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Phased-Array Demonstrator

Bild 1: Demonstrator für die Funktion einer Phased Array Antenne

Bild 1: Demonstrator für die Funktion einer Phased Array Antenne

Phased-Array Demonstrator

Der Phased-Array Demonstrator ist ein einfaches Schulungsgerät, mit dem die Funktion einer Phased Array Antenne in einem Unterrichtsraum praktisch demonstriert werden kann.

In einem freien ISM- Frequenzband (Industrial, Scientific and Medical Band) sendet ein Oszillator mit kleiner Leistung über eine Gruppe von 4 Yagi- Antennen in den freien Raum. Hier wurde eine Frequenz zwischen 2400 bis 2480 MHz gewählt. Die entstehende Leistungsflussdichte vor den Antennen im Raum wird mit einem handelsüblichen Hochfrequenz-Analyser gemessen. Die Richtung der maximalen Abstrahlung kann so bestimmt werden.

Mit einem elektronischen Phasenschieber, der über eine Steuerspannung geregelt wird, kann nun die Phasenlage jedes einzelnen Strahlers um 45° 90° oder 135° geändert werden. In der Summe entsteht dadurch eine Verschiebung des Maximums der Strahlungsrichtung um etwa 16° nach links bzw. (andere Schalterstellung) nach rechts. In einer Entfernung von etwa 3 bis 4 m beginnt das Fernfeld der Antenne. Hier ist die zu messene Strahlung schon sehr schwach und wird in Mikrowatt je Quadratmeter gemessen. Als Nebeneffekt kann hier auch die im Quadrat der Entfernung zur Sendeantenne abnehmende Empfangsleistung demonstriert werden (die Freiraumdämpfung). Wenn ein Winkel mit maximaler Leistungsflussdichte gefunden wurde, kann mit Hilfe eines Umschalters der Winkel der Abstrahlung verändert werden, so dass das Messgerät keinen Wert mehr anzeigen kann.

Der handelsübliche Hochfrequenz-Analyser nutzt eine sehr breitbandige kalibrierte Antenne. Mit dieser Antenne kann auch die von den Mobiltelefonen der Schüler ausgehende Strahlung gemessen werden. Um zu verhindern, dass diese Störstrahlung das Messergebnis verfälscht, wurde eine schmalbandige Yagiantenne mit starker Richtwirkung für dieses Messgerät entwickelt. Diese zusätzliche Messantenne ist allerdings nicht für das Messgerät kalibriert. Die durch das Messgerät angezeigten Werte können deswegen nur als relative Werte untereinander verglichen werden.

geometrische
Richtung
geschwenktes Diagramm

Bild 2: Prinzip der Diagrammschwenkung im Phased-Array Demonstrator

geometrische
Richtung
geschwenktes Diagramm

Bild 2: Prinzip der Diagrammschwenkung im Phased-Array Demonstrator

Bild 2 zeigt das Schwenkungsprinzip: eine der äußeren Einzelantennen hat keine Phasenverschiebung und gilt als Referenz. Würde keine Phasenverschiebung wirken, so würde das Summensignal etwa in die geometrische Richtung zeigen. Die anderen drei Einzelantennen erhalten nun einen schrittweise abgestuften Wert für die Phasenverschiebung. Diese Phasenverschiebung kann nur eine Verzögerung sein, deshalb das negative Vorzeichen. Die einzelnen Antennendiagramme summieren sich nun zu dem gezeigten Gesamtdiagramm. Wegen der Phasenverschiebungen ist dieses Diagramm jetzt um 16° nach rechts geschwenkt. Eine solche elektronische Schwenkung kann extrem schnell erfolgen: schneller als jeder Motor diese Antenne drehen könnte.

Dieses Schulungsgerät wurde durch Radartutorial entwickelt. Der Aufbau und Vertrieb erfolgt durch Köster Systemtechnik.