www.radartutorial.eu Grundlagen der Radartechnik

Phased Array Antennen

Bild 1: links zwei gleichphasig gespeiste Antennenelemente, rechts zwei ungleichphasig gespeiste Antennenelemente

Das Bild zeigt die Interferenz von zwei übereinanderliegenden gleichphasig strahlenden Antennenelementen. Die Hauptstrahlrichtung ist zentrisch. Das Bild zeigt die Interferenz von zwei übereinanderliegenden ungleichphasig strahlenden Antennenelementen. Die Hauptstrahlrichtung ist also leicht nach oben geschwenkt.

Bild 1: links zwei gleichphasig gespeiste Antennenelemente, rechts zwei ungleichphasig gespeiste Antennenelemente

Phased Array Antennen

Eine Phased Array Antenne ist eine Gruppenantenne, deren einzelnen Strahler mit unterschiedlicher Phasenlage gespeist werden können. Im Resultat kann das gemeinsame Antennendiagramm elektronisch geschwenkt werden. Wichtig für das Prinzip dieser Antenne ist die Wirkung der Interferenz, das heißt, eine phasenabhängige Überlagerung von zwei oder (meist) mehreren Strahlern. Dabei ist zu beobachten, dass sich gleichphasige Signale (in der Grafik gleichfarbig) verstärken und gegenphasige Signale gegenseitig auslöschen. Wenn also zwei Strahler im gleichen Takt ein Signal aussenden, so wird eine Überlagerung erzielt - das Signal wird in der Hauptrichtung verstärkt und in den Nebenrichtungen abgeschwächt. Hier werden in der linken Strahlergruppe der Grafik beide Strahler mit der gleichen Phase gespeist. Das Signal verstärkt sich in der Hauptrichtung.

In der zweiten Grafik wird das Signal vom oberen Strahler um 22° phasenverschoben (also etwas verzögert) gesendet, als vom unteren Strahler. Deswegen wird die Hauptrichtung des gemeinsam abgestrahlten Signals leicht nach oben verschoben.

(In der Graphik werden Strahler ohne Reflektor gezeigt. Deswegen ist die Rückkeule des Antennendiagramms in dieser Darstellung genauso groß wie die Hauptkeule. Tipp: Schauen Sie sich das Bild in der Vergrößerung an und achten sie beim Umschalten auf die Unterschiede in der Strahlungscharakteristik des unteren Strahlers)


Bild 2: Elektronische Schwenkung des Antennenstrahls,
links: Boresight, rechts: geschwenkt


(click to enlarge: 591·723px = 468 kByte)
Bild 2: Animation der elektronischen Schwenkung

Wenn nun das auszustrahlende Signal durch eine die Phase regelnde Baugruppe geleitet wird, kann also die Abstrahlrichtung elektronisch gesteuert werden. Das ist aber nicht unbegrenzt möglich, weil die Effektivität dieser Antennenanordnung in einer senkrecht zum Antennenfeld liegenden Hauptrichtung am größten ist, während bei einer extremen Schwenkung der Hauptrichtung die Anzahl und die Größe der unerwünschten Nebenkeulen steigt, während gleichzeitig die effektive Antennenfläche verkleinert wird. Mit dem Sinussatz kann die nötige Phasenverschiebung errechnet werden.

Es können beliebige Antennenkonstruktionen als Strahler in einem Antennenfeld verwendet werden. Für eine Phased Array Antenne ist entscheidend, dass die einzelnen Strahler mit einer geregelten Phasenverschiebung angesteuert werden und somit die Hauptrichtung der Abstrahlung verändert wird. Um eine Bündelung sowohl horizontal als auch vertikal zu erreichen, werden sehr viele Strahler in einem Antennenfeld verwendet. Die Antenne des RRP-117 besteht z.B. aus 1584 Einzelstrahlern, deren Empfangssignal noch auf analoge Weise zum Antennendiagramm der Antenne verknüpft werden. Moderne Multifunktionsradargeräte verwenden dagegen auf dem Empfangsweg die digitale Formung des Antennendiagramms.


VorteileNachteile
  • hoher Antennengewinn bei gleichzeitig großer Nebenkeulendämpfung
  • sehr schneller Wechsel der Strahlrichtung (in µs- Bereich)
  • sehr schnelle Diagrammformung und - umformung (Beam agility)
  • beliebige Raumabtastung
  • frei wählbare Zielbeleuchtungsdauer
  • Multifunktionsbetrieb durch gleichzeitiges Erzeugen von mehreren Beams
  • Ausfall einzelner Komponenten führt nicht unbedingt zum Systemausfall
  • begrenzter Abtastraum (bis max. 120° in Azimut und Elevation) *
  • Verformung des Strahlungsdiagramms bei der Auslenkung
  • Frequenzabhängigkeit des Strahlungsdiagramms (low frequency agility)
  • sehr komplexer Aufbau (Rechner, Phasenschieber)
  • hohe Kosten (noch)

* Die Begrenzung des Abtastraumes kann mit einer dreidimensionalen Strahlerverteilung behoben werden. Diese Anordnung der Strahler erhielt den Namen Krähennest-Antenne.

Anordnungsmöglichkeiten

Bild 3: lineares Phased Array- Antennenfeld

Das Bild zeigt dreidimensinonal stilistisch ein lineares Phased Array- Antennenfeld. Mehrere waagerechte Antennengruppen mit den dazugehörigen Leistungsverstärkern sind übereinander angeordnet. Phasenschieber werden nur für jede Antennengruppe benötigt

Bild 3: lineares Phased Array- Antennenfeld

Lineare Arrays

Diese Phased Array Antennen bestehen aus Zeilen, die gemeinsam über einen Phasenschieber gesteuert werden. (Es wird also nur ein Phasenschieber pro Antennenzeile benötigt.) Eine Vielzahl senkrecht übereinander angeordneter linearer Arrays bilden eine ebene Antenne.

Bild 4: planares Phased Array- Antennenfeld

Das Bild zeigt ein planares Phased Array- Antennenfeld. Mehrere waagerechte Antennengruppen mit den dazugehörigen Leistungsverstärkern sind übereinander angeordnet. Jeder Strahler hat seinen eigenen Phasenschieber, der an einen Steuer- und Kontrollbus angeschlossen ist.

Bild 4: planares Phased Array- Antennenfeld

Planare Arrays

Diese Phased Array Antennen bestehen vollständig aus Einzelelementen mit jeweils einem Phasenschieber pro Element. (Jeder Einzelstrahler benötigt einen eigenen Phasenschieber!) Die Elemente werden wie in einer Matritze angeordnet, die ebene Anordnung aller Elemente bildet die gesamte Antenne.


Bild 5: Frequency Scanning Array

Die Grafik zeigt des prinzipiellen Aufbau der Strahlerzuleitung bei der ST-68U: Die mäanderförmig verlegte Zuleitung speist 127 Strahlerelemente. Abhängig von der Frequenz wird das Antennendiagramm in der Höhe geschwenkt.
Bild 5: Frequency Scanning Array

Frequenzabhängige Strahlschwenkung

Die frequenzabhängige Strahlschwenkung ist ein Sonderfall der Phased-Array-Antenne, bei welcher die Strahlschwenkung völlig ohne Phasenschieber durch die Sendefrequenz gesteuert wird. Die Strahlschwenkung ist eine Funktion der Frequenz. Diese Art Phased Array wurde in älteren Radargeräten oft verwendet.

Eine vertikale Antennengruppe wird seriell gespeist. Auf der Grundfrequenz F1 erhalten alle Strahler eine Leistung gleicher Phase durch konstruktiv gleiche Umwegleitungen, die eine Phasenverschiebung von n · 360° bewirken. Alle Strahler strahlen also mit gleicher Phase zur gleichen Zeit. Der resultierende Strahl befindet sich somit senkrecht zur Antennenebene.

Wenn die Sendefrequenz um wenige Prozent erhöht wird, stimmt aber die konstruktiv festgelegte Länge der Umwegleitungen nicht mehr. Die Umwegleitung ist nun etwas zu lang. Es tritt eine Phasenverschiebung von Strahler zu Strahler auf. Der erste Strahler strahlt diese wenigen Prozent eher als der nächste benachbarte Strahler u.s.w. Der resultierende Strahl F2 ist also um den Winkel Θs nach oben geschwenkt.

Diese Art der Strahlschwenkung ist zwar sehr einfach aufgebaut, ist aber auf wenige fest installierte Sendefrequenzen beschränkt. Neben der Störanfälligkeit sind auch noch mehr Einschränkungen hinzunehmen, z.B. kann dieses Radargerät wegen der zu geringen Bandbreite keine Pulskompression verwenden.

Empfehlung Speisesysteme

Berechnung der Phasenverschiebung

Wie groß muss die Phasenverschiebung x= Δφ von Strahler zu Strahler sein, um einen bestimmten Abstrahlwinkel zu erreichen?

Es wird eine lineare Anordnung von isotropen Einzelstrahlern betrachtet.

Zwischen den Strahlern, zwischen dem jeweiligen Strahl des Abstrahlwinkels mit der aufgetragenen Phasenverschiebung lässt sich ein rechtwinkliges Dreieck zeichnen, dessen kürzere Seite auf dem Strahl liegt. Die Hypothenuse ist die Entfernung zwischen zwei Strahlern. Die dritte Seite ist eine Hilfslinie senkrecht zur Strahlrichtung des früher sendenden Strahlers.

Die Grafik zeigt mehrere Strahler, die mit einer jeweiligen Phasendifferenz abstrahlen und einer grafischen Herleitung der Phasenverschiebung.

Bild 6: grafische Herleitung der Phasenverschiebung

x = d · sin Θs (1)
 

 
360° = λ Δφ = Phasendifferenz zwischen zwei Strahlern
d = Elementabstand
Θs = Abstrahlwinkel
(2)


Δφ x

 
Δφ = 360° · d · sin Θs (3)

λ

Beispiel:

  • Ein Radargerät arbeitet mit einer Wellenlänge von λ=10 cm.
  • Der Strahlerabstand beträgt d =15 cm.
  • Die Laufzeitunterschiede durch die Speiseleitung können wir vorerst vernachlässigen.
  • Der Abstrahlwinkel soll Θs= 40° betragen.
Aufgabe:
  • Wie groß muss die Phasenverschiebung φ des Phasenschiebers Nr. 8 (links außen) sein, um diesen Abstrahlwinkel zu erreichen?

Wir beginnen mit der Bestimmung der Phasenverschiebung x von Strahler zu Strahler.
Wegen der Winkelfunktion benötigen wir doch einen Taschenrechner: Δφ =(360°·15 cm/10 cm)·sin(40°) = 347,1°.

Das bedeutet, der Strahler Nr. 8 benötigt in diesen Beispiel die Phasenverschiebung φ = 7 · 347,1 = 2429,7°.

Auf Grund der Periodizität der Sinusfunktion beträgt eine Phasenverschiebung von n·360°= 0°. Deshalb können wir von dem Ergebnis solange 360° abziehen bis ein Winkel zwischen 0° und 360° vorliegt und erhalten somit für den Phasenschieber Nr. 8 (links außen) einen Phasenwinkel von φ = 269,7°.

Bei serieller Speisung wird ein Teil dieser Phasenverschiebung schon durch die Laufzeit in der Speiseleitung realisiert. In der Praxis existiert im Rechner für die Antennensteuerung (für jede Sendefrequenz extra) eine Tabelle mit den Phasenschieberdaten für jeden zu realisierenden Schwenkwinkel.