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Aktive Antennen

LNA
digital control
MESFET
power
amplifier

Bild 1: Sender/Empfängermodul für eine aktive Antenne

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Ferritzirkulator Ferritzirkulator 4-Bit Phasenschieber 4-Bit geregeltes Dämpungsglied Register (Speicher) Sende- Empfangsumschalter mit PIN- Dioden einzelnes Strahlerelement in einer Phased Array Antenne MESFET - Leistungsverstärker rauscharmer Vorverstärker Begrenzerdioden serieller Steuerbus

Bild 1: Sender/Empfängermodul für eine aktive Antenne

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. Die Aktive Phased Array Antenne wurde bereits im Kapitel Antennen behandelt. Hier wird nun auf die speziellen Sendemodule dieser Antenne eingegangen.

Aktive Phased Array Antennen benötigen eine spezielle Architektur von Halbleiter- Sendermodulen. Zusätzlich zu der Funktion der Leistungsverstärkung des Sendesignals muss dieses Modul weitere Funktionen enthalten. Eine häufig verwendete Konstruktion dieser Module zeigt Bild 1.

Alle Einzelkomponenten sind zu einem Sende- Empfangsmodul zusammengesetzt. Dieses Modul enthält den Phasenschieber und ein elektronisch gesteuertes Dämpfungsglied für die Formung des Antennendiagramms, einen Leistungsverstärker für den Sendeweg, einen rauscharmen Vorverstärker für den Empfangsweg sowie zwei Ferritzirkulatoren und den Sendeempfangsumschalter (Duplexer). Nicht dargestellt, aber fast immer ebenfalls integriert sind Prüf- und Testkreise (BITE). Oft wird zwischen Duplexer und Vorverstärker noch ein Begrenzer geschaltet, um den empfindlichen Vorverstärker vor zu großen Empfangsleistungen zu schützen.

Das kann einmal als Schutz vor Fehlschaltungen des Duplexers nötig sein, aber auch durch starke Echos aus dem Nahbereich (z.B. von Zielen mit sehr großer effektiver Rückstrahlfläche) oder gar durch Störsender verursacht werden. (Einfachste Begrenzerschaltungen bestehen aus zwei antiparallel geschalteten Dioden.)

Vorteile einer aktiven Antenne sind, dass keine aufwändigen Leitungen zwischen Sender und Antennen nötig sind. Die kurzen Wege bewirken nur geringe Leitungsverluste. Bei sich drehenden Antennen müssen über die Schleifringe der Slipring Unit nur Signale mit relativ niedriger Frequenz übertragen werden (meist die Zwischenfrequenz). Je kleiner die Strahlergruppen sind, die an einem Verstärkermodul angeschlossen sind, desto kleiner muss dessen Impulsleistung sein. Unterschreitet sie einen gewissen Wert, dann kann in jedem kleinen Modul als Sende- Empfangsumschalter ein Ferritzirkulator genutzt werden. Das hat wiederum den Vorteil, dass es keine minimale Messentfernung mehr für dieses Radar gibt, in der es wegen zu hoher Sendeleistung und daraus folgender Übersteuerung des Empfängers „blind“ ist.

Nachteilig ist, dass wenn ein solches Modul defekt ist, muss der Sender ausgeschaltet und die Antenne angehalten werden. Ein Radarmechaniker muss auf die Antenne klettern um das Modul zu wechseln. Passive Antennen haben ihre Sendeanlage in einer ständig zugänglichen Arbeitsebene so weit unterhalb der Antenne, dass ein defektes Modul während des Betriebes ohne Unterbrechung der Arbeit des Radars gewechselt werden kann. Das ist ein sehr wichtiges Merkmal vor allem für Flugsicherungsradaranlagen.

Als Beispiel für einen PAT (Power-Amplifier-Transmitter) ist im Bild 2 ein ein Teil des Sendersystems des RRP–117 gezeigt, welches mit zwei Sendefrequenzen im Zeitmultiplexverfahren arbeitet, die jede für das angewendete Pulskompression linear moduliert wird. Durch dieses Pulskompressionsverfahren werden auch nicht mehr so hohe Impulsleistungen benötigt, deshalb wird trotz der durch Halbleiterverstärker begrenzten Spitzenleistungen eine gute Reichweite erzielt. Jede Antennenzeile der Phased Array Antenne erhielt einen separaten Senderverstärker und einen Empfängerblock mit den übrigen Baugruppen aus dem Bild 1. Die Verknüpfung der empfangenen Signale zu dem Monopulsverfahren wird erst auf der ZF-Frequenz durchgeführt.
Im Bild wird eine Bucht der Antennenrückseite gezeigt, die 4 Senderverstärker, 4 Empfängervorverstärker und einen Stromversorgungsblock enthält. Jeder Senderverstärker ist für eine Antennenzeile zuständig. Die senkrechte Leiste ist das Bussystem für die Versorgungsspannungen. Fällt ein Stromversorgungsblock aus, kann das Radar trotzdem weiterarbeiten. Fällt ein Sendermodul aus, kann das Radar ebenfalls weiterarbeiten, hat eine geringfügig verschlechterte Reichweite, aber größere Ungenauigkeit in der Winkelbestimmung

Bildergalerie von Halbleitermodulsendern
Sendemodul 1 von 44 Sendemodul 3 von 44 Sendemodul 5 von 44 Sendemodul 7 von 44 Empfänger 1 von 44 Empfänger 3 von 44 Empfänger 5 von 44 Empfänger 7 von 44 Stromversorgungsblock 1 von 12 Stromversorgungsleitungen als Bus-System

Bild 2: Bay 1 der Antenne des RRP–117

Bild 3: Ein geöffneter Empfängerblock: oben das Phasenschiebermodul, unten der Vorverstärker.

Bild 4: Verstärkermodul eines Senders

Bild 5: Standardised Modular Transmit-/Receive-Module
(SMTRM) (Mit freundlicher Genehmigung von
Cassidian Ulm, ehemals EADS Defence & Security)