Antennenmesseinrichtung für sphärische Nahfeldmessungen zur Charakterisierung von Fahrzeugantennensystemen unter realistischen Betriebsbedingungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Zuge der globalen Entwicklung der Automobil- und Funktechnik in Richtung des automatisierten und kooperativen Fahrens gewinnt die funktechnische Vernetzung von Fahrzeugen untereinander und mit der Verkehrsinfrastruktur enorm an Bedeutung. Im modernen Fahrzeug spielen dabei viele Funkdienste eine Rolle, die einen sehr großen Frequenzbereich, derzeit von ca. 80 bis 6000 MHz, überstreichen, unter anderem Fahrzeug-zu-Fahrzeug Kommunikation (ITS-G5 u.a.), Mobilkommunikation (LTE-basiert), Satellitennavigation (GNSS), analoger sowie insbesonderer digitaler Hör- und Fernseh-Rundfunk. Jeder dieser Dienste benötigt für eine hohe Zuverlässigkeit eigene, auf ihn abgestimmte Kommunikationssysteme und Antennen, deren Funktionsweise im Einbauzustand und unter Berücksichtigung der Nahfeldbedingungen ausschlaggebend ist. Neben Designaspekten führt zunehmend auch der kunststoff- oder metallbasierte Leichtbau, zum Teil getrieben durch ökonomische Gesichtspunkte, zur immer tieferen Integration der Antennen in Fahrzeugkarosserie und Anbauteile wie z.B. Front- und Heckschürzen, Außenspiegel, Radkästen. Die Antennenmesseinrichtung wurde daher vielfältig eingesetzt, um die Richtcharakteristik von Fahrzeug- Antennen im Einbauzustand zu untersuchen. Ferner wurde die Funktion von in Kunststoffteilen integrierten Antennen an Fahrzeugen untersucht und mit Hilfe der aus den Messungen gewonnenen Erkenntnisse bzgl. Entwurf und Simulation auf relevante Anwendungen zugeschnitten. Dabei konnten auch für den KFZ-Bereich neuartige Formen von Antennen (z.B. durch Verwendung frequenzselektiver Oberflächen bzw. Metamaterialien) getestet werden. Des Weiteren wurden verteilte Gruppenantennen für eine robuste Satellitennavigation untersucht und mit Hilfe dieser Messungen wichtige Informationen für die auf den Richtdiagrammen aufbauende digitale Signalverarbeitung gewonnen. Schließlich widmete sich eine Reihe grundsätzlicher Untersuchungen der erreichbaren Messgenauigkeit, etwa bzgl. einer präzisen Lokalisierung des Phasenzentrums, des Einflusses von Verschiebungen zwischen Phasenzentrum und Zentrum des Antennenmessbogens, des Einflusses des aus konstruktiven Gründen nicht erfassbaren Elevationswinkelbereichs, der Nahfeld-Fernfeldtransformation für eine Vielzahl verschiedener Typen und elektrischer Größen der untersuchten Antennensysteme, sowie des Vergleichs mit anderen Einrichtungen, die die Charakterisierung von Fahrzeugantennen ermöglichen (z.B. Gantry-Systeme). Ein weiterer Einsatzbereich erschloss sich aus dem Wunsch, konventionelle Testfahrten zur Absicherung einer funktionalen Sicherheit durch ein virtuelles Äquivalent zu ersetzen. Die dafür relevanten Faktoren liegen in einem deutlich geringeren logistischen Aufwand und reduzierten Kosten, höherer Reproduzierbarkeit der zu testenden Szenarien und Unabhängigkeit von Umwelteinflüssen, sowie besseren Möglichkeiten, unwahrscheinliche, aber kritische Szenarien wie zum Beispiel Unfälle zu überprüfen. Für solche Tests ist eine präzise Beschreibung des Messobjektes und damit der Antennen nötig. Die Antennenmesseinrichtung liefert die für solche Einsatzzwecke nötige Charakterisierung der Antennen. Anhand dieser Daten wurde die Funkkommunikation innerhalb einer Laborumgebung anschließend virtualisiert und ihre Vergleichbarkeit mit der realen Kommunikation gezeigt. Außerdem wurde durch Vergleichsmessungen gezeigt, dass die Ergebnisse der Antennenmesseinrichtung mit einer anderen Messeinrichtung für Fahrzeugantennen vergleichbar sind. Aus diesen Messungen wurde weiterhin abgeleitet, dass der Einfluss des tatsächlichen Straßenbelags und -untergrunds, der in den Einrichtungen nicht exakt nachgestellt werden kann, je nach Antennentyp variiert. In Zukunft ist daher geplant, durch innovative Hardware- und Software-Maßnahmen realitätsnähere Daten aus den Messungen zu gewinnen und Verfahren der Co-Simulation voranzutreiben.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Antenna Configurations for Over-the-air Testing of Wireless Automotive Communication Systems. EuCAP 2016
Frank Wollenschläger, Philipp Berlt, Christian Bornkessel, Matthias A. Hein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/EuCAP.2016.7481604) - Cluster-Based Radio Channel Emulation for Over-the-Air Testing of Automotive Wireless Systems. EuCAP 2017
Philipp Berlt, Frank Wollenschläger, Christian Bornkessel, Matthias A. Hein
(Siehe online unter https://doi.org/10.23919/Eu-CAP.2017.7928399) - Design Approach Towards Automotive FM Broadcast Antennas Based on Characteristic Modes. IEEE-APWC 2017
A. Asgharzadeh, J. Singh, P. Hofmann, G. Reichert, M. A. Hein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/APWC.2017.8062240) - Conformal Automotive Roof-Top Antenna Cavity With Increased Coverage to Vulnerable Road Users. IEEE Antennas and Wireless Propagation Letters (Volume: 17, Issue: 12, Dec. 2018)
Gerald Artner, Wim Kotterman, Giovanni Del Galdo, Matthias A. Hein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/LAWP.2018.2876628) - Influence of antenna mounting location on the radiation pattern of an automotive antenna. 12th European Conference on Antennas and Propagation (Eu- CAP 2018)
Muhammad Ehtisham Asghar, Frank Wollenschläger, Aidin Asgharzadeh, Jasmeet Singh, Matthias A. Hein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1049/cp.2018.1000) - Metal Chassis Tolerant Conformal High Impedance Surface Based LTE-2600 Automotive Antenna. 2018 IEEE MTT-S International Conference on Microwaves for Intelligent Mobility (ICMIM)
Jasmeet Singh, Kazi Shafiqul Alam, Ralf Stephan, Matthias A. Hein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/ICMIM.2018.8443545) - Performance of GNSS Beamforming Algorithms using Distributed Sub-arrays in Automotive Applications. ION GNSS+ 2018
Brachvogel, Marius, Niestroj, Michael, Zorn, Soeren, Meurer, Michael, Hasnain, Syed N., Stephan, Ralf, Hein, Matthias A.
(Siehe online unter https://doi.org/10.33012/2018.15877) - Precision phase measurements of automotive antennas for localization in anechoic chambers. 12th European Conference on Antennas and Propagation (Eu- CAP 2018)
Frank Wollenschläger, Syed Naser Hasnain, Christian Bornkessel, Matthias A. Hein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1049/cp.2018.0716) - Reliable Derivation of Automotive Antenna Gain Patterns from LTE Communication Parameters. 2018 IEEE 87th Vehicular Technology Conference (VTC Spring 2018)
Philipp Berlt, Frank Wollenschläger, Christian Bornkessel, Matthias A. Hein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/VTCSpring.2018.8417494) - Automotive Antenna Roof for Cooperative Connected Driving. IEEE Access 2019
Gerald Artner, Wim Kotterman, Giovanni Del Galdo, Matthias A. Hein
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/AC-CESS.2019.2897219)
