Streuzentren-basierte Nahfeld-Fernfeld-Transformation für echobehaftete Umgebungen
Final Report Abstract
Im Rahmen des Projektes wurde ein sehr flexibeler Nahfeld-Fernfeld-Transformationsalgorithmus für die Nutzung in echobehafteten Messumgebungen entwickelt. Der Algorithmus lehnt sich an die „Multilevel Fast Multipole Methode“ (MLFMM) an, welche seit einigen Jahren für die effiziente Lösung von elektromagnetischen Feldproblemen genutzt wird. Die zu vermessende Antenne wird durch ein Ebene-Wellenspektrum und damit quasi direkt durch die in der Antennenmesstechnik gesuchte Fernfeldrichtcharakteristik beschrieben. Dieses Wellenspektrum kann durch diagonale Translationsoperatoren sehr effizient mit den gemessenen Sondensignalen an den einzelnen Messpunkten in Relation gesetzt werden. Dies ermöglicht einen Transformationsalgorithmus niedriger numerischer Komplexität welcher somit auch speziell für die Vermessung von großen Antennen und installierten Antennensystemen geeignet ist. Des Weiteren erlaubt das Verfahren die Korrektur des Einflusses von beliebigen Messsonden bei gleicher numerischer Komplexität. Dies ist besonders für sogenannte Sonden höherer Ordnung von Interesse, bei denen klassische Verfahren eine erhöhte Komplexität für die Feldtransformation aufweisen. Durch die integrale Formulierung der Problemstellung, welche nicht auf der Ausnutzung von Orthogonalitätsrelationen beruht, ist es möglich, die Antennenfelder auf beliebigen Messoberflächen aufzunehmen. Dies ist insbesondere bei der insitu Vermessung von größeren Testobjekten hilfreich. Mögliche Störobjekte sowie Mehrwegeausbreitungspfade werden durch sogenannte Streuzentren modelliert. Diese sind zusätzliche Quellen, welche im Zuge der Nahfeld-Fernfeld-Transformation neben der Richtcharakteristik der zu vermessenden Antenne bestimmt werden. Dadurch werden mögliche Echobeiträge im Messumfeld aufgenommen und eine störungsreduzierte Charakterisierung der Antenne wird ermöglicht. Es wurden Verfahren entwickelt, welche die Streuzentren für die Fälle mit Vorwissen, mit bedingtem Vorwissen und ohne Vorwissen über den Messaufbau positionieren. Der Vorteil der streuzentrenbasierten Echokompensation liegt in der Anwendbarkeit für monofrequente Messungen, den im Vergleich zu konventionellen Messungen unveränderten Messaufbau (keine zusätzliche Hardware notwendig) sowie in der nahezu unveränderten Messzeit (keine breitbandigen Messungen erforderlich). Des Weiteren wurde ausgehend von dem oben beschriebenen Nahfeld-Fernfeld-Transformationsalgorithmus ein Imagingverfahren entwickelt, welches zur Diagnose von Antennen herangezogen werden kann. In einer weiteren Ausprägung des Messverfahrens wird das aus den Feldwerten bestimmte Ebene-Wellenspektrum der Antenne auf eine äquivalente Stromverteilung umgerechnet. Dies ermöglicht weitergehende Anwendungen auf dem Gebiet der Antennendiagnostik bis hin zu sehr detaillierten Rekonstruktionen der Antennenanregung, falls entsprechende Modelle der Antenne verfügbar sind. In zukünftigen Arbeiten soll die Effizienz des Transformationsalgorithmus sowie der Streuzentrenbeschreibung von nichtidealen Messumgebungen noch erhöht werden, um damit weitere Anwendungsgebiete und neue Dimensionen von Problemgrößen zu erschließen. Neben konventionellen Messungen in Antennenmessräumen, bei denen das Verfahren z.B. eine nicht ausreichende Absorberausstattung kompensieren kann, liegt der Fokus zunehmend auch auf neuartigen und mobilen Anwendungen. Größere Testobjekte in Montagehallen, Flugzeuge auf Flughäfen sowie fest installierte Bodenstationsantennen können nicht in konventionelle Messräume verbracht werden und müssen unter den örtlichen Gegebenheiten insitu an Ort und Stelle vermessen werden. Hierbei sind naturgemäß Probleme durch Echos und Mehrwegeausbreitung zu erwarten, welche kompensiert werden müssen, um Ergebnisse mit hinreichender Genauigkeit zu erzielen. Des Weiteren sind Messund Transformationsverfahren von Nöten, welche durch ihre Flexibilität bei der Wahl der Messoberfläche und der Sondenantenne bzw. des Sondenarrays sowie durch eine geringe numerische Komplexität diese Art von Messung erst ermöglichen.
Publications
- Effiziente Nahfeldmesstechnik für große Antennen, beliebige Messoberflächen und echobehaftete Messumgebungen, Dissertation Universität Stuttgart, 2010
Carsten Schmidt
- Hybrid Fast Fourier Transform - Plane Wave Based Near-Field Far-Field Transformation for "Body of Revolution" Antenna Measurement Grids, Radio Science, 46, RS0E15
Carsten H. Schmidt, Tommi A. Laitinen, and Thomas F. Eibert
(See online at https://doi.org/10.1029/2010RS004640) - Inverse Equivalent Surface Current Method with Hierarchical Higher Order Basis Functions, Full Probe Correction and Multilevel Fast Multipole Acceleration, Progress In Electromagnetics Research, vol. 106, pp. 377-394, 2010
T. F. Eibert, Ismatullah, E. Kaliyaperumal and C. H. Schmidt
- Near-Field to Far-Field Transformation Utilising Multilevel Plane Wave Representation for Planar and Quasi-Planar Measurement Contours, IET Microwaves, Antennas & Propagation, vol. 4, no. 11, pp. 1829-1837, 2010
Carsten H. Schmidt and Thomas F. Eibert
- Analysis of 3-D Images Generated by Hierarchical Disaggregation, International Radar Symposium IRS2011, Leipzig, Germany, September 2011
Georg Schnattinger, Carsten H. Schmidt, and Thomas F. Eibert
- Assessment of Irregular Sampling Near-Field Far- Field Transformation Employing Plane Wave Field Representation, IEEE Antennas & Propagation Magazine, vol. 53, no. 3, pp. 213-219, 2011
Carsten H. Schmidt and Thomas F. Eibert
- Evaluation of Multilevel Plane Wave Based Near- Field Far-Field Transformation Employing Adaptive Field Translations, AMTA 2011, Englewood, USA, October 2011
Carsten H. Schmidt and Thomas F. Eibert
- Investigation of Full Probe Correction and Higher Order Expansion Functions in Multilevel Fast Multipole Accelerated Inverse Equivalent Current Method, 5th European Conference on Antennas and Propagation, Rome, Italy, April 2011
T.F. Eibert, C.H. Schmidt and Ismatullah
- Modeling of Unknown Echoic Measurement Facilities with Equivalent Scattering Centers, 6th European Conference on Antennas and Propagation, Prague, Czech Republic, March 2012
Kazeem A. Yinusa, Carsten H. Schmidt, and Thomas F. Eibert
