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Forum: HF, Funk und Felder Gewinnmessung Antennenarray


Autor: Robert L. (robertino)
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Guten morgen zusammen,

für meine Diplomarbeit muss ich den Gewinn eines Antennenarrays (3 
Einzelantennen) bestimmen.

Dazu gehe ich doch wie folgt vor,oder:
- Messung einer Referenzantenne (Horn)
- Bei der Referenzmessung wird das Horn an einen 1:3-Splitter 
angeschlossen und die anderen beiden Ports des Splitters mit 50 Ohm 
abgeschlossenn
- Nach der Referenzmessung das Horn duch das Array ersetzten und alle 
Einzelantennen des Arrays an jeweils einen Port des Splitters 
anschließen
- Messung durchführen
- Vom gemessenen Gewinn 10log(3)dB abziehen, da bei der Referenzmessung 
nur eine Antenne statt 3 angeschlossen waren.

Meine Frage ist nun ob ich wirklich die 4,77dB (10log(3)) von dem 
gemessenen Gewinn abziehen muss. Das Array empfängt doch im Vergleich zu 
dem Referenzhorn 3 Mal weniger Leistung...

Ist der Gedankengang richtig?

Wäre für Antworten und Diskussionen dankbar.

Grüße
Robertino

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Was willst du denn jetzt messen? die Einzelantenne des Arrays ? oder das 
Array?

Wie sind die Antennen nachher im Betrieb ( also nicht im Messaufbau ) 
zusammengeschaltet?

Was ist das für ein Splitter? Ist der mit Richtkoppler aufgebaut? Oder 
ist das ein mit Widerständen aufgebauter Splitter?

Auf jeden Fall must du die Durchgangsdämpfung des Splitters vorher 
bestimmen. Bei einen Widerstandsbestückten Splitter hat nämlich nicht 
jeder Port ein Drittel der Eingangsleistung, sondern weniger. ( 
Vermutlich 9,5 db Weniger ).

Einen resistiven Splitter wird man wohl kaum in der Endanwendung als 
Antennencombiner einsetzen, weil man sich unnötigerweise Leistung im 
Splitter verbrät.

Wenn du mit allen drei Antennen des Arrays gleichzeitig misst, ( was 
eigentlich Sinn macht ) darfst du den Splitter nicht berücksichtigen, 
denn du willst ja messen was tatsächlich gegenüber deiner 
Referenzantenne ankommt.

Willst du nur eine Antenne deines Arrays mesen ( was keinen Sinn macht, 
da sich die Keulen ja addieren müssen und du die Addition der einzelnen 
Keulen ja nicht kennst ) must du die Leistung der Antenne mal 3 nehmen. 
Dabei darf der Splitter auch nicht berücksichtigt werden, die beiden 
anderen Antennen wurden ja durch den 50 Ohm Abschluss ersetzt.

Ralph Berres

Autor: Robert L. (robertino)
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Hallo Ralph,

danke für deine Antowrt.

Die Einzelantennen machen ja keinen Sinn. Wenn dann möchte ich den 
Gewinn des kompletten Arrays messen.

Der Splitter hat internt Widerstände und hat eine Durchgangsdämpfung von 
ca. 9,5 dB.
Aber dadurch das der auch in der Referenzmessung mit angeschlossen ist, 
dürfte ich mir um die Dämpfung des Splitters keine Sorgen machen, da 
diese ja auch in der Referenzmessung vorhanden ist.
Die Frage ist nur ob ich das splitten des Signal (1:3) mit 
berücksichtigen muss, heißt ob ich vom gemessenen Gewinn 4,77 dB noch 
abziehen muss.

"Wenn du mit allen drei Antennen des Arrays gleichzeitig misst, ( was
eigentlich Sinn macht ) darfst du den Splitter nicht berücksichtigen,
denn du willst ja messen was tatsächlich gegenüber deiner
Referenzantenne ankommt."

Das heißt nun für mich? Das ich die 4,77 dB nicht abziehen muss?

Autor: Finsbury (Gast)
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Robert L. schrieb:
> Aber dadurch das der auch in der Referenzmessung mit angeschlossen ist,
> dürfte ich mir um die Dämpfung des Splitters keine Sorgen machen

Macht für mich keinen Sinn. Der Splitter ist Teil deiner zu vermessenden 
Antenne und hat in der Referenzmessung nichts zu suchen. Du beziehst 
dich dabei doch auf das bekannte Gain der Referenzantenne.

Autor: df1as (Gast)
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Es ist in der Tat schwer verständlich, warum n Antennen um diesen Faktor 
n besser sein sollen, als eine Antenne. Sendeseitig muss ja doch die 
Leistung zuvor durch n geteilt werden ...

Aber das ist bereits der Punkt. Die Spannung oder der Strom (als 
Feldkomponenten) teilen sich nur durch die Wurzel von n. Auf Gegenseite 
addieren sich letztere (wenn phasenrichtig überlagert) und erzeugen 
damit eine Leistung am Empfänger, die tatsächlich um den Faktor n höher 
liegt.

Das gilt natürlich nur, solange es keine gegenseitige Beeinflussung der 
Einzelantennen gibt.

Man kann es auch so sehen, dass die Kopplung (Übertragungsdämpfung) 
zwischen Sender und Empfänger verbessert wird.

Im Vergleich beim Messen muss daher die gleiche Leistung bzw. 
Summenlesitung an die verschiedenen Sendeantennen abgegeben werden!

Wenn ein Splitter einmal für das Array benutzt wird und ein anderes Mal 
(um z. B. dessen Verluste aus dem Vergleich herauszubekommen) auch für 
die Einzelantenne - diese wird allerdings nur an einen Ausgang 
angeschlossen, die anderen Ausgänge werden ohmsch abgeschlossen - muss 
man diese Leistungseinbuße selbstverständlich berücksichtigen.

Üblich ist das so nicht. Man benutzt für die Referenzantenne eigentlich 
solch einen Koppler (des anderen Systems) nicht. Dessen internen Verlust 
(der Verlust, der zusätzlich zum Splitten besteht) schreibt man aber dem 
Testsystem (Array) zugute.

Sicher kann man es auch so machen, dass der Koppler beide Male 
eingesetzt wird. Fehlerärmer wird es dadurch aber nicht, weil es i. d. 
R. auch Abweichungen unter den verschiedenen Einzelports gibt. Diese 
Abweichungen schlagen bei der Einzelantenne voll durch, beim Array wird 
diese Asymmetrie hingegen abgefedert (quadratische Ergänzung). Der 
Vorteil ist einzig, dass man die interne Zusatzdämpfung nicht wissen 
muss.

Autor: df1as (Gast)
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Noch ein Zusatz zum nicht-idealen Koppler im Zusammenhang mit einem 
Array:

Solange die Asymmetrie unter den Ports nur als unterschiedliche 
Dämpfung/Amplitude ausfällt, kann es im worst case zum Wegfall des 
Zugewinns des Stockgewinns kommen. Ganz anschaulich ist das, wenn man 
annimmt, dass die Eingangsleistung nur noch auf einen Port gegeben wird.

Anders ist das bei Phasenfehlern. Diese bringen es beim Array im 
Extremfall zu einer Auslöschung des Sendesignals. Der Einzelantenne wäre 
es völlig egal, an welchen Port man sie anschließen würde.

Von den Extremfällen ist man sicher weit entfernt. Dennoch: Phasen- und 
Amplitudenfehler des Kopplers sollten wenigstens in ihrer möglichen 
Auswirkung (Gesamtmessfehler) auch einmal abgeschätzt werden.

Autor: Finsbury (Gast)
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df1as schrieb:
> Man benutzt für die Referenzantenne eigentlich
> solch einen Koppler (des anderen Systems) nicht.

Wieso 'eigentlich'? Definitiv und unwiederbringlich nicht. Und in der 
Messunsicherheit wiederum auch erst recht nicht.

Autor: df1as (Gast)
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Nein. Weil man gegen kalibrierte Antennen vergleicht. Und mit diesem 
Koppler dazwischen (unterschiedlich beschaltet!) ist's dahin mit 
jeglicher Kalibration.

Autor: df1as (Gast)
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Frage: Dieser Splitter/Combiner wird doch sicherlich nur zum Messen 
benutzt und ist später dann nicht Teil der Antennengruppe. Gibt es denn 
für die Antennengruppe (noch) keinen dämpfungsarmen Koppler, der dann 
Teil der Antennenanlage werden würde?

Autor: Meinung (Gast)
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Robert L. schrieb:
> - Vom gemessenen Gewinn 10log(3)dB abziehen, da bei der Referenzmessung
> nur eine Antenne statt 3 angeschlossen waren.
>
> Meine Frage ist nun ob ich wirklich die 4,77dB (10log(3)) von dem
> gemessenen Gewinn abziehen muss. Das Array empfängt doch im Vergleich zu
> dem Referenzhorn 3 Mal weniger Leistung...
>
> Ist der Gedankengang richtig?
>
> Wäre für Antworten und Diskussionen dankbar.

Hallo Robertino!

Es macht keinen Sinn das n-Array mit n-Einzelantennen zu vergleichen!
Im Endeffekt möchtest Du sicher wissen wieviel dBi dein Array hat.
Deine Referenzantenne hat sicher eine dBi-Tabelle.
Also miss wieviel dB Gewinn deine Referenzantenne hat und dann wieviel 
dB Gewinn das Array hat, dann kannst du dBi des Array sehr einfach 
ausrechnen.
Es ist klug von dir den Powercombiner mitzumessen, er ist Teil des 
Antennearrays, denn irgendwo muss die Leistung ja zusammengeführt 
werden.
Es gibt unterschiedliche Arten von Powercombinern. Ein Wilkinson zB. hat 
bei exakter Kohärenz der Eingangssignale keine Verluste. Ein resistiver 
Combiner hat immer Verluste zb. 6dB mit 2 Eingängen. Das Array macht 
also auch nur dann Sinn, wenn der Gewinn größer als die Verluste durch 
den Combiner ist.

MfG!

Autor: Jörg Wunsch (dl8dtl) (Moderator) Benutzerseite
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df1as schrieb:
> Es ist in der Tat schwer verständlich, warum n Antennen um diesen Faktor
> n besser sein sollen, als eine Antenne. Sendeseitig muss ja doch die
> Leistung zuvor durch n geteilt werden ...

Bei einer Antennengruppe liegt aber in der Regel eine Überlagerung
der Wellenfronten der Einzelantennen vor, damit wird die Richtwirkung
erhöht, und es kann in einzelnen Richtungen tatsächlich mehr Signal
heraus kommen.

Autor: Robert L. (robertino)
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Also der Splitter hat eine Durchgangsdämpfung von 9,5 dB.
Ich habe mir das nun so vorgestellt, dass wenn ich den Splitter in der 
Referenzmessung mit drin habe, ich den nachher nicht raus rechnen 
brauche. Das ich die Verluste des Splitters dem Gewinn des Arrays 
aufaddiere halt ich für falsch. Damit würde der Gewinn bei ca. 26 dBi 
liegen, was viel zu hoch wäre.
Hab in der Theorie etwas gefunden:
Der Gesamtgewinn des Arrays lässt sich theoretisch errechnen mit g_max = 
g_einzel + 10*log(ANZAHL_EINZELANTENNEN) in dBi.
Eine einzelne Antenne macht ca 8,5 dBi + 4,77 dBi = 13,27 dBi

Die Messung hat einen Gewinn von 16.5 dBi ergeben. Nach abziehen der 
einzelnen Pfade des Splitter ergäbe das einen Gewinn von 11,7 dBi.
Für mich ist dies ein realistischer Wert.

Also ich versteh nicht unbedingt alles was ihr zuvor beschrieben habt, 
ausser natürlich das durch Interferenzen im Splitter das Empfangssignal 
entsteht. Aber wieso sollten n Einzelantennen in einem Array nicht auch 
n Mal mehr empfangen?
Da ich doch nur den Gewinn des Arrays haben möchte, muss ich doch den 
Splitter rausrechnen, oder nicht? Und dadurch das er schon bei der 
Referenzmessung mit in der Messung war, brauch ich mich doch um die 
Durchgangsdämpfung nicht mehr zu kümmern?!

"dB Gewinn das Array hat, dann kannst du dBi des Array sehr einfach
ausrechnen."
Aber wie?


Vielen Dank für alle eure Antworten!

Autor: Ralph Berres (rberres)
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Robert L. schrieb:
> Also der Splitter hat eine Durchgangsdämpfung von 9,5 dB.
>
> Ich habe mir das nun so vorgestellt, dass wenn ich den Splitter in der
>
> Referenzmessung mit drin habe, ich den nachher nicht raus rechnen
>
> brauche.

Das ist auch richtig so, was ich in meinen ersten Beitrag auch schon 
beschrieben habe. Nur hätte ich als Antennenkoppler nicht unbedingt 
einen resistiven Teiler genommen, sondern ein Wilkensonteiler oder 
ähnliches, was keine Energie in Widerstände verbrät. In Antennenkoppler 
sind resistive Teiler nicht üblich. Nur in der Messtechnik , wo es auf 
extreme Breitbandigkeit ankommt, und man die Verteilungsverluste durch 
die Widerstände akzeptieren kann.

Ralph Berres

Autor: Robert L. (robertino)
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Ah ok, dann habe ich das in deinem Beitrag wohl nicht ganz verstanden.
Problem bei einem Wilkonsonteiler ist einfach nur die Umsetzung mit den 
Widerständen, und da wir nur den hier hatten, habe ich den genommen.

Nun muss ich denn nochmal fragen ob das mit dem subtrahieren von 4,77 dB 
von dem gemessenen Gewinn korrekt ist. Falls jemand das in seinem 
Beitrag schonmal geschrieben haben sollte, sorry, aber ich hab das 
einfach nicht verstanden.

Grüße

Autor: df1as (Gast)
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Das Zusammenschalten der Antennen kann im einfachsten Fall durch 
(phasenrichtiges = gleiche Länge) Zusammenlegen (Parallelschaltung) der 
Zuleitungen realisiert werden. Man muss dann nur noch für Anpassung 
sorgen. Beispiel 3 Antennen mit 50-Ohm-Leitungen. Alle parallel 
geschaltet ergibt 16,7 Ohm. Um wieder auf 50 Ohm zu kommen, kann man 
eine Lambda/4-Leitung mit SQRT (16,7 Ohm * 50 Ohm) = 29 Ohm 
dazwischensetzen.

Ich habe aber vernommen, dass es wohl im GHz-Bereich liegen muss 
(Hornantennen). Dort müsste man dann schon die Feinmechanik dafür 
beauftragen. Die Verluste eines solchen Kopplers wären sehr klein (je 
nach Frequenz im 1/10-dB-Bereich).

Die Sache ist doch die, dass dieser Koppler Bestandteil der 
Antennengruppe ist. Damit könntest du die Gruppe (inkl. Koppler) direkt 
gegen die Vergleichsantenne vermessen.

Man kann natürlich den "provisorischen" Messkoppler beide Male benutzen. 
Der ohmsche und ggf. der Anpassungsverlust würden sich beim Vergleich 
herausrechnen. Es bleibt aber die Unsicherheit der Symmetrie, also die 
Unterschiedlichkeit der einzelnen Ports beim Betrieb an der 
Einzelantenne.

Den Teilerverlust von (ungefähr - wegen Symmetrie) 1/3 = 5,2 dB an der 
Referenzantenne musst du dieser aber gutschreiben. 2/3 der Leistung 
finden sich ja in den Abschlusswiderständen wieder.

Autor: df1as (Gast)
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1/3 = -5,2 dB ...

Autor: df1as (Gast)
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Es wird hier wiederholt von Wilkinson-Teilern geschrieben. Die machen 
doch aber bei Antennenzusammenschaltungen keinen Sinn, oder? Zumindest 
kann doch der dort verbaute Quer-Widerstand gleich weggelassen werden. 
Eine Entkopplung außerhalb des Summenpfades zwischen den Antennen bringt 
m. E. nichts. Für die Zusammenschaltung von Verstärkern hingegen wäre 
die Entkopplung aus Stabilitätsgründen (Schwingneigung) wichtig, je nach 
S21-Anteil der Verstärker. Aber bei Antennen?

Autor: df1as (Gast)
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S12 meinte ich, den Rückwärtsanteil.

Autor: Robert L. (robertino)
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Ah ok, nun habe ich es verstanden.
Vielen Dank für eure Bemühungen!
Habt mir weitergeholfen.
Der Koppler ist nur provisorisch für diese Messung drin.

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