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Speisungssysteme

Foto einer typischen Bordradarantenne: Auf einer kreisförmigen Fläche sind winzige Strahlerelemente zeilenweise angebracht.
Bild 1: Tornado Nose Radar

Aktive Antennen

Aktive Phased Array Antennen sind solche, bei denen die Sendeleistung direkt auf der Antenne durch viele Sende- Empfangsmodule geringer Leistung erzeugt wird. Beispiele dafür sind das Tornado-Nose-Radar und das RRP-117 der Luftwaffe sowie das APAR der Marine.

Aktive Antennen sind Phased-Array-Antennen, bei denen statt einer zentralen HF-Leistungserzeugung jedem einzelnen Strahler ein Leistungsverstärker zugeordnet ist, der sich zweckmäßigerweise direkt am Strahler, also in der Antenne befindet. Das hat den Vorteil, dass die nötigen Phasenschieber nur noch kleine Leistungen verarbeiten müssen.

Diese Antenne hier im Bild besteht beispielsweise aus 428 aktiven Strahlerelementen. Aktive Antennen werden im Empfehlung Kapitel Sender ausführlicher beschrieben.

Passive Antennen

passive Phased Array Antennen unterteilen sich:

passive Phased Array Antennen
Strahlungsspeisung
Leitungsspeisung
Transmissionstyp
Reflexionstyp
Serienspeisung
Parallelspeisung
Organigramm: Einteilung passiver Phased Array Antennen.
Die passiven Phased Array Antennen werden eingeteilt in strahlungsgespeiste (diese wiederum in Transmissionstyp und Reflektionstyp) und leitungsgespeiste (diese wiederum in Serienspeisung und Parallelspeisung).
passive Phased Array Antennen
Strahlungsspeisung
Leitungsspeisung

Die Leitungsspeisung ist bei der passiven Phased Array Antenne der weitaus häufigere Fall der Leistungszuführung. Für die Leitungsspeisung benötigt man eine Hohlleiterschaltung oder ein Streifenleiternetzwerk, über das die zentral erzeugte Energie auf die einzelnen Elemente verteilt wird (Beispiel: PAR-80).

Eine seltener angewandte Methode stellt die Strahlungsspeisung dar, bei der die Antennenfläche über ein Feedhorn mit der Sendeleistung angestrahlt wird. Diese wird dann über kleine Antennen aufgenommen, in der Phase beeinflusst und anschließend wieder abgestrahlt. (Beispiel: FRK - Patriot).

Bild 2: Serienspeisung der Strahlerelemente

das Bild zeigt die Serienspeisung der Strahlerelemente einer Phased-Array-Antenne: alle Strahlerelemente sind in einem gewissen, aber immer gleichen Abstand zueinander an einer Speiseleitung angeschlossen.

Bild 2: Serienspeisung der Strahlerelemente (interaktives Bild)

Serienspeisung einer passiven Antenne

Bei der Serienspeisung der Phased Array Antennen werden die Strahlerelemente nacheinander mit der Sendeleistung versorgt. Die dabei größer werdende Phasenverschiebung durch die längere Zuleitung muss bei der Einstellung der Phasenschieber berücksichtigt werden. Eine Frequenzänderung ist so ohne weiteres bei einer Serienspeisung nicht möglich.

Sollte dennoch eine Frequenzänderung vorgenommen werden, muss der Rechner auch die Phasenverschiebung neu berechnen (oder meist in der Praxis: eine andere Phasenwinkeltabelle nutzen).

Die Auskopplung aus der Speiseleitung geschieht durch Richtkoppler, die so eingestellt sind, dass nur ein bestimmter Anteil der Gesamtleistung ausgekoppelt wird. Oft ist die Größe dieses Anteils nach einer bestimmten Schema festgelegt, zum Beispiel nach einer Gauss'schen oder nach einer binomalen Verteilung. Diese Leistungsverteilung hat einen Einfluss auf die Größe der Nebenkeulen des Antennendiagramms.

Bild 3: Parallelspeisung der Strahlerelemente

Die Grafik zeigt die Parallelspeisung der Strahlerelemente einer Phased-Array-Antenne. Die Speiseleitung wird fortlaufend in zwei Leitungen aufgeteilt, so dass im Endeffekt die Anzahl (von zwei-hoch-n) Strahler alle die gleiche Leistung und die gleiche Phase erhalten.

Bild 3: Parallelspeisung der Strahlerelemente (interaktives Bild)

Parallelspeisung einer passiven Antenne

Bei der Parallelspeisung der Phased Array Antennen wird die Sendeleistung an jedem Knoten gleichphasig aufgeteilt. Jedes Strahlerelement hat also eine gleichlange Zuleitung und ist deswegen frequenzunabhängig. Im Endeffekt erhalten 2n Strahler alle einen gleichgroßen und gleichphasigen Leistungsanteil.

Frequenzänderungen wirken sich somit nicht auf Phasendifferenzen aus. Das hat den Vorteil, dass der Computer die Länge der Zuleitungen bei der Berechnung der Phasenverschiebung ignorieren kann und dass sich die Bandbreite der Zuleitung zur Antenne erhöht. Das ist ein Vorteil für die Frequenzagilität und ermöglicht Frequenz-Diversity und Pulskompression.

Transmissionstyp
Laufzeitdifferenz

Bild 4: Strahlungsspeisung Transmissionstyp

Die Grafik zeigt die Funktion einer Phased Array Antenne als Transmissionstyp.
Laufzeitdifferenz

Bild 4: Strahlungsspeisung Transmissionstyp (interaktives Bild)

Eine strahlungsgespeiste Phased-Array Antenne hat den Vorteil, dass eine Leistungsverteilung an die Einzelstrahler schon durch den Hornstrahler differenziert vorgenommen wird. Zentrale Regionen erhalten eine stärkere Ausleuchtung während Randregionen gemäß einer Gauss-Verteilung schwächer ausgeleuchtet werden. Diese Leistungsverteilung verringert die Nebenkeulen des Antennendiagramms. Der Transmissionstyp ist eine Art der Strahlungsspeisung, bei der die Antennenfläche von hinten über den Hornstrahler mit der Sendeleistung angestrahlt wird. Diese wird dann über kleine Antennen aufgenommen, in der Phase beeinflusst und anschließend wieder abgestrahlt.

Der Platz hinter der Phased Array Antenne ist allerdings durch das Speisungsfeld verbaut. Dafür befindet sich der Hornstrahler nicht schattenbildend vor der Antenne. Die Laufzeitdifferenzen zwischen den Einzelstrahlern sind um so größer, je näher der Primärstrahler am Antennenfeld montiert ist. Diese Laufzeiten müssen in der Phasenschiebersteuerung berücksichtigt werden. (Deshalb ähnelt dieser Antennentyp in der Steuerung mehr einer Serienspeisung und hat deswegen auch deren Einschränkungen in der Antennenbandbreite.)

Der Fla-Raketenkomplex „Patriot” arbeitet mit einer Phased Array Antenne als Transmissionstyp.

Reflexionstyp
Reflektor

Bild 5: Strahlungsspeisung Reflexionstyp

Die Grafik zeigt die Funktion einer Phased Array Antenne als Reflexionstyp.
Reflektor

Bild 5: Strahlungsspeisung Reflexionstyp (interaktives Bild)

Der Reflexionstyp ist eine Art der Strahlungsspeisung, bei der die Antennenfläche von vorn über ein Feedhorn mit der Sendeleistung angestrahlt wird. Diese wird dann über kleine Antennen aufgenommen, in der Phase beeinflusst, an einer Reflektionsebene reflektiert, nochmals durch die Phasenschieber beeinflusst und anschließend wieder abgestrahlt.

Beim Reflexionstyp ist genügend Platz hinter der Antenne um alle Schaltungen unterzubringen (z.B. Phasenschieberansteuerung, Stromversorgung etc.). Dafür stört der Hornstrahler. Genau in der besten Ausstrahlrichtung (mittig) bildet er nicht nur einen Schatten, sondern er würde auch wieder die reflektierte Energie aufnehmen, die dann im Speisungssystem eine stehende Welle erzeugt.

Aber irgendwo möglichst in der Mitte sollte er schon sein, da sonst wieder unterschiedliche Laufzeiten zu den Strahlerelementen auftreten. Werden diese unterschiedlichen Laufzeiten in Kauf genommen und bei der Steuerung der Phasenschieber berücksichtigt, kann der Hornstrahler jedoch wie bei einer Offsetantenne außerhalb der Strahlrichtung montiert werden. Es ist dann sogar möglich, durch Umschalten der Phasenschiebersteuerung für Senden und Empfang unterschiedliche Hornstrahler zu verwenden, die somit den Sendeweg vom Empfangsweg entkoppeln! Die Antenne würde mit dieser Art Phasenschiebersteuerung die Funktion eines Sende-Empfangsumschalters zusätzlich übernehmen.