DE10352175A1 - Directional antenna measurement unit uses mounting providing vertical pointing of beam peak and position variation to cancel stochastic errors - Google Patents

Abstract

A directional antenna measurement unit rotates two vertically directed antennas on a support about vertical and other axes whilst measuring their coupling using a scalar analyser as the separation is continuously varied to remove stochastic errors such as reflections.

Description

Stand der TechnikState of technology

Als Stand der Technik wird die in der Firmenschrift von Dipl.-Ing. G. Schwarzbeck Messelektronik, D-69250 Schönau, An der Klinge 29 (Anlage 1) beschriebene „Absolutmethode" betrachtet, auch als „Zwei-Antennen-Verfahren" bekannt.When State of the art is the in the company publication of Dipl.-Ing. G. Schwarzbeck Messelektronik, D-69250 Schönau, On the blade 29 (Annex 1), also known as "two-antenna method".

Mit ihr werden störende Umgebungseinflüsse von Nicht-Freifeld-Antennenvermessungen weitgehend eliminiert. Im Kern geschieht das dadurch, dass zwei bzw. drei identische Antennen jeweils in einer „Kopf an Kopf Messung" in einer Ebene zum Boden unter kontinuierlicher Höhenvariation unter gleichzeitiger digitaler Mittelwertbildung vermessen werden. Durch die Mittelwertbildung werden stochastische Reflexionen weitgehend ausgemittelt.With you will be disturbing Environmental effects largely eliminated by non-free-field antenna surveys. in the Kern happens by the fact that two or three identical antennas each in a "head on head measurement "in a level to the ground under continuous height variation with simultaneous digital averaging can be measured. By averaging stochastic reflections are largely averaged out.

Vor- und Nachteile des Verfahren gemäß dem Stand der TechnikAdvantages and disadvantages the method according to the prior technology

Der Hauptvorteil des Verfahrens liegt darin, mit einem Bruchteil des Aufwandes, den eine echte Freifeldmessung erfordert, hochgenau rückführbare Messergebnisse erzielen zu können. Gegenüber dem vorherigen Stand der Technik ist unter dem Ansatz praktischer Anforderungen an die Messgenauigkeit eigentlich kein gravierender Nachteil zu konstatieren. Allerdings ist das Verfahren immer noch recht aufwändig sowohl an Raum wie an Messaufwand und damit finanziellem Aufwand.Of the The main advantage of the method lies in the fact that with a fraction of the Effort, which requires a true free-field measurement, highly accurate traceable measurement results to achieve. Compared to the Prior art is under the approach of practical requirements actually no serious disadvantage to the measurement accuracy be stated. However, the process is still quite elaborate both in terms of space as well as measuring effort and thus financial expense.

Aufgabestellungtask

Aus dem Stand der Technik resultiert als Aufgabe, die Vorteile des Verfahrens noch kostengünstiger, mit weniger Platzaufwand und mit einer mobilen Einrichtung zu realisieren und dabei möglichst zu einer kontinuierlichen Messkurve anstelle von einzelnen Messpunkten zu kommen.Out The prior art results as a task, the advantages of the method even more cost effective, to realize with less space expenditure and with a mobile device and as possible to a continuous measurement curve instead of individual measurement points get.

Beschreibung der Erfindung und von deren Vorteile gegenüber dem Stand der Technikdescription the invention and its advantages over the prior art

Schlüsselelemente der Erfindung sind die Drehung der Messachse in die Vertikale, zusätzliche Variationsmöglichkeiten zur besseren Ausmittelung störender Reflexionen und die Verwendung eines Messsystems, welches eigentlich für die Messung in der Produktfertigung optimiert ist.key elements the invention, the rotation of the measuring axis in the vertical, additional variation options for better evaluation disturbing Reflections and the use of a measuring system, which actually for the Measurement in product production is optimized.

Drehung der Messachse in die VertikaleTurn the Measuring axis in the vertical

Grund hierfür ist es, dass die meisten Störquellen mehr oder weniger parallel zur Erdoberfläche strahlen, z.B. Mobilfunksender, Radar, Rundfunk- und Fernsehsender etc.. Von oben strahlen allenfalls Satelliten, die durch ihre Abstrahlung aber nur minimale Störungen auf der Erdoberfläche verursachen. Mit der Einschränkung, dass das Verfahren nur für gerichtete Antenne Vorteile bietet und dass der Messort in einem der Antennenkeule entsprechend vielfachen Abstand zu einem potentiellen Störsender gewählt wird, wird mit der vertikalen Messanordnung ein HF-dichter Messort überflüssig – ein entscheidender Kostenvorteil.reason therefor it is that most sources of interference more or less parallel to the earth's surface, e.g. Mobile stations, Radar, radio and television stations, etc. From above, satellites However, their radiation causes only minimal disturbances on the earth's surface. With the restriction, that the procedure is only for directional Antenna offers advantages and that the measuring location in one of the antenna lobe according to multiple distance to a potential jammer is selected With the vertical measuring arrangement, an HF-dense measuring location becomes superfluous - a decisive factor Cost advantage.

Postions-VariationPostions variation

Eine Ausformung des konkreten Messaufbau wird weiter unten beschrieben. Dabei können selbstredend andere Werkstoffe und Detailausformungen verwendet werden.

• – Es ist vorteilhaft, ein möglichst reflexionsarmes, nichtleitendes Baumaterial zu verwenden. Kunststoffrohre für den eigentlichen Aufbau und Holz oder Kunststoff für die „Ausleger" zur Fixierung der Antennen sind sehr gut geeignet.
• – Der Abstand zwischen den beiden Prüflingen muss variabel sein, damit unterschiedliche Antennen vermessen werden können. Aus dem Abstand und den Antennenparametern lässt sich bekanntlich die Leistungsflussdichte am konkreten Messort errechnen. Einmal fixiert müssen die beiden Antennen mit samt ihrem (Abstands-)halter beweglich gelagert sein. Im konkreten Fall ist dieser Halter als Kunststoffrohr mit einem Durchmesser in der Größenordung von 15 bis 30 cm ausgeprägt um eine ausreichende Verwindungssteifheit bei einem geforderten Abstand zwischen den Antennen in der Größenordnung von 2,5m zu erreichen. Bei größeren Antennen ist aus messtechnisch offensichtlichen Gründen ein größerer Abstand erforderlich, der wiederum eher größere Rohrdurchmesser aus Stabilitätsgründen erfordert. Viceversa sieht es bei kleineren geforderten Abständen zwischen den Antennen aus. An dem Halter (hier konkret: Rohr) werden zur Fixierung der Antennen zwei „Ausleger" montiert, an welchen die Antennen im Abstand von ca. 0,5 bis 1,5 m vom Halter montiert werden können, so dass eine Kopf an Kopf Messung möglich ist. Der obere Ausleger ist zudem so ausgeführt, dass er in beide Richtungen geht, damit 180 Grad gegenüber der zu vermessenden Antenne in möglichst großem Abstand das Antennenkabel hinab geführt wird. Es dient zugleich als Gegengewicht gegen die Antennen und Ausleger.
• – Zur beweglichen Lagerung wird im konkreten Fall ein zweites Rohr mit kleinerem Durchmesser und fast gleicher Länge verwendet. Selbstverständlich wäre auch ein anderer stabiler Träger denkbar, z.B. aus Massivholz oder eine Leichtbaukonstruktion aus kleinen Verstrebungen. Die Verwendung eines Rohrs hat allerdings spezielle Vorteile. Wenn es geeignet dimensioniert ist, so wird das äußere Rohr damit sehr gut geführt, denn es soll sowohl in der Höhe verschiebbar wie auch drehbar gelagert sein. Dies ist einfach z.B. durch die im nächsten Punkt beschriebene Mimik zu erreichen. Das zweite (innere) Rohr wird nun auf einer Bodenplatte senkrecht nach oben stehend fixiert.
• – Die Träger-/Bodenplatte hat in der Querschnittsfläche des montierten Rohres ein Loch. Hierdurch wird ein stabiles Seil innen durch das fest montierte, innere Rohr nach oben geführt. Dort z.B. über eine Umlenkrolle über die obere Kante und im Zwischenraum zwischen innerem und äußerem, beweglichen Rohr an das Unterende des äußeren Rohrs geführt und dort fixiert. Indem man an dem Seil zieht hebt sich dass äußere Rohr und lässt sich über eine große Höhe problemlos auf und ab bewegen. Zudem ist es sehr frei gelagert, so dass es auch um die eigene Achse hin- und herbewegt werden kann. Zur weiteren Verbesserung könnte die Bodenplatte noch mit Dämpfenden Pylo nen bedeckt werden, was jedoch im konkreten Fall kaum noch Verbesserungen brachte.
• – In einer weiteren Verbesserung können die Antennen an sich beweglich gelagert werden, so dass man sie einerseits um die eigene Längs- oder die beiden Querachsen in der Position variieren kann. Das kann einerseits manuell, andererseits z.B. durch Schrittmotoren oder andere mechanische Bewegungsmöglichkeiten geschehen. Auf diese Weise kann man einerseits Antennenkeulen bestimmen, andererseits die Umgebungseinflüsse (z.B. der Antennenleitung, die in weiter oben beschriebenem Aufbau jeweils relational zu den beiden zu vermessenden Antennen in der selben Position verläuft und damit nicht durch die Mittelung eliminierbar ist) durch zusätzliche Mittelung über die verschiedenen Antennenpositionen in bezug auf die o.g. Freiheitsgrade: Längs- und Querachsen noch weiter eliminieren.

A shape of the concrete measurement setup will be described below. Of course, other materials and detail formations can be used.

• - It is advantageous to use a low-reflection, non-conductive construction material. Plastic pipes for the actual structure and wood or plastic for the "boom" for fixing the antennas are very well suited.
• - The distance between the two test specimens must be variable so that different antennas can be measured. From the distance and the antenna parameters, it is known to calculate the power flux density at the specific measuring location. Once fixed, the two antennas together with their (distance) holder must be movably mounted. In this specific case, this holder is pronounced as a plastic tube with a diameter in the order of 15 to 30 cm in order to achieve sufficient torsional stiffness at a required distance between the antennas in the order of 2.5m. With larger antennas, a larger distance is required for metrologically obvious reasons, which in turn requires rather larger pipe diameter for stability reasons. Viceversa sees it with smaller required distances between the antennas. On the holder (in this case concrete: tube) two "jibs" are mounted for fixing the antennas, to which the antennas can be mounted at a distance of about 0.5 to 1.5 m from the holder, so that a head to head measurement The upper boom is also designed to move in both directions so that the antenna cable is routed 180 degrees from the antenna to be surveyed as far as possible, while also acting as a counterweight to the antennas and outriggers.
• - For movable storage, a second pipe with a smaller diameter and almost the same length is used in the specific case. Of course, another stable support would be conceivable, for example made of solid wood or a lightweight construction of small braces. However, the use of a pipe has special advantages. If it is suitably dimensioned, the outer tube is thus very well managed, because it should be both in height displaceable as also be rotatably mounted. This is easy to achieve eg by the facial expressions described in the next point. The second (inner) tube is now fixed vertically upright on a base plate.
• - The carrier / bottom plate has a hole in the cross-sectional area of the mounted tube. As a result, a stable cable is guided inside through the fixed, inner tube upwards. There, for example, guided over a pulley over the upper edge and in the space between the inner and outer, movable tube to the lower end of the outer tube and fixed there. By pulling on the rope, the outer tube rises and can be easily moved up and down over a large height. In addition, it is very freely stored, so that it can also be moved around its own axis back and forth. For further improvement, the bottom plate could still be covered with dampening Pylo NEN, which, however, hardly brought any improvements in the specific case.
• In a further improvement, the antennas can be movably mounted so that they can be varied on the one hand by their own longitudinal or the two transverse axes in position. This can be done either manually, on the other hand, for example, by stepper motors or other mechanical movement options. In this way one can determine on the one hand antenna lobes, on the other hand the environmental influences (eg the antenna line, which is relational to the two antennas to be measured in the same position in the above described structure in the same position and thus can not be eliminated by the averaging) by additional averaging over the Different antenna positions with respect to the above degrees of freedom: Eliminate longitudinal and transverse axes even further.

MesssytemMeasurement System

Natürlich kann man o.g. Messaufbau auch mit den üblicherweise eingesetzten Instrumenten: Frequenzgenerator und Leistungsflussdichte-Messgerät zur Vermessung diskreter Frequenzen verwendet werden.Of course you can man o. Measurement setup also with the commonly used instruments: frequency generator and power density meter be used to measure discrete frequencies.

Es ist jedoch wünschenswert, mit möglichst engen Schrittweisen einen breiten Frequenzgang zu überstreichen um die z.B. bei Yagi-Antennen typischen, sehr großen Gewinnsprüngen bzw. einbrüchen über kleinen Frequenzschritten nicht zu übersehen. Dies erfordert unter Einsatz herkömmlicher Messtechnik einen sehr großen Zeitaufwand.It however, it is desirable with as narrow as possible Stepwise sweep a broad frequency response to the e.g. at Yagi antennas typical, very large jumps or break-ins over small ones Frequency steps can not be overlooked. This requires a conventional measurement technique very big Time.

Erfindungsgemäß ist hierfür der Einsatz eines sog. „Skalaranalysers" von großem Vorteil. Diese Geräte sind für den rationellen Einsatz in der Elektronikfertigung konzipiert und verbinden eine hohe Messgenauigkeit mit einem sehr schellen überstreichen großer Frequenzbänder. Indem der Frequenzgenerator und das Messgerät in einem Gerät integriert sind können sehr vorteilhaft definierte Bedingungen hergestellt werden. Die Geräte verfügen über die Option der digitalen Mittelwertbildung über länger Zeiträume.According to the invention, this is the use a so-called "scalar analyzer" of great advantage. These devices are for designed for rational use in electronics manufacturing and combine high accuracy with a very fast sweep greater Frequency bands. By integrating the frequency generator and the meter in one device can very advantageous defined conditions are produced. The equipment have the Option of digital averaging over longer periods of time.

Im konkreten Fall nun wird der Eingang und der Ausgang des Geräts mit den beiden zu vermessenden Antennen verbunden. Die eigentliche Messung ist nun eine digitale Mittelwertbildung über ggf. mehrere Minuten unter Variation der Höhe, der Rotationswinkels und ggf. auch noch des Stellwinkels (bzgl. der Längsachse) der Antennen. Bei Montage des Trägersystems auf Rollen kann außerdem noch die Absolute Postion der Messeinrichtung variiert werden. Auf dem Bildschirm kann man die langsame „Einebnung" von stochastischen Ausreißern durch Reflexionen etc. beobachten und diese Mittelung solange fortführen bis die gewünschten Genauigkeitsschranken unterschritten sind.in the concrete case now the input and the output of the device with the connected to two antennas to be measured. The actual measurement is now a digital averaging over possibly several minutes under Variation of height, the rotation angle and possibly also the adjustment angle (with respect. the longitudinal axis) the antennas. When mounting the carrier system on rolls can also still the absolute position of the measuring device can be varied. On On the screen you can see the slow "leveling" of stochastic outliers through reflections etc. and continue this averaging until the desired Accuracy limits are below.

Zusammengefasst ist auf diese Weise eine zeitsparende Vermessung unter Quasi-Freifeldbedingungen von zwei identischen Antennen unter Referenzierung mittels einer dritten Antenne möglich. Das Messsystem ist zudem mobil, platzsparend und sehr preiswert in der Herstellung.Summarized is thus a time-saving measurement under quasi-free field conditions of two identical antennas under referencing by means of a third antenna possible. The measuring system is also mobile, space-saving and very inexpensive in production.

Claims (1)

Einrichtung zur Vermessung gerichteter Antennen, dadurch gekennzeichnet, dass zwei aufeinander ausgerichtete Richtantennen annährend senkrecht zur Erdoberfläche mit einem gewissen Abstand zu einem Träger auf diesem fixiert und beweglich in der Z-Achse und rotierbar um die Z-Achse des Trägers, wahlweise auch rotierbar in Bezug auf die X-,Y- und Z-Achse der Antenne sind und dass die Vermessung dieser Antennen über die Frequenz mittels eines für Produktionszwecke handelsüblichen Skalaranalysers, bzw. eines Frequenzgenerators und eines Leistungsflussdichte-Messgerät über eine ausreichende Zeit erfolgt, während deren die Position des Antennenpaars im Raum kontinuierlich verändert wird, so dass stochastische Fehler z.B. durch Reflexion sich ausmitteln.Device for measuring directional antennas, characterized in that two mutually aligned directional antennas fixed approximately perpendicular to the earth's surface with a certain distance to a carrier on this and movable in the Z-axis and rotatable about the Z-axis of the carrier, optionally also rotatable with respect are on the X-, Y- and Z-axis of the antenna and that the measurement of these antennas over the frequency by means of a commercially available scalar analyzer, or a frequency generator and a power density meter for a sufficient time during which the position of the Antenna pair is continuously changed in space, so that stochastic errors, for example, by means of reflection average.