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9-2017

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Fachzeitschrift für Hochfrequenz- und Mikrowellentechnik

Messtechnik Einfache

Messtechnik Einfache Antennencharakterisierung unter Verwendung mehrerer VNAs oder Laptops mit Betriebssystem Windows 7 oder höher sowie mit der ShockLineTM VNA- Software, die kostenfrei bei Anritsu erhältlich ist, gesteuert. Die MS46121A-Option 021 aktiviert die skalare Messfunktion (|S21|,|S12|), in der jedes angeschlossene Modul als separater physischer Messkanal erscheint. Der aktive ausgewählte Kanal ist immer die Impulsquelle. Die Empfangsschnittstelle(n) ist (sind) über das Antwortmenü (S11, S22 … S16 16) auswählbar. Bild 1: Die wichtigsten Antennencharakteristika Dieser Artikel zeigt, wie ein Set aus zwei Eintor-Vektornetzwerkanalysatoren (VNAs), die sich über eine LAN-Schnittstelle fernsteuern lassen, für kostengünstige skalare Transmissionsmessungen zur einfachen Antennencharakterisierung genutzt werden kann. Es werden Ergebnisse aus der Praxis angeführt, um aufzuzeigen, wie es möglich ist, mit sehr begrenzten Investitionen eine Antennen-Richtdiagramm- und Antennengewinnberechnung durchzuführen. In der Regel sind Antennenberechnungen kostenintensiv, kompliziert und benötigen viel Zeit bis Ergebnisse angezeigt werden. Während der VNA heutzutage als Standardwerkzeug für das Messen frequenzabhängiger Parameter gilt, gibt es den Nachteil, dass es virtuell unmöglich, ist die VNA-Ports bis zu den gewünschten Antennenstandorten zu verlängern, ohne dass es zu Problemen, wie etwa Kabelverlusten, kommt. Ing. C. Culotta-Lopez Dipl.-Ing. T. Dallmann IHF RWTH, Aachen, Deutschland Dipl.-Ing. F. Gerhardes, Anritsu, Deutschland Das in diesem Artikel beschriebene Projekt zeigt jedoch, dass ein VNA, wie z. B. der Eintor- Analysator MS46121A von Anritsu, als wertvolles und kostengünstiges Werkzeug für einfache Antennenmessungen dienen kann – wobei die ermittelten Messwerte der Antennencharakterisierung nahe an den in der Herstellerspezifikation angegebenen Werten liegen. Studentenprojekt Hintergrund dieses Projekts ist eine Studentenarbeit des Instituts für Hochfrequenztechnik der RWTH Aachen, die von der Anritsu GmbH unterstützt wurde. Die Aufgabe der Studenten bestand darin, ein Hardwarekonzept und eine Steuerungssoftware für einen Schrittmotor zur azimutalen Drehung der zu messenden Antenne zu entwerfen und zu entwickeln. Eine zusätzliche Anforderung bestand hinsichtlich der Visualisierung von Antennen-Richtdiagramm und Antennengewinn in einer MATLAB-Umgebung. Anritsu hat dieses Projekt mit der erforderlichen VNA-Hardware, einem Schrittmotor, einem Antennen-Dreibeinstativ und einer USLP 9142-Antenne von Schwarzbeck unterstützt. Die RWTH Aachen war für Entwurf, Entwicklung und Realisierung des Projekts verantwortlich. Nach der erfolgreichen Präsentation auf der German Microwave Conference 2015 wurde entschieden, das Projekt zu erweitern, um greifbare Ergebnisse zu erzielen. Versuchsanordnung Der MS46121A ist ein vollwertiges Eintor-USB-Vektoranalysatormodul mit Funktionen zur Durchführung von Zeitbereichsmessungen. Durch Hinzufügen eines zweiten Moduls kann der Prüfingenieur skalare Transmissionsmessungen, wie beispielsweise die S21-Messung, durchführen. In einer solchen Versuchsanordnung lässt sich jedes der Module als Impulsquelle nutzen, wobei das jeweils andere Modul als vollständig Vektor-korrigierter (kalibrierter) Empfänger fungiert. Für das Antennenmesskonzept sind zwei dieser Module ausreichend. Für komplexe Anwendungen, wie etwa für Tests von Mehrbereichsantennen, ist der Einsatz von bis zu 16 VNA-Modulen möglich, wovon ein Modul als Impulsgeber und die verbleibenden 15 als Empfänger fungieren. Das System wird vom Anwender mithilfe eines externen PCs Eine weitere Option (002) bietet Bandpass- und Tiefpass-Zeitbereichsmessungen mit Zeitbereichsfilterfunktion zum Messen von Parametern, wie z. B. dem Abstand zum Fehler oder der Impedanz. Für Antennenmessungen sind die VNA-Eckwerte der Dynamikbereich, die Impulsenergie und der Abtastbereich der Messung. Eine einfache Lösung zum Begrenzen des Dynamikbereichs ist das Verwenden langer Kabel mit hoher Einfügungsdämpfung am VNA- Prüfanschluss des VNA. Den idealen Versuchsaufbau erhält man, wenn die VNA- Hardware direkt und ohne jegliches Kabel an den Antennen angeschlossen wird und die Messdatenübertragung über einen preisgünstigen USB-Hub erfolgt, der mit einer Ethernet- LAN-Verbindung zu einem PC verlängert wird. Auf diese Weise werden unerwünschte Verluste vermieden, und man spart die Kosten für teure, lange Prüfport- Kabel. Im Ergebnis erreicht man eine Verbesserung des Dynamikbereichs. Mit einer Impulsenergie von +3 dBm (>23,2 MHz bis 4 GHz) lassen sich Antennen- Nebenkeulen von bis zu -30 dB bei Frequenzen von bis zu 3 GHz charakterisieren, wobei sich die Antenne in einer Entfernung von bis zu 10 m befinden kann. 20 hf-praxis 9/2017

Bild 2: Relativer Antennengewinn der zu messenden Antenne (USLP 9143) Antennen- Charakteristika Die wichtigsten zu messenden Abstrahlcharakteristika (Bild 1) sind: • Richtdiagramm • Abstrahlwinkel bei halber Antennenleistung • Nebenkeulen der Antenne • Antennengewinn Messungen des Antennengewinns erfordern im Wesentlichen die gleiche Messumgebung, wie die entsprechenden Messungen des Antennen-Richtdiagramms. Um den Antennengewinn von Antennen zu messen, die oberhalb von 1 GHz betrieben werden, werden üblicherweise Absorberkammern zwischen 0,1 GHz und 1 GHz Bodenreflexionsbereiche genutzt. Innerhalb dieses Projektumfangs stehen drei unterschiedliche Messverfahren zur Messung des Antennengewinns zur Verfügung. Bei den ersten beiden handelt es sich um die sogenannten Messungen des „absoluten Gewinns“: die Zwei-Antennen- Methode und die Drei-Antennen- Methode, wogegen das dritte Messverfahren die Antennengewinn-Übertragungs- (oder auch Antennengewinn-Vergleichs)- Methode ist. Die Zwei-Antennen-Methode basiert auf der Friis-Übertragungsgleichung und erfordert zwei identische Prüfmuster der zu messenden Antenne: eine davon fungiert als abstrahlende Antenne, die andere als empfangende Antenne. Die Drei-Antennen-Methode wird angewendet, wenn nur ein Prüfmuster der zu messenden Antenne zur Verfügung steht. In diesem Falle können zwei weitere beliebige Antennen zur Durchführung von drei Messungen verwendet werden, die eine Berechnung der einzelnen Antennengewinne aller drei Antennen ermöglicht. Alle drei Messungen werden bei einer festen bekannten Entfernung zwischen abstrahlender Antenne und Sendeantenne vorgenommen. Antennenimpedanz Die Eingangsimpedanz einer Antenne wird über den auftretenden Reflexionskoeffizienten berechnet, der an den Antennenanschlüssen vorliegt, an die die Übertragungsleitung mit bekanntem Wellenwiderstand angeschlossen ist. Sind Magnitude und Phase des Reflexionskoeffizienten bekannt, ist eine Berechnung der Eingangsimpedanz der Antenne möglich. Wegen der realen Übergangsbedingungen wird der Gewinn einer Antenne durch die Verluste verringert, die auf Grund der Diskrepanz der Eingangsimpedanz der Antenne zum Wellenwiderstand auftreten. Den nach dieser Verringerung erreichten Antennengewinn nennt man den „realisierten Antennengewinn“. In unserem Fall wurde der Antennengewinn mithilfe eines VNA gemessen, der direkt an der zu messenden logarithmischperiodischen Antenne USLP 9143 angeschlossen wurde sie, an einem auf einer Wiese stehenden Dreibeinstativ befestigt war. Der Frequenzbereich wurde zwischen 700 und 2000 MHz in 100-MHz-Schritten mit einer Zwischenfrequenz-Bandbreite von 100 Hz und einer Impulsausgabe von +3 dBm kalibriert. Reichweite von Außenantennen Antennen-Messstandorte oder Reichweiten von Antennen lassen sich in die Kategorien Reichweite im Freien bzw. Reichweite in Innenbereichen (Absorberkammern) einteilen. Gemäß f [MHz] Spezifizierter Antennengewinn(1) Antennengewinn(2) Abweichung Antennengewinn 700 6,40 dBi 6,39 dBi 6,40 dBi 0,01 dBi 800 8,00 dBi 7,70 dBi 8,07 dBi 0,37 dBi 1000 7,00 dBi 7,64 dBi 7,06 dBi 0,58 dBi 2000 8,40 dBi 8,06 dBi 8,42 dBi 0,36 dBi Tabelle 1: Qualitativer Unterschied zwischen angewandten Berechnungsmethoden für die Kalkulation des Antennengewinns (für USLP 9143) f [MHz] Spezifizierter Antennengewinn Antennengewinn(2) Abweichung 700 1,80 dBi 1,82 dBi 0,01 dBi 800 7,50 dBi 7,87 dBi 0,37 dBi 1000 7,40 dBi 6,82 dBi 0,58 dBi 2000 9,00 dBi 9,37 dBi 0,36 dBi Tabelle 2: Qualitativer Unterschied zwischen spezifiziertem und berechnetem Antennengewinn (für SAS-571) hf-praxis 9/2017 21

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