Abbildung 1: Messsetup

Bei der sphärischen Ruhezonenabtastung (QZNFS) wird das elektrische Feld auf der Oberfläche einer Kugel, welche die QZ umgibt, abgetastet. Die Abtastung kann durch Verwendung eines stabilen Auslegers auf dem verfügbaren Positionierungssystem in einer Antennenmesskammer erreicht werden. Abbildung 1 zeigt eine solche Messanordnung in der CATR des Instituts unter Verwendung eines Roll-over-Azimuth Positioniersystem. In diesem Fall ist zu beachten, dass das Koordinatensystem der Messfläche nicht mehr mit dem üblichem Koordinatensystem übereinstimmt, das für die Antennenmessungen verwendet wird.

Im Gegensatz zum Standard-Messaufbau, wo die z-Achse in Richtung des Reflektors in einem CATR zeigt, zeigt die neue z-Achse für QZSNFS parallel zur Azimutdrehachse. Dadurch werden die θ und φ-Achse vertauscht. Auf der linken Seite ist die Sendeantenne (zum Teil durch Absorber verdeckt) zu sehen. In der Mitte ist der Reflektor und auf der rechten Seite der AUT Turm. Oben auf dem AUT Turm ist ein Ausleger aus Glasfaser (grau) angebracht, mit dem die Sonde auf der Oberfläche einer Kugel rund um die Ruhezone bewegt wird. Die Sonde wurde speziell für diese Anwendung hergestellt. 

Nach der Messung wird das Feld in Kugelwellen (Spherical Wave Expansion (SWE)) zerlegt. Die SWE für QZSNFS ist ähnlich zu der in der sphärischen Nahfeld-Fernfeld Transformation. Abbildung 2 und 3 zeigen die berechneten Modenspektren der Ruhezone für 2,5 GHz.

 

Abbildung 2: n-Modenspektrum
Abbildung 3: m-Modenspektrum

Combining Mode Rotation With CLEAN

Die Kombination von Modenrotationen mit CLEAN (CMRCLEAN) ist ein am IHF neu entwickelter Algorithmus der auf der Tatsache basiert, dass ebene Wellen, die entlang der z-Achse fortschreiten, ihre Leistung in den Moden mit Index m = ± 1 konzentrieren. Dies ergibt sich aus der Tatsache, dass die Legendre-Funktion nur für diese m von null verschieden ist. Wenn die Welle nicht aus der z-Richtung kommt, wird die Energie über alle m-Indizes in Abhängigkeit von der Richtung (θ, φ) verteilt. Das berechnete Modenspektrum ist die sogenannte Dirty Map (DM), und enthält Faltungen aller Reflexionsquellen, einschließlich des Hauptstrahls. Um eine Fernfeldquelle zu identifizieren muss das Modenspektrum derart gedreht werden, dass die Richtung der Quelle entlang der z-Achse ausgerichtet ist. Dies kann durch Verwendung von xyz-Rotationen erreicht werden. Mit diesen ist es möglich, eine sphärische Wellenfunktion in einem gedrehten Koordinatensystem als eine Kombination von sphärischen Wellen im nicht gedrehten Koordinatensystem auszudrücken. Die Rotation kann auch direkt auf die Moden-Koeffizienten Qsmn angewendet werden:

Für jede Drehung über den Winkel θ und φ wird eine Summe über die Moden mit modalen Index m = ± 1 erstellt und in einem Erfassungskarte gespeichert. Starke Quellen verdecken kleinere Quellen und müssen aus dem DM entfernt werden, bevor kleineren Signalquellen detektiert werden können. Zu diesem Zweck wird der CLEAN-Algorithmus verwendet. Wenn eine Fernfeldquelle detektiert wurde wird diese aus der DM in die saubere Karte (Clean Map) übertragen.

Die Richtung einer einfallenden Welle fällt zweimal mit der z-Achse zusammen. Einmal beim Eintritt in die Ruhezone und einmal beim Austritt. Die einfallende Richtung kann durch Vergleich der Signalstärke erfolgen. Daher reicht aus, nur eine Halbkugel von Drehungen zu berechnen um jede Quelle zu finden, wodurch Rechenzeit gespart werden kann. Durch Projektion der detektierten Quellen auf die Oberfläche der Ruhezone, können die beide tangentialen Komponenten Eθ und Eφ ermittelt werden. Durch Trennung der tangentialen Komponenten ergeben sich weitere wichtige Informationen über die Polarisation, sowohl der Haupt- als auch der Streuquellen der Messkammer.

Nachdem die DM so gedreht ist, dass die detektierte Quelle entlang der z-Achse liegt, wird die Leistung der Fernfeldquelle berechnet und abgezogen. Die Phaseninformation bleibt erhalten um andere Quellen zu bestimmen. Nach dem Entfernen wird der DM in das ursprüngliche Koordinatensystem zurückgedreht und für die nächste Suche verwendet.

Es sollte hier angemerkt werden, dass der Algorithmus nicht in der Lage ist stehende Wellen zu erkennen, da die Leistung der beiden entgegengesetzten gerichteten Wellen gleich schnell abnimmt.

Abb. 4 und 5 zeigen die Quellen, die vom CMRCLEAN Algorithmus detektiert verwenden. Die Quellenleistung wurde auf Signalleistung der Hauptquelle normiert. Ein Vorteil dieses Algorithmus ist, dass die Auflösung der Richtungsschätzung viel höher als die auf Basis von klassischem Fieldprobing ist.

Abbildung 4: Detektierte Quellen (Theta Polarisation)
Abbildung 5: Detektierte Quellen (Phi Polarisation)

Berechnung von Feldverteilungen innerhald der Ruhezone aus QZSNFS Messdaten

Während der Messungen zur Kammervalidierung und Qualitätssicherung kann es von Vorteil sein Messdaten auf Geraden oder Ebenen durch die Ruhezone so zu betrachten, wie sie üblicherweise beim Fieldprobing gemessen werden. Da QZSNFS eine vollständige Beschreibung der elektromagnetischen Feldverteilung in der Ruhezone liefert, können die Feldwerte auf Geraden oder Ebenen leicht aus dem Modenspektrum berechnet werden. Wenn zur Berechnung der Daten zudem die Richtcharakteristik der Sonde berücksichtigt wird, stimmen die Werte sehr gut mit denen der direkten Messung überein.

Die angepasste Übertragungsformel lautet:

Abbildung 6: Vergleich

wobei C die Verschiebungsfunktion in beliebiger Richtung (Bruning und Lo 1969) ist und R sind die gedrehten Koeffizienten der Sonde. In Abbildung 6 sind die Ergebnisse von einer direkten Messung (rot) und der Berechnung aus QZSNFS Messdaten gezeigt. In Abbildung 7 wurden drei Ebenen innerhalb der Ruhezone berechnet, mit Hilfe derer die Amplitudenverteilung in der Ruhezone anschaulich dargestellt werden kann. 

Abbildung 7: 3D Feldverteilung