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Dokumentenidentifikation DE60218223T2 13.12.2007
EP-Veröffentlichungsnummer 0001468300
Titel ANTENNENMESSSYSTEM
Anmelder Fizzle Holdings Ltd., Douglas, Isle of Man, GB
Erfinder PARSONS, David, John, Formby Merseyside L37 7BQ, GB;
LEATHER, Simon, Paul, F-66740 Laroque des Alberes, FR
Vertreter derzeit kein Vertreter bestellt
DE-Aktenzeichen 60218223
Vertragsstaaten AT, BE, BG, CH, CY, CZ, DE, DK, EE, ES, FI, FR, GB, GR, IE, IT, LI, LU, MC, NL, PT, SE, SI, SK, TR
Sprache des Dokument EN
EP-Anmeldetag 19.12.2002
EP-Aktenzeichen 028058246
WO-Anmeldetag 19.12.2002
PCT-Aktenzeichen PCT/GB02/05793
WO-Veröffentlichungsnummer 2003056349
WO-Veröffentlichungsdatum 10.07.2003
EP-Offenlegungsdatum 20.10.2004
EP date of grant 14.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.12.2007
IPC-Hauptklasse G01R 29/10(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, EP
IPC-Nebenklasse H01Q 3/26(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, EP   

Beschreibung[de]

Die vorliegende Erfindung betrifft die Messung von Antennenabstrahlungsdiagrammen.

Definitionsgemäß weisen Funkkommunikationssysteme Antennen auf, die als Sendeempfänger zwischen der Funkfrequenz-(RF)-Energie innerhalb des Systems und der abgestrahlten Energie zwischen einzelnen Systemen dienen. Die benutzten Antennen müssen den Anforderungen des jeweiligen RF-Systems entsprechen. Obwohl dies zu verschiedenen Auslegungen für unterschiedliche Kommunikationssysteme führt, sind die meisten Antennen doch durch eine gemeinsamen Satz von Antennenleistungsparametern gekennzeichnet.

Um eine Antenne auszuwählen oder auszulegen, die für ein jeweiliges Kommunikationssystem geeignet ist, ist es notwendig, die Leistung der verschiedenen Alternativen zu kennen oder messen zu können. Zu den Antennenleistungsparametern gehören typischerweise Eingangsimpedanz, Polarisation, Richtfaktor, Abstrahlungseffizienz, Gewinn und Strahlungsdiagramm.

Die Übertragung von RF-Leistung von einer Antenne an ein Kommunikationssystem und umgekehrt steht im Zusammenhang mit der Eingangsimpedanz der Antenne und der Impedanz des Kommmunikationssystems. Der Abgleich der Impedanz von Antenne und System ist deshalb äußerst wichtig. Die Polarisation einer Antenne ist als die Polarisation der elektromagnetischen Welle definiert, die von der Antenne an einem Vektor abgestrahlt wird, der seinen Ursprung an der Antenne nimmt, und in die primäre Ausbreitungsrichtung verläuft. Der Richtfaktor einer Antenne ist als das 4&pgr;-fache des Verhältnisses der maximalen Abstrahlungsintensität (abgestrahlte Leistung pro Raumeinheitswinkel) zur abgestrahlten Gesamtleistung der Antenne definiert. Der Gewinn einer Antenne ist ein Messwert ihrer Fähigkeit, ihre abgestrahlte Leistung in eine bestimmte Richtung zu konzentrieren. Die Abstrahlungseffizienz ist das Verhältnis der von der Antenne abgestrahlten Leistung zu der an ihrem Eingang akzeptierten Nutzleistung.

Antennenstrahlungsdiagramme sind graphische Darstellungen der direktionalen Verteilung der Energie, die von der Antenne abgestrahlt wird. Strahlungsdiagramme können in Bezug auf Feldstärke, Leistungsdichte oder Dezibel aufgezeichnet werden. Sie können absolut sein oder sich auf einen Referenzpegel beziehen, wobei häufig die Spitze des Strahls als Referenz gewählt wird. Die Strahlungsdiagramme können in rechteckiger oder polarer Form als Funktionen der Kugelkoordinaten &thgr; und ϕ angezeigt werden. Grundsätzlich ist anzumerken, dass eine Reziprozität vorliegt, d.h., obwohl die Leistungsparameter einer Antenne oben explizit mit der Antenne als Strahlungsquelle definiert wurden, sind die Parameter (Polarisation, Richtfaktor, Gewinn und Abstrahlungsmuster) dieselben, unabhängig davon, ob die Antenne zum Senden oder Empfangen benutzt wird. In der nachfolgenden Beschreibung und in den Ansprüchen wird die Reziprozität implizit vorausgesetzt; es ist irrelevant, ob eine bestimmte Antenne zum Senden oder zum Empfangen benutzt wird.

Messungen von Antennenstrahlungsdiagrammen werden traditionell mit Hilfe von im Freien angeordneten Antennenbereichen und in Gebäuden angeordneten reflexionsarmen Räumen durchgeführt. Die Auswahl der Anlage wird von einer Reihe von Faktoren beeinflusst, darunter Betriebsfrequenz, Größe der Antenne oder des zu messenden Gegenstands, Durchsatz oder Messgeschwindigkeit, und erforderliche Messgenauigkeit. Ein Antennenbereich ist eine kostspielige Anlage, die spezialisierte Auslegungs- und Konstruktionskenntnisse, ausreichend Platz, regelmäßige Wartung und Kalibrierung, ausgebildetes Personal und eine Verwaltung der Ressourcen erfordert.

Für Messungen im Freien sowie in Gebäuden sowohl von Fernfeld- als auch Nahfeldkomponenten des Strahlungsdiagramms einer Antenne ist es wichtig, dass weder die Testantenne (AUT) noch die Bereichsantenne (RA) selbst von unerwünschten Signalen oder Streuenergie gestört werden. Beispiele für Streuenergie sind: Interferenz von äußeren elektrischen, Funk- und Mikrowellenquellen, und Reflexionen des gemessenen oder erwünschten Signals selbst, im Folgenden als Mehrwegeeinfluss bezeichnet.

Wenn die AUT im Empfangsmodus benutzt wird, erfordert eine genaue Messung ihres Fernfeldabstrahlungsmusters eine Variation von idealerweise null in Amplitude und Phase des einfallenden Felds bei einer bestimmten Frequenz für ihre Apertur. Bei vielen Messungen gilt allerdings eine Wellenfront mit einer Phasenvariation von unter 22,5° als ausreichend. Diese wird durch eine ausreichend große Distanz zwischen den zwei Antennen (der Bereichsantenne und der Testantenne) erreicht. Trotzdem ist es in der Praxis wünschenswert, Antennenmessungen mit einem minimalen Separationsabstand durchzuführen, der das Erzielen der erforderlichen Genauigkeit ermöglicht. Kleine Phasenabweichungen verursachen geringfügige Verzerrungen der gemessenen Nebenkeulenstruktur, während größere Abweichungen zu größeren Fehlern im gemessenen Gewinn und in der gemessenen Keulenstruktur führen. Unter diesen Umständen können zudem eigentlich vorhandene asymmetrische Nebenkeulenstrukturen überdeckt werden.

Große Separationsabstände erhöhen, wie oben erwähnt, die Wahrscheinlichkeit unerwünschter Mehrwegereflexionen vom Boden und von anderen Streuern, welche die Testantenne erreichen. Traditionell werden Reflexionen bei Bereichen im Freien mit Hilfe von einem oder mehreren der folgenden Verfahren reduziert: Erhöhte Anordnung der Bereichsantenne und der Testantenne; Benutzen von Bereichsantennen mit Richtwirkung; Entfernen oder Reduzieren von Stör- und Streuflächen; und Hinzufügen von Abschirmungen und Ablenkplatten, um reflektierte Wellen abzufangen. Ein alternativer Prozess verlangt die Verwendung eines flachen Bereichs und nutzt den Effekt einer spiegelnden Reflexion vom Boden.

In Fällen, in denen die Länge des Antennenbereichs ausreichend kurz ist, kann der gesamte Bereich in einem reflexionsarmen Raum in einem Gebäude angeordnet werden. Die Auslegungsgrundkriterien für reflexionsarme Fernfeld- sowie Nahfeldräume in Gebäuden sind dieselben wie für Bereiche im Freien. Um allerdings Reflexionen zu eliminieren oder wenigstens zu minimieren, sind die Flächen des Raums mit einem Funkfrequenz (RF) oder Mikrowellen absorbierenden Material abgedeckt. Der Absorber ist dazu ausgelegt, reflektierte Signale eines festgelegten Frequenzbereichs zu reduzieren. Zu den zahlreichen Vorteilen von Innenraumtests zählen erhöhte Sicherheit, Vermeidung unerwünschter Überwachung, und Eliminierung meteorologischer und anderer Umweltfaktoren. Diese Vorteile sind der Grund für den jüngsten Trend hin zu ausgefeilten Innenraumanlagen, die Kompaktbereiche oder Nahfeldsondierungssysteme verwenden.

EP 1043801 offenbart eine Antenne mit einem adaptiven Entzerrungsmittel, das betriebsfähig ist, um eine entzerrte Version eines Signals zu erzeugen, das an der Antenne gemessen wird.

US 5384572 offenbart die Benutzung einer Testantenne, die beabstandet von einer zu testenden Antenne angeordnet ist, und dazu dient, das Strahlungsdiagramm der Antenne zu testen.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, eine Antennenmesssystem bereitzustellen, das die Auswirkungen von Echoeinflüssen oder Mehrwegeeinflüssen eliminiert oder zumindest wesentlich reduziert.

Eine Aufgabe der Erfindung ist es, einen Mechanismus für die robuste, genaue und effiziente Messung von Antennenstrahlungsdiagrammen bereitzustellen.

Eine weitere Aufgabe einer spezifischen Ausführungsform der Erfindung ist es, ein System zum Messen des Strahlungsdiagramms einer Antenne bereitzustellen, das Messungen des Strahlungsdiagramms der Antenne ohne die Bewegung von Bauteilen in Echtzeit durchführt.

Essentiell stellt die Erfindung genaue und robuste Messungen von Antennenstrahlungsdiagrammen bereit, indem die Auswirkungen unerwünschter Signale und Rauscheffekte gezielt korrigiert werden, anstatt zu versuchen, diese Auswirkungen mit Hilfe von Abschirmungen oder Ablenkplatten oder durch Benutzen eines reflexionsarmen Raums zu entfernen oder zu minimieren.

Entsprechend stellt ein Aspekt der vorliegenden Erfindung einen Antennenmessbereich bereit, umfassend: eine Testantenne (AUT), mindestens eine Bereichsantenne (RA) oder mindestens einen Messknoten (MN), und ein Entzerrungsmittel, das betriebsfähig ist, eine entzerrte Version eines an der Testantenne oder der mindestens einen Bereichsantenne oder dem mindestens einen Messknoten gemessenen Signals zu erzeugen, ein Mittel P zur Rotation oder Translation entweder der Testantenne AUT oder der Bereichsantenne RA, ein Mittel zum Erzeugen eines Trainingssignals, ein Mittel zum Vergleichen des Empfangssignals mit dem erwarteten Trainingssignal, und ein Mittel CC zum Bestimmen einer Entzerrungskoeffizientenmenge, um den Fehler zwischen dem Trainingssignal und dem Empfangssignal zu eliminieren oder zu minimieren, ein Mittel zum Speichern der Entzerrungskoeffizienten, und ein Signalsynchronisationsmittel SSCP, um die relative Position einer beweglichen Antenne unter den Antennen Bereichsantenne RA und Testantenne AUT mit dem Empfangssignal zu assoziieren, und ein Mittel zum Speichern der Entzerrungsdaten für jede ausgewählte Position.

Allgemein bezeichnet ein Entzerrer einen elektronischen Schaltkreis, der dazu eingerichtet werden kann, Fehler in einem Funkausbreitungskanal zu korrigieren. Im Kontext von Antennenmessungen kann er dazu eingerichtet sein, die Auswirkungen von Mehrwegeausbreitung im Funkkanal zu korrigieren, die innerhalb des Antennenmessbereichs auftreten.

In einer idealen Situation ohne Mehrwegeausbreitung ist der Funkkanal, der innerhalb des Antennenbereichs vorliegt, durch einen Amplitudengang gekennzeichnet, der unabhängig von der Frequenz ist, und durch einen Phasengang, der eine lineare Funktion der Frequenz ist. Die Mehrwegeausbreitung bewirkt, dass der Amplitudengang frequenzabhängig und der Phasengang nichtlinear wird.

In der beschriebenen Erfindung wird ein Entzerrer benutzt. Der Zweck des Entzerrers ist es, die Kanalkennlinien so nah wie möglich den oben beschriebenen Kanalkennlinien entsprechend wiederherzustellen, und so die Mehrwegeeinflüsse implizit zu korrigieren. Dazu muss der Entzerrer die tatsächlichen Kanalkennlinien berechnen und ihre Koeffizienten in geeigneter Weise anpassen. Dies tut er während eines Trainingsmodus, der der eigentlichen Messung des Strahlungsdiagramms vorausgeht.

Die Betriebsmoden eines (adaptiven) Entzerrers beinhalten einen Trainingsmodus, in dem ein vorbestimmtes Signal, typischerweise eine pseudozufällige Binärfolge, oder ein feststehendes, vorgeschriebenes Bitmuster, über den Funkkanal gesendet wird. Da die Bitfolge bekannt ist, kann der Entzerrer einen rekursiven Algorithmus benutzen, z.B. den Algorithmus der kleinsten Quadrate (least mean square – LMS), um seine Koeffizienten so anzupassen, dass der Fehler zwischen dem gewünschten und dem tatsächlichen Ausgang minimiert wird. Beispielsweise kann ein allgemeiner Entzerrer die Form eines Tapped-Delay-Line-Filters annehmen, das einen Satz von Koeffizienten W0 bis WN aufweist; allerdings existieren auch mehrere andere Entzerrerstrukturen, darunter neuronale Netze, und andere Algorithmen, mit deren Hilfe derselbe Effekt erzielt werden kann.

Der Trainingsprozess richtet die Entzerrungseinheit so ein, dass sie Verzerrungen registriert, die aufgrund der Konfigurierung und/oder der Auslegung und/oder der Betriebsumgebung des verwendeten Antennenmessbereichs in das gemessene Signal eingebracht werden. Mit anderen Worten, das Training ermöglicht die Einrichtung der Koeffizienten des Entzerrers derart, dass die Auswirkungen unerwünschter Signale und Streuenergie beseitigt werden. Nachfolgende Tests erzeugen deshalb ein gemessenes Strahlungsdiagramm, das eine präzise Darstellung des wahren Strahlungsdiagramms der Testantenne AUT ist.

Da die Tests darauf abzielen, das Strahlungsdiagramm zu messen, können Antennenbereiche, die auf der Rotation oder Translation (in 2 oder 3 Dimensionen) entweder einer einzigen Bereichsantenne oder einer AUT beruhen, eine Reihe von Ausgleichswertemengen nutzen, wobei jede einzelne Menge jeweils der Rotationsposition entweder der Bereichsantenne oder der AUT entspricht. Entsprechend sind ein Mittel für die Rotation oder Translation der Testantenne oder der Bereichsantenne, und ein Mittel zum Assoziieren der Position der Bereichsantenne oder der AUT mit der geeigneten Entzerrungskoeffizientenmenge vorgesehen. Die Inkremente zwischen den Messungen werden durch die gewünschte Genauigkeit der Strahlungsdiagrammmessung vorgegeben.

Vorgesehen sind entsprechend ein Mittel zum Erzeugen eines Trainingssignals, ein Mittel zum Vergleichen des empfangenen Signals mit dem abgestrahlten erwarteten (Trainings-)-Signal, ein Mittel zum Bestimmen einer Menge von Entzerrungskoeffizienten, um den Fehler zwischen dem Trainingssignal und dem empfangenen Signal zu eliminieren oder zu minimieren, und ein Mittel zum Abspeichern der Entzerrungskoeffizienten.

Eine spezifische Ausführungsform der Erfindung umgeht die Notwendigkeit der Rotation oder Translation der Bereichsantenne oder der AUT, indem eine Vorrichtung bereitgestellt wird, die eine Vielzahl von beabstandeten Messknoten vorsieht, die Signale von der AUT empfangen; diese Vorrichtung ersetzt die Bereichsantenne. In diesem Fall ist mit jedem Knoten eine spezifische Entzerrungskoeffizientenmenge assoziiert. Die Vielzahl von Messknoten kann in einem zwei- oder dreidimensionalen Muster angeordnet sein. Es wird bevorzugt, dass alle Knoten in demselben Abstand von der AUT angeordnet sind.

Die Erfindung kann auf existierende Messbereiche im Freien oder in einem Gebäude, sowie auf eine neue Form von Antennenmessbereich angewandt werden, der keinen reflexionsarmen Raum benötigt. Eine weitere Ausführungsform des Systems und Verfahrens stellt ein Mittel zum Reduzieren der Zeit bereit, die zum Messen des Strahlungsdiagramms der Antenne erforderlich ist.

Ein anderer Aspekt der Erfindung stellt ein Verfahren zum Kalibrieren eines Antennenmessbereichs bereit, der mit einem Signalentzerrungsmittel versehen ist, und eine Testantenne sowie mindestens eine Bereichsantenne oder einen Messknoten umfasst, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Positionieren der Testantenne in den Bereich und

  • (i) Abstrahlen eines Trainingssignals;
  • (ii) Empfangen des abgestrahlten Trainingssignals und Vergleichen des Empfangssignals mit dem erwarteten Trainingssignal;
  • (iii) Bestimmen einer Entzerrungskoeffizientenmenge, die unter diesen Umständen benutzt wird, um den Fehler zwischen dem erwarteten Trainingssignal und dem Empfangssignal zu eliminieren oder zu minimieren; und
  • (iv) Speichern der Entzerrungskoeffizientenmenge und Assoziieren derselben mit der Rotations- oder Translationsposition der Testantenne, so dass diese Koeffizienten auf nachfolgende Antennendiagrammmessungen für diese relative Rotations- oder Translationsposition angewendet werden können.

Das Verfahren umfasst außerdem das Rotieren der Position der Testantenne (AUT) in aufeinander folgende Positionen relativ zu der mindestens einen Bereichsantenne (RA) oder dem mindestens einen Messknoten (MN); wobei die aufeinander folgenden relativen Positionen aufgezeichnet werden und die Schritte (i) bis (iv) für jede Position der Reihe nach wiederholt werden, um für jede Position eine Entzerrungskoeffizientenmenge zu erzeugen, so dass die jeweiligen Koeffizienten auf nachfolgende Antennendiagrammmessungen für die betreffende Rotationsposition angewendet werden können.

Auf diese Weise werden mehrere Mengen von Entzerrungskoeffizienten abgespeichert und mit den unterschiedlichen Positionen der Antenne assoziiert.

Das Trainingssignal kann eine Bitfolge sein, wie zuvor erörtert. Vorzugsweise wird das Trainingssignal von der Testantenne abgestrahlt. Wenn die relative Rotation zwischen der Testantenne und der Bereichsantenne erforderlich ist, wird bevorzugt, dass die Testantenne gedreht wird.

Wenn der Bereich eine Vielzahl von Messknoten zum Empfangen von Signalen der Testantenne aufweist, kann die Koeffizientenmenge, die mit jedem Messknoten assoziiert ist, bestimmt werden, ohne dass eine Rotation oder Translation erforderlich ist.

Es ist wichtig, dass die Bandbreite des Trainingssignals für die jeweilige Testantenne geeignet ist.

Abhängig von der Implementierung des Entzerrers kann der Kalibrierungsprozess auch Messungen beinhalten, die mit und ohne Entzerrer ausgeführt werden, wobei eine Kalibrierungsantenne mit klar definierten Kennlinien benutzt wird, beispielsweise eine Standardgewinn-Hornantenne. Bei den Messungen kann es sich um Gewinnmessungen handeln.

Es ist vorgesehen, dass die Entzerrungskoeffizienten mathematisch komplex sind.

Um sicherzustellen, dass die vorbestimmten Nennkennlinien des Trainingssignals und jedes anderen Signals, das anschließend zu Messzwecken benutzt wird, im Zeitablauf beibehalten werden, werden in bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung Direktmessungen oder eine Voreinstellung der Signalgeneratoren für Variablen wie z.B. Temperatur oder Frequenz genutzt.

Die Erfindung ist allgemein in jedem Antennenstrahlungsdiagramm-Messsystem anwendbar und implementierbar, das Präzision verlangt. Beispielsweise kann die Erfindung als Zusatzfunktion aus Kombinationen von Hardware und Software in existierenden Antennemnessbereichen implementiert werden. Ein grundsätzlicher Fortschritt besteht in der Implementierung der Erfindung in neuen Antennenmessbereichen, die so ausgelegt sind, dass kein reflexionsarmer Raum benötigt wird.

Die Erfindung ist auf die Entzerrung von Antennenstrahlungsdiagramm-Messsystemen anwendbar, bei denen die Messung von der Frequenz abhängig oder auch unabhängig ist. In beiden Fällen kann das Messsignal beispielsweise die Form eines Mehrtonsignals annehmen, das eine geeignete Bandbreite abdeckt und Töne von regelmäßigem oder zufälligem Abstand in der Frequenz umfasst. Bei Bereichen, in denen nur ein Messknoten vorliegt, kann die Messung für jede Rotations- oder Translationsposition der Antenne durchgeführt werden, und zwar unmittelbar nach dem Training des Entzerrers an dieser Antennenposition; alternativ können die verschiedenen Koeffizientenmengen abgespeichert werden, und es kann eine anschließende Serie von Messungen vorgenommen werden. Wenn eine Vielzahl von Messknoten vorliegt, um eine Rotation oder Translation zu vermeiden, kann für jeden einzelnen Knoten ein ähnlicher Prozess befolgt werden. Wenn allerdings jedem Knoten ein einzelner Entzerrer zugeordnet ist, können alle Entzerrer zugleich trainiert werden, und auch alle Messungen können anschließend gleichzeitig ausgeführt werden.

Die Ausführungsformen der Erfindung bieten einen oder mehrere der folgenden Vorteile:

  • – robuste und effiziente Kalibrierung;
  • – automatische Kalibrierung und Korrektur während des Betriebs;
  • – Anwendung auf existierende Antennenmessbereich im Freien und in Gebäuden;
  • – Anwendung auf neue Antennenmessbereiche, und dadurch Aufhebung der Notwendigkeit von kostspieligen reflexionsarmen Räumen und Funkfrequenz absorbierendem Material;
  • – ein Messsystem mit mehreren Knoten, das in Echtzeit arbeitet;
  • – vereinfachter Aufbau.

Andere Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsformen der Erfindung hervor.

Im Gegensatz zu Vorschlägen des Stands der Technik, die eine Wellenform bestimmen und erzeugen, welche die Auswirkungen von Mehrwegeeinflüssen ausgleicht (z.B. eine Wellenform, von der die Mehrwegeeinflüsse abgezogen werden), nutzt die vorliegende Erfindung Entzerrungskoeffizienten in der Hardware oder der Software, um die Auswirkungen von Mehrwegeeinflüssen aus dem empfangenen Testsignal und dem Messsignal zu beseitigen. Das Messsignal, das zum Erzielen der Strahlungsdiagramm-Messungen benutzt wird, muss also in keiner Weise modifiziert werden.

Die vorliegende Erfindung soll nun nur zur Veranschaulichung unter Bezugnahme auf die begleitenden Figuren weiter beschrieben werden, wobei:

1a bis 1g sieben Beispiele häufig benutzter Antennentestbereiche zeigen, auf die die Erfindung angewandt werden kann;

2 eine vereinfachte zweidimensionale Darstellung eines Antennenmessbereichs im Freien ist, auf den die Erfindung angewandt werden kann, wobei die Bereichsantenne und der Messgegenstand oder die Testantenne gezeigt sind;

3 eine vereinfachte zweidimensionale Darstellung eines reflexionsarmen Raumes ist, auf den die Erfindung angewandt werden kann, wobei die Bereichsantenne und der Messgegenstand oder die Testantenne gezeigt sind;

4(a) ein Blockdiagramm ist, das in schematischer Weise eine Entzerrungseinheit zeigt, und 4(b) ein Beispiel einer praktischen Implementierung eines Entzerrers in Form eines Tapped-Delay-Line- (Transversal-)Filters ist;

5 eine schematische Darstellung eines Antennenmessbereichs gemäß einer ersten Ausführungsform ist, auf den die Erfindung anwendbar ist wobei, die Bereichsantenne fest angeordnet ist, und die Testantenne mechanisch angeordnet werden kann;

6 eine schematische Darstellung eines Antennenmessbereichs gemäß einer zweiten Ausführungsform ist, auf den die Erfindung anwendbar ist, wobei die Testantenne fest angeordnet ist, und die Bereichsantenne mechanisch angeordnet werden kann;

7 eine schematische Darstellung eines Antennenmessbereichs gemäß einer dritten Ausführungsform ist, auf den die Erfindung anwendbar ist, wobei die Bereichsantenne fest angeordnet ist, und die Testantenne mechanisch angeordnet werden kann;

8 eine schematische Darstellung eines Antennenmessbereichs gemäß einer vierten Ausführungsform ist, auf den die Erfindung anwendbar ist, wobei die Testantenne fest angeordnet ist, und die Bereichsantenne mechanisch angeordnet werden kann;

9 eine schematische Darstellung einer Mehrknoten-Messsystemarchitektur gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist;

10 ein Beispiel eines Bogens aus Messknoten zeigt; und

11 eine perspektivische Ansicht eines Ikosaederstumpfes ist, der die vorliegende Erfindung verkörpern kann.

Die Erfindung ist auf existierende Messbereiche in Gebäuden und im Freien anwendbar, wobei im Folgenden in Kürze typische Beispiele hierfür beschrieben werden sollen, und wobei insbesondere beschrieben werden soll, wie die vorliegende Erfindung auf diese angewandt wird.

Zunächst soll auf 1a bis 1g Bezug genommen werden. Dargestellt sind sieben häufig benutzte Antennenbereiche. Sie umfassen einen rechteckigen reflexionsarmen Raum (1a), einen kompakten Antennentestbereich (1b), einen erhöht angeordneten Bereich im Freien (1c), einen Bodenreflexionsbereich (1d), einen flachen Nahefeldtestbereich (1e), einen zylindrischen Nahfeldtestbereich (1f), und einen kugelförmigen Nahfeldtestbereich (1g). Abgesehen von den Änderungen, die durch Anwendung der vorliegenden Erfindung entstehen, werden ihr Aufbau und ihre Benutzung zum Testen von Antennen nicht im Detail erläutert, da dies im Stand der Technik allgemein bekannt ist.

2 ist eine vereinfachte zweidimensionale Darstellung eines Antennenmessbereichs im Freien, wobei die Bereichsantenne RA und der Messgegenstand oder die Testantenne AUT gezeigt sind. In der Testzone sind die Auswirkungen der Mehrwegereflexion und der Signalstreuung schematisch als Feldwelligkeit FR dargestellt, die sowohl Phasen- als auch Amplitudenvariationen beinhalten kann. Die Erfindung reduziert diese Welligkeit in effektiver Weise, wie im Folgenden beschrieben werden soll.

3 ist eine vereinfachte zweidimensionale Darstellung eines reflexionsarmen Raumes AC, wobei die Bereichsantenne RA und der Messgegenstand oder die Testantenne AUT gezeigt sind. Der Raum umfasst einen zweischaligen Raum, der mit einem Material ausgekleidet ist, das dazu ausgelegt ist, Funkfrequenz oder Mikrowellenenergie zu absorbieren. In der so genannten ruhigen Zone oder Testzone sind die Auswirkungen der Mehrwegereflexion und der Signalstreuung wieder als Feldwelligkeit FR dargestellt, die sowohl Phasen- als auch Amplitudenvariationen beinhalten kann. Die Erfindung reduziert diese Welligkeit in effektiver Weise, wie im Folgenden beschrieben werden soll.

4(a) zeigt eine vereinfachte Entzerrungseinheit, die einen Koeffizientenkalibrator CC und einen Entzerrer EQ umfasst. Der Koeffizientenkalibrator bestimmt die erforderliche Entzerrungskoeffizientenmenge anhand bereits bekannter Information in Bezug auf das übertragenen Trainingssignal; diese Koeffizienten entzerren den Amplituden- und Phasengang des Ausbreitungswegs in effektiver Weise, so dass der Ausgang der Entzerrungseinheit eine entzerrte (oder korrigierte) Version des gemessenen Signals darstellt. Mit anderen Worten, der Trainingsprozess ermöglicht die Bestimmung einer Menge von Entzerrungskoeffizienten, die den Fehler zwischen dem erwarteten und dem tatsächlich empfangenen Signal minimieren; der Entzerrer ist also dazu eingerichtet, Fehler im Ausbreitungskanal zu korrigieren, so dass für die Bandbreite des übertragenen Signals insgesamt ein flacher Amplitudengang und ein linearer Phasengang vorliegen.

Die klarste Form eines Linearentzerrers ist, in diskreter Form, ein Tapped-Delay-Line-(TDL)- oder Transversalfilter, wie in 4(b) gezeigt, das als ein Umkehrfilter für den Kanal ausgelegt ist. Dargestellt sind der Eingang x(k), der Ausgang y(k), der gewünschte Ausgang d(k) und der Fehler e(k). Es liegt eine Koeffizientenmenge W0 bis Wn vor, und eine Anzahl von inkrementellen Zeitverzögerungen &tgr;. In dieser Form handelt es sich um ein Filter mit endlicher Impulsantwort (finite impulse response (FIR)-Filter). Allerdings existieren auch andere Entzerrerstrukturtypen, und andere Algorithmen, die denselben Zweck erfüllen. Viele davon werden als nichtlineare Entzerrer bezeichnet und sind von intrinsisch adaptiver Natur, d.h., die Koeffizienten lassen sich durch erneutes Training einstellen, um eine Anpassung an eine geänderte Umgebung zu erreichen. Dazu gehören entscheidungsrückgekoppelte Entzerrer (decision feedback equaliser – DFE), Filter, die den rekursiven Algorithmus der kleinsten Quadrate verwenden, und Kalman-Filter. In dieser Erfindung können jede geeignete Struktur und jeder geeignete Algorithmus benutzt werden, und der Entzerrer kann als Kombination von Hardware und Software auf Basisband-, Zwischen- und Funkfrequenz implementiert werden. Der Entzerrer kann als Teil seiner Struktur ein neuronales Netz aufweisen, oder kann selbst ein neuronales Netz sein.

Jedes der oben genannten Entzerrungssysteme kann in den im Folgenden beschriebenen und/oder dargestellten Ausführungsformen benutzt werden.

Im Allgemeinen umfasst ein Antennenmessbereich mindestens zwei Antennen: eine Bereichsantenne RA, und eine Testantenne oder ein Testantennensystem AUT. Bei bestimmten Anwendungen kann die Bereichsantenne ein Antennenarray umfassen. Für Strahlungsdiagramme gilt Reziprozität (d.h., das Strahlungsdiagramm ist sowohl beim Empfangen als auch beim Senden von Signalen gleich), so dass die Bereichsantenne und die AUT entweder als die Quelle (sendende) oder die Messeinrichtung (empfangende) Antenne benutzt werden können, oder umgekehrt. Außerdem können entweder die Bereichsantenne oder die AUT fest angeordnet oder mit Hilfe eines Positionierungssystems P beweglich sein.

Zwischen der Quelle und der Messausrüstung bedarf es normalerweise einer Signalsynchronisation, die entweder durch einen Leitungsweg SSCR (5 und 6) oder durch eine Luftschnittstellenverbindung und eine Referenzantenne REF (7 und 8) bereitgestellt werden kann. Die Auswahl der genannten Konfigurierungen, deren Beispiele in 5 bis 8 gezeigt sind, wird häufig von praktischen Fragen bestimmt. Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst die Einbeziehung der Entzerrungseinheit in die Messausrüstungsblöcke MEB, gezeigt in 5 bis 8. Zu diesem Zweck findet die Erfindung Anwendung als ein nachträglich in existierende Antennenmessbereiche eingebautes Element, sei es in Gebäuden oder im Freien.

5 ist eine schematische Darstellung eines Antennenmessbereichs, wobei die Bereichsantenne RA fest angeordnet ist, und die Testantenne AUT mechanisch positioniert werden kann. Mit Hilfe einer Verbindung SSCP zwischen der Quellausrüstung und der Messausrüstung MEB wird ein Synchronisationssignal bereitgestellt. Die Erfindung ist auf diesen Typ von Antennenmessung in Form einer Zusatzfunktion anwendbar.

6 ist eine schematische Darstellung eines Antennenmessbereichs, wobei die Testantenne AUT fest angeordnet ist, und die Bereichsantenne RA mechanisch positioniert werden kann. Mit Hilfe einer Verbindung SSCP zwischen der Quellausrüstung und der Messausrüstung MEB wird ein Synchronisationssignal bereitgestellt. Die Erfindung ist auf diesen Typ von Antennenmessung in Form einer Zusatzfunktion anwendbar.

7 eine schematische Darstellung eines Antennenmessbereichs, wobei die Bereichsantenne RA fest angeordnet ist, und die Testantenne AUT mechanisch positioniert werden kann. Die Referenzantenne REF stellt ein separates Signal bereit, anhand dessen die Synchronisation zwischen der Quellausrüstung und der Messausrüstung erfolgt. Die Erfindung ist auf diesen Typ von Antennenmessung in Form einer Zusatzfunktion anwendbar.

8 ist eine schematische Darstellung eines Antennenmessbereichs, wobei die Testantenne AUT fest angeordnet ist, und die Bereichsantenne RA mechanisch positioniert werden kann. Die Referenzantenne REF stellt ein separates Signal bereit, anhand dessen die Synchronisation zwischen der Quellausrüstung und der Messausrüstung erfolgt. Die Erfindung ist auf diesen Typ von Antennenmessung in Form einer Zusatzfunktion anwendbar.

Im Zusammenhang mit den Ausführungsformen aus 5 bis 8 sind ein Mittel zum Erzeugen eines Trainingssignals, und ein Mittel zum Vergleichen des empfangenen Signals mit dem erwarteten Trainingssignal und zum Bestimmen einer Menge von Entzerrungskoeffizienten vorgesehen, die den Fehler zwischen den Signalen eliminieren oder minimieren. Es ist ein Mittel zum Speichern der so bestimmten Koeffizienten vorgesehen.

Im Fall der Ausführungsform aus 5 und 7 ist eine Rotation der Testantenne erforderlich, und im Fall von 6 und 8 eine Rotation der Bereichsantenne, um eine Anzahl von Entzerrungskoeffizientenmengen für einen Bereich von Rotationspositionen der Testantenne relativ zur Bereichsantenne zu erhalten. Beim Kalibrieren des Antennensystems wird also eine Serie von Trainingssignalen für unterschiedliche Rotationspositionen desselben abgestrahlt, und es werden jeweilige Entzerrungskoeffizientenmengen für diese Positionen bestimmt und abgespeichert. Bei anschließenden Strahlungsdiagrammmessungen werden die Koeffizienten für die jeweils relevante relative Rotations- oder Translationsposition angewandt.

Ein Messsystem für das spezifische Absorptionsverhältnis (SAR) (nicht dargestellt) ist eine Sonderform eines Antennenmessbereichs, die allgemein zum Beurteilen radiologischer Gesundheitsauswirkungen von Mobiltelefonen und anderen persönlichen drahtlosen Geräten benutzt wird. In diesen Beispielen stellt das Testgerät die Strahlungsquelle dar, und eine durch Roboterarbeit positionierte Sonde misst das elektromagnetische Feld in einem bestimmten Raumabschnitt, beispielsweise in einem mit Flüssigkeit gefüllten Modell eines menschlichen Kopfes. Das gesamte System ist in einem reflexionsarmen Raum angeordnet, und verlangt zur Durchführung genauer Messungen eine sorgfältige Kalibrierung der Sonde. Die Erfindung ist auf diesen Messsystemtyp in Form einer Zusatzfunktion anwendbar.

Die Erfindung stellt ein Mittel zur Signalentzerrung bereit, das auf eine breite Spanne von Ausbreitungskanälen anwendbar ist, die sowohl in Antennenbereichen im Freien als auch in reflexionsarmen Räumen anzutreffen sind. Außerdem kann die Anwendung der Entzerrung, welche die Erfindung bietet, auch auf einen neuen Typ von Innenraumantennenmesssystem angewandt werden, der speziell dazu ausgelegt ist, einen reflexionsarmen Raum überflüssig zu machen.

9 zeigt ein Mehrknotenmesssystem, das die folgenden Funktionsblöcke umfasst: eine Anzahl von Messknoten MN1 bis MNN; eine Signalaufbereitungs- und Synchronisationseinheit SCSU; eine Signalsteuerungs- und Schnittstelleneinheit SCIU; und eine Mensch-Maschine-Schnittstelle MMI. Jeder Messknoten enthält einen Messempfänger MR, eine Antennenschnittstelle AI und eine oder mehrere Messantennen (Sonden) MA. Die Sonden jedes Messknotens stellen ein Mittel zum Messen spezifischer Kennlinien des übertragenen Signals (z.B. Polarisation), oder, in der Ausführungsform eines Systems, bei dem die Messbandbreite größer ist als die einer einzelnen Sonde, ein Mittel zum Auswählen der geeigneten Sonde für ein jeweiliges Frequenzband bereit.

Neben den Messknoten liegt auch ein optionaler Tracking-Knoten TN vor, der einen Antennenschnittstelle AIT und einen Tracking-Empfänger TR aufweist. Der Tracking-Empfänger stellt die Synchronisation zwischen dem übertragenen Signal und dem gemessenen Signal sicher.

Alle Messknoten werden von der Signalaufbereitungs- und Synchronisationseinheit (SCSU) gesteuert und sind mit dieser synchronisiert. Die SCSU weist eine Entzerrungseinheit auf, die der zuvor beschriebenen und in 4 gezeigten gleicht. Eine Signalsteuerungs- und Schnittstelleneinheit (SCIU) steuert die SCSU, und kann wahlweise mit der Quellausrüstung verbunden sein. Mit Ausnahme der SCIU sind alle genannten Blöcke mit den Messausrüstungsblöcken aus 5 bis 8 vergleichbar.

Es liegt allerdings ein wichtiger Unterschied zwischen dem System aus 9 und den Systemen aus 5 bis 8 vor: das Wegfallen der Notwendigkeit eines Positionierungssystems in einer bevorzugten Ausführungsform. Stattdessen sind die Messknoten so angeordnet, dass sie das gesamte Strahlungsdiagramm der AUT oder einen Teil desselben „beobachten", ohne dass sich die Bereichsantenne oder die AUT bewegen müssen. In einigen wenigen Fällen ist es möglicherweise nur erforderlich, das Strahlungsdiagramm einer Antenne für einen begrenzten Raumabschnitt zu messen, wie z.B. den Bogen aus 10, wobei die AUT an dem Punkt angeordnet wird, von dem aus der Bogen gezogen wurde. Das Beispiel aus 10 umfasst neun Messknoten, die entlang einem Bogen mit dem Radius r vom Mittelpunkt des Messgegenstands oder der Testantenne gleichförmig beabstandet sind. Eine Ausführungsform der Erfindung besteht darin, Messknoten zu benutzen, die zufällig oder gleichförmig in linearen, flachen oder dreidimensionalen Arrays angeordnet sind, um jeweils bestimmten Zwecken zu dienen. Bei einer solchen Ausführungsform kann eine Translation der Testantenne nötig sein, um Messungen kugelförmiger Strahlungsdiagramme zu ermöglichen. Eine Translation kann jedoch wegfallen, wenn die Messknoten dreidimensional im Raum verteilt sind.

Messungen kugelförmiger Antennendiagramme verlangen, dass die Beobachtungsknoten in einem Raumvolumen verteilt sind, das durch eine Kugel beschrieben ist. Die Verteilung und die Anzahl der Messknoten beeinflusst die Auflösung des gemessenen Diagramms. Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist ein Mehrknotenmesssystem, bei dem die Knoten MN an den Ecken eines Polyeders angeordnet sind. Ein bevorzugtes Beispiel für ein Polyeder mit einem hohen Maß an Symmetrie ist ein Ikosaederstumpf, wie in 11 dargestellt. Es existieren jedoch andere Geometrien, die denselben Zweck erfüllen. In dieser Erfindung kann jede geeignete Geometrie benutzt werden. Die Verbindungsarme oder Stäbe unterstützen den mechanischen Aufbau und bilden eine Führung für elektrische Verbindungen. Der Ikosaederstumpf umfasst sechs Ecken, zwölf pentagonale Flächen und fünfzehn hexagonale Flächen. Der Abstand jedes beliebigen Punktes zu seinem nächsten Nachbarn ist für alle Punkte gleich. Jeder Punkt weist genau drei Nachbarn auf.

Das Mehrknoten-Antennendiagrammmesssystem bietet bei Implementierung als dreidimensionale geometrische Struktur die Möglichkeit, dreidimensionale Messungen in Echtzeit durchzuführen. Diese Ausführungsform der Erfindung ist ein technischer Fortschritt gegenüber dem Stand der Technik, und erlaubt es Ingenieuren, die Auswirkungen vorgenommener Auslegungsänderungen direkt zu beobachten.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung in der Form eines Mehrknoten-Antennenmesssystems, das als eine offene Struktur aufgebaut ist, liegt in automatischen Messsystemen vor, bei denen einander ähnliche Messgegenstände innerhalb des Messsystems befördert werden (beispielsweise bei der Produktionsprüfung von Artikeln der Massenproduktion, wie z.B. Mobiltelefonen und anderen drahtlosen Geräten). Bei einem solchen System muss das Testgerät (DUT) dazu konfiguriert sein, ein Signal zu übertragen, bevor es in das System gelangt, und muss dazu konfiguriert sein, nach Verlassen des Systems die Übertragung einzustellen. Die Entzerrung des Messweges wird entweder durch bereits bekannte Information zu dem vom DUT übertragenen Signal, oder durch einen gesonderten Kalibrierungsprozess durchgeführt, aus dem sich die Kanalentzerrung herleitet.

Für ein Mehrknotensystem sind folgende Mittel vorgesehen: zum Erzeugen eines vorbestimmten Trainingssignals, zum Vergleichen des abgestrahlten Signals im empfangenen Signal und zum Erzeugen einer Entzerrungskoeffizientenmenge für jeden Knoten, und zum Abspeichern der Entzerrungskoeffizientenmenge für jeden Knoten.

Im Fall einer dreidimensionalen Verteilung der Knoten können die erforderlichen Entzerrungskoeffizienten nacheinander an jedem Knoten berechnet werden, oder gleichzeitig, wenn die Hardware und die Software dies zulassen. Im Fall von nicht dreidimensionalen Mehrknotensystemen wird eine relative Rotation der Testantenne in Bezug auf die Knoten durchgeführt, um eine Anzahl von Entzerrungskoeffizientenmengen zu erhalten, die der relativen Rotationsposition passend zugeordnet werden. Auf diese Weise wird ein Mittel zum Korrelieren der relativen Rotationsposition mit der Entzerrungskoeffizientenmenge für jede Position bereitgestellt.

Die oben beschriebenen Ausführungsformen dienen der Veranschaulichung, und es versteht sich, dass die vorliegende Erfindung nicht auf sie beschränkt ist. Weitere Modifikationen, Änderungen und Verbesserungen, die die hier offenbarten und beanspruchten zugrunde liegenden Grundgedanken beibehalten, liegen im Umfang der Erfindung.


Anspruch[de]
Antennendiagramm-Messbereich, umfassend: eine Testantenne (AUT), mindestens eine Bereichsantenne (RA) oder mindestens einen Messknoten (MN) und ein Entzerrungsmittel, das betriebsfähig ist, eine entzerrte Version eines an der Testantenne oder der mindestens einen Bereichsantenne oder dem mindestens einen Messknoten gemessenen Signals zu erzeugen, ein Mittel (P) zur Rotation oder Translation entweder der Testantenne (AUT) oder der Bereichsantenne (RA), ein Mittel zum Erzeugen eines Trainingssignals, ein Mittel zum Vergleichen des Empfangssignals mit dem erwarteten Trainingssignal und ein Mittel (CC) zum Bestimmen einer Entzerrungskoeffizientenmenge, um den Fehler zwischen dem Trainingssignal und dem Empfangssignal zu eliminieren oder zu minimieren, ein Mittel zum Speichern der Entzerrungskoeffizienten und ein Signalsynchronisationsmittel (55 CP), um die relative Position einer beweglichen einen unter der Antenne und der Bereichsantenne (RA) und der Testantenne (AUT) mit dem Empfangssignal zu assoziieren, und ein Mittel zum Speichern der Entzerrungsdaten für jede ausgewählte Position. Antennendiagramm-Messbereich nach Anspruch 1, eine Vielzahl von räumlich getrennten Messknoten (MNI–MNN) umfassend. Antennendiagramm-Messbereich nach Anspruch 2, in dem die Messknoten (MN) gleichförmig im Raum angeordnet sind. Antennendiagramm-Messbereich nach Anspruch 2, in dem die Messknoten (MN) unregelmäßig im Raum angeordnet sind. Antennendiagramm-Messbereich nach Anspruch 2 oder 3, in dem die Messknoten gleichförmig beabstandet die Testantenne umgeben. Antennendiagramm-Messbereich nach Anspruch 2, in dem die Messknoten an den Ecken eines Ikosaederstumpfs angeordnet sind. Antennendiagramm-Messbereich nach einem der Ansprüche 2 bis 6, in dem die Messknoten gleichentfernt von der Testantenne beabstandet sind. Antennendiagramm-Messbereich nach einem der Ansprüche 2 bis 7, in dem jeder Messknoten eine oder mehrere Messantennen umfasst. Antennendiagramm-Messbereich nach einem der Ansprüche 2 bis 8, außerdem einen Tracking-Knoten mit einer Antennenschnittstelle und einem Tracking-Empfänger umfassend. Antennendiagramm-Messbereich nach einem der vorhergehenden Ansprüche, außerdem ein Fördermittel umfassend, um die Testantenne in ihre Testposition zu transportieren. Verfahren zum Kalibrieren eines mit einem Signalentzerrungsmittel ausgestatteten Antennendiagramm-Messbereichs und eine Testantenne (AUT) und mindestens eine Bereichsantenne (RA) oder mindestens einen Messknoten (MN) umfassend, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Positionieren der Testantenne in den Bereich und

(i) Abstrahlen eines Trainingssignals;

(ii) Empfangen des abgestrahlten Trainingssignals und Vergleichen des Empfangssignals mit dem erwarteten Trainingssignal;

(iii) Bestimmen eines Entzerrungskoeffizientensatzes, der unter diesen Umständen benutzt wird, um den Fehler zwischen dem erwarteten Trainingssignal und dem Empfangssignal zu eliminieren oder zu minimieren; und

(iv) Speichern des Entzerrungskoeffizientensatzes und diese mit der Rotations- oder Translationsposition der Testantenne assoziieren, sodass diese Koeffizienten auf nachfolgende Antennendiagrammmessungen für diese relative Rotations- oder Translationsposition angewendet werden können,

das Verfahren außerdem umfassend: das Rotieren der Position der Testantenne (AUT) in aufeinanderfolgende Positionen relativ zu der mindestens einen Bereichsantenne (RA) oder dem mindestens einen Messknoten (MN); wobei die aufeinanderfolgenden relativen Positionen aufgezeichnet werden und die Schritte (i) bis (iv) für jede Position der Reihe nach wiederholt werden, um für jede Position einen Entzerrungskoeffizientensatz zu erzeugen, sodass die jeweiligen Koeffizienten auf nachfolgende Antennendiagrammmessungen für die betreffende Rotationsposition angewendet werden können.
Verfahren nach Anspruch 11, in dem eine Vielzahl von Bereichsantennen oder Messknoten (MN) bereitgestellt werden und für diese jeweils ein Entzerrungskoeffizientensatz bestimmt und abgespeichert wird. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, in dem das Trainingssignal eine vorbestimmte Bitsequenz ist. Verfahren nach Anspruch 11, 12 oder 13, in dem das Trainingssignal von der Testantenne abgestrahlt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 14, in dem die Testantenne rotiert wird.






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