Labor für Mikrowellentechnik

Das Labor Mikrowellentechnik gehört zu den nachrichtentechnischen Laboren der Fakultät Elektrotechnik.

Ein Rückstreu-Radar: Blick auf die X-Band-Hohlleiter-Anlage mit PC-Steuerung
Erstellen der Musterlösung für eine alte TET-Prüfung; Rechnen mit Studentinnen im Labor

Labor: Raum 1.0.31

Praktika

Messtechnik und Übertragung (beide BET):

Aus den Praktika der Nachrichtentechnik werden folgende Versuche erstellt bzw. weiterentwickelt:

  • Messungen an einer Satellitenempfangsanlage
  • Mikrowelle I (Grundlagen, Komponenten in X-Band-Hohlleiter-Technik)
  • Network Analyzer (Bauelemente R-L-C, Schwingkreis, Verstärker, Leitungen)
  • Mikrowelle II (Radar-Rückstreu-Querschnitte: Quader, Zylinder, Kegel, Triklin, Ogive)
  • Messung von S-Parametern (Leistungsteiler, Dämpfungsglieder, LNA-Verstärker)
  • Mikrowelle III (Radar-Rückstreu-Querschnitte von Kugeln; Bereiche Rayleigh, Mie, optisch)

Vorlesungen

Theoretische Elektrotechnik, Modellierung und Simulation (BET):

Die Vorlesung umfasst ein Demonstrationsprogramm der Leitungstheorie, welches momentan im Labor weiterentwickelt wird.

Methoden der HF-Elektronik (BET):

Die Vorlesung beinhaltet praktische Übungen mit dem Smith-Diagramm sowie zur S-Parameter-Messung am Network Analyzer (und per PC) im Labor.

Wellenleiter und Antennen (MET):

Die Vorlesung benötigt Demonstrations-Objekte (diverse Antennen, Richtkoppler, Isolatoren) und Demo-Programme (2d- und 3D-Richtdiagramme) aus dem Labor.

Radartechnik I und II (MET):

Die Vorlesung beinhaltet Demonstrationen am Labor-Radar (Rückstreuung diverser Elementar-Objekte, Rayleigh-, Mie- und optische Streuung an Kugeln).

Messung von Radar-Rückstreu-Querschnitten in einer Absorber-Kammer

Rückstreu-Querschnitt eines Quaders: Oben rechts Vergleich zwischen UTD-Programm und Messung; ausgezeichnete Übereinstimmung (bis auf die Total-Reflexion; zu nahe bei Messung?); Oben Mitte Vergleiche zwischen CW- und Nanosekunden-Puls-Messungen
UTD-Programm: Kriechstrahlen am Ellipsoid aus Geodaten und Sichträndern ermitteln. Das liefert die Feldstärken im klassischen "Schatten-Gebiet"

Um Aspekte der Radartechnik messen, verstehen und vergleichen zu können, werden im nachrich­ten­technischen Labor seit über 25 Jahren monostatische Rückstreu-Radars im Eigenbau entwickelt und betrieben. Hauptziele der Anlagen sind:

  • Objektiver Vergleich von Messungen und Berechnungen für Radar-Echos; auch CW/Puls
  • Reproduzierbarkeit der Messergebnisse; Kalibrationen
  • Testen der Entfernungs-Abhängigkeit bei verschiedenen Objekten; Fernfeld-Bedingungen
  • Empfindlichkeit von LNA, LNB, Sensoren; Hintergrund- bzw. Eigenrauschen bestimmen
  • Messung in Echtzeit auch bei Drehung und geradliniger Bewegung

Berechnung von Radar-Streu-Querschnitten mit der UTD

Um die Streuung von Hochfrequenz-Signalen an leitenden Objekten (konvex; mit Abmessungen von mindestens ca. einer Wellenlänge bis unendlich) zu beschreiben , wird im Mikrowellenlabor auch Feldberechnung betrieben. Dazu wird seit 26 Jahren ein UTD-Programm (Unified geometrical Theory of Diffraction) erweitert.

Hauptziel des Programms ist die Feldberechnung für fast beliebige

  • Sende-Antennen-, Objekt- und Aufpunkts-Positionen
  • Objekt-Typen: Kugel, Zylinder, Ellipsoid, elliptischer Kegel-(Stumpf), Quader, Triklin
  • Ensembles diverser Elementar-Objekte in freier Anordnung

Stets wird der Vergleich mit der Messung entsprechender Eigenbau-Objekte angestrebt.

Berechnung der Reflexion und Brechung ebener Wellen bei Absorption

Um die Reflexion und Brechung ebener Wellen bei Absorption - also in Medien mit Verlusten - korrekt berechnen zu können, wurde in den letzten dreieinhalb Jahren ein Algorithmus selber entwickelt. Seither wird parallel an einer Visualisierungs-Software gearbeitet. Realistisch ist der Durchgang durch eine Schicht endlicher Dicke, also mit zwei Grenzflächen und drei Medien.

Ziele sind:

  • Für Laien verständliche Darstellung als rein passive Demo; Voreinstellung fast aller Parameter bis auf eine minimale Auswahl (Soll der Einfallswinkel ODER die Frequenz laufen?)
  • Anlegen und Befüllen einer Datenbank mit echten Material-"Konstanten" (Frequenzgänge!)
  • Stark erweiterte Eingabe-Möglichkeiten für Interessierte/Experten; völlig neue Abfragen und Graphiken, lesender Zugriff auf Material-Datenbank
  • Abfangen allzu exotischer Eingabe-Parameter; Ersatz-Vorschläge; Hilfstexte
Snapshot Demo-Programm; einfallende Welle von links oben "transversal elektrischer Fall)
Snapshot Demo-Programm; andere Materialien, andere Perspektive

Die Ausstattung des Labors umfasst unter anderem:

  • Gunn- und FET-OszillatorenWanderfeld-Röhren als Sende-Verstärker
  • hochwertige LNBs und LNAs im X-Band
  • Signalgenerator
  • Spectrum Analyzer
  • Network Analyzer bis 20 GHz
  • aktuelle digitale Speicher-Oszilloskope u.a. zur Aufnahme der Echos auch von Nanosekunden-Pulsen des Signalgenerators
  • viele Hohlleiter-Filter sowie ein Magic-T etc. entstanden im Eigenbau in der Werkstatt der Fakultät 

Die Kernkompetenzen des Mikrowellen-Labors sind:

  • X-Band-Hohlleitertechnik incl. LNA, LNB, Wanderfeldröhre, Filter, Magic T
  • Monostatisches Rückstreu-Radar, hochempfindlich (-100dBm), PC-Steuerung für Sensordaten, Drehtisch und Linearantrieb
  • S-Parameter-Messungen, -Kalibrationen, Berechnungen
  • Antennen-Eigenbauten bis 12 GHz (Pyramiden- und Rundhörner, Cassegrain-Parabole). Yagi-Uda bis 2,4 GHz (GSM, UMTS, GPS ...)
  • Numerische HF-Feldberechnung (UTD) in FORTRAN, C und Python; u.a. zum Verleich mit eigenen und fremden Radar-Echo-Messungen.
  • Eigener ODE-Solver mit Arbitrary Precision als "Standalone Program" (Lie-Reihen, Verbesserung mit Gauss adaptiv) in C und Python; u.a. für Oberflächen-Strahlen der UTD.
  • Demo-Programme zur Visualisierung von Leitungstheorie und ebenen Wellen (Reflexion und Brechung) mit Absorption (in Qt, Python, Octave/Matlab)
  • die Betreuung von Diplom- und Bachelor-Arbeiten bei zwei Radarfirmen der näheren Umgebung (seit 23 Jahren, Firmen InnoSenT, Donnersdorf und MA-COM/Autoliv/Veoneer, Schweinfurt/Geldersheim), incl. Hilfe bei der Entwicklung diverser Radar-Frontends in Microstrip (u.a. Patch Antenna Arrays, Phasenschieber, FET-Schalter, Puls- und FMCW-Konzepte)
Rückstreu-Radar: Blick in die Absorber-Kammer; Objekt auf Drehtsich und Schiene
Rechnen im Labor zum Master-Projekt "Ebene Wellen - Reflexion und Brechung"
Das X-Band-Rückstreu-Radar mit Absorber-Kammer

Team

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Hilmar Endres
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Hilmar Endres

Hochschule für angewandte Wissenschaften
Würzburg-Schweinfurt
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Raum 1.E.32.2
Ignaz-Schön-Straße 11
97421 Schweinfurt

Telefon +49 9721 940-8499
E-Mail hilmar.endres[at]fhws.de

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Prof. Dr. Rolf Poddig
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Prof. Dr. Rolf Poddig

Hochschule für angewandte Wissenschaften
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