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Monopulsantenne

Bild 1: Prinzip einer Monopulsantenne

Prinzipschaltbild einer Monopulsantenne: Alle Strahler der Antenne sind in hier zwei Gruppen eingeteilt, deren Zuleitungen einmal phasengleich und einmal gegenphasig zusammengefasst sind. Diese Monopulsantenne hat also zwei Zuleitungen: den Summen- und den Differenzkanal.

Bild 1: Prinzip einer Monopulsantenne

Bild 2: Schnitt durch eine Antennengruppe
einer Phased Array Antenne

Das Bild zeigt einen Schnitt durch eine Antennengruppe einer Phased Array Antenne. Auf einer isolierenden Fläche sind die Strahler und deren Zuleitungen aufgedampft. In der Zuleitung ist eine Umwegleitung zur Widerstandsanpassung (Balun) zu erkennen. Die ganze Antennengruppe wurde dann eingeschäumt, um vor Witterungseinflüssen Schutz zu bieten.

Bild 2: Schnitt durch eine Antennengruppe
einer Phased Array Antenne

Unter dem Begriff Monopuls-Antenne (oder Interferometer Antenne) werden Antennen zusammengefasst, die als Antennengruppe aufgebaut sind und die eine Besonderheit in der Speisung aufweisen: Die Einzelantennen werden nicht immer summenbildend zusammengeschaltet. Für verschiedenste Zwecke können durch einen Monopuls-Duplexer unterschiedliche Summen und Differenzen gebildet werden.

Diese beiden Beispiele zeigen: Eine Monopulsantenne ist wiederum keine eigenständige Antennenart.
Das IFF/SIF Siemens 1990 benutzt eine Antennengruppe aus logarithmisch-periodischen Antennen und das RRP-117 hat eine Phased Array Antenne.

Bild 3: Interpolation des Azimutwertes aus vielen Impulsen bei einem klassischen Radar (kein Monopulsverfahren)

Animation zur Darstellung der Interpolation des Azimutwertes

Bild 3: Interpolation des Azimutwertes aus vielen Impulsen (siehe Trefferzahl) bei einem klassischen Radar (kein Monopulsverfahren)

Monopulsverfahren

Bei einer klassischen Radarantenne, die nicht für das Monopulsverfahren ausgelegt ist, erhalte ich auch dann Echos, wenn die Antenne noch nicht ganz genau in die Richtung des reflektierenden Objektes zeigt.

Da der Öffnungswinkel aller Antennen einen endlich kleinen Wert hat, erhält man mehrere Antwortimpulse, die, da die Antenne sich ja ständig weiterdreht, eigentlich jeder zu einem anderen Seitenwinkel zugeordnet werden können. Der wahre Seitenwinkel muss dann aus einer Anzahl von Antworten korrelliert werden. Bei älteren analogen Radargeräten geschieht das visuell durch den Operator am Bildschirm, bei weniger alten Radargeräten bei denen dieser Vorgang automatisiert abläuft, wird im Plotextraktor mit dem so genannten Sliding Window- Verfahren eine Art einfache Korrelation durchgeführt und aus den verschiedenen Seitenwinkelangaben ein Durchschnitt gebildet.

Bild 4: Verhältnis Differenzkanal zum Summenkanal

dreidimensionale Darstellung eines Antennendiagramms: 
		der Differenzkanal besteht praktisch aus zwei schmalen Keulen, die direkt nebeneinander liegen. Die Antennenrichtung hat hier ein Signalminimum. 
		Genau auf diesem Winkel hat aber die nur eine Keule des Summenkanals ihr Maximum. 
		Befindet sich ein Flugzeug genau im Maximum des Summenkanals, dann hat der Differenzkanal kein Signal. 
		Befindet sich ein Flugzeug neben diesem Maximum des Summenkanals, dann hat auch der Differenzkanal ein Signal mit entweder negativem Vorzeichen (also hier rechts vom Maximum) oder positivem Vorzeichen (also links vom Maximum). 
		Die Größe des Verhältnisses von Summenkanal zum Differenzsignals ist das Maß für die Abweichung vom Maximum des Summenkanals: dem Off Boresight Angle OBA.

Bild 4: Verhältnis Differenzkanal zum Summenkanal

Ein Echo genügt!

In einer Monopulsantenne kann durch Vergleich von Summen- und verschiedenen Differenzkanälen eine Lokalisierung des reflektierenden Objektes innerhalb des Radarbeams erfolgen.

Durch eine gegenphasige Kopplung der linken zu den rechten Antennengruppen wird ein Differenzkanal (ΔAz) (sprich: „Delta Azimut”) gebildet. Der Azimut wird nun dadurch bestimmt, dass in diesem Winkel bei einem Maximum des Summenkanals der Differenzkanal ein Minimum haben muss. (Vergleiche die Diagramme aus Bild 1.) Da der Summenkanal (Σ) und der Differenzkanal aus nur einem Echo gebildet werden können, genügt (zumindest in störungsfreier Umgebung) ein Impuls zur genauen Berechnung der Koordinaten. (Deshalb erhielt diese Antennengruppierung auch den Namen Monopulsantenne.)

Das Verhältnis von Summenkanal zum Differenzkanal ist das Maß für die Abweichung der realen Richtung von der Mittelachse der Antenne (englisch: „Boresight”). Die Winkeldifferenz zwischen Mittelachse der Antenne und dem tatsächlichen Seitenwinkel des Targets wird „Off-Boresight Angle” (OBA) genannt.

Bei 3D- Radargeräten wird als dritte Koordinate auch noch der Höhenwinkel gemessen. Auch hier kann das Verfahren angewendet werden. Hier wird die Antenne in eine obere und eine untere Hälfte gruppiert. Der zweite Differenzkanal (ΔEl) heißt nun „Delta Elevation”.

II
 
 +ΔElAz 
 

I
 
 +ΔElAz 
 

III
 
 -ΔElAz 
 

IV
 
 -ΔElAz 
 

II
 
 +ΔElAz 
 

I
 
 +ΔElAz 
 

III
 
 -ΔElAz 
 

IV
 
 -ΔElAz 
 

Bild 5: Aufteilung der Antenne in vier Quadranten

Die Monopulsantenne ist nun also in vier Quadranten aufgeteilt. Aus den Empfangssignalen dieser vier Quadranten werden folgende Signale gebildet:

Der Vollständigkeit halber soll auch noch der

genannt werden, obwohl dieser nicht an die Monopulsantenne gebunden ist. Dieser Kanal zur Kompensation von Nebenkeulen hat praktisch immer seine eigene kleine Antenne, die mit ihrem gewollt breiten Antennendiagramm auch zur Erkennung von aktiven Störungen dient.

Alle diese Signale benötigen einen eigenen Empfangsweg. Moderne 3D- Radargeräte haben also mindestens vier parallel arbeitende Empfangskanäle.

Wenn die Primärstrahler für die Monopulsantenne aus Hornstrahlern bestehen, dann kann die Aufteilung der empfangenen Signale kann mit einem Monopuls-Duplexer durchgeführt werden.