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Main Title: Analyse und Kalibration von linearen Microstrip-Patch-Antennenarrays
Translated Title: Analysis and Calibration of Linear Microstrip-Patch-Antenna-Arrays
Author(s): Kortke, Andreas
Advisor(s): Boche, Holger
Granting Institution: Technische Universität Berlin, Fakultät IV - Elektrotechnik und Informatik
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Im ersten Teil der Arbeit wird ein Verfahren zur messtechnischen Analyse der Strahlungseigenschaften von Microstrip-Antennenarrays vorgestellt. Das Verfahren beruht auf Nahfeldmessungen des elektrischen Feldes auf einem ebenen Raster mit einem optischen Feldsensor. Die speziell entwickelten Auswertungsalgorithmen liefern Ersatzquellenverteilungen in Form von komplexen magnetischen Strombelägen mit sehr hoher Ortsauflösung, welche die Strahlungseigenschaften der untersuchten Antennenarrays sehr genau nachbilden. Die hohe Ortsauflösung der berechneten Ersatzquellenverteilungen erlaubt eine eindeutige Zuordnung der Strahlungsquellen zu den Regionen bzw. Komponenten der Antennenarrays. Insbesondere lassen sich die Strahlungsbeiträge eines gespeisten Antennenelementes von denen der ungespeisten Antennenelemente unterscheiden, die durch elektromagnetische Verkopplung zur Aussendung parasitärer Strahlung angeregt werden. Darüber hinaus kann mit dem vorgestellten Verfahren die Abstrahlung elektromagnetischer Wellen an den Substratkanten von Microstrip- Patch-Antennenarrays quantitativ untersucht werden. Mit dieser Messanordnung und dem Analyseverfahren wurden die Strahlungs- eigenschaften von fünf verschiedenen linearen Microstrip-Patch-Antennenarrays untersucht, die auf unterschiedlichen Substratmaterialien gefertigt wurden bzw. deren Antennenelemente unterschiedlich auf dem Substrat angeordnet waren. Überraschenderweise zeigte sich bei der Auswertung der Ergebnisse, dass die Abstrahlung der Substratkanten in nahezu allen untersuchten Fällen der überwiegende parasitäre Strahlungseffekt war. Bisher ging man allgemein davon aus, dass die gegenseitige Verkopplung der Antennenelemente in Microstrip-Arrays der dominierende Störeffekt bei der Verwendung der Antennenarrays für die Strahlformung oder die Richtungsschätzung ist. Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Kalibration von linearen Microstrip-Patch-Antennenarrays. Es wurde ein spezielles Kalibriermodell für Microstrip-Patch-Antennenarrays entwickelt, in das die Ergebnisse der Analysen aus dem ersten Teil der Arbeit eingeflossen sind. In diesem erweiterten Kalibriermodell wird der Effekt der Substratkantenstrahlung durch imaginäre Antennenelemente nachgebildet. Diese sind durch die Elemente einer erweiterten Koppelmatrix mit den Signalen der realen Antennenelemente verknüpft. Die erweiterte Koppelmatrix wird durch die Anwendung des vorgestellten neuen Kalibrierverfahrens bestimmt. Für die Herleitung des Kalibrierverfahrens und die Bewertung der Kalibrationsergebnisse wurden mehrere Fehlermaße in systematischer Weise eingeführt und deren Zusammenhänge untereinander und mit Verfahren der Strahlformung und der Richtungsschätzung diskutiert. Das erweiterte Kalibriermodell und das neue Kalibrierverfahren wurden experimentell überprüft. Dafür wurde ein Smart-Antennas Experimentalsystem entworfen und angefertigt, dessen Parameter sich an den technischen Spezifikationen von UMTS orientieren. Die Ergebnisse der Kalibrationsexperimente zeigen, dass das erweiterte Kalibriermodell bei bestimmten Arraytypen die erzielbare Kalibriergenauigkeit gegenüber dem bisher üblicherweise eingesetzten Standardkalibriermodell deutlich übertrifft. Weiterhin konnte gezeigt werden, dass das neue Kalibrierverfahren effizient und stabil funktioniert. Die verbesserte Genauigkeit lässt sich jedoch nur durch einen erhöhten Aufwand bei der Modellierung der Antennenarrays und bei der Gewinnung der Kalibriersignale realisieren. Neben dem neuen Verfahren zur Kalibration der Antennenarrays wurde ein Verfahren zur Kalibration der Verbindungsnetzwerke bzw. Sende- und Empfangs-RF-Frontends dargestellt, das ohne zusätzliche Hardwarekomponenten auskommt. Es werden lediglich die Komponenten des Kommunikationssystems verwendet, die ohnehin für die Signalübertragung mit kohärenten Übertragungsverfahren vorhanden sind. Dadurch reduziert sich der Hardwareaufwand gegenüber anderen Kalibrierverfahren, was für die Anwendung in kommerziellen Mobilfunksystemen attraktiv ist.
In the first part of the thesis a method for the measurement based analyzation of the radiation properties of microstrip-antenna arrays is presented. The method is based on measurements of the electric near-field in a plane grid with an optical field-sensor. The developed algorithms produce equivalent magnetic current distribution functions with very high spatial resolution. These current distribution functions reproduce the radiation characteristics of the examined antenna arrays very accurate. The high spatial resolution of the calculated equivalent current distribution functions permits a unique assignment of the radiation sources to different components or regions of the antenna array. In particular the radiation contribution of a fed antenna element is distinguishable from the parasitic radiation contributions of the un-fed antenna elements, which are excited by electromagnetic coupling. Moreover, the radiation of electromagnetic waves from the substrate edges of microstrip patch antenna arrays can be investigated quantitatively. Utilizing this measurement setup and the analysis method, the radiation properties of five different linear microstrip patch antenna arrays have been examined. The antenna arrays where manufactured on different substrate material or with different orientation of the antenna elements. Surprisingly, the evaluation of the results showed that the substrate edge-radiation effect was the dominant parasitic radiation effect in nearly all studied cases. Until now it was generally accepted that mutual coupling of antenna elements is the dominant disturbing effect in beamforming and direction-of-arrival estimation applications of antenna arrays. The second part of the thesis considers calibration of linear microstrip patch antenna arrays. A special calibration model for microstrip patch antenna arrays has been developed which takes the results of the first part into account. In this extended calibration model the effect of substrate edge radiation is modeled by imaginary antenna elements which are linked to the signals of the real antenna elements by an extended coupling matrix. This extended coupling matrix can be determined by the application of a new calibration algorithm. Different error measures have been introduced in a systematic manner to evaluate the calibration results. Some of their mutual relations as well as relations to beamforming and direction of arrival estimation methods have been discussed. The extended calibration model as well as the new calibration algorithm have been evaluated by experiments. For this purpose a smart antennas experimental communication system has been designed and manufactured which follows UMTS technical specifications. The results of the calibration experiments have shown clear improvements of accuracy in comparison with the usually applied standard calibration model. Furthermore, it has been shown that the new calibration algorithm works efficient and stable. However, the improved calibration accuracy requires an increased effort in antenna array modeling and in obtaining calibration signals. Beside the new antenna array calibration algorithm an algorithm for calibration of feeding networks and rf-frontends has been described which not relies on additional hardware components. Only components of the communication system are required which are necessary for coherent transmission schemes anyway. Therefore the amount of hardware is reduced in comparison to other calibration methods. This is very attractive for commercial mobile communication systems.
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-12614
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/1638
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-1341
Exam Date: 28-Mar-2006
Issue Date: 28-Apr-2006
Date Available: 28-Apr-2006
DDC Class: 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
Subject(s): Array Kalibration
Nahfeldmessung
Patch Antennen Array
Array calibration
Microstrip antenna array
Nearfield measurement
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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