Array-Antennen charakterisieren Nahfeldmessung großer Antennen in nur 32 Minuten

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Elektronisch steuerbare Array-Antennen (ESA) sind entscheidend für moderne Satcom-Systeme, doch ab einer bestimmten Größe wird ihre Charakterisierung im Fernfeld räumlich und zeitlich ineffizient. Eine Messstudie von Rohde & Schwarz und Greenerwave zeigt nun, wie sich ein 50-cm-Ku-Band-Array im Nahfeld in nur gut 30 Minuten präzise vermessen lässt.

Elektronisch steuerbare Array-Antennen (ESA) bilden eine zentrale Komponente für Satellitenkommunikationssysteme (SATCOM) in LEO-, MEO- und GEO-Umlaufbahnen. Für den zuverlässigen Betrieb ist die genaue Kenntnis ihres Strahlungsmusters unerlässlich. Konventionelle Fernfeldtests erfordern jedoch große Messkammern, die speziell für Ku- oder Ka-Band-Antennen bei Aperturen von 50 Zentimetern oder mehr schnell unpraktikabel werden. Auch Antennen-Kompaktmessanlagen (CATR) nehmen bei diesen Prüflingsgrößen viel Raum ein und setzen für die Erfassung des Strahlungsmusters eine zeitaufwändige Zweiachsenpositionierung voraus.

Um diese Testzyklen zu verkürzen und den Platzbedarf im Labor zu senken, haben Rohde & Schwarz und Greenerwave eine alternative Methode zur Antennencharakterisierung evaluiert. Das Ziel war es, die Strahlungsmusters im Nahfeld bei vergleichbarer Präzision vollständig zu erfassen.

RIS-Technologie als Testobjekt

Als Prüfling (DUT) diente eine passive Einzelapertur-ESA von Greenerwave mit einer Apertur von 50 x 50 cm. Die SATCOM-Terminals des Unternehmens basieren auf rekonfigurierbaren intelligenten Oberflächen (Reconfigurable Intelligent Surfaces, RIS). Diese Technologie ermöglicht die Strahlformung bei gleichzeitig reduziertem Energieverbrauch und geringerem Halbleiteranteil im Vergleich zu klassischen Phased-Array-Designs.

Für den Testaufbau kam das Over-the-Air- und Antennenmesssystem R&S TS8991 zum Einsatz, ausgestattet mit einem Kegelstumpf-Drehstand, in Kombination mit dem Vektornetzwerkanalysator R&S ZNA.

Zehn Frequenzen in 32 Minuten

Der Messablauf deckte die gesamte obere Hemisphäre bis zu einem Polarwinkel von 120 Grad ab, wobei die Schrittweite ein Grad betrug. Durch die Nutzung der Hardware-Triggerfunktion des Systems konnte die Messzeit drastisch reduziert werden: Die Aufzeichnung von insgesamt zehn Ku-Band-Frequenzen war nach 32 Minuten abgeschlossen.

Die anschließende Datenverarbeitung übernahm die Antennenmesssoftware R&S AMS32. Sie nutzt einen FIAFTA-Algorithmus (Fast Irregular Antenna Field Transformation Algorithm), um die gemessenen Nahfelddaten in die entsprechenden Fernfeld-Strahlungsmuster zu transformieren.

Präzision auf CATR-Niveau

Um die Validität der Nahfeldmethode zu überprüfen, wurden die Ergebnisse sowohl mit der ursprünglichen Simulation (auf Basis eines numerischen Zwillingsmodells) als auch mit den Messdaten aus einem klassischen CATR-Aufbau von Greenerwave verglichen.

Die Abweichungen beim Spitzengewinn und der Direktivität lagen bei maximal 1 dB, typischerweise betrugen sie lediglich 0,3 dB. Dies bestätigt die hohe Genauigkeit der Nahfeldmessung auch bei vergleichsweise großen Aperturen. Über Exportoptionen können Ingenieure die Analysedaten anschließend direkt in Simulationstools wie CST Microwave Studio oder MATLAB weiterverarbeiten.

Der Systemaufbau eignet sich nicht nur für SATCOM-Hersteller, sondern auch für Tests an Breitband-, IoT- oder Backhaul-Antennen, die flexible Strahlsteuerung bei hohen Datenraten erfordern. Durch den deutlich geringeren Platzbedarf im Vergleich zu Fernfeldkammern lässt sich das Test-Setup einfacher in bestehende Forschungslaborumgebungen integrieren. (heh)

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