Antennenmessungen mit einem Vektornetzwerkanalysator

Messen der Antennenimpedanz

Die Antennen-Performance lässt sich zwar prinzipiell durch Simulationen und Modellierung vorhersagen. Faktoren in der realen Welt, die dabei nicht berücksichtigt werden können, führen jedoch häufig zu Abweichungen. Deswegen sind physikalische Messungen unter realistischen Bedingungen notwendig, um die Antennen-Performance zuverlässig zu verifizieren.

Es gibt zwei Arten von Antennenmessungen:

• Strahlungsmessungen, mit denen Parameter wie Gewinn, Direktivität, Strahlbreite und Effizienz bestimmt werden
• Impedanzmessungen, mit denen die (komplexe) Impedanz der Antenne ermittelt wird

Von der Impedanz einer Antenne hängt ab, welcher Anteil der Eingangs- oder Sendeleistung von der Antenne aufgenommen oder abgestrahlt wird und welcher Anteil zum Sender zurückreflektiert wird. Zur Bestimmung dieses Werts wird ein Signal in die Antenne eingespeist und der Betrag und die Phase des reflektierten Signals gemessen.

Verschiedene Methoden und Tools zur Messung der Antennenimpedanz sind verfügbar. Allgemein empfiehlt sich jedoch die Verwendung eines Vektornetzwerkanalysators (VNA), um eine Reflexionsmessung (S11) durchzuführen.

VNA sind vielseitige Geräte, die skalare und vektorielle Messungen der Vorwärts- und Reflexionsleistung durchführen können. Sie bieten eine hohe Genauigkeit über einen breiten Frequenzbereich sowie außerdem einen hohen Dynamikbereich. Diese Geräte lassen sich auch für andere HF-Aufgaben einsetzen, beispielsweise zum Messen der Kabeldämpfung oder zum Testen von Filtern und Verstärkern.

So messen Sie die Antennenimpedanz

Eine Antennenmessung umfasst drei wesentliche Schritte:

1. Anschließen der Antenne
2. Konfigurieren des VNA
3. Kalibrieren des Messaufbaus

Wir beginnen mit dem Anschließen der Antenne. Antennen werden häufig über eine Speiseleitung an den VNA angeschlossen. Diese Speiseleitung kann direkt an das VNA-Tor angeschlossen werden, oder es kann ein zusätzliches Prüflingskabel verwendet werden, um den VNA mit dem getesteten Kabel zu verbinden. Wenn ein Prüflingskabel verwendet wird, gewährleistet eine Kalibrierung am Ende des Kabels genaue Messungen.

Bei der Konfiguration des VNA sind drei Aspekte zu beachten:

• Konfigurieren des Mitlaufgenerators, der ein gesweeptes Stimulussignal liefert, das einerseits als Eingabesignal für die Antenne und andererseits als Referenz dient, wenn der von der Antenne reflektierte Signalanteil ermittelt wird.
• Festlegen des Sweep-Frequenzbereichs, über den der Mitlaufgenerator gesweept wird.
• Einstellen der Anzahl der Messpunkte – ein höherer Wert als die Standardeinstellung des Analysators resultiert in mehr Details. Wegen der größeren Zahl der Frequenzpunkte dauert jeder Sweep aber auch entsprechend länger.

Kalibrierstandards für genaue Antennenimpedanzmessungen

Zusätzlich zur Konfiguration des VNA ist für genaue Messungen der Antennenimpedanz eine Eintor-Kalibrierung erforderlich. Für den Kalibrierungsprozess müssen mehrere Kalibrierstandards nacheinander an der Stelle angebracht werden, an der die Antenne angeschlossen wird.

Die folgenden drei Kalibrierstandards werden benötigt:

• Open
• Short
• Match (oder Load)

Elektronische Kalibriereinheiten stellen eine Alternative zu solchen manuell angebrachten Standards dar. Diese Geräte schalten ihre internen Standards automatisch um und werden vom angeschlossenen VNA gesteuert. In der Regel verläuft die Kalibrierung mit ihnen deutlich schneller als mit manuellen Standards.

Wenn die Antenne oder Speiseleitung direkt mit dem VNA-Tor verbunden wird, sollten die Kalibrierstandards auch direkt an diesem Punkt angeschlossen werden. Wird ein Prüflingskabel verwendet, sind die Kalibrierstandards entsprechend am Ende eines Prüflingskabels anzubringen.

Verschiedene Messformate der Antennenimpedanz

VNA bieten mehrere Formate zur Analyse der Antennenimpedanz:

• Stehwellenverhältnis (SWR): Das SWR ist ein Maß für das Verhältnis der vorlaufenden zur reflektierten Leistung, wobei der Idealwert 1:1 beträgt. Es wird häufig gegen die Frequenz aufgetragen, um die Bandbreite zu bestimmen.
• Rückflussdämpfung: Die in dB angegebene Rückflussdämpfung drückt das Verhältnis der reflektierten zur vorlaufenden Leistung logarithmisch aus. Höhere Werte entsprechen einer besseren Antennen-Performance.
• Komplexe Impedanz und Smith-Diagramme: Neben Skalarwerten können VNA auch die komplexe Impedanz messen und geben Aufschluss über Real- und Imaginärteil. Die Ergebnisse werden in einem Smith-Diagramm dargestellt, das einen vollständigen Überblick über das frequenzabhängige Impedanzverhalten gibt.