Bluetooth-TRP- und -TIS-Messungen zusammen in weniger als drei Minuten pro Kanal Schneller und realitätsnaher Antennentest

Mit Modenverwirbelungskammern lassen sich kleine Antennen für Bluetooth-Systeme in Rekordgeschwindigkeit vermessen. Aber auch für andere Anwendungen im ISM-Band sowie für TETRA, GSM, LTE, GPS, RFID, WCDMA und DECT bieten die so genannten Echokammern einige deutliche Vorteile gegenüber ihren echofreien Konkurrenten.

Einige der populärsten Funkanwendungen nutzen die lizenzfreien ISM-Bänder: Bluetooth, WiFi und ZigBee sind bekannte Beispiele dafür. In vielen Fällen arbeiten sie mit kleinen Antennen, deren Effizienz große Auswirkungen auf die Applikationen haben. So kann z.B. die Batterielaufzeit eines drahtlosen Sensorknotens je nach Wirkungsgrad der Antenne ganz erheblich schwanken, und das gilt auch für andere Geräte mit Akkubetrieb, etwa für tragbare Bluetooth-Headsets.

Bei der Entwicklung neuer Geräte spielt das Antennendesign also eine große Rolle. »Wie gut ein spezieller Typ in der Praxis tatsächlich arbeitet, lässt sich trotz aller Simulationen noch immer am besten durch eine reale Messung feststellen«, erklärt Dr. Bernd Fleischmann, Geschäftsführer des auf Hochfrequenzprodukte spezialisierten Distributors Gigacomp. »Dazu werden heute vor allem echofreie Kammern, so genannte ‚Anechoic Chambers’, eingesetzt, deren Technologie aus der Zeit des Zweiten Weltkriegs stammt, als die Ingenieure Radarantennen vermessen mussten. Diese werden meist an exponierten Stellen installiert und sind daher nicht von Funkechos betroffen – die Ausbreitung der Wellen erfolgt längs der Sichtlinie. Zudem kommt es bei ihnen ganz wesentlich auf die räumliche Abstrahlcharakteristik an. Ganz ähnlich ist die Situation bei anderen großen Antennen, beispielsweise für die Kommunikation mit Satelliten.«

Echokammern: Optimal für kleine Antennen im ISM-Band

Bei kleinen Antennen – wie sie z.B. für ISM-Anwendungen typisch sind – sind die Anforderungen völlig anders: Ihr wichtigster Parameter ist die Effizienz. Sie gibt an, mit welchem Wirkungsgrad die elektromagnetische Energie abgestrahlt bzw. empfangen wird. Die Effizienz ist darum so wichtig, weil sie direkten Einfluss auf die Akkulaufzeit hat. Für ihre Messung gibt es eine kostengünstige und ebenso präzise Alternative zu echofreien Kammern: Modenverwirbelungskammern, kurz MVK (im Englischen als Reverberation Chambers bekannt, zu Deutsch Echokammern).

»MVKs stellen ein Grundprinzip auf den Kopf, das über Jahrzehnte bei der Messung von Antennen galt«, führt Dr. Fleischmann aus. »Sie sind nicht frei von Echos – ganz im Gegenteil: Ihre Wände werden statt von teuren Absorbermaterialien von Metall bedeckt, und darum bilden sich in ihnen stehende elektromagnetische Wellen. In den bisher genutzten echofreien Kammern wurde hingegen ein immenser Aufwand getrieben, um genau das zu verhindern. Dennoch liefern die MVKs ausgezeichnete Messergebnisse – in kürzerer Zeit und zu einem Bruchteil der Kosten.«

Das Funktionsprinzip der MVKs

Im Prinzip ist eine Modenverwirbelungskammer ein Faraday-Käfig und erinnert an einen Mikrowellenofen: Mit wenig eingespeister HF-Leistung lässt sich aufgrund der stehenden Wellen eine hohe Feldstärke erzeugen.

Damit sie sich für die präzise Vermessung von Antennen eignen, sorgen in den Modenverwirbelungskammern des schwedischen Herstellers und MVK-Pioniers Bluetest (Vertrieb: Gigacomp) gleich mehrere Mechanismen dafür, dass sich die elektromagnetischen Wellen in ihrem Inneren ganz ähnlich verhalten wie in typischen Anwendungsszenarien von ISM-Geräten:

  • Zwei Metallplatten (Mode Stirrers) bewegen sich motorgetrieben in zueinander orthogonalen Richtungen auf und ab – das verändert ständig die Randbedingungen und sorgt dafür, dass das Muster der stehenden Wellen variiert.
  • Zudem rotiert das zu testende Gerät (DUT) auf einem Drehteller, was für zusätzliche Veränderungen des empfangenen Wellenmusters führt.
  • Drei fest im Inneren der Kammer installierte orthogonale Monopol-Antennen ermöglichen es zudem, die Polarisation der Wellen nach Belieben zu verändern.
  • Und schließlich wird auch die Frequenz in der Kammer variiert, was die Messgenauigkeit weiter verbessert.