennen-Array eines phasengesteuerten Radars kann als rekonfigurierbare Antenne betrachtet werden, bei der die Phasenänderung des in die verschiedenen Antennenstrahler gespeisten Signals die Abstrahlcharakteristik ändert.” [1] „Mittels Schalter können einzelne Antennenteile im Wechsel ein- oder ausgeschaltet werden, damit ändern sich die Richtcharakteristiken zu den jeweiligen Sendern und Empfängern.” Jerzy Kowalewski, Institut für Hochfrequenztechnik und Elektronik (IHE) [2] „Aktuelle Smartphones und tragbare Elektronikgeräte enthalten üblicherweise verschiedene leistungsschwache Antennendesigns, die sehr starken Designeinschränkungen aufgrund von Formfaktor und Antennennähe innerhalb des Geräts unterliegen. Eine rekonfigurierbare Antenne, die über einen großen Frequenzbereich einstellbar ist, könnte zur Optimierung der leistungsstärksten Frequenz für Kommunikationen eingesetzt werden und den Stromverbrauch sowie die Kosten von Filter und Netzwerkanpassung im Gerät deutlich senken.” [3] „Antennen aus Flüssigmetall mit elektromechanischer Steuerung können die erforderliche Dimension an Konfigurierbarkeit bieten und Anwendungen von handelsüblichen und industriellen IoT/ M2M-Anwendungen bis hin zum neuesten kabellosen Militärnetzwerk sowie Anforderungen elektronischer Kampfführung ermöglichen.” [3] „Rekonfigurierbare Antennen mit erweiterten Funktionalitäten wie Strahlschwenkung und Strahlformung sind für viele Anwendungen im Millimeterwellenbereich wie Kommunikation, Radarsensorik für Kfz und Erderkundung von zentraler Bedeutung.” [4] Mobilfunktechnologien denkbar. So wurden neuartige Konzepte für rekonfigurierbare planare Millimeterwellen-Reflektorantennen mit Reflexionselementen auf Basis steuerbarer Flüssigkristalle (Liquid Crystal, LC) entwickelt und evaluiert [4]. Technologische Herausforderungen sind u.a. eine niedrige Dämpfung im Nutzbereich sowie ein Ansteuernetzwerk für die Flüssigkristallzellen, welches das HF-Feld nicht beeinflusst. Das Projekt wurde in Kooperation zwischen der TU Darmstadt und der Universität Ulm durchgeführt. Darin wurden bestehende Simulationsprogramme um die Berechnung von Reflexionsstrukturen erweitert. Neuartige Reflexionsstrukturen wurden im Hinblick auf ihre Phasen- und Dämpfungseigenschaften entwickelt und mit Simulationen und Messungen verifiziert. Dabei entstanden vielversprechende Ansätze für die Verwendung in LC-Arrays. Neue Methoden zur Charakterisierung der LC-Arrays wurden entwickelt. Es konnten Einzelzellen auf einem LC-Array bei 35 GHz und später bei 77 GHz charakterisiert werden. Neu war in diesem Zusammenhang die Ausarbeitung von Charakterisierungsmethoden für Einheitszellen mit Polarisationsdrehung, da sie für gefaltete Reflectarray-Antennen benötigt werden. Weiter wurde ein Verfahren zur Diagramm- Quellen: [1] Tero Ranta und Jill Olson, Fa. Peregrine: Was rekonfigurierbare Antennen können, www. elektroniknet.de [2] Patrick Schäfer: KIT-Forscher entwickeln Antenne für große Datenmengen, www.springerprofessional.de/fahrzeugtechnik/funktionale-sicherheit/ kit-forscher-entwickeln-antennensystem-fuer-grosse-datenmengen/15742082 [3] Vong Philavanh, Fa. Arrow Electronics: Elektromechanisch steuerbare Antennen bringen Veränderung in die Kommunikation, www.arrow.de/researchand-events/articles/electromechanically-shifting-antennaschanging-communication [4] Rekonfigurierbare Millimeterwellen-Antennen mit steuerbaren hoch-anisotropen Flüssigkristallen, Antragsteller Prof. Dr.-Ing. Rolf Jakoby, Prof. Dr.-Ing. Wolfgang Menzel, http://gepris.dfg.de/gepris/ projekt/48246901/ergebnisse [5] Whatley, R.; Pilgrim, D.: Tuning components enable better wireless performance. Peregrine Semiconductor in: Microwave Engineering Europe, http:// www.microwave-eetimes.com/ en/tuning-components-enablebetter-wireless-performance. html?cmp_id=71&news_ id=222902986. ◄ 30 hf-praxis 5/2019

Sekundenschnelle Peilung und stabile Ergebnisse mit automatischer Antenne Antennen Automatisch peilen mit einkanaligen Empfängern Das Prinzip der automatischen Peilung beruht darauf, die Phasendifferenz eines Signals zwischen mehreren Antennenelementen zu messen. Dazu sind mehrkanalige Systeme natürlich hervorragend geeignet. Nachteil: Die Anschaffungskosten solcher Empfänger bewegen sich jenseits von Gut und Böse. Die Peilung kann aber auch mit einkanaligen Systemen gelingen. Nämlich dann, wenn wie in der ADFA 1 intelligente Antennenelemente zum Einsatz kommen. Ein ausgeklügeltes Array aus Antennen, Phasenschiebern und komplexen Algorithmen versetzt die ADFA 1 in die Lage, auch mit einem einkanaligen Empfänger vollautomatisch verlässlich und äußerst genau zu peilen. Hierzu wird der Phasenunterschied zwischen den Elementen gemessen. Dabei gilt: Je größer der Abstand, desto präziser und stabiler die Peilergebnisse. Mit nur 5,6 kg und 480 mm im Durchmesser ist die ADFA 1 die optimale Symbiose aus Präzision und Kompaktheit nach dem Motto „Size does matter“. Dieser Zusammenhang ist daher nicht verhandelbar. Den Ingenieuren von Narda Safety Test Solutions ist die Entwicklung einer automatischen Direction-Finding-Antenne (ADFA) gelungen, die in Verbindung mit einem passenden leistungsstarken Realtime-Empfänger wie dem SignalShark extrem schnell unvergleichlich stabile Peilergebnisse liefert. Unempfindlich gegen Reflexionen, wie sie in urbanen Umgebungen üblich sind, ortet sie ein erfasstes Signal zuverlässig und genau. Ein vollständiger Peilzyklus dauert lediglich 1,2 Millisekunden. Diese hohe Messgeschwindigkeit trägt zu einer beispiellosen Stabilität der Peilergebnisse bei. Vielseitig in mancher Hinsicht Die lange Liste ihrer Vorzüge macht die ADFA 1 zur optimalen Lösung für die automatische Peilung von Signalen im Frequenzbereich zwischen 200 MHz und 2,7 GHz. Neben Mobilfunkanbietern und dem Militär richtet sie sich hauptsächlich an Professional-Mobile-Radio- bzw. Bündelfunk- und BOS-Funk-Betreiber (Behörden und Organisationen mit Sicherheitsaufgaben) mit sicherheitsrelevanten Applikationen wie die Polizei, Feuerwehr und Ambulanz, den Grenzschutz und Nachrichtendienste. Als optimal dimensionierte Basis ihrer robusten Messergebnisse besteht die ADFA 1 im Kern aus neun Antennenelementen und einer zusätzlichen zentralen omnidirektionalen Referenzantenne. Die neun Antennenelemente werden dabei gegen die zentrale Referenz-Antenne gemessen. Letztere kann Signale aus allen Richtungen empfangen und erlaubt es dem Messtechniker sogar über die Richtung des verfolgten Signals hinaus, während der Peilung breitbandig das Spektrum zu überwachen. Diese Möglichkeit kommt ihm z.B. dann zugute, wenn er einer Zielperson auf der Spur ist, die auf einem Kanal funkt und diesen plötzlich wechselt. Ohne Überwachung des Spektrums ist das Signal verschwunden und die Suche an dieser Stelle zu Ende. Mit der Information der Referenzantenne hingegen kann der Messtechniker dranbleiben, das Störsignal weiter beobachten und verfolgen. Ein anderes Detail, das für Zuverlässigkeit und Präzision der Peilergebnisse steht, ist die Möglichkeit, die Elevation zu bestimmen. Das heißt, die ADFA 1 kann peilen, aus welchem Höhenwinkel ein Signal kommt und nutzt somit ein zusätzliches Kriterium, um die Verlässlichkeit der Messergebnisse zu steigern. Dies ist insbesondere in urbanen Umgebungen bei der Peilung einzelner Stockwerke von großem Vorteil. Die ADFA 1 im Praxiseinsatz In der Praxis wird die ADFA 1 mithilfe eines Magnetfußes auf dem Dach eines handelsüblichen Pkws befestigt. Hierzu sind weder bauliche Veränderungen am Trägerfahrzeug, geschweige denn ein irreversibles Bohrloch im Blech vonnöten. Aufgrund ihrer hohen Unempfindlichkeit gegenüber dem Montageuntergrund kommt sie dabei ohne die sonst erforderlichen fahrzeugspezifischen Korrekturtabellen aus. Diese Unabhängigkeit macht die ADFA 1 flexibel und universell einsetzbar. Für weitere Applikationen kann die ADFA 1 auch auf einem Stativ montiert und in stationären Einsätzen auf Störersuche gehen, die beispielsweise im militärischen Bereich anzusiedeln sind. Das Geheimnis der stabilen Peilergebnisse liegt in der Kombination aus der großen Apertur der ADFA 1, der Verwendung eines Referenzelements und der cleveren Verarbeitung der Peilergebnisse in der SignalShark-Software. Und letztendlich geht auch die hohe Messgeschwindigkeit mit ein. Die Chance zu einer perfekten Peilung, zu einer „Line of Sight“ während der Vorbeifahrt an einer Häuserzeile steigt naturgemäß mit der Geschwindigkeit der Messung. Je mehr Messergebnisse auf eine bestimmte Richtung, auf einen bestimmten Ort hindeuten, desto stabiler wird das Ergebnis. Das ist unterm Strich nichts anderes als Statistik. Um eine Signalquelle vor Ort auch „auf den letzten Metern“ exakt zu orten, kommt eine zusätzliche Handheld-Antenne mit dem SignalShark zum Einsatz. Damit kann der Messtechniker etwa ein zuvor gepeiltes Gebäude zu Fuß betreten und final Etage und das betreffende Apartment bestimmen. ■ Narda Safety Test Solutions GmbH www.narda-sts.com hf-praxis 5/2019 31

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