www.radartutorial.eu Grundlagen der Radartechnik

Parabolantennen

Reflektor (Sekundärstrahler)
Erreger
(Primärstrahler)
Speisung (Hohlleiter)

Bild 1: Prinzip eines Parabolspiegels

Reflektor (Sekundärstrahler)
Erreger
(Primärstrahler)
Speisung (Hohlleiter)

Bild 1: Prinzip eines Parabolspiegels

Die Parabolantenne stellt von den in der Radartechnik eingesetzten Antennentypen die am häufigsten angewendete Form dar. In der Abbildung ist der Aufbau einer „normalen” (symmetrischen) Parabolantenne skizziert. Der Punktstrahler leuchtet den symmetrischen Reflektor aus.

Der runde Reflektor, ein Ausschnitt aus einem Rotationsparaboloiden, ist meist eine Metallkonstruktion, oft nur ein Gitternetz in einem Metallrahmen. Die Löcher in dem Gitternetz müssen kleiner als λ/10 sein. Dieser Reflektor wirkt als Spiegel für die elektromagnetischen Wellen.

Gemäß den Gesetzen der Optik (und der Geometrie) werden an der Oberfläche dieses Reflektors alle Strahlen parallel zur Antennenachse reflektiert. Diese Strahlen verlassen den Strahler kugelförmig, werden am Reflektor mit einem Phasensprung von 180° reflektiert und zu einer ebenen Wellenfront geformt, bei der alle Strahlen parallel verlaufen. Damit weisen die Strahlen bis zu einer beliebigen Ebene senkrecht zur Parabolachse keine Wegunterschiede auf.

Die Grafik zeigt eine idealisierte Form eines runden Radarreflektors und diese Antenne erzeugt einen sehr schmalen, sogenannten Pencil Beam. Wenn der Reflektor eine elliptische Form hat, dann wird ein fächerförmiger Strahl erzeugt. Aufklärungsradargeräte haben vertikal und horizontal unterschiedliche Antennendiagramme: im Seitenwinkel einen sehr schmalen Pencil Beam und im Höhenwinkel ein klassisches Cosecans²- Diagramm.

Bild 2: Richtdiagramm einer Parabolantenne

Richtdiagramm einer Parabolantenne

Bild 2: Richtdiagramm einer Parabolantenne

Dieser Idealfall wie gezeigt im Bild 1 kommt aber in der Praxis nicht vor. Bedingt durch herstellungstechnische Unzulänglichkeiten erfolgt die Abstrahlung eher keulenförmig.

Rückkeulen
Nebenkeulen
Hauptkeule

Bild 3: reales Antennendiagramm einer Parabolantenne in logarithmischem Maßstab, gemessen in einem Feldversuch

Eine Parabolantenne besitzt ein weitgehend rotationssymmetrisches Richtdiagramm von hohem Gewinn, hohem Vor-/ Rückverhältnis und relativ kleinen Nebenzipfeln.

Der Antennengewinn einer Parabolantenne kann mit der folgenden Formel bestimmt werden:

GParabolantenne 1602 Mit: ΘAz = Halbwertsbreite im Seitenwinkel
ΘEl = Halbwertsbreite im Höhenwinkel
(1)

ΘAz · ΘEl

Das ist zwar nur eine Näherungsformel, reicht aber für die meisten Anwendungsfälle aus und lässt den Zusammenhang zwischen Antennengewinn und Halbwertsbreite des Antennendiagramms deutlich werden.

Rückkeulen
Nebenkeulen
Hauptkeule

Bild 3: reales Antennendiagramm einer Parabolantenne in logarithmischem Maßstab, gemessen in einem Feldversuch

Bild 4: 3D-Antennendiagramm einer Parabolantenne, ermittelt mit einem Simulationsprogramm

Bild 4: 3D-Antennendiagramm einer Parabolantenne, ermittelt mit einem Simulationsprogramm

Anmerkung: Die Unterschiede zwischen Bild 2 und Bild 4 haben einen Sinn: in Bild 2 ist die Entfernung linear, damit ist die Größe der Nebenkeulen nicht mehr erkennbar. In Bild 4 ist die Entfernung logarithmisch, die Nebenkeulen sind damit gut erkennbar, aber die Spitze der Hauptkeule ist abgeplattet.

“Single Curvature” oder “Double Curvature” Parabolantennen

Je nach gewünschtem Antennendiagramm kann der Reflektor nur eine einfach gemäß einer Parabel geformte Fläche sein, oder die oben beschriebene rotations-paraboloide Form aufweisen. Die nach einer einfachen Parabel geformte glatte Fläche wird mit “Single Curvature” bezeichnet. Sie wird im Antennenbau verwendet, wenn:

Wenn eine Parabolantenne nur einen Primärstrahler hat, oder weitere Primärstrahler „schielend“ montiert sind und ein anderes Antennendiagramm formen sollen, dann ist die “Double Curvature” Parabolantenne energetisch effektiver, da auch die eintreffenden Echosignale genau auf den Punkt fokussiert werden, in welchem sie empfangen werden können. Bei einer “Single Curvature” Parabolantenne mit nur einem Primärstrahler würde ein Teil der Energie neben dem Primärstrahler auftreffen. Eine “Single Curvature” Parabolantenne hat also nur dann Sinn, wenn zum Beispiel die ganze Brennlinie mit Strahlern besetzt ist um ohne Winkelfehler den Parabolspiegel auszuleuchten (wie beim maritimen Type 1022 Radar). Damit können die unvermeidlichen Nebenkeulen des Antennendiagramms wenigstens verringert werden, weil die Leistungsverteilung zwischen den Einzelstrahlern besser optimiert werden kann.

Beim Didaktischen Radar wird meist aus Kostengründen mit getrennten Primärstrahlern vor einem gemeinsamen Reflektor für den Sende- und Empfangsfall gearbeitet. Bei einer “Double Curvature” Parabolantenne könnte nur einer der Primärstrahler im Brennpunkt angeordnet sein: der andere würde daneben liegen. Die stark gebündelte Energie des Senders würde nach einer Reflexion die Empfangsantenne gar nicht treffen können. Deshalb haben die Radargeräte für diesen Fall ebenfalls nur eine “Single Curvature” Parabolantenne, so dass auch die Empfangsantenne auf dessen Brennlinie liegt: Sende- und Empfangsantenne sind auf dieser senkrechten Brennlinie übereinander angeordnet. Energetisch nicht sehr effektiv: aber hier soll ja auch kein Reichweitenrekord erzielt, sondern nur das Prinzip demonstriert werden.