Die Messung des Strahlungsmusters einer Antenne ist von wesentlicher Bedeutung, um ihre Leistung zu verstehen, die Entwurfsspezifikationen zu überprüfen und die Einhaltung der Vorschriften zu gewährleisten. Ob bei einer kleinen Patch-Antenne auf einem Verbrauchergerät oder einem großen Satellitenreflektor, das Strahlungsmuster zeigt, wie elektromagnetische Energie im Weltraum verteilt wird. Zwei Hauptmethoden dominieren das Gebiet: schallgestörte Kammermessungen, die eine kontrollierte, freiraumähnliche Umgebung bieten, und Feldversuche, die reale Betriebsbedingungen erfassen. Jeder Ansatz hat einzigartige Stärken und Grenzen, und die Wahl zwischen ihnen hängt von Faktoren wie Genauigkeitsanforderungen, Antennengröße, Frequenzbereich, Budget und der Notwendigkeit von Umweltrealismus ab. Dieser Artikel bietet einen maßgeblichen, eingehenden Einblick in beide Techniken, der grundlegende Konzepte, schrittweise Verfahren, Ausrüstungsüberlegungen und fortgeschrittene Themen abdeckt, so dass Ingenieure und Techniker die für ihre Antennenmessaufgaben am besten geeignete Methode auswählen und ausführen können.

Grundlagen von Antennenstrahlungsmustern

Vor dem Eintauchen in Messverfahren ist ein solides Verständnis der Strahlungsmustergrundlagen erforderlich. Ein Antennenstrahlungsmuster ist eine graphische Darstellung der relativen abgestrahlten oder empfangenen Leistung als Funktion der Raumrichtung. Typischerweise in polaren oder rechteckigen Koordinaten aufgetragen, werden Muster in zwei Hauptschnitten gemessen: der Azimutebene (horizontal) und der Elevationsebene (vertikal).

Gain – Das Verhältnis der in einer gegebenen Richtung abgestrahlten Leistung zu der eines isotropen Strahlers, oft in dBi ausgedrückt.
Direktivität – Ein Maß für die Fokussierungsfähigkeit, unabhängig von Verlusten.
Beamwidth – Die Winkelbreite an Halbleistungspunkten (-3 dB), typischerweise sowohl für Hauptstrahl als auch für Seitenkeulen angegeben.
Sidelobe-Level – Die relative Macht des höchsten Sidelobe im Vergleich zum Hauptstrahl, entscheidend für das Interferenzmanagement.
Front-zu-Back-Verhältnis – Das Verhältnis der Leistung, die vorwärts und rückwärts abgestrahlt wird, ist wichtig für gerichtete Antennen.
Cross-polarization discrimination – Die Fähigkeit, orthogonale Polarisation abzulehnen, die in dual-polarisierten Systemen von entscheidender Bedeutung ist.

Die genaue Messung dieser Parameter erfordert eine sorgfältige Kontrolle der Testumgebung. Die zu prüfende Antenne (AUT) muss im Fernfeldbereich der Quellantenne platziert werden, wo die abgestrahlte Welle einer ebenen Welle nahekommt. Der Fernfeldabstand ist definiert als R ≥ 2D2/λ, wobei D die größte Dimension des AUT und λ die Wellenlänge ist. Eine Verletzung dieser Bedingung führt zu Amplituden- und Phasenfehlern, die das gemessene Muster verzerren. Sowohl schallgestörte Kammern als auch Feldteststellen sind so ausgelegt, dass sie die Kriterien für Fernfeld erfüllen, wenn auch auf unterschiedliche Weise.

Schallkammermessungen in der Tiefe

Eine schalldämpfende Kammer ist ein Raum, der mit hochfrequent absorbierendem Material (RAM) ausgekleidet ist, um Reflexionen von Wänden, Decke und Boden zu minimieren. Der Innenraum simuliert Freiraumbedingungen und ermöglicht wiederholbare, hochpräzise Mustermessungen ohne externe Störungen. Kammern gibt es in verschiedenen Konfigurationen:

Vollständig schallgestörte Kammern (FAC)

FACs sind vollständig mit RAM ausgekleidet. Sie sind der Goldstandard für Antennenmessungen, insbesondere für Antennen mit geringer Verstärkung und für die Prüfung der Polarisationsreinheit. Die ruhige Zone - das Volumen, in dem Reflexionen vernachlässigbar sind - muss das AUT umfassen. Solche Kammern werden für Frequenzen im Bereich von VHF bis Millimeterwellenbändern verwendet.

Halbschallkammern (SAC)

SACs haben einen leitfähigen Boden, um eine Bodenebene zu simulieren, die bei EMV-Tests üblich ist, aber weniger ideal für Freiraumantennenmuster ist. Für Antennenarbeiten kann ein SAC verwendet werden, wenn der bodenreflektierte Pfad über Zeitbereichs-Gating oder eine spezielle Absorberbehandlung gesteuert wird.

Kompaktraumkammern

Bei größeren Antennen wird mit einem Reflektor eine sphärische Welle von einem Speisehorn in eine ebene Welle in kurzer Entfernung umgewandelt. Dies ermöglicht Fernfeldmessungen in einer Kammer, die viel kleiner ist als die herkömmliche Fernfeldentfernung.

Ausrüstung und Einrichtung für Kammermessungen

Ein typisches Kammermesssystem umfasst:

Positioner – Ein motorisierter Drehteller oder Roboterarm, der das AUT durch Azimut- und Elevationswinkel dreht.
RF-Quelle und -Empfänger – Ein Vektornetzwerkanalysator (VNA) oder Spektrumanalysator mit Tracking-Generator.
Referenzantenne – Ein kalibriertes Standard Gain Horn für absolute Gain Messungen.
Datenerfassungscomputer – Software, die den Positioner steuert, S-Parameter erfasst und das Muster berechnet.

Kalibrierverfahren

Vor der Messung ist die Systemkalibrierung entscheidend. Eine typische Ein-Port-Kalibrierung am VNA-Port beseitigt Kabelverluste und Phasenversätze. Zur Verstärkungsmessung wird die Referenzantenne durch die AUT ersetzt und ihre bekannte Verstärkung wird verwendet, um die absolute Verstärkung des AUT nach dem Substitutionsverfahren abzuleiten. Die Kalibrierung legt auch den Referenzpegel für relative Mustermessungen fest.

Messschritte

Montieren Sie das AUT auf dem Positionierer in der ruhigen Zone der Kammer, ausgerichtet auf die gewünschte Polarisation.
Verbinden Sie das AUT mit dem VNA-Port 1 (Senden) und positionieren Sie eine feste Empfangsantenne (Sonde) an Port 2 oder umgekehrt für die gegenseitige Messung.
Setzen Sie die Frequenz, Sweep-Einstellungen und die IF-Bandbreite für einen angemessenen Dynamikbereich.
Führen Sie die Kalibrierung durch (Durchgangs-, Reflexions-, Isolations- und Referenzantennenmessung, falls erforderlich).
Führen Sie einen Musterschnitt aus: Drehen Sie das AUT in Azimut (0° bis 360°) und zeichnen Sie den Übertragungskoeffizienten (S21) in jedem Winkel auf. Wiederholen Sie dies für mehrere Elevationswinkel für ein 3D-Muster.
Polarisationsmessungen durch Drehen des AUT oder der Sonde durchführen, um kopolare und kreuzpolare Komponenten zu erfassen.
Post-Process-Daten: Normalisieren auf Maximum, Anwendung von Gain-Referenz und Exportieren auf Plot-Tools.

Vorteile und Grenzen von Kammermessungen

Vorteile:

Kontrollierte, wiederholbare Umgebung, frei von Wetter, Interferenz und Multipath.
Hoher Dynamikbereich (oft > 60 dB) ermöglicht die Messung von niedrigen Seitenlappen.
Der Innenbetrieb ermöglicht das ganzjährige Testen.
Fähigkeit, Polarisation und Phase genau zu messen.

Grenzen:

Kosten und Fußabdruck: Große Kammern für High-Gain-Antennen sind teuer.
Die Absorberleistung verschlechtert sich bei sehr niedrigen Frequenzen (unter 100 MHz) aufgrund von Dickengrenzen.
Es können keine realen Effekte wie Bodenreflexionen oder Interaktionen mit Installationsplattformen repliziert werden.
Bei extrem großen Antennen (z. B. Radar-Arrays mit hunderten Wellenlängen) werden selbst kompakte Bereiche unpraktisch.

Mehr zum Kammerdesign finden Sie im Keysight Application Note on antenna measurements.

Feldversuchstechniken

Feldversuche messen das Strahlungsmuster in der tatsächlichen Betriebsumgebung. Sie sind für große Antennen, die nicht bewegt werden können (z. B. Türme der Basisstation, Satellitenschüsseln, parabolische Reflektoren) und für die Leistungsüberprüfung nach der Installation unerlässlich.

Arten von Feldtestbereichen

Testgelände für offene Bereiche (OATS)

Eine OATS ist ein flacher, offener Bereich mit kontrollierten Bodeneigenschaften. Eine leitfähige Bodenebene (z. B. Metallgitter) wird häufig verwendet, um eine stabile Reflexion zu erzeugen. Das AUT wird an einem Mast montiert und eine Testquelle wird in einem Abstand platziert, der dem Fernfeldzustand entspricht. Die Testquelle kann auf unterschiedliche Höhen angehoben werden, um Höhenschnitte zu messen. OATS ist üblich für EMV- und zellulare Basisstationsantennenmessungen.

Erhöhte Reichweite

Sowohl die AUT- als auch die Testquelle werden auf Türmen oder Dächern platziert, um Bodeneffekte zu minimieren. Der Sichtlinienpfad liegt oberhalb von dazwischenliegenden Hindernissen. Diese Methode ist typisch für Mikrowellenverbindungsantennen und Radarsysteme. Mustermessungen werden häufig durch Drehen des AUT durchgeführt, während die entfernte Quelle ein Dauerstrichsignal aussendet.

Drohnenbasierte Messung

Für große Antennen wie phasengesteuerte Radargeräte oder Satellitenschüsseln können Drohnen, die eine RF-Sonde oder einen kleinen Sender tragen, durch die Fernfeldregion der Antenne fliegen. Die Position der Drohne wird über GPS oder ein optisches System verfolgt, und das empfangene Signal wird mit der Position korreliert, um das Muster abzubilden. Diese Technik hat an Popularität gewonnen, um große installierte Antennen vor Ort zu testen. Siehe den Leitfaden für das National Physical Laboratory zu Drohnenmessungen für praktische Ratschläge.

Schritte zur Messung von Feldversuchen

Site-Auswahl und Vorbereitung: Wählen Sie einen Ort mit minimalen Hindernissen, Mehrweg- und Funkstörungen. Messen Sie den Abstand vom AUT zur Testquelle und stellen Sie Fernfeldbedingungen sicher. Verwenden Sie für die Bodenreflexionskontrolle eine klare Sichtlinie und installieren Sie optional einen Bodenbildschirm.
Ausrüstungsaufbau: Platzieren Sie die Sendeantenne an einem festen Ort (oft auf einem kleinen Turm). Verbinden Sie sie mit einem Signalgenerator. Das AUT bleibt an Ort und Stelle. Verbinden Sie das AUT mit einem Spektrumanalysator oder Empfänger über ein Kabel mit geringem Verlust. Für die Verstärkungsmessung wird zuerst eine Referenzantenne gemessen.
Kalibrierung: Führen Sie eine Wegverlustkalibrierung mit einer bekannten Referenzantenne durch. Dies berücksichtigt Kabelverluste und Freiraumverluste, was eine absolute Gewinnableitung ermöglicht.
Musterdatenerfassung: Drehen Sie das AUT in Azimut (oder bewegen Sie die Drohne um sie herum), während Sie die empfangene Leistung aufzeichnen.
Nachbearbeitung: Korrekturen für Bodenreflexionen (Bildmethode), atmosphärischen Verlust und Kabelbewegungseffekte anwenden.

Herausforderungen und Minderung

Multipath: Reflexionen von Gebäuden, Bäumen oder dem Boden können das Muster verderben. Abschwächen durch Zeitbereichs-Gating (wenn ein VNA verwendet wird) oder schmalbandige CW-Signale mit starker Line-of-Sight-Dominanz. Erhöhte Reichweiten reduzieren Multipathen.
Wetter: Regen, Nebel und Temperaturschwankungen beeinflussen Signalausbreitung und Ausrüstung.
Interferenz : Co-Kanal-Interferenzen von anderen Sendern können durch die Verwendung eines klaren Frequenzkanals, Bandpassfiltern und differentiellen Messmethoden vermieden werden.
Ground reflection nulls: In OATS stört die Reflexion vom Boden den direkten Pfad und verursacht Wellen im Muster. Mit einer Höhen-Scan-Technik (variierend die AUT-Höhe) können diese Effekte gemittelt werden.

Für einen detaillierten Vergleich der Feldtestmethoden siehe den Artikel IEEE Antennen und Propagation Magazine über RCS und Antennenmessungen im Freien.

Vergleich von Kammer- und Feldmessungen

Die Wahl zwischen einem Kammer- und einem Feldtest hängt von Kompromissen ab, die pro Projekt bewertet werden müssen.

Factor	Anechoic Chamber	Field Test
Accuracy and repeatability	Excellent (typical ±0.2 dB)	Moderate (±1 dB or more due to environment)
Cost	High (chamber construction and RAM)	Lower (requires range and travel)
Antenna size	Limited by chamber dimensions	No practical limit
Real-world effects	Not captured	Captured (interactions, ground, obstacles)
Speed	Fast (automated indoors)	Slower (manual setup, weather delays)
Low-frequency capability	Poor (absorber size)	Good (long wavelengths over open ground)
Security	Controlled, no emissions outside	Emissions may be intercepted

In der Praxis kombiniert der beste Ansatz oft beides: Kammermessungen zur Designvalidierung und präzise Charakterisierung verwenden, dann Feldtests zur endgültigen Abnahme und Installationsüberprüfung durchführen. Viele Standards (z. B. IEEE, ETSI) erfordern je nach Anwendung eine Methode.

Fortgeschrittene Überlegungen

Nahezu-Field-zu-Field-Transformation

Wenn die Fernfeldbedingungen innerhalb einer Kammer nicht erfüllt werden können (z. B. für große phasengesteuerte Arrays), bietet Nahfeld-Scanning eine Lösung. Eine Sonde misst die Amplitude und Phase des Feldes über einer Ebene, einem Zylinder oder einer Kugel in der Nähe des AUT. Mathematische Transformation (über Fourier-Optik) berechnet das Fernfeldmuster. Diese Methode wird häufig für Satellitenantennen verwendet und ist Gegenstand von Rohde & Schwarz Anwendungshinweise zu Nahfeld-Tests.

Time-Domain Gating in Feldtests

Durch die Verwendung eines VNA mit Zeitbereichsfunktion kann das direkte Signal von Reflexionen getrennt werden. Durch die zeitliche Anpassung kann das gemessene Muster von Mehrwegeartefakten gereinigt werden. Diese Technik verbessert die Genauigkeit in offenen Testgebieten drastisch.

Phased Array und MIMO Antennenmessung

Moderne Antennen mit Beamforming erfordern mehrere Mustermessungen für verschiedene Beamzustände. Over-the-Air (OTA)-Tests in einer Kammer oder einem Feld sind unerlässlich. Fortgeschrittene Kammern mit Multi-Probe-Arrays können gleichzeitig 3D-Muster von Phased-Arrays erfassen, wie in den Artikeln des Microwave Journal über OTA-Tests beschrieben.

Schlussfolgerung

Antennenmustermessung ist eine kritische Praxis in der HF-Technik, die eine sorgfältige Berücksichtigung der Testumgebung erfordert. Schallkammern liefern kontrollierte, präzise und wiederholbare Ergebnisse, ideal für die Designcharakterisierung, während Feldtests das reale Verhalten der installierten Antennen aufdecken. Jede Methode hat ihren Platz: Kammern für die Entwicklung und Zertifizierung, Feldtests für die Inbetriebnahme und Fehlersuche. Ingenieure sollten die Kompromisse in Bezug auf Kosten, Genauigkeit, Größe und Umweltrealismus verstehen. Durch die Kombination beider Ansätze, wenn möglich, und die Nutzung fortschrittlicher Techniken wie Nahfeld-Scanning und Zeitbereichs-Gating kann man umfassende Antennenleistungsdaten erhalten, die einen optimalen Systembetrieb gewährleisten. Da Antennen sich mit 5G, Satellitenkommunikation und Radar weiterentwickeln, bleibt die Beherrschung dieser Messmethoden eine unverzichtbare Fähigkeit.

Wie man Antennenmustermessungen mit schallenden Kammern und Feldtests durchführt

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