Ein externes Kalibrierverfahren für Gruppenantennen mit digitaler Strahlformung (PDF)

Gruppenantennen mit digitaler Strahlformung (engl. digital beamforming, DBF) im Ka-Band bieten hohe Bandbreiten und hohe Adaptivität, weshalb sich diese Antennensysteme insbesondere für den mobilen Einsatz in der Satellitenkommunikation eignen. Durch die Streuung der aktiven und passiven Bauelemente ist eine automatische Kalibriervorrichtung für den Betrieb der Gruppenantenne unerlässlich. Die Kalibriervorrichtung sollte hierbei so autonom wie möglich funktionieren, d.h. auf möglichst wenig zusätzliche Informationen zurückgreifen müssen.
Ziel der vorliegenden Arbeit ist der Entwurf eines externen Kalibrierverfahrens für Gruppenantennen mit digitaler Strahlformung, das den besonderen Randbedingungen dieser komplexen Antennensysteme Rechnung trägt. Hier ist insbesondere die hohe Integrationsdichte zu erwähnen, die den Platz für zusätzliche Kalibrierhardware stark einschränkt. Der Entwurf und Test des Kalibrierverfahrens werden am Beispiel einer DBF-Sendeantenne bestehend aus 64 Patchantennen bei einer Betriebsfrequenz von 30 GHz durchgeführt. Der Entwurf berücksichtigt ebenfalls eine einfache Skalierbarkeit des Kalibrierverfahrens auf große Gruppenantennen. Der Schwerpunkt der Arbeit liegt auf der Modellierung und messtechnischen Analyse des Antennenfelds bei hohen Frequenzen im Millimeterwellenbereich.
Hierfür werden zunächst die Fehlerquellen der Gruppenantenne analysiert. Aufgrund der Vorteile von externen Verfahren zur Kalibrierung großer Gruppenantennen wird ein solches Verfahren für den weiteren Entwurf ausgewählt. Im Anschluss wird ein skalierbares Kalibriermodell der Gruppenantenne einschließlich Sende- und Kalibrierelektronik beschrieben. Aufgrund der Komplexität der Strahlungsdiagramme der Patchantennen stellt die Modellierung des Antennenfelds den umfangreichsten Teil des Modells dar. Aus dem Kalibriermodell wird die optimale Platzierung der externen Kalibrierantennen abgeleitet. Das Kalibrierverfahren wird durch Vollwellensimulationen von verschiedenen Antennenfeldern verifiziert.
Die Messungen der Kalibriervorrichtung und die messtechnische Bestimmung der Kalibriergenauigkeit an verschiedenen Antennenfeldern werden im zweiten Teil der Arbeit beschrieben. Das Kalibrierverfahren wird zuerst an einem passiven Antennenfeld vermessen. Der abschließende Test erfolgt an der eingangs beschriebenen DBF-Sendeantenne. Durch die verschiedenen Messungen wird der Funktionsnachweis des externen Kalibrierverfahrens erbracht. Basierend auf der Analyse der Messdaten werden am Ende der Arbeit Möglichkeiten zur weiteren Optimierung der Kalibriergenauigkeit aufgezeigt.