Diplomarbeit -...

H F T

DiplomarbeitUntersuchungen zur automatisierbaren

Kalibrierung eines 4x4 Antennensendermoduls

cand. ing. Dinh Trung Tran

Universitat Duisburg-Essen - Hochfrequenztechnik

Prof. Dr.-Ing. K. Solbach, Dipl. Ing. O. Litschke

29.03.2006 – p. 1/41

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Überblick

1. Einleitung

2. Vorstellung des zu optimierenden Antennensystems

3. Hardwareoptimierung

4. Kalibrierung der Gruppenantenne

5. Zusammenfassung

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Überblick

Einleitung

Vorstellung des zu optimierenden Antennensystem

Kalibrierung der Gruppenantenne

Zusammenfassung

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Einleitung

Bedarf an breitbandiger Datenkommunikation

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Einleitung


Problem der endlichen Übertragungskapazität

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Einleitung



Keine Kapazitätsteigerung durchMehrfachzugriffsverfahren TDMA, FDMA, CDMA

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Einleitung




Erhöhung der Kapazität durch wiederverwendbareFrequenzbände⇒ Interferenzproblematik

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Einleitung




Erhöhung der Kapazität durch wiederverwendbareFrequenzbände⇒ Interferenzproblematik

Lösung

⇒ Steuerbare Gruppenantennen

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Einleitung

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Einleitung

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EinleitungAufgabe

MomentanFörderprojekt SANTANAeines 4x4 Antennensendermoduls bei 30GHz

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EinleitungAufgabe


Digital Beamforming, volle elektrischeSchwenkbarkeit

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EinleitungAufgabe



Zum optimalen Betrieb des Antennensystemserforderlich:

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EinleitungAufgabe




1. ⇒Optimierung der Kalibriersonden

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EinleitungAufgabe




1. ⇒Optimierung der Kalibriersondenderen Netzwerke

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EinleitungAufgabe




1. ⇒Optimierung der Kalibriersondenderen Netzwerke

2. ⇒ exakteKalibrierungsverfahren

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Überblick

Einleitung

Vorstellung des zu optimierenden Antennensystems

Hardwareoptimierung


Zusammenfassung

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Vorstellung deszu optimierenden Antennensystems

29.03.2006 – p. 8/41

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Modularer Aufbau, LTCC(Low Temperature Co-firedCeramic)-Struktur.

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29.03.2006 – p. 9/41

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Verwendung von zirkular polarisierten Wellen.Weitere Verbesserung der Polarisation durch zylischeRotation., Frequenz 29.5-30.0GHz 29.03.2006 – p. 9/41

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Projekt SANTANAEinzelelement

Aufbau des Einzelelementes

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Patch mit den diagonalen 180° PhasenverschobenenSonden(Gelb)

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3D Darstellung der Sondenleitung einesAntennenelements.

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Darstellung des gesamten Kalibriernetzwerks 4x4Antennenarray

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Überblick

Einleitung


Hardwareoptimierung


Zusammenfassung

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Überblick

Einleitung


HardwareoptimierungKalibriersondenoptimierung


Zusammenfassung

29.03.2006 – p. 13/41

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Überblick

Einleitung


HardwareoptimierungKalibriersondenoptimierungKalibriernetzwerkoptimierung


Zusammenfassung

29.03.2006 – p. 13/41

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HardwareoptimierungSondenoptimierung

Seitenansicht des Sondensimulationsmodells.

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Ziel:

Gleichmäßige Leistungsaufnahme der beiden Sonden.

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Ziel:


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Ziel:


Toleranzunempfindlichkeit.29.03.2006 – p. 15/41

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Optimierung entlangt der Diagonale des Patches

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Veränderung der Sondendurchmesser

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Toleranz: Verschiebung in x-Richtung

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Toleranz: Verschiebung in y-Richtung

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Toleranz: Verschiebung in y-Richtung

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Vergleich zwischen dem Optimierungsmodell(links) und dem Ausgangsmodellen(rechts):

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Überblick

Einleitung




Zusammenfassung

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Überblick

Einleitung



Optimierung des T-Netzwerkes


Zusammenfassung

29.03.2006 – p. 16/41

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Überblick

Einleitung



Optimierung des T-NetzwerkesOptimierung der Verbindungsnetzwerke


Zusammenfassung

29.03.2006 – p. 16/41

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HardwareoptimierungT-Netzwerkoptimierung

Ziel:Länge jeder Kalibrierleitung und Verzweigung n xλ

2

.(n∈N)

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S-Parameter im Smith-Chart

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HardwareoptimierungT-Netzwerkoptimierung - Animation

0°

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30°

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60°

29.03.2006 – p. 18/41

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90°

29.03.2006 – p. 18/41

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120°

29.03.2006 – p. 18/41

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150°

29.03.2006 – p. 18/41

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180°

29.03.2006 – p. 18/41

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210°

29.03.2006 – p. 18/41

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240°

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270°

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Hardwareoptimierung

S-Parameter-Vergleich zwischen den ursprunglichen-und optimierten Antennenelementen mit T-Netzwerk

2 2.5 3 3.5 4

x 1010

−40

−30

−20

−10

0

Frequenz in Hz

S11

und

S91

in d

B

S11

vom Modifizierten S

11vom Ausgangsmodell

S91

vom ModifiziertenS

91vom Ausgangsmodell

Opt.S11

Opt.S91

(Sonde)

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Überblick

Einleitung



Optimierung des T-NetzwerkesOptimierung der Verbindungsnetzwerke


Zusammenfassung

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Hardwareoptimierung

Leitung berechnenbar wie Triplate-Leitung

ZF−Triplate =√

L∗

C∗= 1

C∗vp

Verbindungsnetzwerk eines 4x4 Arrays29.03.2006 – p. 21/41

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HardwareoptimierungKalibriernetzwerkoptimierung

Reflexions21

0.2

0.5

1.0

2.0

5.0

+0.2

−0.2

+0.5

−0.5

+1.0

−1.0

+2.0

−2.0

+5.0

−5.0

0.0 ∞

fres

=29.88GHz

f

s21von der 1.Leitungsmodell

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Reflexions21

0.2

0.5

1.0

2.0

5.0

+0.2

−0.2

+0.5

−0.5

+1.0

−1.0

+2.0

−2.0

+5.0

−5.0

0.0 ∞

f

fres

=29.81GHz

f=25GHz

f=35GHz


29.03.2006 – p. 22/41

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Reflexions210.

2

0.5

1.0

2.0

5.0

+0.2

−0.2

+0.5

−0.5

+1.0

−1.0

+2.0

−2.0

+5.0

−5.0

0.0 ∞

f

fres

=29.99GHz


29.03.2006 – p. 22/41

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HardwareoptimierungReflektion der T-Verzweigung

2 2.5 3 3.5 4

x 1010

−40

−30

−20

−10

0

Frequenz in Hz

S9

9 und

S9

n in d

B

S−Parameter S9 9

und S9 n

vom Port9, mit n=1..4

S9 9

unter Generator von 25Ohm

bis 200Ohm , Step 25Ohm

S9 n

unter verschiedenen

Generatorimpedanzvon 25Ohm bis 200Ohm, Step 25Ohm

Das S-Parameter der T-Verzweigung

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Hardwareoptimierung

Diskussion

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Hardwareoptimierung

Diskussion

Optimierung durch einen laborüblicher PC zumEinsatz

29.03.2006 – p. 24/41

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Hardwareoptimierung

Diskussion


Zentrale Bedeutung für eine erfolgreiche Kalibrierunghat die Kalibriersonde.

29.03.2006 – p. 24/41

H F T

Hardwareoptimierung

Diskussion



Wichtigstes Ergebnis dieses Kapitels ist dieOptimierung der Position und des Durchmessers derKalibriersonden.

29.03.2006 – p. 24/41

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Hardwareoptimierung

Diskussion



Wichtigstes Ergebnis dieses Kapitels ist dieOptimierung der Position und des Durchmessers derKalibriersonden.

Die Bandbreite der Antenne wird etwas vergrößertdurch die entsprechende Optimierung desKalibriernetzwerks

29.03.2006 – p. 24/41

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Überblick

Einleitung

Vorstellung des zu optimierten Antennensystem

Hardwareoptimierung

Kalibrierung von Gruppenantennen

Zusammenfassung

29.03.2006 – p. 25/41

H F T

Überblick

Einleitung


Hardwareoptimierung


Die reale Gruppenantenne

Zusammenfassung

29.03.2006 – p. 25/41

H F T

Überblick

Einleitung


Hardwareoptimierung


Die reale GruppenantenneKalibrierkonzept und Prinzip

Zusammenfassung

29.03.2006 – p. 25/41

H F T

Überblick

Einleitung


Hardwareoptimierung


Die reale GruppenantenneKalibrierkonzept und PrinzipKalibrieralgorithmus

Zusammenfassung

29.03.2006 – p. 25/41

H F T

Überblick

Einleitung


Hardwareoptimierung


Die reale GruppenantenneKalibrierkonzept und PrinzipKalibrieralgorithmusSimulationsergebnis in Matlab

Zusammenfassung

29.03.2006 – p. 25/41

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Überblick

Einleitung


Hardwareoptimierung



Zusammenfassung

29.03.2006 – p. 26/41

H F T

Überblick

Einleitung


Hardwareoptimierung


Die reale GruppenantenneVerformung der Apertur

Kalibrierkonzept und PrinzipKalibrieralgorithmusSimulationsergebnis in Matlab

Zusammenfassung

29.03.2006 – p. 26/41

H F T

Überblick

Einleitung


Hardwareoptimierung


Die reale GruppenantenneVerformung der AperturVerkopplung der Antennenelemente

Kalibrierkonzept und PrinzipKalibrieralgorithmusSimulationsergebnis in Matlab

Zusammenfassung29.03.2006 – p. 26/41

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Kalibrierung von GruppenantenneDie reale Gruppenantenne

Verformung der Apertur

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Durch die herstellungsbedingte Toleranz

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Durch temperaturbeeinflüsste Verformung derTrägermaterialen

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Durch temperaturbeeinflüsste Verformung derTrägermaterialen

G =

g1 0 . . . 0

0 g2 . . . 0... ... ... ...0 0 . . . gn.n

(1)

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Verkopplung der Antennenelemente

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29.03.2006 – p. 28/41

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K =

k11 k12 . . . k1n

k21 k22 . . . k2n... ... ... ...kn1 kn2 . . . knn

(2)

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Verkopplungsmodell mit 4 Antenenelemente29.03.2006 – p. 29/41

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2 2.5 3 3.5 4

x 1010

−60

−50

−40

−30

−20

−10

0

Frequenz in Hz

S11

,S91

,S92

,S93

,S94

in d

B

S11

vom Element 1

der Gruppe(rot)

S11

des Einzelelementes

S91

vom Element 1

der Gruppe( blau)

S91

eines

Einzelelementes (grün)

S92

S94

S93

S-Parameter Vergleich zwischen einem Einzelelementund einem Element 1 der Antennengruppe.

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Verkopplungsmodell mit 16 Antennenelemente

29.03.2006 – p. 30/41

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2 2.5 3 3.5 4

x 1010

−40

−30

−20

−10

0

Frequenz in Hz

S in

dB

Vergleich S−Parameter zwischen dem Einzelelement und dem Element01 von der Gruppe

S11 11

von der GruppeS

12 12S

13 11S

13 12S

14 11S

14 12S

11 11von dem Einzeln

S12 12

S13 11

S13 12

S14 11

S14 12

Resonanz−SParameter

Sonden−SParameter

Vergleich der S-Parameter des Ele-mentes 1

29.03.2006 – p. 31/41

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2 2.5 3 3.5 4

x 1010

−40

−30

−20

−10

0

Frequenz in Hz

S in

dB


S11 11

von der GruppeS

12 12S

13 11S

13 12S

14 11S

14 12S


S12 12

S13 11

S13 12

S14 11

S14 12

Resonanz−S−Parameter

Sonden−S−Parameter


29.03.2006 – p. 31/41

H F T


2 2.5 3 3.5 4

x 1010

−40

−30

−20

−10

0

Frequenz in Hz

S in

dB


S11 11

von der GruppeS

12 12S

13 11S

13 12S

14 11S

14 12S


S12 12

S13 11

S13 12

S14 11

S14 12

Resonanz−S−Parameter

Sonden− S−Parameter


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|Sp| arg(Sp)

Abbildung 1: Die Amplituden und Phasen des Transmissionsparameters |Sp|

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Geringe Verkopplungen⇒ Verkopplungsmatrix istdiagonale Matrix

K = diag(k1, k2, k3, ..., kn) zu vereinfachen.

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Überblick

Einleitung


Hardwareoptimierung



Zusammenfassung und Ausblick

29.03.2006 – p. 32/41

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Kalibrierung von GruppenantenneKalibrierkonzept und Prinzip

Die Gruppenantenne mit den geringen Verkopplungenund dem Kalibriersummenausgangssignal.

Das Summensignal wird als Zeiger dargestellt.

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29.03.2006 – p. 33/41

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29.03.2006 – p. 33/41

H F T

Überblick

Einleitung


Hardwareoptimierung




29.03.2006 – p. 34/41

H F T

Überblick

Einleitung


Hardwareoptimierung



1. PhasenkalibrieralgorithmusSimulationsergebnis in Matlab


29.03.2006 – p. 34/41

H F T

Überblick

Einleitung


Hardwareoptimierung



1. Phasenkalibrieralgorithmus2. AmplitudenkalibrieralgorithmusSimulationsergebnis in Matlab

Zusammenfassung und Ausblick29.03.2006 – p. 34/41

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Kalibrierung von GruppenantenneKalibrieralgorithmus - Phasenkalibrieralgorithmus:

Schritt 1: Die Amplituden und Phasen von allenElementen auf gleiche Anfangsstellungen bringen.

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Schritt 2: Die Eingangsphase vom Element 1 um 180°gedreht.

29.03.2006 – p. 35/41

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Schritt 3: Der um 180° verdrehte Zeiger kann dannweiter vor-oder zurückgedreht werden, so dass die Längedes resultierenden Summenzeigers ein Minimumannimmt.

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Schritt 4: Der Phasenwinkel dieser zusätzlichen Drehungbis zum Eintreten des Minimums wird als Korrekturwertfür das betreffende Phasenstellgliedzwischengespeichert.

29.03.2006 – p. 35/41

H F T


Schritt 5: Wiederholen Schritt 1 bis Schritte 4 für alleandere Elemente mit entsprechendem Eingangsreglern.

29.03.2006 – p. 35/41

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Nach der Phasenkalibrierung werden alle Zeigerzunehmend parallel (gleiche Phase)und unterscheiden sich lediglich anhand der Länge l(Amplitude) (l1, l2, ...lN )⇒ Amplitudenkalibrieralgorithmus

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Kalibrierung von GruppenantenneKalibrieralgorithmus - Amplitudenkalibrieralgorithmus :

Schritt 1:Alle Phasenstellglieder werden um den jeweilsermittelten Korrekturwert verändert

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Schritt 2: Die KalibrierausgangXa vom Einzelelement 1wird ermittelt.

29.03.2006 – p. 37/41

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Schritt 2: Schritt 2 wird für alle andere Elemente mitentsprechendem Eingangsreglern wiederholt.

29.03.2006 – p. 37/41

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Aus den N Zeigerlängen lässt sich der Mittelwertµberechnen:

µ =1

N

N∑

k=1

lk (3)

29.03.2006 – p. 37/41

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Schritt 3: Mittels jeweiler Eingangsamplitudenreglerwird ein Element solange verändert, bis derKalibierausgangXa den Mittelwert erreicht wird.

29.03.2006 – p. 37/41

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Schritt 4: Schritt 3 wird für alle andere Elemente mitentsprechendem Eingangsreglern wiederholt.

29.03.2006 – p. 37/41

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Kalibrierung von GruppenantenneKalibrieralgorithmus - Simulationsergebnisse in Matlab:

Einzelkalibrierausgangsamplitudenverlauf|Xa| für 4Elemente 29.03.2006 – p. 38/41

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Einzelkalibrierausgangsphasenverlaufarg(Xa) für 4Elemente 29.03.2006 – p. 38/41

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 200.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

1.3

1.4

Iterationschritt

Die

Kal

ibrie

raus

gang

ampl

itude

von

|Xa|

Kalibrierausgangsamplitudenverlauf |Xa| einer 4x4 Antennenarray

Einzelkalibrierausgangsamplitudenverlauf|Xa| für 16Elemente 29.03.2006 – p. 38/41

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0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20−20

−15

−10

−5

0

5

10

15

Iterationschritt

Die

Kal

ibrie

raus

gang

spha

se a

rg(X

a)Kalibrierausgangsphasenverlauf arg(X

a) einer 4x4 Antennenarray

Einzelkalibrierausgangsphasenverlaufarg(Xa) für 16Elemente 29.03.2006 – p. 38/41

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Kalibrierung von Gruppenantenne

Diskussion

Die Kalibrierung konvergiert bereits nach einigenSchritten sehr gut. Dies gilt für die Phasen und nochschneller für die Amplituden

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H F T


Diskussion


Auf dem Ersatzschaltbild wurden die S-ParameterSp

des 4x4 Antennenmoduls gezeigt, die in denAlgorithmus integriert werden können.

29.03.2006 – p. 39/41

H F T


Diskussion


Auf dem Ersatzschaltbild wurden die S-ParameterSp

des 4x4 Antennenmoduls gezeigt, die in denAlgorithmus integriert werden können.

Diese Kalibrierung gilt für eine bestimmte Frequenz.Um eine Kallibrierung eines ganzen Frequenzbandeszu erreichen, können mehrere Kalibrierungen fürverschiedene Frequenzen innerhalb desFrequenzbandes durchgeführt werden.

29.03.2006 – p. 39/41

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Zusammenfassung

Die Untersuchung zur automatisierbaren Kalibrierungeines 4x4 Antennensendemoduls.

29.03.2006 – p. 40/41

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Zusammenfassung


Optimale Positionierung der Kalibriersonden undderen Durchmesser

29.03.2006 – p. 40/41

H F T

Zusammenfassung



Das entsprechende Netzwerk wurde an die neuenbesseren Sondenpositionen angepasst und optimiert.

29.03.2006 – p. 40/41

H F T

Zusammenfassung




Ein Kalibrierverfahren wurde aus der Literaturausgewählt und auf die Gruppenantenne adaptiert.

29.03.2006 – p. 40/41

H F T

Zusammenfassung





Das Kalibrieralgorithmus wurde bzgl. seinerKonvergenz analysiert und optimiert.

29.03.2006 – p. 40/41

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Zusammenfassung





Das Kalibrieralgorithmus wurde bzgl. seinerKonvergenz analysiert und optimiert.

Die Ergebnisse von Matlab haben gezeigt, das 4x4Antennenarray ist sehr gut zu kalibrieren.

29.03.2006 – p. 40/41

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Ende

Danke Ihnen für Ihre Aufmerksamkeit!

29.03.2006 – p. 41/41

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