HF-Praxis 4-2015 V - beam

Messtechnik
Vermessung des Abstrahldiagramms eines
aktiven Radarmoduls in einer Compact Range
Bild 1: Das aktive Radarmodul (ARM), links die Draufsicht, rechts
die Unteransicht
Aufgrund der Tatsache, dass sie
sich reziprok verhalten, können
passive Antennen sowohl im
Sende- als auch im Empfangsmodus charakterisiert werden.
Im Gegensatz dazu kann die
Charakterisierung bei aktiven
Antennen wegen ihres nicht-reziproken Verhaltens nicht vollständig in nur einem der beiden Modi
durchgeführt werden. Dieses
Merkmal aktiver Antennen erfordert, dass eine Antennenmesseinrichtung sowohl im Sende-
als auch im Empfangsmodus
betrieben werden kann. Dieser
Artikel beschreibt einen speziellen Messaufbau zur Charakterisierung eines aktiven Radarmoduls (ARM) im Sendemodus und
präsentiert die Ergebnisse dieser
Messungen, die in der Compact
Antenna Test Range des Instituts
für Hochfrequenztechnik der
Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule (RWTH),
Aachen, Deutschland, durchgeführt wurden.
Aktive Antennen gewinnen
wegen ihrer Flexibilität und
höheren Effizienz, für bestimmte
Anwendungen [1] in der mobilen
Kommunikation zunehmend an
Interesse (z. B. für Basisstationen). Die Bezeichnung “aktive
Antenne” rührt von der Tatsache her, dass aktive Bauelemente, wie etwa Leistungsverstärker (engl. Power Amplifier,
PA) oder rauscharme Verstärker (engl. Low Noise Amplifier,
LNA) als feste Bestandteile in
die Antenne integriert sind. Da
für den Betrieb der Antenne im
Sende- oder Empfangsmodus
jeweils andere aktive Bauteile
verwendet werden, muss eine
aktive Antenne entweder im
Empfangs- oder im Sendefall
charakterisiert werden. Einige
aktive Antennen werden mit
sogenannten Sende-/Empfangsmodulen (engl. Tx/Rx Module)
ausgerüstet, damit sie in beiden
Modi betrieben werden können
[2]. Diese Antennen müssen
Bild 2: Ein Blockdiagramm mit Darstellung des
NT-TL-basierten SFCW-Radarmoduls
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hf-praxis 4/2015
Messtechnik
Bild 3: Schematische Darstellung eines kombinierten
Kompaktantennen-Prüfbereichs und einer sphärischen NahfeldAntennenmesseinrichtung am IHF in Aachen (7)
ebenso separat für den entspre- Amplitudeninformationen benöchenden Betriebsmodus charak- tigen. Durch die feste Kombinaterisiert werden.
tion von Antenne und Elektronik
z.B. in Form von MMIC fehlt
Im Gegensatz zu passiven Anten- häufig eine feste Bezugseben
nen stellt das Messen an aktiven (Antennentor) Dieser letzte
Antennen eine größere Heraus- Punkt wird in den heutigen Techforderung dar, die Schwierigkeit nologien dort deutlich, wo das
beim Messen kann verschiedene gesamte System, einschließlich
Ursachen haben. Besonders der Tx- und Rx-Antennen, der
anspruchsvoll sind Antennen- digitalen Signalverarbeitungsgruppen, da zum Betrieb und zur module (engl. Digital Signal
Strahlformung eine besondere Processing DSP-Module), der
Kalibrierung zur Bestimmung Verstärker usw. in einem Chip
von Unterschieden im Verhalten integriert ist. Dies macht ein
der einzelnen Kanäle notwendig Zugreifen auf die Phaseninist [3, 4, 5]. Die Messungen stel- formation sehr schwierig (falls
len ebenfalls hohe Ansprüche an nicht in den frühen Designphadie verwendete Messeinrichtung, sen berücksichtigt), wenn nicht
insbesondere für sphärische Nah- sogar unmöglich.
feld-Messeinrichtungen, die zu
jeder Zeit zwecks Durchführung In diesem Artikel werden die
der Nah-zu-Fernfeld-Transfor- Ergebnisse einer Messreihe
mation [6] präzise Phasen- und vorgestellt, die in der Compact
Bild 4: Quiet-Zone-Scan auf der H-Ebene bei 55 GHz
hf-praxis 4/2015
Antenna Test Range (CATR) des
Instituts für Hochfrequenztechnik (IHF) der RWTH Aachen [7]
durchgeführt wurde. Beim Messobjekt (engl. Device Under Test
DUT) handelt es sich um ein von
der Fa. Anritsu neu entwickeltes aktives Radarmodul, das in
Form eines der ersten Prototypen
untersucht wurde. Der vorliegende Beitrag enthält eine detaillierte und technische Beschreibung des Messaufbaus und gibt
einen Überblick über das Modul
als solches, die Technologie und
die Verwendung. Abschnitt II
ist dem Radarmodul gewidmet.
Abschnitt III erörtert Messeinrichtung und -aufbau. Abschließend sind in Abschnitt VI die
Messergebnisse dargestellt.
im Frequenzbereich 55 GHz –
65 GHz. Bild 1 zeigt das Modul.
Das linke Foto in Bild 1 zeigt
eine Draufsicht des ARM. Es
sind sowohl Tx- als auch RxHornantennen zu erkennen. Das
rechte Foto in Bild 1 zeigt eine
Unteransicht des ARM. Deutlich
erkennbar sind das Modulboard,
Gleichspannungsanschluss und
USB-Anschlüsse.
Funktionsprinzip
Das aktive Radarmodul
Bild 2 zeigt ein allgemeines
Blockdiagramm mit Darstellung
des SFCW-Moduls, welches aus
einem Abtast-Richtkoppler und
Empfänger, strahlschwenkbaren
Sende- und Empfangsantennen,
einer CW- Impulsquelle und
der USB-Steuerung besteht. Der
untere Diagrammzweig zeigt die
Antenne.
Das ARM ist ein Schrittfrequenz-Dauerstrich-Radar (engl.
Stepped Frequency Continuous
Wave SFCW-Radar). Es besteht
aus zwei durch Dual-Hohlleiter
mit schwenkbarem Strahl eingespeisten Hornstrahlern, von
denen der eine zum Senden
von Continuous Wave-Signalen
(CW-Signalen) und der andere
zum Empfangen der Signalreflektionen genutzt wird. Die
Hörner besitzen Schnittstellen zu nichtlinearen, übertragungsleitungsbasierten, regelbaren Phasenschiebern (eng.
Nonlinear Transmission Line
NLTL-Phasenschiebern) [8],
Samplern, Frequenzvervielfachern und peripheren Baugruppen in einer kompakten Einheit,
die über eine USB-Schnittstelle
gesteuert wird. Sie funktioniert
Die Aufgabe des SFCW-Radars
ist, den Abstand zu einem
bestimmten Objekt zu messen.
Dies erfolgt durch das Abtasten
des CW-Senders in einem vorgegebenen Frequenzbereich, wobei
die Reflexion bei den übertragenen Frequenzen gebildet wird,
und durch die Verwendung der
Chirp-Z-Transformation mit
dem Ziel, die Zeitverzögerung
bis zum Objekt wieder einzuholen. Die Verzögerung wird
hinterher verwendet, um die
Entfernung des Objekts zum
Radar zu bestimmen [9][10].
Eine besondere Funktion dieses Moduls ist die Steuerbarkeit
des Strahls. Diese wird mit Hilfe
von regelbaren Phasenschiebern (eng. Variable Phase Shifters VPS) erreicht, die in einem
mit Dual-Hohlleiter eingespeis-
Bild 5: Quiet-Zone-Scan auf der H-Ebene bei 57 GHz
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Messtechnik
Bild 6: Schematische Darstellung des Defokussierungs-Effekts
des Strahlers
ten Hornstrahler integriert sind.
Die Einführung einer Phasenverschiebung zwischen beiden
Anregungssignalen ermöglicht
die Strahlschwenkung.
Das Modul wird mit einer
Gleichspannung von 12 V betrieben, die mit Hilfe einer Spannungsquelle realisiert ist. Die
Steuerung und Programmierung
des Moduls (z. B. das Einstellen
der Sendefrequenz, der für das
Strahlscannen erforderlichen
Phasenverschiebung usw.) wird
über eine USB-Schnittstelle vorgenommen.
Messeinrichtung
Die Messung am Modul wurde
im CATR des Instituts für Hochfrequenztechnik in Aachen
durchgeführt (siehe Bild 3).
Bei der Messeinrichtung han-
Normalisierte Amplitude [in dB]
0
−5
−10
−15
delt es sich um eine kombinierte Compact Antenna Test
Range und einen sphärischen
Nahfeld-Anennenmessaufbau
(CATR/SNF). Die Messeinrichtung arbeitet im Frequenzbereich 800 MHz bis 75 GHz. Der
SNF-Bereich wird im Frequenzbereich 800 MHz bis 12 GHz
genutzt, wogegen der CATR
den Frequenzbereich 2 GHz
bis 75 GHz abdeckt. Beim vorliegenden Modul ist der Empfangsfall nicht verfügbar, daher
muss die Charakterisierung des
Moduls im Sendemodus erfolgen. Dies erfordert einen speziellen Messaufbau, der nachfolgend erläutert wird.
−80
−60
−40
−20
0
20
Theta [in Grad]
40
60
80
Bild 7: H-Rundabstrahlmuster des ARM bei 55 GHz (Grafik)
46
r = 2D2/λ
(D ist hier die maximale Größe
der zu testenden Antenne, und
Lambda ist die Arbeitswellenlänge) als guten Näherungswert
des Fernfeldabstands beachten.
Dies ist der Abstand zwischen
AUT und Reflektor, die zur
Gewährleistung einer annähernd
ebenen Welle an der Reflektoroberfläche erforderlich ist [13].
Die hier verwendete CATR wird
Für das ARM, dass die Aperim Sendemodus betrieben. Das
tur der Hornstrahler als strahbedeutet, dass das Speisesystem
lendes Bauteil nutzt, entspricht
den Reflektor anstrahlt und eine
dieser Abstand 0,36 m bei einer
Region mit quasi-ebener WelArbeitsfrequenz von 60 GHz. Da
der tatsächliche Abstand zwischen AUT-Schwenkvorrichtung und Reflektor ca. 5,5 m
beträgt, ist eine sehr gute ebene
Welle an der Reflektoroberfläche
gewährleistet. Für diese Messreihe kam ein Hornstahler von
MI-Technologie zum Einsatz
[14], dass im Empfangsmodus
verwendet wurde.
−20
−25
lenbeschaffenheit erzeugt, die
Ruhezone (engl. Quiet Zone
QZ) genannt wird. In dieser
Region befindet sich die zu testende Antenne (AUT), und es
wird die Antwort der Antenne
an das Stimulationsfeld der QZ
aufgezeichnet. Dies bedeutet,
dass die AUT als Empfänger
charakterisiert wird. Dies ist hier
aus dem o.g. Grund nicht möglich. Die Passivität des Systems
gewährleistet normalerweise die
Funktionalität, indem berücksichtigt wird, dass das System
wellenlängenabhängig ist [11]
[12]. Es ist jedoch von höchster Bedeutung, dass man sich
vergegenwärtigt, dass in einem
CATR, welches das System im
Empfangsmodus betreibt, sowie
für eine kleinstmögliche Fehlerquote die AUT auf der Reflektoroberfläche eine ebene Welle
erzeugen muss, die wiederum
auf den Hornstrahler gerichtet ist. Man sollte das bekannte
Fernfeldkriterium
Der Strahler wurde an einen
2-Tor-Oberwellenmischer von
Rohde & Schwarz angeschlossen. Dank der beiden parallel und
invers angeschlossenen Dioden
benötigt der Oberwellenmischer
keine Gleichspannungsversorgung (engl. Biasing) [15]. Der
verwendete Empfänger, ein
Spektrumanalysator R&S FSP
40, verfügt über einen Diplexer zur Abtrennung der LOund IF-Signale, die in demselben Kabel eingespeist werden.
Dieses Kabel sollte so kurz wie
möglich sein, um die wegen des
eingespeisten Hochfrequenzsignals auftretenden Verluste zu
reduzieren und somit den Dynamikbereich des Messaufbaus zu
erweitern.
Zur Steuerung des gesamten
Messablaufs und des Schwenkwinkels wurde Matlab in Kombination mit Visual Basic Scripting
verwendet. Der Spektrumanalysator wurde mithilfe des Positioniersystems ausgelöst. Dazu
dient ein externer Auslösestift,
der rückseitig am Spektrumanalysator angebracht ist (für
das hardwareseitige Auslösen).
Damit ist ein korrektes Abtasten
der Scheitelpunkte gewährleistet.
Messergebnisse
Bild 4 und 5 zeigen zwei Kurven
für das QZ-Feld, die im Dualmodus aufgezeichnet wurden,
d. h. mit dem ARM als Sender
und gleitend in der QZ, während
sich der MI-12-40 SGH als Empfänger-Strahler im Brennpunkt
des Reflektors befunden hat. Der
rote Graph stellt das tatsächlich
gemessene QZ-Feld dar, wogegen der blaue Graph ein Polynom zweiten Grades darstellt.
Dies hilft bei der Bestimmung
der Amplitudenwelligkeit und
des Amplitudentapers der Felder
in der QZ. Dies sind wiederum
Indikatoren für die Qualität der
QZ bei dieser bestimmten Frequenz [16]. Es ist wichtig zu
bedenken, dass diese Messungen im Dualmodus durchgeführt
wurden und nicht im bekannten
Standardmodus. In Bild 4 und 5
sind vier Punkte hervorzuheben.
Erstens ist der Welligkeitseffekt
gering, während der Tapereffekt
groß ist - und das ist zu erwarten, da der verwendete Strahler
gerichtet und verglichen mit der
Größe des Reflektors sehr klein
ist. Zweitens ist der deutliche
Amplitudensprung zwischen beiden Graphen in Bild 4 und 5 auf
das ARM als solches zurückzuführen. Drittens treten die großen
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mit denen die beiden Öffnungen der Hohlleiter-Apertur des
Hornstrahlers versorgt wurden.
Bei einigen Laufzeitleitungswerten zeigte das Modul allerdings
keinerlei Strahllenkungseffekte.
Das Modul wurde im Frequenzbereich 55 GHz bis 65 GHz charakterisiert.
Quellenangaben
Bild 7: H-Rundabstrahlmuster des ARM bei 55 GHz (Spektrum)
Verluste hauptsächlich wegen Bild 8 zeigt die KurvenentwickFreiraumdämpfungen und HF- lung bei 55 GHz, und zwar für
eine Spannung mit NullphasenKabeldämpfungen auf.
verschiebung auf Leitung 1 und
Der vierte und letzte Punkt, den bei verschiedenen Phasenveres zu erwähnen gilt, ist die gut schiebungsspannngen auf Leisichtbare QZ-Mittenverschie- tung 2. Die Abbildungen zeibung. Dieser Effekt ist auf den gen eindeutig einen deutlichen
Defokussierungs-Effekt des Lenkungseffekt für einige SpanStrahlers zurückzuführen (d.h. nungseinstellungen. Bei höheren
auf die Defokussierung vom Spannungen ist das ARM jedoch
optimalen Punkt, wobei das Sys- unempfindlich. Das bedeutet,
tem ein Offset-gespeister Ein- dass der Phasenschieber an dem
zelreflektor ist), der in der QZ Punkt gesättigt ist, an dem die
eine Neuorientierung der ebe- maximale Phasenverschiebung
nen Wellenrichtung verursacht. erreicht ist.
Bild 6 enthält eine schematische Zur Charakterisierung des
Darstellung, die diesen Effekt Moduls im Frequenzbereich
zeigt, basierend auf der Strah- von 60 GHz bis 65 GHz wurde
lenoptik (GO). Der Defokussie- ein identischer Messaufbau verrungswinkel des Strahlers würde wendet. Diesmal kam jedoch ein
in diesem Fall bei ca. 1° liegen. Signalanalysator von Anritsu
Dieses Ergebnis ist einfach der (der MS2830A) [17] mit einem
inverse Sinus von 0,1 m, geteilt externen 2-Tor-Oberwellenmidurch 5,5 m (siehe Bild 3 und 4). scher zum Einsatz.
Bild 7 zeigt beispielhaft das
H-Ebenen Abstrahldiagram des
ARM bei 55 GHz. Diese Kurve
wird für die Nullverzögerung
aufgezeichnet (d. h. beide Leitungen werden phasengleich
eingespeist). Die Kurvenverläufe sind von der Form her
nicht symmetrisch, was anzeigt,
dass die Amplituden der in die
Antenne eingespeisten Anregungssignale nicht gleich sind,
was höchstwahrscheinlich eine
Folge von Asymmetrie ist, die
während der Montage der Übergänge Phasenschieber zu Hornstrahler zustande gekommen ist.
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Fazit
Im vorliegenden Artikel wurden
die technischen Arbeitsschritte
aufgezeigt, die zur Charakterisierung eines aktiven Radarmoduls als Sender in einer Compact
Antenna Test Range unternommen wurden. Bei diesem Modul
handelt es sich um einen allerersten Prototyp, der im reflexionsarmen Messraum des Instituts für
Hochfrequenztechnik der RWTH
Aachen charakterisiert wurde.
Das Modul zeigte Diagrammformung und Strahllenkung in
Abhängigkeit von der Eingangsleistung und der Verzögerung,
[1] „Active antenna systems - A
step-change in base station site
performance“, Informationsschrift,
Nokia Siemens Networks, 2012.
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front-end calibration for imaging
SAR experiments with conformal
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[5] W. Haselwander, M. Uhlmann,
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Test and Measurement Division.
[16] C. A. Balanis, „Modern
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& Sons, 2008.
[17] MS2830 Ein Betriebshandbuch, ‘http://www.anritsu.com/
en-US/Products-Solutions/Products/MS2830A.aspx’, Zugriff
auf die Webseite erfolgte am
10.12.2013
■ Anritsu Corporation
www.anritsu.com
Die Autoren
Hammam Shakhtour, Dirk
Heberling, Senior Member, IEEE
Karam Noujeim, Member,
IEEE, ist ein Technikerkollege bei Anritsu USA, Morgan Hill, CA. Derzeit leitet
er die Arbeitsgruppe Technologie in der Emerging
Business Division.
Ferdinand Gerhardes ist
Projektleiter EDU Research
& Defense für Anritsu in
Deutschland
Peter Knott, Senior Member, IEEE, ist Leiter der
Abteilung Antennentechnologie und elektromagnetische Modellierung
am Fraunhofer-Institut
für Hochfrequenzphysik
und Radartechnik FHR in
Wachtberg, Deutschland.
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