Schwerpunkte

Mess- und Prüftechnik / 5G-OTA-Tests

Soft- und hardwarebasierte Nahfeld-Fernfeld-Transformationen

05. September 2018, 13:17 Uhr   |  Dr. Benoît Derat et al., Rohde & Schwarz München


Fortsetzung des Artikels von Teil 2 .

Softwarebasierte NF-Transformationen leisten die TX-Mathematik

Direkte FF-Messungen unter White-Box-Bedingungen können ungeeignet sein, wenn die Strahlungsapertur größer als die QZ ist, die Position der Antenne innerhalb des Prüflings sowie die Antennenapertur nicht genau bekannt sind oder mehrere Antennen gleichzeitig senden; beispielsweise von zwei entgegengesetzten Kanten des Prüflings, der wiederum selbst nicht in die QZ passt.

In diesem Fall ist das Black-Box-Szenario anzuwenden, bei dem die strahlungsverursachenden Ströme überall innerhalb des Prüflings fließen können. Ein erster effektiver Ansatz zur Behandlung solcher Fälle in einer kompakten Umgebung ist die Verwendung softwarebasierter Nahfeld-Fernfeld-Transformationen (NFFF), bei denen die Größe der QZ irrelevant ist.

Unterschiedliche mathematische Implementierungen der NFFF sind möglich, aber das Grundprinzip ist immer das Selbe: Mindestens zwei Polarisationskomponenten des elektromagnetischen Felds (E, H oder eine Kombination aus beiden) werden über eine Oberfläche, die den Prüfling umfasst, nach Betrag und Phase gemessen. Bei der anschließenden Verarbeitung der gemessenen Daten werden die Felder mit Hilfe mathematischer Funktionen in größere Entfernungen projiziert und die Fernfeld-Strahlungskomponenten extrahiert. Lediglich zwei Phasoren müssen bekannt sein, um unter Anwendung des Huygens-Prinzips alle sechs Feldkomponenten außerhalb der Testoberfläche exakt zu rekonstruieren.

Alternative Transformationsmethoden beruhen auf Kugelwellenausbreitung (SWE, spherical wave expansion), Planarwellenausbreitung (PWE, plane wave expansion) oder der Lösung von Integralgleichungen, jeweils in Verbindung mit Verfahren zur Steigerung der Rechenleistung oder der Genauigkeit durch Berücksichtigung von Parametern wie räumlicher Abtastrate, Abtast-Oberfläche oder Trunkierung.

Bild 1: Beispiel eines sphärischen Messsystems, das softwarebasierte Nahfeld-Fernfeld-Transformationen unterstützt: Vermessung einer 28-GHz-Gruppenantenne mit dem Antennentestsystem R&S ATS1000.
© Rohde & Schwarz

Bild 1: Beispiel eines sphärischen Messsystems, das softwarebasierte Nahfeld-Fernfeld-Transformationen unterstützt: Vermessung einer 28-GHz-Gruppenantenne mit dem Antennentestsystem R&S ATS1000.

Bild 1 zeigt ein kommerzielles System, das mit Hilfe eines Conical-Cut-Positionierers direkte FF- oder NF-Messungen mit sphärischer Abtastung des Prüflings ermöglicht. Bei diesem System wird der Prüfling auf einem im Azimut drehbaren Positionierer plaziert und eine dual polarisierte Vivaldi-Antenne am Ende eines Arms angebracht, der in der Elevation drehbar ist. Im gezeigten Fall ist am Prüfling ein HF-Testport verfügbar, der an das Messtor eines Vektorsignalanalysators (VNA) angeschlossen werden kann. Die Anschlüsse der Messantenne sind mit zwei weiteren Messtoren des VNAs verbunden, so dass die Nahfeld-Vermessung durch die Bestimmung komplexer S-Parameter erfolgen kann.

Nahfeldmessverfahren beruhen häufig auf Annahmen, die für den oben beschriebenen Fall der Vermessung passiver oder HF-gespeister Antennen gelten:

• Am Antennenanschluss kann ein Signal eingespeist werden, das als Phasenreferenz verwendet wird.

• Das HF-Signal ist ein Dauerstrichsignal (CW-Signal).

• Es gilt Reziprozität, so dass die Strahlungscharakteristiken für den Sende- (TX) und den Empfangsfall (RX) bei gleicher Frequenz identisch sind.

Für Sendefälle, in denen solche Annahmen nicht gelten, sind Behelfslösungen verfügbar. Beispielsweise wurden Methoden für Prüflinge entwickelt, die modulierte Signale ohne dedizierten Zugriff auf den Antennenanschluss aussenden. Zur Ermittlung der abstandsabhängigen Phase können unterschiedliche Hardwarekomponenten und Verarbeitungssysteme eingesetzt werden, z.B. interferometrische Methoden oder phasenkohärente Mehrtorempfänger [4], beides in Kombination mit einer dedizierten Phasenreferenz-Antenne. Bei Systemen wie in Bild 1 gezeigt, ist diese Antenne in der Regel auf dem Azimut-Drehstand montiert. Alternativ können z.B. phasenlose Methoden angewandt werden, bei denen die Phaseninformation auschließlich aus der Messung des Betrags gewonnen wird.

Der Empfangsfall ist jedoch komplexer. Zunächst darf bei Mobiltelefonen und Basisstationen keine Reziprozität angenommen werden, da die Komponenten im HF-Empfangspfad im Allgemeinen nicht mit den Komponenten im HF-Sendepfad übereinstimmen. Darüber hinaus ist bei einem Prüfling ohne Testport, der ein Testsignal einer Messsonde erhält, die Leistung am RX-Eingang des HF-Frontends nicht ohne Weiteres vorhersagbar. Mit anderen Worten: Es ist nicht möglich, die Empfangseigenschaften des Prüflings im Fernfeld von den NF-Koppeleffekten zu isolieren, die sich durch den Messaufbau ergeben.

Außerdem besteht in diesem Fall kein Zugriff auf eine Phasenreferenz, so dass die softwarebasierte Nahfeld-Fernfeld-Transformation nicht anwendbar ist. Daher kann im Nahfeld zwar die EIRP durch softwarebasierte NFFF präzise bestimmt werden, aber nicht die EIS.

Seite 3 von 8

1. Soft- und hardwarebasierte Nahfeld-Fernfeld-Transformationen
2. OTA-Bestimmung von Leistungskennzahlen
3. Softwarebasierte NF-Transformationen leisten die TX-Mathematik
4. Nahfeldmessung der Transceiver-Leistungskennzahlen
5. Höherer QZ-Wirkungsgrad
6. Planarwellensynthese: kosteneffiziente OTA-Tests an 5G-FR1-Basisstationen
7. Fazit
8. Glossar

Auf Facebook teilen Auf Twitter teilen Auf Linkedin teilen Via Mail teilen

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG