Testen in Höchstfrequenz

HF-Testsystem zur Prüfung von Multifunktionsantennen

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Die Wellenlängen reichen von etlichen hundert Metern bis herunter zu Zentimetern, die Antenne befindet sich in ständiger Bewegung, die Störsignale sind zahlreich. Das ist die Arbeitsbeschreibung für eine Multifunktionsantenne, wie sie moderne Fahrzeuge besitzen. Die Antennen sind meist oberhalb der Heckscheibe auf dem Fahrzeugdach montiert. Multifunktionsantennen sind komplexe Baugruppen, in dem meist finnenartigen Kunststoffgehäuse leisten gleich mehrere einzelne Antennen ihren Dienst.

Da ist zunächst die Antenne für terrestrische Radiosignale, wie AM, FM und DAB III, sie ist für Frequenzen im Bereich von einigen KHz bis 100 MHz zuständig. Dazu kommt eine Antenne für ein globales Navigationssatellitensystem, GNSS (GPS oder Glonass), hier sprechen wir von Frequenzen von wenigen Gigahertz. Optional finden wir noch eine Satelliten-Antenne, beispielsweise für den Empfang von über Satellit ausgestrahlter SDARS-Dienste oder von Fernsehsignalen und schließlich die Mobilfunkantenne. Für Sonder- und Nutzfahrzeuge werden darüber hinaus Antennen für CB Funk und spezielle geschützte Übertragungsarten benötigt.

Ambitionierte Ziele

Für Fahrzeughersteller und ihre Zulieferbetriebe stellt das Thema Dachantenne eine neue Herausforderung dar. Jede Antenne muss vor ihrer Auslieferung hundertprozentig getestet werden. Ein deutscher Hersteller, der diese Antennen für einen Automobilhersteller produziert, suchte daher einen Spezialisten für Prüftechnik, der vor allem mit dem enormen Frequenzumfang von AM bis Höchstfrequenz umgehen kann. Bruno Hörter, Geschäftsführer des Prüftechnikunternehmens MCD Elektronik, sagt dazu: „Ein Prüfsystem mit diesem Funktions- und Frequenzumfang baut nicht jeder.“ Da das Handling von HF-Signalen zu den Stärken von MCD gehört, bekamen die Birkenfelder den Auftrag. Zusammen mit einem Partnerunternehmen stellten sie innerhalb von 16 Wochen ein universelles Testsystem für Multifunktionsantennen auf die Beine.

Nicht nur der Zeitplan des Projekts war sportlich, auch die technischen Anforderungen waren in vielerlei Hinsicht anspruchsvoll. Die Prüfanlage sollte eine ganze Reihe unterschiedlicher Antennen testen können. Man benötigte dafür einen HF-dichten Adapter, innerhalb dessen der Prüfling mit diversen Funksignalen stimuliert werden kann. Für das Aussenden der Funksignale setzte das Unternehmen eine speziell entwickelte Helixantenne ein. Sie dient neben einer Mobilfunkantenne als Sendeantenne für die Stimuli. Auch die Mechanik hat es in sich: der Adapter wurde horizontal verschiebbar konzipiert, die Prüfkontakte müssen die HF-Anschlüsse mit definiertem Druck kontaktieren.

Die Lösung

Zum bequemen Einlegen des Prüflings wird der Prüfbereich großzügig freigegeben. Sobald die zu prüfende Antenne eingelegt ist und die Hände des Bedieners den Lichtsensorvorhang verlassen haben, wird der Prüfling in die Prüfposition gebracht. Die Antennenanschlüsse werden pneumatisch gesteuert über spezielle Hochfrequenzkontakte kontaktiert. Bruno Hörter: „Zu den größten Herausforderungen dieses Projektes gehörte die Abschirmung des Messbereichs gegenüber Einstrahlungen von außen.“ Das Testsystem ist universell gestaltet und kann programmgesteuert für die unterschiedlichen Prüfaufgaben eingestellt werden. Ein 2D Barcodeleser identifiziert dazu über das Etikett den Antennentyp und löst das Laden des zugehörigen Prüfprogramms aus. Das Prüfprogramm kommuniziert mit dem Werker über den Monitor nach einem elektronischen Drehbuch.

Die Erzeugung der Stimuli und die Analyse der verschiedenen Antennensignale besorgt ein Netzwerkanalyzer aus dem Hause Keysight Technologies (vormals Agilent Technologies). Das Gerät überstreicht den großen Frequenzbereich von 100 KHz bis 8.5 GHz mit einem Dynamikumfang von 122 dB. Die Stimuli werden über RF-Multiplexer und Bias-Tees an die Sendeantennen durchgeschaltet. Ein zweiter RF-Multiplexer liest über Bias-Tees die Antworten der jeweiligen Antenne ein und übergibt das HF-Signal an den Netzwerkanalyzer. Dieser liefert einen Zweitor S-Parameter Testsatz. Die vier S-Parameter werden zusammen mit anderen Messergebnissen per Ethernet an den bewährten MCD TestManager übergeben.

Daten für die Qualitätssicherung

Der Prüfplatz liefert umfangreiche Daten, die für die Qualitätssicherung von Bedeutung sind. Dazu gehören: Kalibrationswerte, Hochfrequenzeigenschaften, Codierung der Antenne, spezielle Gehäusemerkmale, Linearität der Messkurven, Sperrkreis Eigenschaften, Ströme in den verschiedenen Arbeitsbereichen und die Spannungen der Fernspeiseweichen. „Die statistischen Messwerte werden vom MCD DatenManager übernommen und mit der Trendanalyse auf signifikante Richtungsänderungen untersucht“, fügt der Projektleiter Axel Aldinger hinzu.

Der DatenManager steht in direkter Verbindung mit dem TestManager. Das Programm analysiert die Messwerte und generiert Statistiken und Berichte. Durch die Verwendung einer Real-Time-Database steht die Auswertung der Messdaten nach kurzer Bearbeitungszeit nahezu in Echtzeit zur Verfügung. Die Auswertung erfolgt entweder benutzergesteuert oder automatisiert. Umfangreiche Filterfunktionen erlauben verschiedene Sichten auf das Datenmaterial. Ein SQL-Interface erlaubt darüber hinaus den direkten Zugriff auf das Datenmaterial und ermöglicht so nicht standardisierte, anwenderspezifische Abfragen bzw. Auswertungen.

Zu den wichtigsten statistischen Auswertungen des DatenManagers gehören:

  • Statistik der Testergebnisse und der Testdauer
  • Fehlerstatistik (Häufigkeit/Verteilung)
  • Statistik der Messwerte (Verteilung/Varianz)
  • Analyse der Maschinen- und Prozessfähigkeit
    (gemäß den Kunden-Algorithmen)

Das integrierte Reportmodul unterstützt den Anwender bei der Gestaltung eigener Auswertungen, die in Projektfiles gespeichert und jederzeit bei Bedarf wieder geladen werden können.

Präzision ist Trumpf

Alle Zuleitungen im Prüfplatz, wie Kabel, HF-Relais, Messpfade werden vollautomatisch durchkalibriert. Für die Auswertung der Messwerte und Verwaltung der Kalibrationskurven wurde eine grafische Auswertung mit dem „MCD Toolmonitor“ entwickelt. Dieser übernimmt die Aufnahme der Kurven, Anpassung an die Messpfade, Verwaltung der Hüllkurven sowie die Bestimmung der Ergebnisse. Durch die integrierte Scriptengine können Messungen parallel zu Steuerungsaufgaben erledigt werden.

Neben den HF-Messungen wird der Prüfling auch mechanisch über Sensoren abgetastet. Auch die Diagnoseschnittstelle der Antenne wird ausgelesen und die Daten an den TestManager übergeben.

Die Anlage benötigt ganze 20 Sekunden für die komplette Prüfung einer Antenne. Der Prüfplatz ist in die Fertigungslinie des Kunden eingebunden und liefert die aufbereiteten Daten an dessen MES System. Fehlerhafte Prüflinge werden über eine Schlechtteilrutsche sicher entsorgt und verwaltet.

Beim Aufbau der Prüfkabine kooperierte MCD, wie schon in anderen Projekten, mit dem Radolfzeller Prüftechnik-Spezialisten Engmatec. Die Unternehmen realisieren gemeinsam seit vielen Jahren kundenspezifische Lösungen im Bereich Automatisierung, Prüftechnik und Messtechnik. Engmatec erstellt die mechanischen Komponenten und MCD liefert die passende Messelektronik dazu.

www.mcd-elektronik.de



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