Freese, Jens (2008)
Untersuchung von Gruppenantennen für den Einsatz in aktiven Antennensystemen.
Technische Universität Darmstadt
Dissertation, Erstveröffentlichung

Kurzbeschreibung (Abstract)

In drahtlosen Übertragungs- und Sensorsystemen kommt dem verwendeten Antennensystem eine Schlüsselrolle zu. Werden bei einer Gruppenantenne die Signale aller Gruppenelemente parallel einer digitalen Signalverarbeitung zugeführt, wird die Anordnung als aktives Antennensystem bezeichnet. Durch die Kombination solcher Antennensysteme mit entsprechenden Verfahren der Signalverarbeitung ist eine nennenswerte Steigerung der Leistungsfähigkeit drahtloser Übertragungs- und Sensorsysteme möglich. Die Betrachtung des Einflusses der gewählten Gruppenkonfiguration, d.h. der verwendeten Strahlerelemente und deren Anordnung innerhalb der Gruppe, auf die Eigenschaften eines aktiven Antennensystems steht im Mittelpunkt dieser Arbeit. Durch die parallele Ausführung der Signalpfade vom Antennenelement bis zur digitalen Weiterverarbeitung entsteht ein unmittelbarer Zusammenhang zwischen der verwendeten Antennengruppe und dem Vorgehen bei der Signalauswertung sowie den damit erreichbaren Ergebnissen. Ausgehend von der Suche nach optimalen Antennenkonfigurationen für spezielle Anwendungen entstehen Lösungsansätze aus der Antennen- und der Signaltheorie. Die vorliegende Arbeit liefert Beiträge zu beiden Themengebieten und darüber hinaus zu der bisher nur relativ wenig beachteten Schnittstelle dieser Themengebiete. Der Schwerpunkt der ersten Hälfte der Arbeit liegt in der analytischen Betrachtung allgemeiner Gruppenkonfigurationen. Nach der Einführung einer systemtheoretischen Formulierung für allgemeine Gruppenantennen, werden Kenngrößen zur quantitativen Erfassung des Sichtbereiches und der Richtungsauflösung abgeleitet, die den systematischen Vergleich von Gruppenkonfigurationen in aktiven Antennensystemen ermöglichen. Weiterhin werden Wege zur Vorverarbeitung der Sensorsignale, z.B. zur Kompensation von Fehlern in realen Antennensystemen, betrachtet. Der zweite Teil der Arbeit kombiniert die allgemeingültigen Ergebnisse der analytischen Betrachtungen mit Methoden zur Synthese der Strahlerelemente für den Entwurf von drei speziellen Antennensystemen. Im ersten Fall steht die Nutzung einer Kreisgruppe aus Monopolen für Funkkanalmessungen im Vordergrund. Der Schwerpunkt liegt dabei auf der Kalibrierung der Antenne und der Untersuchung verschiedener Verfahren zur effizienten Schätzung relevanter Kanalparameter. Für das zweite untersuchte Antennensystem ist ein sehr breiter Sichtbereich gefordert, während im dritten Fall ein gezielt eingeschränkter Winkelbereich abzudecken ist. Da beide Antennengruppen mit Blick auf eine Anwendung in kommerziellen Sensor- und Übertragungssystemen konzipiert werden, erfolgt die Realisierung in der kostengünstigen Mikrostreifenleitungstechnik. In beiden Fällen werden für die Synthese speziell entwickelte Modelle angewendet, um die Verwendung von zeitintensiven Feldsimulationen zu umgehen. Abschließend erfolgt die Evaluation von Verfahren zur Kalibrierung und Richtungsschätzung, die jeweils den Eigenschaften der entsprechenden Antennengruppe Rechnung tragen. Die Ergebnisse der eingeführten integralen Betrachtung von relevanten Themen aus der Signal- und der Antennentheorie für den Entwurf aktiver Antennensysteme können auf der gesamten thematischen Breite eine Unterstützung bei der Festlegung optimaler Gruppenkonfigurationen für solche Systeme bieten.

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