Die sphärische Nahfeldmesstechnik ist ein Messverfahren zur Bestimmung der Strahlungseigenschaften einer Antenne. Der Vorteil gegenüber der Fernfeldmesstechnik ist der geringere Abstand zwischen AUT und Probe/Feed, da sich die Probe nicht im Fernfeld befinden muss. Allerdings ist eine Transformation der Nahfeldmessdaten nötig um die Fernfeldcharakteristik einer Antenne zu erhalten. Das Transformationsverfahren beruht auf dem Huygens-Prinzip: Aus den gemessenen tangentialen Feldkomponenten auf einer definierten Fläche (hier: Sphäre) im Nahfeld der Antenne wird das Fernfeld rechnerisch bestimmt.

Vorteile:

  • Indoor-Messungen selbst für große Antennen
  • Kein Wettereinfluss (konstante Umgebung)
  • Geheimhaltung

Nachteile:

  • Komplexe Datenverarbeitung
  • Aufwendiger Transformationsalgorithmus
  • Probekorrektur nötig
  • Keine Echtzeitmessung (lange Messdauer)

Transformationsalgorithmus

Das Standardlösungsverfahren basiert auf Fourier Transformationen. Dadurch ist es sehr effizient und schnell. Allerdings müssen die Messdaten in einem äquidistanten Abstand gemessen werden und eine Messsondenkorrektur (Probekorrektur) ist nur für gewisse Arten von Messsonden (µ=±1) exakt möglich. Deshalb werden am IHF neue Transformationsverfahren untersucht, die diese Einschränkungen nicht haben. Hierbei konzentriert sich die Tätigkeit auf Lösungsverfahren basierend auf linearen Gleichungssystemen. Darüber hinaus werden am IHF Analyseverfahren erforscht mit denen sich zum Beispiel die Ströme auf der Apertur berechnen lassen um Antennenfehler zu detektieren.

Beschleunigte Messverfahren

Bei der sphärischen Nahfeldmesstechnik wird immer das Feld auf einer geschlossenen Sphäre um die AUT benötigt. Dies führt zu einer großen Anzahl an Messpunkten und einer langen Messdauer. Für Untersuchungen einzelner Antennenparameter (z.B. Halbwertsbreite) oder hoher Anzahl zu messender Antennen ist die Messdauer ein kritischer Faktor. Darum werden am IHF verschiedene Verfahren zur Beschleunigung untersucht. Hierbei wird zum Beispiel geprüft welche Bereiche im Nahfeld gemessen werden müssen um ein gewisse Genauigkeit im Fernfeld zu erzielen und welche Verfahren zur Extrapolation geeignet sind. Durch diese Reduzierung der Messpunkte (Truncation) ist es möglich die Messdauer deutlich zu verkürzen. Für gewisse Antennen ist es sogar möglich aus einzelnen Schnitten das Fernfeld korrekt zu bestimmen. Diese Beschleunigungsmethode hat allerdings den Nachteil, dass die Fernfelder nur näherungsweise bestimmt werden.

Deswegen wurde untersucht in wie weit es möglich ist die Anzahl der Abtastpunkte ohne Genauigkeitsverluste zu reduzieren. Aufgrund der üblichen, gleichwinkligen sphärischen Abtastung kommt es zu einer starken Konzentration der Messpunkte an den Polen und führt zu einem deutlich überbestimmten Gleichungssystem. Lösungsverfahren basierend auf linearen Gleichungssystemen anstelle der Fourier Transformation ermöglichen eine beliebige Verteilung der Messpunkte auf der Sphäre und wurden eingehend untersucht. In Abbildung 1 und 2 sind exemplarisch eine gleichwinklige und spiralförmige Verteilung der Messpunkte dargestellt.

In einem weiteren Schritt gehen wir der Frage nach ob sich Methoden des Compressed Sensings für unterabgetastete Gleichungssystem auf die Problemstellung der Nahfeldmesstechnik übertragen lassen.

Abbildung 1 gleichwinklige Verteilung
Abbildung 2 spiralförmige Verteilung

Compressed Sensing in der sphärischen Nah- zu Fernfeldtransformation (CoSSTra)

Gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft

Aufgrund vielfältiger, wachsender Anforderungen an Antennen bezüglich Breitbandigkeit (z.B. für Ultrabreitbandantennen), Abstrahleigenschaften (z.B. für rekonfigurierbare Antennen) und hoher Betriebsfrequenzen (z.B. für Radarsysteme im Automobilbereich), hat die Komplexität von Antennen samt deren Vermessungsaufwand in den letzten Jahren stark zugenommen. Deshalb werden aus Zeitgründen häufig nur Teilmessungen mit einer kleinen Auswahl von Frequenzen und Antennenkonfigurationen durchgeführt. Insbesondere im Bereich der Nahfeldmesstechnik ist die lange Messdauer ein stark einschränkender Faktor. Ursache hierfür ist die hohe Anzahl an Messpunkten, die aufgezeichnet werden müssen, um die Übertragungseigenschaften einer Antenne mit zufriedenstellender Genauigkeit ermitteln zu können. Wird das Abstrahlverhalten der Antenne jedoch in sphärischen Wellen beschrieben, so zeigt sich in der Praxis, dass die relevanten Informationen zumeist bereits in wenigen sphärischen Wellenkoeffizienten konzentriert sind.

Ziel des Projektes ist es, Methoden des Compressed Sensing mit der Theorie der sphärischen Nah- zu Fernfeldtransformation zusammenzuführen, um unterabgetastete Antennenmessungen auf der Sphäre mit möglichst geringen Genauigkeitsverlusten zu ermöglichen. Hierzu werden zunächst verschiedene Ansätze zur Signalrekonstruktion betrachtet, um Struktureigenschaften des sphärischen Modenspektrums in vorhandene Lösungsansätze zu integrieren. Es werden Methoden entwickelt, die anhand etwaigen Vorwissens über die Eigenschaften einer Antenne Informationen zur Wahl einer optimalen Basis liefern und den Suchraum optimaler Lösungen einschränken. Für eine zuverlässige Rekonstruktion des unterabgetasteten Signals ist es außerdem notwendig, die benötigte Anzahl der Messpunkte richtig zu wählen. Hierzu wird allgemein untersucht, welche Antenneneigenschaften zu dünnbesetzten Modenspektren führen. Ein weiteres Teilziel des Projektes ist die Ermittlung geeigneter Abtaststrategien auf der Sphäre, die eine robuste Rekonstruktion des Modenspektrums ermöglichen. In diesem Zusammenhang gilt es den bisher unerforschten Einfluss des Polarisationswinkels auf das Rekonstruktionsverhalten zu ermitteln. Ein wichtiges Teilziel des Projektes ist die Ermittlung von Messunsicherheiten bei Verwendung der neuen Methoden, welche durch umfangreiche Analysen ermittelt werden. Eine in diesem Kontext interessante Methode stellt das sogenannte Bayesian Compressed Sensing dar, mittels dessen während der Rekonstruktion Konfidenzintervalle zu den berechneten Lösungen ermittelt werden können. Im letzten Schritt sollen die erforschten Ansätze anhand umfangreicher Messungen verschiedener Antennentypen verifiziert werden.

Die Forschungsergebnisse sollen die Frage beantworten, wie Compressed Sensing in der sphärischen Nah- zu Fernfeldtransformation zur Unterabtastung von Antennenmessungen verwendet werden kann.

Abbildung 3: Zufällige Verteilung
Abbildung 4: Rekonstruktionserfolg bei Unterabtastung