Untersuchung linearer Antennen mit einem Netzwerkanalysator - IHE

ÁÒ×ØØÙØÖÀ×ØÖÕÙÒÞØÒÙÒÐØÖÓÒ ÍÒÚÖ×ØØÃÖÐ×ÖÙ´ÌÀµHochfrequenzlaboratoriumUntersuchung linearer Antennen miteinem NetzwerkanalysatorVersuch 6WS 2008/2009Ù ÈÓ×ØÒ×ÖØÁÒ×ØØÙØÖÀ×ØÖÕÙÒÞØÒÙÒÐØÖÓÒÌк ¹½¿½ÃÖÐ×ÖÙ Ã×Ö×ØÖ½¾ Ò××Ö×ØÖ¸º¿¼º½¼ ܺ·´¼µ¾½½ ËÖº·´¼µ¾½¼¾¾¿ ·´¼µ¾½¼¾¾¾Betreuer: Grzegorz Adamiuk undÑкٺ ÏÏÏØØÔ»»ÛÛÛººÙÒ¹ÖÐ×ÖÙºLukasz Zwirello

1 EinleitungZiel dieses Versuchs ist es, die prinzipielle Funktionsweise von Antennen zu verstehen,moderne Hochfrequenz-Messtechnik kennen zu lernen und das Phänomen der Modenin der Hochfrequenztechnik anschaulich zu machen. Lineare Antennen sind einfachverständliche Antennen. Die an ihnen erkannten Prinzipien können auf viele andereAntennentypen übertragen werden. Die messtechnische Charakterisierung der Antennenerfolgt mit Hilfe eines vektoriellen Netzwerkanalysators (VNWA). Dieses Messgerätwird sehr vielfältig in der Hochfrequenzmesstechnik eingesetzt und wird in diesem Versucheinführend erklärt. Im Folgenden werden die Geräte und theoretischen Grundlagendes Versuchs vorgestellt.1

2 AntennenDieses Kapitel gibt einen kurzen Überblick über einfache Antennen und deren Eigenschaften.Es werden Ersatzschaltbilder vorgestellt sowie Methoden zur Speisung vonAntennen behandelt. Am Ende wird anhand des Ersatzschaltbildes ein Verfahren zurVerkürzung einer linearen Antenne mittels kapazitiver Belastung erläutert.2.1 Lineare AntennenDie lineare Antenne besteht in ihrer einfachsten Form aus einem geraden, dünnen, zylindrischenLeiter, der meist symmetrisch in der Mitte (Dipol) oder im Fußpunkt (Monopol)gespeist wird.Zur Beschreibung eines Dipols legt man diesen in ein kartesisches Koordinatensystemauf die z-Achse, so dass die Mitte des Dipols im Ursprung des Koordinatensystems liegt.Man setzt voraus, dass der Strom als auf der z-Achse konzentriert betrachtet werdenkann und in z-Richtung orientiert ist. Das bedeutet, der Stab wird von einem Strom Idurchflossen, der sich längs des Stabes ändert, also eine Funktion von z ist (Bild 2.1).Als Länge für Antennen, auf die gerade ein Vielfaches der halben Wellenlänge passt,ergibt sich damit (2l = nλ/2), wobei der Mittelpunkt der Antenne bei z = 0 und dieEnden bei z = ±l liegen. Eine Antenne dieser Länge ist in Resonanz, die Stromverteilungentspricht einem Mode.Abbildung 2.1: Stromverteilung I(z) auf StabstrahlernIn Bild 2.2 sind die Feldlinien eines λ/2-Dipols eingezeichnet. In das Feldlinienbild desDipols kann eine unendlich grosse, ideal leitfähige Metallplatte eingebracht werden, ohnedass diese das Feldlinienbild verändert. Hierzu müssen alle Feldlinien senkrecht auf derMetallplatte stehen. Eine Ebene, die diese Bedingung erfüllt, ist die Ebene senkrecht zuden Dipolarmen durch den Speisepunkt. Der Dipol wie auch das Feldlinienbild sind zudieser Ebene spiegelsymmetrisch.2

2.2. ERSATZSCHALTBILD FÜR ANTENNEN - 3 -Abbildung 2.2: Feldlinienbild des DipolsGenau aus dieser Überlegung geht der Monopol aus dem λ/2-Dipol hervor. Man ersetztdie untere Hälfte des Dipols durch eine leitende Ebene und erhält durch Spiegelung ander Metallplatte das selbe Feldlinienbild wie beim Dipol und somit eine Antenne, diesich identisch zum Dipol verhält. Die Länge des Monopols ergibt sich somit zu l = λ/4,wobei die metallische Ebene in der x-y-Ebene des Koordinatensystems liegt.Die Annahme dünner Dipolarme, welche wir zu Beginn machten, führt zu einer sehrschmalbandigen Antenne. Verwendet man dickere Arme (Stäbe mit geringerem Wellenwiderstand)verschlechtert sich die Güte der Antenne (wenn sie in Resonanz ist) undsie wird breitbandiger. Bei sehr dicken Stäben entsteht an der Unterbrechungsstelle eineKapazität C, die parallel zu den Generatorklemmen liegt und für die Eingangsimpedanzdes Stabes eine unerwünschte Parallelkapazität darstellt (Bild 2.3). Vielfach verwendetman daher eine kegelförmige Antennengeometrie.2.2 Ersatzschaltbild für AntennenDer Eingangswiderstand Z A einer Antenne ist im allgemeinen komplex:Z A = R A + jX A (2.1)Da sich die der Antenne zugeführte Wirkleistung P A in Verlustleistung P V und StrahlungsleistungP S aufteilt, zerlegt man entsprechend den Realteil des EingangswiderstandsR A in einen Verlustwiderstand R V und einen sog. Strahlungswiderstand R S :R A = R V + R S (2.2)Die Verlustleistung enthält unter anderem die ohmschen Verluste in den Leitern derAntenne, sowie die dielektrischen Verluste in den isolierenden Teilen. Abhängig davon,

- 4 - KAPITEL 2. ANTENNENAbbildung 2.3: Breitbandantennen: a) parasitäre Kapazität, b) konische Speisung undc) bikonische Antenneob man die Antenne nun als Sende oder Empfangsantenne betrachtet, lässt sich einvereinfachtes Ersatzschaltbild angeben (Bild 2.4).Abbildung 2.4: Ersatzschaltbild einer Sendeantenne (a) bzw. einer Empfangsantenne (b)2.3 Speisung der AntennenBisher wurde angenommen, dass der Dipol über eine parallele Übertragungsleitung(symmetrisch) gespeist wird, d.h. die Speisung der einzelnen Arme des Dipols erfolgt180 Grad phasenverschoben mit der Spannung ±U. In der Praxis verwendet man jedochhäufig Koaxialleitungen (unsymmetrisch) zur Speisung von Antennen. Hier bezieht sichdie Spannung auf das Potenzial 0 des Aussenleiters der Koaxleitung.Für den Dipol bedeutet das, dass Innen- und Aussenleiter der Koaxialleitung verschiedenan die Dipolarme gekoppelt sind. Die unterschiedliche Kopplung führt zu einemNetzstrom auf der Aussenseite des Aussenleiters hin zu Erde. Die Grösse des Stroms

- 6 - KAPITEL 2. ANTENNEN2.5 FernfeldbedingungBild 2.6 zeigt, dass das von der Antenne abgestrahlte Wellenfeld in mehrere Regionenunterteilt werden kann. Man unterscheidet dabei zwischen dem reaktiven Nahfeld,Abbildung 2.6: Feldregionen einer Antennedem abstrahlenden Nahfeld und dem abstrahlenden Fernfeld. Die Grenze zum Fernfeldbeginnt in einem Abstand r SE , für den giltr SE ≥ 2D2 Eλ 0(2.3)Hierbei bezeichnet D die Größe der Antenne und λ 0 die Freiraumwellenlänge. Auf dieHerleitung der Näherungsformel soll hier nicht näher eingegangen werden, sie ist imSkriptum zur Vorlesung Antennen und Antennensysteme zu finden. Wenn die Fernfeldbedingungerfüllt ist, ist der Abstand zwischen zwei benachbarten Antennen ausreichendgroß, damit in der Regel keine gegenseitige Beeinflussung auftritt.

- 8 - KAPITEL 3. DAS SMITH-DIAGRAMMdeutige Abbildung möglich.Eine solche Abbildungsvorschrift ist:bzw.r(z) = Z(z) − Z LZ(z) + Z L(3.2)Z(z)Z L= 1 + r(z)1 − r(z)(3.3)wobei Z L einen Bezugswiderstand darstellt und r(z) als Reflexionsfaktor bezeichnetwird. Diese Abbildungsvorschrift definiert einen Übergang von der Widerstandsebenein die Reflexionsfaktorebene (r-Ebene) und zurück.Abbildung 3.2: Smithdiagram in WiderstandsformAufgrund der Abbildungsvorschrift nach Gleichung 3.3 liegen komplexe Widerständemit induktivem bzw. kapazitivem Blindanteil im oberen bzw. unteren Halbkreis desr-Diagramms.3.2 Anwendung des SmithdiagrammsZunächst sollen einige wichtigen Punkte im Smithdiagramm gezeigt werden:Kurzschluss: Z/Z L =0 r=-1Leerlauf: Z/Z L =∞ r=+1Anpassung: Z/Z L =1 r=0

3.2. ANWENDUNG DES SMITHDIAGRAMMS - 9 -Im Folgenden wird ein Beispiel zur Leitungstransformation und electrical delay gezeigt:Abbildung 3.3: Electrical DelayVergleicht man den Reflexionsfaktor eines n-Tors an Stelle 1 mit dem an Stelle 2 (verlustloseLeitung der Länge l dazwischengeschaltet), so stellt man fest, dass sie sich inihrer Phase unterscheiden, nicht jedoch in ihrem Betrag. Die Leitung bewirkt eine Phasenverschiebung(siehe unten).Falls bei einer Messung die Phase von Bedeutung ist, so müssen die Messwerte umeventuell vorhandene Leitungslängen l zwischen Kalibrationspunkt (Stelle 1) und Messpunkt(Stelle 2) korrigiert werden. In der Praxis treten solche Längenänderungen meistin Form von zwischengeschalteten Adaptern, Steckern oder Zuleitungen auf. Hier ist dasSmith-Diagramm eine große Hilfe.Im Smithdiagramm resultiert eine Längenänderung ∆l einer verlustlosen Leitung inλeiner Drehung des Reflexionsfaktors r um den Punkt r=0.Hin- und rücklaufende Welle auf der Leitung überlagern sich. Eine Längenänderung um=0.5 entspricht dadurch einem vollen Umlauf um 360 Grad im Smithdiagramm.∆lλr 1 = r 0 e −j2βl (3.4)wobei β die Wellenzahl ist.Man erkennt aus dem r-Diagramm, dass sich der Betrag des Reflexionsfaktors r einesbeliebigen komplexen Widerstandes also durch Vorschalten einer ungedämpften Leitungnicht ändert. Die Phase dreht innerhalb einer Wellenlänge zweimal vollständig über 360Grad durch. Der Reflexionsfaktor dreht ausgehend von r 0 für ansteigende Leitungslängenin mathematisch negativer Richtung. Für die Phasenverschiebung folgt nach Gleichung3.4 mit β = 2π/λ:∆ϕ = − 4π∆lλ(3.5)

- 10 - KAPITEL 3. DAS SMITH-DIAGRAMMAbbildung 3.4: Transformation des Reflexionsfaktors

4 Der NetzwerkanalysatorIn der Hochfrequenztechnik werden die verschiedensten Messgeräte eingesetzt um Antennenzu vermessen. Ein sehr vielseitig einsetzbares und dadurch leistungsfähiges Messgerätist der vektorielle Netzwerkanalysator. Er führt alle Messungen durch, die zurvollständigen Charakterisierung sogenannter Zweitore benötigt werden. In den folgendenAbschnitten sollen seine Funktionsweise und einige Besonderheiten wie z.B. dieKalibration kurz erläutert werden.4.1 Grundlagen und MessprinzipDie Signalverarbeitungseigenschaften linearer Netzwerke können vollständig im Frequenzbereichdurch die Streuparameter Beschreibung (S-Parameter Beschreibung) angegebenwerden. Die S-Matrix eines Eintors ist identisch mit dem komplexen Reflexionsfaktordes Eintors. Die S-Matrix eines Zweitors ist definiert durch:b 1 = S 11 a 1 + S 12 a 2 (4.1)b 2 = S 21 a 1 + S 22 a 2 (4.2)⃗ b = [S]⃗a (4.3)mit den hinlaufenden Wellen a i bzw den. rücklaufenden Wellen b i am Tor i. S-Matrizenfür Netzwerke mit mehreren Toren sind entsprechend definiert. Für die Messung linearerNetzerke ist es jedoch ausreichend, jeweils nur die Signalübertragung zwischen zwei Torenzu vermessen und die anderen Tore reflexionsfrei abzuschliessen. Durch Messung anjedem möglichen Paar von Toren können so die S-Matrizen beliebiger n-Tore vermessenwerden. Mit Bild 4.1 wird klar, wie die Messung konkret abläuft:Durch reflexionsfreien Abschluss aller Tore wird sichergestellt, dass nur eine hinlaufendeWelle a i auftritt, die durch den Ausgang des NWA eingespeist wird. Man beachte, dassauch die Anschlüsse des Netzwerkanalysators angepasst sind. Zur vollständigen Messungeines Zweitors muss als einspeisendes Tor zunächst Tor 1 (Vorwärtsmessung) unddanach Tor 2 (Rückwärtsmessung) gewählt werden.Für ein gegebenes n-Tor sind die Elemente der S-Matrix nur noch von der Frequenzabhängig. Die Messung über den gewünschten Frequenzbereich kann punktweise beidiskreten Frequenzen geschehen (step sweep mode). Die primären Messgrößen bei derNetzwerkanalyse sind Amplitude und Phase der in Gleichung 4.3 verwendeten hin- undrücklaufenden Wellen a i und b i . Aus diesen Größen können die S-Paramter in Abhängigkeitvon der Messfrequenz bestimmt werden. S 11 und S 22 entsprechen den Reflexionsfak-11

- 12 - KAPITEL 4. DER NETZWERKANALYSATORAbbildung 4.1: Messprinzip der Netzwerkanalyse. DUT steht für Device Under Test undist das Objekt, das vermessen werden soll.toren der Tore 1 und 2. Dies liefert eine anschauliche Interpretation des Reflexionsfaktors:Er beschreibt das Verhältnis der Spannungen der hin- und rücklaufenden Wellenan den Toren.Der Transmissionsfaktor wird durch die Größen S 12 bzw. S 21 beschrieben. S 21 gibt somitdas Verhältnis der Spannungen der transmittierten Welle zur einfallenden Welle an(Vorwärtsmessung), S 12 das Spannungsverhältnis bei Rückwärtsmessung. Dabei mussdie Last reflexionsfrei abgeschlossen sein.4.2 Skalare und Vektorielle NetzwerkanalysePrinzipiell wird zwischen einer skalaren und einer vektoriellen Netzwerkanalyse unterschieden.Skalare Netzwerkanalyse: Hier werden die Amplituden der Messgrößen erfasst. Es könnendie Beträge der S-Parameter gemessen werden.Vektorielle Netzwerkanalyse: Hier werden die Messgrößen in Amplitude und Phase erfasst.Die S-Parameter werden komplex bestimmt und es können Umrechnungen inbeliebige Beschreibungsgrößen vorgenommen werden.

4.3. AUFBAU EINES NETZWERKANALYSATORS - 13 -Die vektorielle Netzwerkanalyse bietet nicht nur den Vorteil der Umrechnung (z.B. inden Zeitbereich) sondern auch bessere Kalibrationsmöglichkeiten. Das liegt daran, dassbei unbekannter Phase Fehler mit unbekanntem Vorzeichen auftreten können und folglichnicht korrigiert werden können. Sie müssen als Messunsicherheit betrachtet werden.(mehr zu Kalibration siehe unten)4.3 Aufbau eines NetzwerkanalysatorsEin Netzwerkanalysator lässt sich in folgende vier Funktionsgruppen aufteilen:Abbildung 4.2: Blockdiagramm eines NWA1. Eine Signalquelle für das Messsignal2. Baugruppen zur Trennung der hin- und rücklaufenden Wellen und Signalaufteilung3. Eine Empfängerbaugruppe, welche die hochfrequenten Messsignale in Niederfrequenzoder Gleichspannung umsetzt und dadurch die Messung durch den nächstenFunktionsblock ermöglicht4. eine Baugruppe zur Signalaufbereitung und -ausgabe. Diese Baugruppe ist beiaktuellen Geräten ein Rechner, der auch die Ablaufsteuerung des MessvorgangsübernimmtDer Block DUT steht für Device Under Test. Er stellt das zu vermessende Zweitor dar.

- 14 - KAPITEL 4. DER NETZWERKANALYSATOR4.4 Fehlerkorrektur und KalibrationBei der Messung mit Netzwerkanalysatoren treten zufällige Fehler auf, wie z.B. die begrenzteFrequenzauflösung, Fehler durch Amplituden und Phasenrauschen der Mischoszillatorenund Quantisierungsfehler bei der A/D Wandlung. Driftfehler entstehen durchDrift der Oszillatoren oder mechanische Längenänderungen aufgrund von Temperaturschwankungen.Diese Fehler können durch konstant gehaltene Umgebungsbedingungenstark vermindert werden.Den größten Einfluss auf die Messgenauigkeit haben aber systematische Fehler, die durchnicht ideales Verhalten der verwendeten Schaltungselemente, wie z.B. endliche Isolation,verursacht werden. Diese Fehler können bei vektorieller Messung weitgehend durch Kalibrationbeseitigt werden. Die Grundidee dabei ist, den Netzwerkanalysator durch einenidealen Analysator zu beschreiben und die nichtidealen Elemente in einem Fehlermehrtorzusammenzufassen. Die Parameter des Fehlermehrtors werden bei der Kalibrationaus der Messung von bekannten Standards bestimmt.4.5 1-Tor KalibrationBei der 1-Tor Messung soll der Reflexionsfaktor des Messobjekts bestimmt werden. ImFehlermodell werden die nichtidealen Eigenschaften des Netzwerkanalysators duch einFehlerzweitor zwischen Messobjekt und Analysator beschrieben.Abbildung 4.3: Prinizip der Ein-Tor Kalibrationr M = e 10 ∗ r A ∗ e 011 − e 11 ∗ r A+ e 00 (4.4)Man braucht mindestens drei Messungen bekannter Standards, um die Fehlerkoeffizientenaus einem Gleichungssystem bestimmen zu können. Mit Gleichung 4.4 kanndann die Fehlerkorrektur vorgenommen werden. Man bezeichnet dieses Verfahren der1-Tor-Kalibration allgemein als 3-Term Fehlerkorrektur. Um eine hohe Genauigkeit zuerreichen, müssen die Reflexionsfaktoren der Standards im Smith-Diagramm möglichstweit voneinander entfernt sein. Die üblichen Kalibrationsverfahren unterscheiden sichdurch die verschiedenen Standards.

4.6. 2-TOR KALIBRATION - 15 -Abbildung 4.4: Lage der Standards im Smith ChartDie OSL-Kalibration ist die klassische 3-Term Fehlerkorrektur für Netzwerkanalysatoren.Sie verwendet als Standards:-einen Leerlauf (open)-einen Kurzschluss (short) und-einen angepassten Abschluss (load)4.6 2-Tor KalibrationDie 2-Tor Kalibration läuft nach dem gleichen Schema wie die 1-Tor Kalibration ab.Allerdings muss die OSL-Kalibration für jeden der beiden Ports durchgeführt werdenund es sind noch zusätzliche Transmissionsmessungen nötig. Bei der Transmissionskalibrationwerden die eingespeiste, die reflektierte und die transmittierte Welle in VorundRückwärtsrichtung ausgewertet. Des Weiteren werden einige Übersprechterme vernachlässigtund man erhält somit das sogenannte 12-Term-Fehlermodell. Auf diesesModell soll hier jedoch nicht weiter eingegangen werden. (Siehe Buch: Mikrowellenmesstechnikvon Thumm, Wiesbeck und Kern).

5 Vorbereitende AufgabeIm folgenden Bild ist eine vereinfachte Übertragungsstrecke dargestellt. G S und G E sindhierbei die Gewinne von Sende- bzw. Empfangsantenne, P S ist die Sendeleistung, P Eist die empfangene Leistung, d beschreibt den Abstand zwischen den beiden Antennenund r bezeichnet den Reflexionsfaktor.SenderU HrdrU HU REmpfängerP SG SU RAbbildung 5.1: Modell einer ÜbertragungsstreckeG EP EFür Polarisationsanpassung und optimale Anpassung der Antennen resultiert in diesemFall die bekannte Gleichung für die Freiraumübertragung. Die empfangene Leistungberechnet sich dann zu( ) 2 λ0P E = P S G S G E (5.1)4πd1. Geben Sie die Gleichung für die Empfangsleistung an für den Fall, dass die Antennenfehlangepasst sind! Die Reflexionsfaktoren von Sende- und Empfangsantenneseien hierbei identisch. (Hinweis: Der Reflexionsfaktor r ist definiert als dasVerhältnis von rücklaufender zu hinlaufender Spannung, d.h. r = U RU H.)Gehen Sie bei der Berechung schrittweise vor:• Welche Leistung wird an der Sendeantenne zum Sender hin zurückreflektiert?• Welcher Anteil der Sendeleistung wird von der Sendeantenne abgestrahlt?• Welcher Anteil der von der Empfangsantenne empfangenen Leistung wird anden Empfänger abgegeben?2. In Bild 5.2 sehen Sie den Eingangsreflexionsfaktor S 11 einer Antenne. Skizzieren Siein dieses Bild (qualitativ !) den Verlauf des Transmissionsfaktors S 21 = 10 lg P EPS!(Nichts rechnen !!)3. Ab welchem Abstand befindet man sich im Fernfeld einer Antenne? (Näherungsformel)4. Berechnen Sie diesen Abstand für einen Dipol der Länge 7, 2 cm bei einer Frequenzvon 2 GHz !16

- 17 -S11 in dB0−2−4−6−8−10−12−14−16−181.5 2 2.5Frequenz in GHzAbbildung 5.2: Eingangsreflexionsfaktor einer Antenne

6 Versuch6.1 VorbemerkungNetzwerkanalysatoren gehören zu den leistungsfähigsten und damit auch zu den teuerstenMessgeräten der Hochfrequenztechnik (ca. 200000 Euro). Daher sollten sie mitäusserster Vorsicht behandelt werden. Sie können den NWA nicht durch Drücken einerfalschen Taste beschädigen, müssen aber trotzdem sehr sorgfältig damit umgehen. Insbesonderedie Anschlussbuchsen dürfen beim Anschrauben der Kabel nicht beschädigtwerden. Hierzu muß immer ein Drehmomentschlüssel benutzt werden. (Beim Knackendes Schlüssels aufhören zu drehen !). Um eine Beschädigung des NWA durch statischeEntladungen zu vermeiden, muss die Person, die am NWA arbeitet, immer geerdet sein.Deswegen muss das Armband getragen werden.Die Antennen, die Sie verwenden werden, sind sehr aufwendig in ihrer Herstellung.Reissen Sie also nicht an den Antennen herum und seien Sie vorsichtig, wenn Sie dieAntennenarme austauschen. Die feinen Gewinde sind sehr empfindlich.Bei Problemen oder eventuellen Beschädigungen sprechen Sie Ihren Betreuer an, bevorSie mit dem Versuch fortfahren.6.2 Messungen am Dipol1. Führen Sie eine 2-Tor Kalibration mit einer Auflösung von 401 Punkten in einemFrequenzbereich von 600 MHz bis 1800 MHz durch und speichern Sie diese unterIhrem Namen ab. Vorgehensweise:• Erdungsband an das Handgelenk anlegen• Frequenzbereich festlegen:a) Startfrequenz: Start drücken und mit Ziffernblock Frequenz mit Einheiteingeben.b) Stopfrequenz: Stop drücken und mit Ziffernblock Frequenz mit Einheiteingeben.• Auflösung einstellen: Sweep Setup drücken und mit Softkey F2 (=Points)auswählen. Mit dem Ziffernblock die gewünschte Auflösung eingeben undmit Enter bestätigen.• Kalibration: Cal drückena) mit Softkey F1 Calibration Wizard auswählenb) mit der Maus Use Mechanical Standards bei Unguided Calibration auswählen18

6.2. MESSUNGEN AM DIPOL - 19 -c) Full SOLT 2-Port(1,2) auswählen, darauf achten, dass ’Have 2 sets ofstds’ nicht markiert ist mit Next fortfahrend) entsprechende Kalibrationsstandards anbringen und durch anklicken bestätigene) bei Auswahl von Load die Lowband-Load anklickenf) beide Ports mit Hilfe des Adapters (weiblich-weiblich) verbinden undthru messeng) Wenn alle Standards angeschlossen wurden, mit Next und Finish dieKalibration abschließen• Überprüfen der Kalibration im Smith-Chart (Smith-Diagramm): Format drückena) mit Softkey F2 Smithchart auswählenb) Standards an Port 1 anschliessen und überprüfen, ob der Messwert ander vorgesehenen Stelle im Smith-Chart liegt.2. Vermessen des Dipols:• Wählen Sie die gewünschte Darstellungsart (in diesem Fall den Betrag desReflexionsfaktors). Hierzu drücken Sie Format und wählen Log Mag.• Schließen Sie nun den Dipol an (verwenden Sie die mit Standard bezeichnetenArme)Aufgabe 1:a) Bestimmen Sie die Resonanzfrequenz des Dipols und zeichnen Sie den Verlaufdes Reflexionsfaktors (in dB). Sie können mit Marker einen Zeiger setzen,welcher sich mit dem Rad entlang der Kurve bewegen lässt.b) Schrauben Sie nun die verschieden langen Dipolarme an und halten Sie diejeweilige Resonanzfrequenz in einer Tabelle fest.c) Tragen Sie die Resonanzwellenlänge als Funktion der Dipollänge in einemDiagramm auf.d) Machen Sie einen Vorschlag, wie Sie mit mehreren Armen eine breitbandigeAntenne realisieren könnten.Im Folgenden soll die Breitbandigkeit eines Dipols untersucht werden. Um einehöhere Genauigkeit zu erhalten, verkleinern wir die Bandbreite unserer Messungund wählen eine andere Skalierung.• Kalibrieren Sie (wie in Aufgabe 1: Frequenzbereich festlegen, kalibrieren)hierzu den Netzwerkanalysator so, dass die Bandbreite 50 Prozent der Resonanzfrequenzdes Dipols mit Standard Armen (Wert aus Aufgabe 1) beträgtund die Resonanzfrequenz in der Mitte liegt• Darstellungsart mit Format und Log Mag festlegen

- 20 - KAPITEL 6. VERSUCH• Zum Ändern der Skalierung drücken Sie Scale und verändern den Wert auf5dB/div mit den Zifferntasten ein iund bestätigen Sie mit EnterAufgabe 2:a) Schrauben Sie die verschieden dicken Dipolarme gleicher Länge an den Dipol.Bestimmen Sie jeweils die 10 dB Bandbreite (Erklärung siehe unten) und dieResonanzfrequenz des Dipols.b) Zeichnen Sie ein Diagramm, in dem Sie die 10 dB Bandbreite über der Dickedes Dipolarmes auftragen.c) Zeichnen Sie ein Diagramm, in dem Sie die Resonanzwellenlänge über derDicke des Dipolarmes auftragen.d) Interpretieren Sie obige Diagrammee) Schließen Sie nun die Kegel als Dipolarme an. Was stellen Sie fest in Bezugauf den Reflexionsfaktor und die Breitbandigkeit der Antenne?Anmerkung zur 10 dB Bandbreite:Die 10 dB Bandbreite einer Antenne ist die Bandbreite, bei der der Reflexionsfaktor−10 dB beträgt. Zur Bestimmung der 10 dB Bandbreite mit dem Netzwerkanalysatorverwendet man zwei Marker welche genau an den Stellen plaziert werden,wo die Refexionsfaktorkurve die −10 dB Linie schneidet. Der Abstand der beidenMarker gibt die Bandbreite an. Vorgehensweise:Scale drücken und mit F3 Referenzlevel auswählen. Mit der großen Tastatur(!!!)−10 dB einstellenMarker drückena) mit Softkey F1 Marker 1 auswählen und den Marker 1 mit dem Rad amersten Schnittpunkt mit der −10 dB Linie platzieremb) mit Softkey F2 auswählen und den Marker 2 mit dem Rad am zweitenSchnittpunkt mit der −10 dB Linie plazieren. Aus der Differenz der beidenMarker ergibt sich die −10 dB Bandbreite6.3 Messungen am MonopolIn diesem Abschnitt soll ein Monopol belastet (mit kleiner Scheibe), wie auch unbelastetvermessen werden. Behalten Sie für diesen Versuch die Kalibration aus obiger Aufgabebei. In diesem Abschnitt soll zuerst das electrical delay korrigiert werden.Vorgehensweise:• Schließen Sie den Monopol an• Format drücken und Smith-Chart auswählen

6.4. MESSUNGEN MIT MEHREREN DIPOLEN - 21 -• Der neue Referenzpunkt ist jetzt nicht mehr der Anschluss der Antenne (was fürdie bisherigen Messungen genau genug war), sondern der tatsächliche Fußpunktder Antenne, also die Stelle, an der der Monopol an der Metallplatte beginnt. Siemüssen das Electrical Delay derart einstellen, dass genau die Leitungslänge zwischenFußpunkt der Antennen und ihrem Anschluss übersprungen wird. Gehen Siewie folgt vor: Messobjekt am neuen Referenzpunkt kurzschließen (Monopolarmmit Groundplane (Metallplatte) am Fusspunkt verbinden, z.B. indem Sie einender Arme des Dipols nehmen und damit den Monopolfußpunkt und die Metallplatteverbinden). Wenn Sie das Smithchart betrachten, stellen sie fest, dass derKurzschluss nicht im Kurzschlusspunkt des Smithcharts liegt (Phasenverschiebungdurch Leitungslänge l), d.h. Sie können jetzt sehen, wie groß der Fehler aufgrunddes falschen Referenzpunktes ist. Dies soll im Folgenden korrigiert werden.• Mit der Maus Calibration → Port Extensions auswählen• Port Extensions markieren und mit der Maus in das Feld bei Port 1 klicken• Messobjekt am Referenzpunkt kurzschliessen und mittels des Rades den ElectricalDelay solange verändern, bis der Kurzschluss auch wirklich im Kurzschlusspunktdes Smithdiagramms erscheint.Aufgabe 3:1. Wie groß ist das electrical delay?2. Bestimmen Sie Resonanzfrequenz und 10 dB Bandbreite mit und ohne Belastung.Begründen Sie die Änderungen!6.4 Messungen mit mehreren DipolenIn diesem Abschnitt soll der gegenseitige Einfluss zweier Dipole aufeinander untersuchtwerden. Die Dipole können auf der PVC-Schiene in verschiedenen Abständen zueinanderangebracht werden.Zunächst werden hierfür die beiden Semirigid-Leitungen an den Ports angeschlossen undin einem Frequenzbereich von 1500 MHz bis 2500 MHz kalibriert.Aufgabe 4:1. Stellen Sie zwischen den beiden Dipolen einen Abstand von 30 cm ein und stellenSie den Verlauf des Reflexionsfaktors S 11 und des Transmissionsfaktors S 21in einem gemeinsamen Schaubild dar. Die gewünschten Messparameter kann mitMeasure und den entsprechenden Softkey-Tasten ausgewählt werden. VergleichenSie das Diagramm mit der vorbereitenden Aufgabe und begründen Sie den Kurvenverlauf.2. Bestimmen Sie die Reflexionsfaktoren S 11 und S 22 der beiden Dipole sowie denTransmissionsfaktor S 21 bei einer Frequenz von f = 2 GHz als Funktion des Abstandes(0.5 cm, 1 cm, 3 cm, 5 cm, 7.5 cm, 10 cm, 20 cm, 30 cm, 40 cm) zwischen den

- 22 - KAPITEL 6. VERSUCHbeiden Dipolen. Tragen Sie die ermittelten Werte in die Tabelle ein und stellenSie den Kurvenverlauf graphisch in einem gemeinsamen Schaubild dar.3. Ab welchem Abstand kann man die gegenseitige Beeinflussung der gleich ausgerichtetenDipole vernachlässigen? Vergleichen Sie diesen Abstand mit der Fernfeldnäherung,die Sie in der vorbereitenden Aufgabe ermittelt haben!4. Verdrehen Sie nun einen Dipol um 90 Grad und bestimmen Sie erneut die ReflexionsundTransmissionsfaktoren wie in der Aufgabe zuvor und tragen Sie die Werte inein Diagramm ein. Vergleichen Sie den Kurvenverlauf mit dem der vorigen Aufgabe!Begründen Sie die unterschiedlichen Verläufe!5. Was muss, ausgehend von den Beobachtungen die Sie in diesem Versuch gemachthaben, beachtet werden, wenn man mehrere Antennen z.B. in ein Mobiltelefonintegrieren möchte ?