DE2934279C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Fernfeld-Diagramms einer Planar-Gruppenantenne nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Antennen dieser Art weisen neben ihrer Vielzahl von Strah­ lerelementen ein umfangreiches Speisenetzwerk mit Lei­ stungsverteilungspunkten, Phasenschiebern und anderen elektronischen Bauteilen auf. Zur Steuerung der elektro­ nischen Teile wird daneben noch eine umfangreiche Logik mit Steuerwerk benötigt (Phasenrechner, Treiber). Bei der großen Anzahl von Einzelteilen ist die Ausfallwahrschein­ lichkeit von HF- und elektronischen Teilen demzufolge ent­ sprechend hoch, so daß es beim Betrieb derartiger Antennen, verglichen mit Reflektorantennen, häufiger zu Störungen kommt. Damit zusammenhängend ist es erwünscht, diese An­ tennen auf einfache Weise auf ihre einwandfreie Funktion überprüfen zu können. Die Methode zur Überprüfung samt den dazu notwendigen Gerätschaften soll einfach, zuverlässig und zeitspa­ rend sein. Sie soll des weiteren von umfangreichem Fachwissen und Erfahrungen auf dem Gebiet der Antennen-Diagramm-Messungen unab­ hängig sein. Dies gilt in besonderem Maß für mobile Antennen, al­ so Antennen, deren Standort ständig wechselt.

Die üblichste Art der Überprüfung ist zweifellos die Vermessung des Diagramms auf einem Antennenmeßgelände. Dies ist jedoch ge­ wöhnlich damit verbunden, daß die Antenne vom Einsatzort demon­ tiert und eventuell über große Strecken zum Antennenmeßgelände transportiert werden muß, was die Forderung nach einer zeitspa­ renden Überprüfung ganz offensichtlich nicht erfüllt.

Eine andere Art der Überprüfung, wie sie beispielsweise aus "Micro­ wave Journal", Sept. 1979, Seiten 44 bis 55 bekannt ist, beruht auf Nahfeldmessungen. Hierbei wird eine exakt geführte Meßsonde/ Antenne z. B. zeilenweise über die Apertur der zu messenden An­ tenne geführt. Die Feldwerte jedes einzelnen Strahlerelements wer­ den nach Phase und Amplitude aufgenommen und in einem Computer zur Berechnung des zugehörigen Diagramms herangezogen. Eine solche Prüfvorrichtung ist aufgrund der notwendigen exakten Führung beim mechanischen Steuern der Meßsonde und durch den zur Rechnung be­ nötigten Computer in ihrem Aufbau und ihrem Umfang aufwendig und kompliziert.

Ebenfalls im Nahfeld einer zu überprüfenden Gruppenantenne ist bei einer aus der US-PS 33 78 846 bekannten Testvorrichtung eine Testantenne angeordnet. Die Testantenne kann sowohl als Empfangs- als auch als Sendeantenne eingesetzt werden. Die Funktion der in­ dividuell mit steuerbaren Phasenschiebern versehenen Strahlerele­ mente der Gruppenantenne kann einzeln überprüft werden, indem der Phasenschieber des jeweils betrachteten Strahlerelements perio­ disch umgeschaltet wird und aus der Modulation des Empfangssignals auf richtige oder fehlerhafte Funktion entschieden wird. Die Aus­ wirkung auf das Fernfeld-Diagramm kann damit aber nicht beurteilt werden.

In der US-PS 33 78 846 aus der eine Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 als bekannt vorausgesetzt wird, ist auch eine Testvorrichtung beschrieben, bei welcher anstelle von Feldmessungen zur Überprüfung der Anten­ ne Phasen- und Amplitudenmessungen an Testausgängen der Antenne vorgenommen werden. Die Meßwerte können mit vorliegenden Urdaten verglichen werden. Bei guter Übereinstimmung kann, allerdings mit einer gewissen Unsicherheit, der Schluß gezogen werden, daß die Antenne in Ordnung sei. Bei Abweichungen muß mit einem Computer das Fernfeld-Diagramm berechnet werden, um abschätzen zu können, ob die Abweichungen noch tragbar sind oder das Diagramm in einem unzulässigen Ausmaß beeinflußt wird. Die Unsicherheit bei dieser Methode ist darin zu sehen, daß die Testausgänge nicht unbedingt repräsentativ für die gesamte Antenne sind. Der Meßaufwand ist bei dieser Methode sehr groß, da auch dann, wenn nicht alle Strahler in Phase und Amplitude überprüft werden, doch eine Vielzahl von Testausgängen zu überwachen sind.

Aus der DE-OS 20 61 742 ist ein Sendeprüfgerät für eine ILS-Sen­ deantenne mit einer Mehrzahl von Strahlerelementen bekannt, bei welchem fest mit der Sendeantenne verbunden mehrere Meßsonden sym­ metrisch zur Antennenmitte als Strahlerzeile vorgesehen sind. Die Meßsonden sind mit den Strahlerelementen gekoppelt und die von den Sonden aufgenommenen Signale werden über eine Übertragungslei­ tung und HF-Schaltungen zu zwei Ausgangsspannungen zusammengefaßt, die eine Beurteilung des Fernfeldes der abgestrahlten Wellen in der Bezugsebene ermöglichen.

In Proc. of the IEEE, Vol. 61, No. 12, Dec. 1973, Seiten 1668 bis 1694 sind die gebräuchlichen Techniken zur Bestimmung des Fernfeld-Diagramms aus Nahfeld-Messungen zusammengefaßt be­ schrieben.

Der Aufbau einer Meßstrecke im jeweiligen Einsatzgelände in Ana­ logie zu einem Antennenmeßplatz wird kaum jemals die Qualität eines Antennenmeßplatzes erreichen, da hierbei verschieden starke Diagrammverfälschungen durch das Gelände, insbesondere durch Bo­ denreflexionen, auftreten. Eine zuverlässige Überprüfung durch Aus­ messung des Diagramms ist hiermit nicht möglich.

Als weitere Prüfmöglichkeit wäre die Vermessung des Diagramms im Radarbetrieb mit Hilfe eines Zielreflektors denkbar. Da Winkel­ reflektoren einen relativ kleinen Antennengewinn besitzen, müßte in einem solchen Fall eine Parabolantenne mit kurzgeschlossenem Erreger (Hohlleiterkurzschluß) verwendet werden. Zum Zwecke der Diagrammvermessung müßte dann das Echosignal in Verbindung mit einem Winkelwertgeber registriert und ausgewertet werden. Ein sol­ cher Winkelwertgeber ist jedoch bei elektronisch geschwenkten Dia­ grammen im allgemeinen nicht verfügbar. Nachteilig an einer sol­ chen Meßmethode ist auch die Tatsache, daß der Zielreflektor we­ gen der Radartotzeit in der Regel ein bis mehrere Kilometer ent­ fernt aufgestellt werden muß. Damit ergeben sich wieder Probleme hinsichtlich des dazwischenliegenden Geländes.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Messung des Fern­ feld-Diagramms einer Antenne der eingangs beschriebenen Art anzugeben, die auf einfachere und schnellere Weise die zuverlässige Ausmessung des Dia­ gramms ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch eine Vor­ richtung mit den im Patentanspruch 1 gegebenen Merkmalen.

Nach der dort gegebenen Lehre ist diese Vorrichtung auf­ gebaut in Form von einer oder mehreren parallelen Meß­ strahlerzeilen. Die Verteilung der Meßstrahlerelemente auf der Vorrichtung ist so gewählt, daß sie spiegelbild­ lich mit der Anordnung der Strahlerelemente der Gruppen­ antenne in entsprechenden Zeilen übereinstimmt. Die Zeilen sind jeweils vollständig mit Meßstrahlerelementen besetzt. Zur Zusammenfassung der Meßstrahlerelemente ist ein Verzweigungs- oder Ver­ teilernetzwerk vorgesehen. Über dieses Verteilernetzwerk werden die Meßstrahlerelemente mit gleichen Leistungsan­ teilen auf einen gemeinsamen Ausgang zusammengefaßt. An diesen Ausgang kann ein Meßsender oder ein Meßempfänger angeschlossen werden, je nachdem, ob das Empfangsdiagramm oder das Sendediagramm der Antenne ausgemessen werden soll. Das Verteilernetzwerk enthält den einzelnen Meß­ strahlerelementen zugeordnete einstellbare Phasenschieber. Über diese Phasenschieber werden die relativen Phasen der einzelnen Meßstrahlerelemente so eingestellt, daß sich längs einer Zeile eine linear fortschreitende Phasenver­ teilung ergibt. Bei stufenweiser Einstellbarkeit der Phasenschieber, d. h. bei Verwendung digitaler Phasen­ schieber, oder bei Berücksichtigung der Einstellfehler von Phasenschiebern allgemein reduziert sich diese Forde­ rung nach einer linearen Phasenprogression auf einen zumindest angenähert linearen, beispielsweise stufenför­ migen Phasenverlauf. Die Vorrichtung ist mechanisch so ausgebildet, daß sie an der Antenne in der Apertur derselben so befestigt werden kann, daß sich die zeilen­ weise angeordneten Meßstrahlerelemente und die entsprechenden, spiegelbildlich dazu angeordneten Meßstrahlerelemente der Antenne direkt oder in geringem Abstand gegenüberstehen. Bei der Dimensionierung der Meß­ strahler ist hierbei zu berücksichtigen, daß diese - vor allem beim direkten Aufsetzen an die Strahlerelemente der zu prüfenden Antenne - elektrisch richtig angepaßt werden müssen, um störende Reflexionen zu vermeiden.

Besondere Ausführungsarten der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Fig. 1 zeigt schematisch eine solche Anordnung mit einer Meßstrahlerreihe oder Zeile mit im Beispiel sechzehn Meßstra­ lerelementen 1. Jedem dieser Meßstrahler ist ein über eine Phasensteuerung 3 einstellbarer Phasenschieber 2 zu­ geordnet. Die einzelnen Strahler sind über ein Verzwei­ gungsnetzwerk 4 mit gleichen Leitungslängen und gleichen Leistungsanteilen zu einem gemeinsamen Anschluß 5 zusam­ mengefaßt. Die einzelnen Verzweigungen 6 sind entkoppelt und teilen die Leistung bei dem im Beispiel dargestellten binären System alle im Verhältnis 1 : 1 auf, was zu einer homogenen Amplitudenbelegung der Meßstrahlerzeile führt. Jedem dieser Meßstrahlerelemente 1 steht ein Strahlerele­ ment 7 der zu vermessenden Antenne 8 gegenüber.

Bei Speisung der Vorrichtung durch einen Meßsender 9 über den Anschluß 5, wie dies das Blockschaltbild in Fig. 2 veranschaulicht, wird durch die lineare Phasenbelegung der Meßstrahlerzeile und die homogene Amplitudenverteilung eine einfallende ebene Wellenfront simuliert. Durch Ver­ ändern der linearen Phasenprogression der Strahlerzeile kann die Einfallsrichtung dieser Wellenfront geschwenkt werden. Der Einfall einer ebenen Wellenfront entspricht aber gerade dem Empfang einer Welle aus großer Entfernung, d. h. aus dem Fernfeld der Antenne, so daß mit dieser Anordnung das Fernfeld-Diagramm für den Empfangs­ fall auf einfache Weise ausgemessen werden kann.

Es ist bereits bekannt, in relativ kleiner Entfernung der auszumessenden Antenne ein Feld mit einer ebenen Wellen­ front aufzubauen, indem man eine weitere Antenne vor der auszumessenden Antenne aufstellt. Diese weitere Antenne muß jedoch etwa die 2- bis 3fache Aperturabmessung der zu vermessenden Antenne aufweisen. Aus diesem Grunde und weil der Einsatz einer solchen Antenne am Aufstellungs­ ort der zu prüfenden Antenne äußerst umständlich und bei mobilen Antennen gar undenkbar ist, kommt diese Art der Antennenvermessung bei der vorliegenden Aufgabenstellung nicht in Frage.

Zum Ausmessen des Antennen-Empfangs-Diagramms (Fig. 2) mit der erfindungsgemäßen Anordnung wird das von der Antenne aufgenommene Signal einem Meßempfänger 10 zugeführt, des­ sen Ausgang an ein Gerät zur Darstellung der Meßergebnisse, z. B. einen Schreiber 11, angeschlossen ist. Ein anderer Anschluß des Schreibers ist mit der Phasensteuerung 3 der Meßvorrichtung verbunden, so daß direkt der Antennenge­ winn in Abhängigkeit von der Einfallsrichtung, also das gewünschte Empfangsdiagramm aufgezeichnet werden kann. Dieses aufgezeichnete Diagramm wird mit den Sollwerten verglichen und aus dem Vergleich kann dann entschieden werden, ob die Antenne ordnungsgemäß funktioniert oder nicht.

Für den Fall, daß in der zu vermessenden Antenne nicht­ reziproke Phasenschieber verwendet werden, stimmen Sende- und Empfangsdiagramme dieser Antenne nicht genau überein. In einem solchen Fall können jedoch mit der erfindungsge­ mäßen Vorrichtung auf einfache Weise sowohl Sendediagramm als auch Empfangsdiagramm gemessen werden. Das Ausmessen des Empfangsdiagramms wurde bereits beschrieben. Zum Aus­ messen des Sendediagramms wird an den Eingang der zu ver­ messenden Antenne 8 der Meßsender 9 angeschlossen und die entsprechenden Signale über die Meßstrahlerelemente und das Verzweigungsnetzwerk der Meßvorrichtung dem Meßempfänger 10 zugeführt (Fig. 3). Analog zur Ausmessung des Empfangs­ diagramms wird nunmehr das vom Meßempfänger abgegebene Signal und die Einstellung der Phasenschieber im Verteiler­ netzwerk als Daten auf ein Auswertegerät, z. B. einen Schreiber 11 gegeben, wo direkt wieder das Diagramm, in diesem Fall das Sendediagramm der Antenne, dargestellt werden kann.

Besitzt die Meßvorrichtung nur eine Zeile von Meßstrahler­ elementen, was infolge des damit verbundenen geringen Gewichts und der einfachen Handhabung durchaus als vor­ teilhafter Gesichtspunkt zu werten ist, so kann es na­ türlich andererseits vorkommen, daß man die Messung an einer für die Gesamtantenne nicht repräsentativen Zeile durchführt und somit unter Umständen zu einer falschen Aussage kommt. Hinweise auf fehlerhaftes Funktionieren der Antenne können sich allein daraus schon ergeben, daß sich an der gerade gemessenen Stelle zufällige Fertigungs­ toleranzen von Bauelemente summieren und bei der einzei­ ligen Diagrammvermessung einen Diagrammeinbruch ergeben, ohne daß sich diese Fehler im durch die Gesamtantenne aufgebauten Diagramm überhaupt störend bemerkbar machen. Daraus gezogene falsche Schlußfolgerungen auf fehlerhaftes Funktionieren der gesamten Antenne können vermieden wer­ den, indem bei einer ursprünglichen Vermessung auf einem Antennenmeßgelände gleichzeitig auch eine Urmessung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung durchgeführt wird und diese Urdaten bei der späteren Prüfmessung am Einsatzort zum Vergleich herangezogen werden.

Der Einfluß solcher zufälliger, auf wenige einzelne Strahlerelemente der Antenne beschränkter und das Gesamt­ diagramm kaum beeinflussender Phasen- und/oder Amplituden­ fehler kann dadurch verringert werden, daß man die Vorrichtung mehrzeilig ausführt. Dadurch wird ein größe­ rer Teil der das Gesamtdiagramm aufbauenden Strahlerele­ mente in die Prüfung einbezogen und eine Art Mittelungs­ effekt bewirkt.

Eine andere Möglichkeit wäre, mit einer einzeilig ausge­ statteten Vorrichtung nacheinander Messungen an verschie­ denen Zeilen der Antenne durchzuführen.

Unter Umständen kann auch die Verwendung eines kompletten Meßstrahlerfeldes, also einer Vorrichtung, die so viele Meßstrahler enthält wie die zu messende Antenne Strahler­ elemente aufweist und bei der diese Meßstrahlerelemente so angeordnet sind, daß bei der Messung jedem Strahlerele­ ment der Antenne ein Meßstrahlerelement der Vorrichtung gegenübersteht, von Vorteil sein.

Bei Antennen, bei denen sich benachbarte Zeilen in ihrer geometrischen Anordnung nicht genau entsprechen, sondern z. B. die Strahler von benachbarten Zeilen abwechselnd auf Lücke gesetzt sind, wie dies in Fig. 4 skizziert ist, ist es vorteilhaft die Vorrichtung so auszugestalten, daß sie so viele Zeilen aufweist wie die Antenne Zeilen mit verschiedener Strahlenanordnung hat. Im allgemeinen wie­ derholen sich solche Anordnungen mit quer zur Zeilenrich­ tung verschiedenen Strahlerzeilen periodisch über die gesamte Antennenapertur.

Das Verzweigungsnetz der Vorrichtung wird vorteilhafter­ weise in Streifenleitungstechnik ausgeführt. Die im Ver­ zweigungsnetzwerk angeordneten Phasenschieber können ana­ log einstellbar sein, was den Vorteil beliebiger Schritt­ weite bei der Veränderung der scheinbaren Einfallsrich­ tung der ebenen Wellenfront mit sich bringt. Andererseits weisen digital einstellbare Phasenschieber u. a. Vorteile bezüglich der einfacheren Steuerung auf, sind jedoch mit dem Nachteil verbunden, daß die Phasenschritte nur stufen­ weise gewählt werden können, so daß sich insbesondere bei kleinen Winkelschritten ein linearer Phasenverlauf längs der Meßstrahlerzeile nur angenähert realisieren läßt. Gemäß besonders günstigen Ausführungsformen sind die Phasenschieber als PIN-Dioden-Phasenschieber oder als Varaktor-Dioden-Phasenschieber ausgebildet.

Bei der Einstellung der Phasenschieber im Verzweigungs­ netzwerk der Meßvorrichtung kann die Einstellung der linearen Phasenbeziehung in Schritten z. B. so erfolgen, daß jeweils eine Weiterschaltung der scheinbaren Einfalls­ richtung um 10 bis 20% der Halbwertsbreite des auszu­ messenden Antennendiagramms vorgenommen wird. Dies ist im allgemeinen für die Genauigkeit bei der Darstellung des gemessenen Diagramms völlig ausreichend.

Bei Verdoppelung des Netzwerkes, Einfügung eines zusätzli­ chen Phasenschiebers und Verwendung von Strahlern mit zwei orthogonalen Eingängen können Diagrammessungen der be­ schriebenen Art für Horizontal-, Vertikal- und Zirkular­ polarisationen durchgeführt werden.

Die Genauigkeit der beschriebenen Meßmethode hat mit dem soweit Dargelegten die Verkopplung der Strahler natürlich noch außer acht gelassen. Dies ist jedoch in der Regel auch bei üblichen Diagrammberechnungen aus der Phasen- und Amplitudenbelegung der Gruppenantenne der Fall, so daß sich die Genauigkeit bei diesen beiden Methoden in etwa entspricht. Die Übereinstimmung mit Diagrammessungen auf einem Antennenmeßgelände ist in der Regel bis auf etwa 1 dB gegeben, was bei einer Funktionsprüfung als völlig ausreichend betrachtet werden kann. Für die von der Aper­ turnormalen weit abliegenden Haupt- oder Nebenkeulen kann ein aus dem aktiven Einzeldiagramm herleitbaren Korrektur­ faktor berücksichtigt werden. Zudem ist ein Vergleich der Meßergebnisse mit ursprünglich vorgenommenen Urmes­ sungen natürlich möglich und somit auch eine Entscheidung darüber, ob die alten Diagrammverhältnisse vorliegen oder ob sich die Antenne wesentlich verschlechtert hat. Im letzteren Fall werden dann eingehendere Untersuchungen nach der Fehlerursache in den in Frage kommenden Bauteilen notwendig.

Claims (8)

1. Vorrichtung zur Messung des Fernfeld-Diagramms einer Planar-Grup­ penantenne, die eine Vielzahl von in parallelen Zeilen angeordne­ ten Strahlerelementen enthält, mittels einer Mehrzahl von einer Zeile zugeordneten Meß­ strahlerelementen, die an eine Meßanordnung angeschlossen sind und die jeweils einem entsprechenden Strahlerelement der Antenne zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß

• a) die oder mehrere Zeilen der Meßstrahlerelemente (1) in einer zu Zeilen der Antenne spiegel­ bildlichen Anordnung mit jeweils vollständigen Zeilen ange­ ordnet sind,
• b) die Meßstrahlerelemente (1) über ein Verzweigungsnetzwerk (4) mit gleichen Leitungslängen und mit gleichen Leistungsanteilen an die Meßanordnung, die einen Meßsender (9) oder einen Meßempfänger (10) aufweist, angeschlossen sind,
• c) eine Phasensteuerung (3) vorgesehen ist, welche die Phasenbeziehung der Meßstrahlerelemente längs einer Zeile, zumindest angenähert linear fortschreitend über im Verzweigungsnetzwerk (4) angeordnete Phasenschieber (2) einstellt,
• d) die Zuordnung jedes Meßstrahlerelementes (1) bei der Befestigung in der Antenne durch direkte Kontaktierung mit dem oder durch eine Anordnung gegenüber dem entsprechenden Strahlerelement (7) der Antenne erfolgt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrahlerelemente (1) in so vielen, direkt benach­ barten Zeilen angeordnet sind, wie der bei der Antenne kleinsten Zeilenanzahl mit sich quer zur Zeilenrichtung periodisch wiederholender Strahlenanordnungen entspricht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein komplettes Meßstrahlerfeld mit bezüglich der Antenne spie­ gelbildlich und in gleicher Anzahl angeordneten Meßstrahler­ elementen (1).

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verzweigungsnetzwerk (4) in Streifen­ leitungstechnik ausgeführt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschieber (2) digital einstellbar sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschieber (2) analog einstellbar sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschieber (2) als PIN-Dioden-Phasenschieber aus­ geführt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschieber (2) als Varaktor-Dioden-Phasenschieber ausgeführt sind.