Robot-based techniques for spherical near-field antenna measurements

Moch, Roland Robert; Dallmann, Thomas; Negra, Renato; Heberling, Dirk

doi:45014

Robot-based techniques for spherical near-field antenna measurements = Roboterbasierte Techniken der sphärischen Antennennahfeldmesstechnik

Moch, Roland Robert^RWTH*

2025 & 2026

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Roland Moch, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2025

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2025

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2026

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Heberling, Dirk (Thesis advisor)^RWTH* ; Negra, Renato (Thesis advisor)^RWTH* ; Dallmann, Thomas (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2025-03-28

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-10962
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1024054/files/1024054.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Hochfrequenztechnik (613110)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
antenna measurements (frei) ; near-field (frei) ; robot (frei) ; spherical (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Die Einführung roboterbasierter Positioniersysteme in der Antennenmesstechnik beschreibt einen technologischen Umschwung. Das größte Potenzial solcher Systeme ist deren Flexibilität, welche die Kombination der etablierten Messmethoden, beispielsweise planare, zylindrische, sphärische oder auch irreguläre Messungen, innerhalb einer einzigen Antennenmesskammer erlaubt. Andrerseits sind roboterbasierte Systeme für das industrielle Umfeld von Fertigungsstraßen optimiert, wodurch sich Herausforderungen bei deren Einsatz in der Antennenmesstechnik ergeben. Hierzu zählt insbesondere die Absolutgenauigkeit, welche durch die systembedingte Verkettung von sechs Achsen größere Toleranzen im Vergleich zu herkömmlichen Systemen aufweist. Ebenso ist das zeitlich präzise Auslösen der Messinstrumentation beim Erreichen der Vielzahl an Messpunkten mit größeren Abweichungen verbunden. Daher wird in dieser Dissertation untersucht, wie sich die spezifischen Eigenschaften roboterbasierter Systeme auf die sphärische Nahfeldmesstechnik auswirken und welche Möglichkeiten zur Kompensation dieser Einflüsse durch die zugrunde liegende Theorie der sphärischen Wellenexpansion (SWE) bestehen. Hierzu wurde am Institut für Hochfrequenztechnik der RWTH Aachen University ein roboterbasiertes Messsystem für Messungen im Millimeterwellenbereich aufgebaut. Für dieses System wird ein Fehlermodell zur Evaluierung der wichtigsten Einflussfaktoren präsentiert, sowie ein Einmessverfahren vorgestellt, welches die isolierte Identifikation der einzelnen Fehlerterme ermöglicht. Dies erlaubt es mechanische Toleranzen im Aufbau durch die Messbahn des Roboters zu kompensieren und somit zu präziseren Messergebnissen beizutragen. Ebenso wird eine interne Rückkopplungsschleife zur Robotersteuerung verwendet, welche die tatsächliche Position und Orientierung des Roboters an den jeweiligen Messpunkten ausgibt. Dies ermöglicht es die nicht-idealen Messpositionen innerhalb der Transformation ins Fernfeld basierend auf der SWE zu berücksichtigen. Zur Kompensation abweichender Orientierungen wird eine punktweise Korrektur des Modenspektrums der als Messsonde verwendeten Antenne innerhalb der SWE implementiert. Weitere Analysen befassen sich mit den Vorteilen Spline-basierter Messungen. Diese ermöglichen eine deutlich verbesserte Präzision zur Auslösung der Messinstrumentation bei Erreichen eines Abtastpunktes. Im Vergleich zur konventionellen Implementierung kann der Fehler um das zehnfache reduziert werden. Zusätzlich ermöglichen Spline-Bahnen die effiziente Implementierung irregulärer Abtastgitter. Dies wird am Beispiel einer mathematisch optimierten nicht-redundanten Verteilung von Abtastpunkten demonstriert, welche mit herkömmlichen sphärischen Positionierern nicht oder nur schrittweise und damit nicht effizient implementiert werden kann. Das roboterbasierte System hingegen erlaubt die Vermessung des irregulären Abtastgitters in lediglich 56% der Dauer einer äquivalenten gleichwinkligen Punktverteilung abzuschließen. Damit erschließt die Kombination der Vielseitigkeit der SWE mit der Flexibilität roboterbasierter Systeme neue Möglichkeiten in der Antennenmesstechnik, welche zuvor hauptsächlich von theoretischem Interesse waren.

The introduction of robot-based positioning systems in antenna measurements represents a significant technological advancement. The primary advantage of these systems is their flexibility, which enables the integration of various measurement techniques, including planar, cylindrical, spherical and irregular measurements, within a single antenna measurement facility. However, the application of robot-based systems in antenna measurement technology poses challenges due to the optimization for their initial application in the industrial environment of production lines. Specifically, the system-inherent interlinking of six axes results in greater tolerances of the absolute accuracy compared to conventional systems. Additionally, the precise triggering of the measurement instrumentation for a large amount of sampling points is associated with greater deviations. This dissertation investigates the specific technical aspects of robot-based systems in spherical near-field measurement technology as well as the potentials for compensating these impacts using the underlying theory of the spherical wave expansion (SWE). Therefore, a robot-based measurement system in the millimeter-wave range has been set up at the Institute of High Frequency Technology at the RWTH Aachen University. An error model for the evaluation of the most important impact factors is presented specifically for this system, along with a calibration procedure that enables the isolated identification of the individual error terms. This allows the compensation of mechanical tolerances in the applied setup by adapting the robot's measurement path and, thus, contributes to more precise measurement results. Furthermore, the actual position and orientation at the respective sampling points are provided by an internal feedback loop of the robot controller. Therefore, the non-ideal measurement positions can be considered in the transformation to the far field based on the SWE. In order to compensate for inaccurate orientations, a pointwise correction scheme using the spherical mode spectrum of the probe antenna is implemented within the SWE. Further analyses focus on the advantages of spline-based measurements. These allow for a significantly improved precision in triggering the measurement instrumentation when reaching a sampling point. In comparison to the conventional trigger implementation, the resulting errors can be reduced by a factor of ten. In addition, spline paths enable the efficient implementation of irregular sampling grids. This is demonstrated by the example of a mathematically optimized, non-redundant distribution of sampling points. Such sampling grids cannot be implemented with most spherical positioners or only in a stepwise and, thus, inefficient scheme. The application of spline-based measurements using robotic systems allow to perform the irregular measurement in only 56% of the duration of the corresponding equiangular sampling grid. Therefore, the combination of the versatile applicable principles of the SWE with the flexibility of robot-based systems provides new perspectives in antenna measurement technology which were previously mainly of theoretical interest.

OpenAccess:
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