Abbildung 1: Messsetup

Bei der sphärischen Ruhezonenabtastung (engl. Quiet Zone Spherical Near-Field Scanning (QZSNFS)) wird das elektrische Feld auf der Oberfläche einer Kugel, welche die Ruhezone (engl. Quiet Zone (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 kompakten Antennenmessanlage (engl. Compact Antenna Test Range (CATR)) des Instituts unter Verwendung eines Roll-über-Azimut Positioniersystems. In diesem Fall ist zu beachten, dass das Koordinatensystem der Messfläche nicht mehr mit dem üblichen Koordinatensystem übereinstimmt, welches für Antennenmessungen verwendet wird.

Im Gegensatz zum Standard-Messaufbau, bei welchem die z-Achse in Richtung des Reflektors in einer 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 der Reflektor und auf der rechten Seite der Turm, auf welchem normalerweise die im Test befindliche Antenne (engl. Antenna Under Test (AUT)) montiert wird. Oben auf dem AUT Turm ist ein Ausleger aus Glasfaser (grau) angebracht, mit dem die Sonde auf einer sphärischen Oberfläche um die Ruhezone bewegt wird. Die Sonde wurde speziell für diese Anwendung hergestellt.

Nach der Messung wird das Feld in Kugelwellen (engl. Spherical Wave Expansion (SWE)) zerlegt. Die SWE für QZSNFS ist ähnlich zur sphärischen Nahfeld-zu-Fernfeld Transformation, welche in üblichen Antennenmessungen im Nahfeld verwendet wird. Der einzige Unterschied ist die Invertierung der Signalrichtung. Die Abbildungen 2 und 3 zeigen die berechneten Modenspektren der Ruhezone für eine Frequenz von 2,5 GHz.

 

 

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

Kombination von Modenrotationen mit dem CLEAN-Algorithmus

Die Kombination von Modenrotationen mit dem CLEAN-Algorithmus (engl. combining mode rotation with CLEAN (CMRCLEAN)) ist ein am IHF entwickelter Algorithmus, der auf der Tatsache basiert, dass ebene Wellen, die sich entlang der z-Achse ausbreiten, ihre Leistung in den Moden mit den Indizes 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 in θ und φ verteilt.

Das berechnete Modenspektrum ist die sogenannte Dirty Map (DM) und enthält Faltungen aller Reflexionsquellen, einschließlich des Hauptsignals. 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 Modenkoeffizienten Qsmn angewendet werden:

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

Die Richtung einer einfallenden Welle fällt insgesamt zweimal mit der z-Achse zusammen, einmal beim Eintritt in die Ruhezone und einmal beim Austritt. Die einfallende Richtung kann durch einen Vergleich der Signalstärke bestimmt werden. Daher reicht es 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 eine 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 die 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 entgegengesetzt gerichteten Wellen in gleichem Maße abnimmt.

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

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

Berechnung von Feldverteilungen innerhalb 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 planaren 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 planaren Messung (rot) und der Berechnung aus QZSNFS Messdaten gezeigt. In Abbildung 7 wurden drei Ebenen innerhalb der Ruhezone berechnet, mit deren Hilfe die Amplitudenverteilung in der Ruhezone anschaulich dargestellt werden kann. 

Abbildung 7: 3-D Feldverteilung

Kombination mit numerischen Methoden

Ein wichtiger Aspekt bei QZSNFS ist die Untersuchung der Messgenauigkeit. Mit Hilfe numerischer Methoden und einem Simulationsmodell der Messkammer (Abbildung 8) kann eine umfassende Sensitivitätsanalyse durchgeführt werden. Durch die Verwendung komplexer Simulationsszenarien und die Einführung gewisser Fehler, wie zum Beispiel eine Fehlausrichtung der Speiseantenne, können unerwünschte Effekte innerhalb der Messkammer vorhergesagt und deren Auswirkungen auf das elektromagnetische Feld in der QZ dargestellt werden. Durch die leistungsstarke Kombination mit Simulationsverfahren, ist es daher möglich, das sphärische Messsystem vollständig zu evaluieren.

Abbildung 8: Simulationsmodell der CATR