Identifikation von defekten Einzelelementen in Antennenarrays

Fehleridentifikation in einzelnen Elementen von Antennenarrays durch Abtastung im Nahfeldbereich und Anwendung des Nahfeld-Fernfeld-Transformationsverfahrens.

Ihre Anforderung

Antennenarrays werden für unterschiedlichste Anwendungen intensiv genutzt, einschließlich der Bereiche Satelliten und Radare. Einer der wesentlichen Vorteile von Antennenarrays ist das Beamforming. Dieses ermöglicht Flexibilität und Kontrolle über die Antennencharakteristik und führt zu einem effizienteren und gut ausgerichteten Strahl. Daher spielen Massive-MIMO-Antennen eine wichtige Rolle bei 5G-Infrastrukturen, beispielsweise beim Backhaul im Mobilfunkbereich, bei Punkt-zu-Punkt-Antennen sowie bei Basisstationen. Mit diesen Arrays lassen sich mit 5G sehr große Datenvolumina über eine extrem zuverlässige Kommunikationsverbindung mit geringer Latenz übertragen.

Man sollte die Komplexität bei der Entwicklung und Fertigung von Antennenarrays nicht unterschätzen. Insbesondere planare Designs wie Mikrostreifen-Flachantennenarrays sind anfällig für Phasenfehler, wenn die HF-Substratparameter unterschiedlicher Fertigungslose variieren. Die HF-Performance und das 3D-Antennendiagramm von Antennenarrays lassen sich zwar über die Luftschnittstelle testen. Was aber, wenn die Messergebnisse von den erwarteten Werten abweichen? Möglicherweise sind einzelne Antennenelemente defekt. Allerdings ist es extrem zeit- und kostenintensiv, den Fehler innerhalb eines 64×64-Antennenarrays mit der Trial-and-Error-Methode aufzuspüren. Demzufolge kann eine alternative und effizientere Lösung viel Zeit und Geld sparen.

Grafische 2D-Darstellungen der äquivalenten Ströme in Betrag und Phase für ein Antennenarray
Grafische 2D-Darstellungen der äquivalenten Ströme in Betrag und Phase für ein Antennenarray
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Lösung von Rohde & Schwarz

Zur Bewältigung dieses Problems hat Rohde & Schwarz die ideale Lösung entwickelt, um einzelne defekte Elemente in Bezug auf Betrag und Phase innerhalb eines Antennenarrays effizient zu identifizieren. Zur Umsetzung dieser Lösung ist eine Antennenmesskammer und ein hochwertiger Vektornetzwerkanalysator erforderlich, beispielsweise der R&S®ZVA in Kombination mit der R&S®AMS32 OTA-Messsoftware. Mit diesem Messaufbau ist es möglich, Nahfeld-Fernfeld-Transformationen auf Basis des Fast Irregular Antenna Field Transformation Algorithm (FIAFTA) durchzuführen, der in R&S®AMS32 implementiert ist.

Das Messverfahren zum Auffinden defekter Elemente innerhalb eines Antennenarrays beginnt mit einer Feldmessung, die mindestens den Bereich der Hauptkeule des Antennenarrays abdeckt. Die Tastantenne vermisst das Abtastgitter, indem die Bewegungen mit Hilfe des 3D-Drehstands sowohl in Azimut- als auch in Elevationsrichtung erfolgen. Nach den Messungen wird der FIAFTA-Algorithmus während der Nachverarbeitung angewendet, sodass die äquivalenten elektrischen Oberflächenströme und die äquivalenten magnetischen Oberflächenströme auf ein beliebig geformtes Objekt abgebildet werden können. Mit der grafischen Darstellung beider Typen von äquivalenten Oberflächenströmen kann man ganz einfach die funktionsfähigen und defekten Elemente innerhalb des Antennenarrays visualisieren und unterscheiden.

Das R&S®ATS1000 verfügt über einen hochpräzisen Drehstand, um die 3D-Daten zu gewinnen.
Das R&S®ATS1000 verfügt über einen hochpräzisen Drehstand, um die 3D-Daten zu gewinnen.
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Antennenmesskammer

Abhängig von den Anforderungen hinsichtlich des Platzbedarfs und Frequenzbereichs können Sie zwischen der R&S®ATS1000 Antennenmesskammer und der R&S®WPTC Wireless-Performance-Messkammer wählen. Die R&S®ATS1000 ist transportabel, kompakt und bietet einen Arbeitsfrequenzbereich von 18 GHz bis 87 GHz für Messobjekte mit einem Durchmesser von bis zu 40 cm. Demgegenüber ist die R&S®WPTC in Bezug auf Frequenzbereich und Größe des Messobjekts flexibler, da sie Frequenzen von 400 MHz bis 90 GHz und Messobjekte mit einem Durchmesser von bis zu 1,2 m unterstützt.

R&S®AMS32 und FIAFTA-Algorithmus

R&S®AMS32 ist die von Rohde & Schwarz entwickelte Basis-Messsoftware und unterstützt alle relevanten OTA- und Antennenmessungen. Mit der Option R&S®AMS32-K50 NF-FF-Transformation kann man genaue Nahfeld-Fernfeld-Transformationen auf Basis des FIAFTA durchführen. Dieser Algorithmus wurde an der Technischen Universität München entwickelt und zeigt nachweislich eine starke Korrelation zu Fernfeld-Messergebnissen. Um die äquivalenten Ströme aller Formen zu visualisieren, benötigt man sowohl die Option R&S®AMS32-K52 als auch die Option R&S®AMS32-K52U. Mit diesen lassen sich defekte Elemente in einem Antennenarray leicht identifizieren.

Wesentliche Merkmale und Vorteile

  • Optimierung der Produkteinführungszeit durch effiziente Erkennung
  • von Fehlern während der Forschung und Entwicklung und bei Stichprobenprüfungen in der
  • Produktion
  • Validierung von analogen und digitalen Phasenschiebern
  • Verifizierung der Gleichförmigkeit von Phasenverteilungen
  • Wiederholgenauigkeitsprüfung an mehreren Antennenarrays
  • Schnelle Sichtprüfung

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