Echokammern: Eine Revolution in der Antennen-Messtechnik

Hat man die Eigenschaften kleiner Funkantennen bislang meist in echofreien Kammern getestet, gibt es jetzt eine echte Alternative: Modenverwirbelungskammern bilden z.B. die Umgebungsbedingungen für Handygespräche deutlich realitätsnäher nach.

Modenverwirbelungskammern (MVK) stellen ein Grundprinzip auf den Kopf, das über Jahrzehnte bei der Messung von Antennen galt. Sie sind nicht frei von Echos – ganz im Gegenteil: Ihre Wände werden statt von teuren Absorbermaterialien von Metall bedeckt. Darum bilden sich in den »Reverberation Chambers« (zu deutsch: »Echokammern«) stehende elektromagnetische Wellen. In den bisher genutzten »Anechoic Chambers« (»echofreie 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.

Warum werden heute aber vor allem echofreie Kammern für die Vermessung von Antennen eingesetzt? »Das hat historische Gründe«, erklärt Dr. Bernd Fleischmann, Geschäftsführer von Gigacomp, dem deutschen Vertriebspartner des Echokammer-Herstellers und -Pioniers Bluetest. »Während des Zweiten Weltkriegs mussten die Ingenieure Radarantennen vermessen. Sie werden meist an exponierten Stellen installiert und sind daher nicht von Funkechos betroffen – die Ausbreitung der Wellen erfolgt längs der Sichtlinie (Line-of-Sight, LOS). Zudem kommt es bei ihnen ganz wesentlich auf die räumliche Abstrahlcharakteristik an. Ganz ähnlich ist die Situation bei anderen großen Antennen, etwa für die Kommunikation mit Satelliten. Auch für solche Messungen ist die reflexionsfreie Umgebung in den Anechoic Chambers völlig angemessen.«

Kleine Antennen stellen besondere Anforderungen

Ganz anders sind die Anforderungen, wenn kleine Antennen vermessen werden müssen: Ihr wichtigster Parameter ist die Effizienz – sie gibt an, mit welchem Wirkungsgrad die elektromagnetische Energie abgestrahlt bzw. empfangen wird. Dazu Dr. Fleischmann: »Sie ist darum so wichtig, weil sie in Mobilfunknetzen direkten Einfluss auf die Akku-Laufzeit der Handys, die maximalen Datenraten und die Netzauslastung hat – denn je effizienter die Mobiltelefone senden und empfangen, desto mehr Teilnehmer kann ein Netzbetreiber pro Basisstation bedienen: Schon eine um 3 dB höhere Effizienz bedeutet eine Verdoppelung. Die genaue Abstrahlcharakteristik – die in echofreien Kammern sehr gut zu messen ist – spielt bei kleinen Antennen hingegen keine Rolle, weil die Abweichungen von der Isotropie gering und für die Anwendungen nicht relevant sind.«

Dennoch müssen die Ingenieure während des Entwicklungsprozesses zahlreiche Untersuchungen durchführen, weil die Antennen in einer Vielzahl von Kanälen und Frequenzbändern optimal arbeiten sollen. Hinzu kommen die komplexen Wechselwirkungen untereinander und mit dem Gehäuse. Hier sind in der Praxis also zahlreiche Optimierungsschleifen zu durchlaufen.

Gefragt ist darum ein Verfahren, das zugleich genau und schnell ist. Außerdem sollte es an das spätere Einsatzszenario – in der Regel eine Umgebung mit zahlreichen Reflexionen – angepasst sein. »Beide Voraussetzungen erfüllen echofreie Kammern nicht«, so der Experte. »Die Messungen dauern unnötig lange, zudem sind die Kammern wegen der aufwändigen Unterdrückung der Reflexionen unverhältnismäßig teuer.«

Das war auch die Meinung von Professor Per-Simon Kildal von der Chalmers Universität in Göteborg. Darum begann er Ende der 90er Jahre, das bereits bekannte Prinzip der Modenverwirbelungskammern zu optimieren. Sein Ziel war es, die Messungen zu beschleunigen und ihre Genauigkeit zu steigern. Dabei hatte er speziell die Untersuchung kleiner Antennen im Blick. Um seine Ideen auf den Markt zu bringen, gründete er im Jahr 2000 das Unternehmen Bluetest AB.

MVKs: Ideal für MIMO-Messungen

Zu dieser Zeit kam in der Industrie auch ein neues Thema auf: MIMO (Multiple Input Multiple Output). Darunter versteht man die Nutzung mehrerer Sende- und Empfangsantennen für die Kommunikation, wodurch sich Qualität und Datenrate einer drahtlosen Verbindung deutlich erhöhen lassen: MIMO-Systeme haben einen Diversitätsgewinn (»Diversity Gain«), also ein höheres Signal-zu-Rausch-Verhältnis als eine einzelne Antenne. MIMO wird z.B. bei der nächsten Generation des Mobilfunks (LTE, Long Term Evolution) eine zentrale Rolle spielen. Messungen an Geräten mit mehreren Antennen sind allerdings besonders anspruchsvoll.