Numerical and Experimental Analysis of the Operation Parameters’ Influence on the Quality of an Open Area Test Site for Antenna Calibration

URN urn:nbn:de:gbv:705-opus-31868
URL
Dokumentart: Dissertation
Institut: Lehrstuhl: Theoretische Elektrotechnik
Fakultät: Fakultät Elektrotechnik
Hauptberichter: Univ.-Prof. Dr.-Ing. Joachim Horn
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 14.12.2017
Erstellungsjahr: 2017
Publikationsdatum:
DDC-Sachgruppe: Ingenieurwissenschaften

Kurzfassung auf Englisch:

The calibration of antennas is based on the accurate determination of the antenna factor, which is the inverse of the antenna gain. In order to estimate it, an electromagnetic wave is sent by one antenna to another in a test environment where the wave propagation is perfectly known. The receiving antenna transforms the received field into an electrical signal. The ratio between the amplitude of the received field and the level of the electrical signal is equal to the antenna factor of the receiving antenna. In this work, the test environment is chosen to be an OATS (Open Area Test Site), which is an approximation to a half space bounded by a conducting ground plane. Two resonant dipole antennas together with the measurement environment form a transmission line, the insertion loss of which is called site insertion loss. On an OATS, a simple relation can be found between the site insertion loss and the antenna factor. Moreover, the site insertion loss can be easily calculated from the S-parameters of the transmission line. To accurately determine an antenna factor, it has to be verified that the site insertion loss on an OATS can be precisely determined. In this work, the site insertion loss measured on a real OATS (with finite dimensions and finite conductivity) is compared to the site insertion loss calculated on an ideal OATS (with infinite dimensions and a perfect conductivity) for frequencies between 30 MHz and 1000 MHz. The difference between these two figures must not exceed a threshold given by the standard CISPR 16-1-5 [29]. However, the measurements of the site insertion loss on an OATS can be influenced by different effects due to the measurement equipment, site boundaries, surrounding objects, weather, ambient electromagnetic fields, etc. All these factors can have an impact on the measurement of the site insertion loss. The contribution of these effects are individually determined by simulation using the software Protheus. Protheus uses a multilevel fast multipole approach, which is coupled with a volume integral method to take dielectric loads into account. In particular, the effects due to the size and the orientation of the dipole antennas, the baluns both as elements of the feeding circuit and due to the electromagnetic scattering at their casings, the antenna masts, the weather as well as those due to the imperfection of the ground plane (conductivity, shape, size etc.) are studied. Before that, a validation of the results delivered by Protheus and of their accuracy is done. With the help of numerical simulations and accompanying measurements to validate them, it can be shown, that antenna masts and the OATS’ boundary contribute the most significant part to the deviation to an ideal OATS, as soon as ambient structures are sufficiently far away and ambient electromagnetic fields can be controlled. The effect of the antenna masts on the site insertion loss varies depending on the distance antenna - mast in a non-monotonous way. This observation is confirmed by measurements on the OATS of the German national metrology institute PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) in Brunswick, Germany for frequencies above 300 MHz, where the influence of reflections at the mast increases compared to lower frequencies. For a vertical polarization and frequencies between 30 MHz and 50 MHz, the size and the shape of the ground plane play a significant role for the site insertion loss, since reflections at its boundary may become significant. To reduce perturbations to the wave propagation on a real OATS and to enhance the accuracy of antenna calibration, two strategies are proposed and analyzed in this work: first, for any particular frequency, an individual distance antenna - mast can be identified to minimize disturbing reflections at the antenna mast. Second, measurements can principally be carried out at different positions on the OATS and averaged, such that the two intended propagation paths remain in the mean, while unintended paths due to reflections cancel out as a consequence of destructive interference. It can be shown that this method works well in certain situations. This approach is also validated by measurements. Moreover, a factor model has been considered which combines individually calculated effects to access the resulting deviation of a real OATS from an ideal one via superposition. The underlying idea is to consider the wave propagation on a real OATS as the superposition of the two intended signal paths (the direct one and the one once reflected at the ground plane) with further paths due to reflection at the masts and at the OATS´ boundary. Hence, the deviation of the site attenuation on a real OATS from that of an ideal OATS can be seen as the combined result of an additional unintended attenuation on the two intended paths and additional unintended signal paths. Such a model does not only facilitate the design process of new components for a real OATS, since thresholds for their electrical parameters can be directly obtained from the factor model, but it also reduces the simulation time for an OATS significantly, since all components can be simulated separately. For an infinite, perfectly conducting OATS with antenna masts, the results achieved with the factor model are satisfying. On the other hand, for vertical polarization and a finite, perfectly conducting ground plane, the effects due to the ground plane are not entirely captured by the factor model. Indeed, comparisons with full simulations of the OATS show that the presence of the masts on the OATS compensates the influences of the ground plane on the site insertion loss. The results presented in this work can be applied to identify reasons for deviations of a real OATS from an ideal OATS and to invent means to mitigate them. Further, they can be used for the design of components or entire concepts for reals OATS that meet the requirements of the industrial standard. The developed methods can also be transferred to access the suitability of an OATS for other types of ElectroMagnetic Compatibility (EMC) measurement techniques than standard antenna calibration.

Kurzfassung auf Deutsch:

Die Kalibrierung von Antennen basiert auf der genauen Bestimmung des Antennenfaktors, d. h., des Kehrwerts des Antennengewinns. Um diesen zu bestimmen, wird eine elektromagnetische Welle in einer Testumgebung, in der die Wellenausbreitung möglichst vollständig bekannt ist, von einer Antenne zu einer anderen gesendet. Die Empfangsantenne wandelt das empfangene Feld in ein elektrisches Signal um. Das Verhältnis zwischen der Amplitude des empfangenen Feldes und dem Pegel des elektrischen Signals ist gleich dem Antennenfaktor der Empfangsantenne. In dieser Arbeit wird ein OATS (Open Area Test Site) als Testumgebung gewählt, was der Approximation eines Halbraumes entspricht, der durch eine leitende Grundebene begrenzt ist. Zwei resonante Dipolantennen ergeben zusammen mit der Messumgebung eine Übertragungsstrecke, deren Einfügungsdämpfung als Einfügungsdämpfung des Messplatzes bezeichnet wird. Auf einem OATS kann für bestimmte Antennen eine einfache Beziehung zwischen der Einfugungsdämpfung des Messplatzes und dem Antennenfaktor formuliert werden. Anderseits kann die Einfügungsdäpfung leicht aus den S-Parametern der Übertragungsstrecke berechnet werden. Um einen Antennenfaktor genau zu bestimmen, muss sichergestellt werden, dass die Einfügungsdämpfung auf einem OATS genau bestimmt werden kann. In dieser Arbeit wird die Einfügungsdämpfung, die auf einem realen OATS (mit endlichen Dimensionen und endlicher Leitfähigkeit) gemessen wird, mit der Einfügungsdämpfung verglichen, die sich auf einem idealen OATS (mit unendlichen Dimensionen und einer perfekten Leitfahigkeit) für Frequenzen zwischen 30 MHz und 1000 MHz ergibt. Der Unterschied zwischen diesen beiden Werten darf fur eine normgerechte Messung eine Schwelle nicht überschreiten, die durch die Norm CISPR 16-1-5 [29] definiert wird. Allerdings kann die Einfügungsdämpfung auf einem OATS durch unterschiedliche Effekte, wie z. B. durch die Messgeräte, Hilfsmittel zur Befestigung der Antenne, Kabel, die Ränder des OATS, Gegenstände in seiner Nähe, das Wetter, elektromagnetische Umgebungsfelder etc. beeinflusst werden. In dieser Arbeit wird der Beitrag jedes einzelnen dieser Effekte durch Simulation mit der Software Protheus bestimmt. Protheus verwendet einen mehrstufigen FastMultipol-Ansatz, der mit einer Volumenintegralmethode gekoppelt ist, um dielektrischen Lasten zu berücksichtigen. Insbesondere werden die Effekte untersucht, die ¨ aufgrund der Größe und der Orientierung der Dipolantennen, der Baluns (sowohl als Elemente des versorgenden elektrischen Netzwerks als auch aufgrund der elektromagnetischen Streuung an ihren Gehäusen), der Antennenmasten, des Wetters sowie aufgrund der Unvollkommenheit der Grundebene (Leitfähigkeit, Form, Größe etc.) auftreten. Zuvor erfolgt eine Validierung der von Protheus gelieferten Ergebnisse und deren Genauigkeit. Mit Hilfe von numerischen Simulationen und begleitenden Messungen, um diese zu validieren, kann gezeigt werden, dass Antennenmasten und die Kanten des OATS den bedeutendsten Teil zur Abweichung von einem idealen OATS beitragen, sobald Umgebungsstrukturen hinreichend weit entfernt sind und umgebende elektromagnetische Felder kontrolliert werden können. Die Wirkung der Antennenmasten auf die Einfügungsdämpfung variiert je nach Distanz Antenne - Mast auf nicht monotone Weise. Diese Beobachtung wird durch Messungen am OATS des Deutschen metrologischen Instituts PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) in Braunschweig fur Frequenzen über 300 MHz bestätigt, wobei der Einfluss von Reflexionen am Mast mit steigender Frequenz zunimmt. Bei vertikaler Polarisation und Frequenzen zwischen 30 MHz und 50 MHz spielen hingegen die Große und die Form der Grundebene eine wesentliche Rolle fur die metrologischen des Messplatzes, da Reflexionen an ihrer Grenze signifikant werden. Um Stöungen der Wellenausbreitung auf einem realen OATS zu reduzieren und die Genauigkeit der Antennenkalibrierung zu erhöhen, werden in dieser Arbeit zwei Strategien vorgeschlagen und analysiert: Erstens kann fur jede Frequenz ein spezieller Abstand Antenne - Mast identifiziert werden, um störende Reflexionen am Antennenmast zu minimieren. Zweitens kann die Messung prinzipiell an verschiedenen Stellen auf dem OATS durchgeführt und anschließend gemittelt werden, so dass die Beiträge der beiden vorgesehenen Ausbreitungswege im Mittelwert bleiben, während sich die Beiträge unbeabsichtigter, durch Reflexionen hervorgerufener Ausbreitungswege als Folge von destruktiven Interferenzen aufheben. Es kann gezeigt werden, dass diese Methode in bestimmten Situationen gut funktioniert. Dieser Ansatz wird auch durch Messungen validiert. Darüber hinaus wurde ein Faktormodell betrachtet, das einzeln berechnete Effekte kombiniert, um die aus deren Überlagerung resultierende Abweichung der Messplatzdämpfung eines realen OATS von der Idealsituation abzuschätzen. Die zugrunde liegende Idee ist, die Wellenausbreitung auf einem realen OATS als Uberlagerung der beiden beabsichtigten Signalwege (dem direkten und dem einmal an der Grundebene reflektierten) und weiterer Wege, die durch Reflexion an den Masten und an den Grenzen des OATS entstehen, zu betrachten. Daher kann die Abweichung der Einfügungsdämpfung auf einem realen OATS von der eines idealen OATS als Kombination einer zusätzlichen ungewollten Dämpfung auf den beiden beabsichtigten Pfaden und Beiträgen durch zusätzliche unbeabsichtigte Signalwege gesehen werden. Ein solches Modell erleichtert nicht nur den Entwurfsprozess neuer Komponenten für ein reales OATS, da Schwellenwerte für ihre elektrischen Parameter direkt aus dem Faktormodell gewonnen werden können, sondern reduziert auch die Simulationszeit fur ein OATS deutlich, da alle Komponenten separat simuliert werden können. Für ein unendliches, perfekt leitendes OATS mit Antennenmasten sind die mit dem Faktormodell erzielten Ergebnisse zufriedenstellend. Andererseits werden bei vertikaler Polarisation und einer endlichen, perfekt leitenden Fläche die Effekte durch die Grundebene nicht vollständig vom Faktormodell erfasst. In der Tat zeigen Vergleiche mit Simulationen des vollständigen OATS, dass die Anwesenheit der Masten auf dem OATS die Einflusse der Grundebene auf die Einfügungsdämpfung der Kanten abschwächt. Die in dieser Arbeit vorgestellten Ergebnisse können angewendet werden, um Ursachen für Abweichungen eines realen OATS von einem idealen OATS zu identifizieren und Methode zu finden, um die Abweichungen zu verringern. Darüber hinaus können die entwickelten Methoden für die Gestaltung von Komponenten oder ganzen Konzepten für reale OATS, die den Anforderungen der Industrienorm entsprechen, verwendet werden. Die entwickelten Methoden können schließlich auch auf die Untersuchung der Eignung eines OATS für andere Messtechniken im Rahmen von Untersuchungen der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) neben normgerechter Antennenkalibrierung übertragen werden.

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