Generalised test-zone field compensation

Gemmer, Thomas; Vorländer, Michael; Heberling, Dirk

doi:41327

Generalised test-zone field compensation = Methode der verallgemeinerten Testzonenfeldkompensation

Gemmer, Thomas^RWTH*

2022

VerantwortlichkeitsangabeThomas M. Gemmer

Ausgabe1. Auflage

ImpressumAachen : Apprimus Verlag 2022

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

ISBN978-3-98555-083-8

ReiheElektro- und Informationstechnik

Dissertation, RWTH Aachen University, 2022

Druckausgabe: 2022. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Heberling, Dirk (Thesis advisor)^RWTH* ; Vorländer, Michael (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2022-04-08

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2022-06024
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/848414/files/848414.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Hochfrequenztechnik (613110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
antenna measurements (frei) ; compact antenna test range (frei) ; near field (frei) ; spherical wave expansion (frei) ; uncertainty (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Antennenmessungen werden erheblich von der Umgebung beeinflusst. Daher werden die Messungen in der Regel in präzise konstruierten reflexionsfreien Räumen durchgeführt, welche mit Absorbern ausgekleidet sind, um eine störungsfreie und hochwertige Testzone zu schaffen. Dies ist jedoch mit hohen Kosten verbunden. Deswegen wird intensiv an Methoden zur Echounterdrückung geforscht, um Antennenmessungen auch in Testzonen von niedriger Qualität mit einer akzeptablen Genauigkeit durchführen zu können. Eine genaue Technik wird folglich nicht nur die Kosten, sondern auch die Komplexität der Messeinrichtungen reduzieren, da die Leistungsfähigkeit der Absorber und die Ausrichtung der Strukturen nicht mehr entscheidend sein werden. Darüber hinaus können die Testanlagen auch außerhalb ihres spezifizierten Frequenzbandes betrieben werden, wo eine stark verzerrte Testzone zu erwarten ist. Um dies zu ermöglichen, wird in dieser Arbeit ein effizientes Verfahren, die sogenannte Testzonenfeldkompensation, weiterentwickelt, das dazu in der Lage ist, unerwünschte Signale beliebiger Art, welche in die Testzone einfallen, zu korrigieren. Das Verfahren besteht aus zwei Schritten: Zunächst muss das Testzonenfeld (TZF) auf einer sphärischen Oberfläche abgetastet werden, um die erforderlichen Informationen über die einfallenden Feldkomponenten zu erhalten. Anschließend können die im Test befindlichen Antennen mit diesem Wissen vollständig hinsichtlich der Störungen kompensiert werden. Die Kompensationstechnik basiert auf der Erweiterung in Kugelflächenfunktionen und der entsprechenden Zerlegung der Antennen- und der TZF-Messungen in Basisfunktionen, die sogenannten sphärischen Modenkoeffizienten. Um die TZF-Kompensationstechnik experimentell zu validieren, wurde in einer kompakten Antennenmessanlage mit Hilfe einer flachen Metallplatte eine stark reflektierende Umgebung geschaffen. Als die zu testende Antenne wurde eine Basisstationsantenne verwendet, welche mit und ohne Metallplatte bei einer Frequenz von 2,4 GHz charakterisiert wurde. Nach Anwendung der Kompensationstechnik auf die gestörten Messungen wurde eine Reduzierung des maximalen Fehlers um etwa 20 dB erreicht. Der Richtfaktor konnte mit einer Differenz von nur 0,001 dB wiederhergestellt werden. Nichtsdestotrotz verbleibt ein Messfehler und durch eine detaillierte Unsicherheitsanalyse wurde festgestellt, dass die Wiederherstellungsgenauigkeit ±0,180 dB beträgt. Dabei wurde der Fehler, welcher sich von den TZF-Messungen bis hin zur Kompensation fortpflanzt, mit messtechnischen und simulativen Auswertungsmethoden gründlich analysiert. Die Ergebnisse belegen letztlich, dass die Streuung der Metallplatte erfolgreich und genau kompensiert werden konnte.

Antenna measurements are significantly affected by the environment. Therefore, the measurements are usually carried out in precisely constructed anechoic chambers which are covered with absorbers to create an interference-free and high-quality test zone. However, this is associated with high costs. Hence, intensive research is being conducted on echo reduction methods to be capable of performing antenna measurements with reasonable accuracy also in low-quality test zones. An accurate technique will consequently not only reduce the costs but also the complexity of the facilities as the performance of the absorbers and the alignment of the structures will not be crucial anymore. In addition, test ranges can be operated outside their specified frequency band where a highly distorted test zone is to be expected. To enable this, this thesis aims to further develop an efficient method, namely the so-called test-zone field (TZF) compensation which is capable of correcting undesired signals of arbitrary nature incident in the test zone. The method is composed of two steps: first, the TZF has to be sampled on a spherical surface to obtain the required information about the incoming field components. Second, with this knowledge, antennas under test (AUTs) can be fully compensated for the imperfections. The compensation technique is based on the spherical wave expansion and the corresponding decomposition of the AUT and the TZF measurements into spherical basis functions, the so-called spherical mode coefficients. To validate the TZF compensation technique experimentally, a highly reflective environment has been emulated within a compact antenna test range by installing a flat metal plate. As the AUT, a base transceiver station antenna is used which has been characterised with and without the metal plate at a frequency of 2.4 GHz. After applying the compensation technique to the distorted measurements, a reduction of the maximum error of approximately 20 dB has been achieved. The directivity could be retrieved with a difference of only 0.001 dB. Nevertheless, a measurement error remains and through a detailed uncertainty analysis, it has been determined that the retrieval accuracy is ±0.180 dB. Thereby, the error propagating from the TZF measurements to the compensation has been thoroughly analysed using metrological and simulative evaluation methods. The results ultimately prove that the scattering of the metal plate has been successfully and accurately compensated.

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