Monopulsantenne
Bild 1: Prinzip einer Monopulsantenne
Bild 2: Schnitt durch eine Antennengruppe
einer Phased Array Antenne
Monopulsantenne
Unter dem Begriff Monopuls-Antenne (oder Interferometer Antenne) werden Antennen zusammengefasst, die als Antennengruppe aufgebaut sind und die eine Besonderheit in der Speisung aufweisen: Die Einzelantennen werden nicht immer summenbildend zusammengeschaltet. Für verschiedenste Zwecke können durch einen Monopuls-Duplexer unterschiedliche Summen und Differenzen gebildet werden.
- Im Primärradargerät
RRP-117 werden
- im Sendemoment alle Antennen zusammengefasst
- in der Empfangszeit nur bestimmte Gruppen zusammengefasst, deren Summen oder Differenz eigene Verarbeitungskanäle speisen.
- Im Sekundärradargerät
IFF/SIF Siemens 1990 wird
- eine Impulsgruppe im Summenkanal gesendet und
- ein Impuls im Differenzkanal.
Diese beiden Beispiele zeigen: Eine Monopulsantenne ist wiederum keine eigenständige Antennenart.
Das IFF/SIF Siemens 1990 benutzt eine Antennengruppe aus
logarithmisch-periodischen Antennen
und das RRP-117 hat eine
Phased Array Antenne.
Bild 3: Interpolation des Azimutwertes aus vielen Impulsen bei einem klassischen Radar (kein Monopulsverfahren)
Bild 3: Interpolation des Azimutwertes aus vielen Impulsen (siehe Trefferzahl) bei einem klassischen Radar (kein Monopulsverfahren)
Monopulsverfahren
Bei einer klassischen Radarantenne, die nicht für das Monopulsverfahren ausgelegt ist, erhalte ich auch dann Echos, wenn die Antenne noch nicht ganz genau in die Richtung des reflektierenden Objektes zeigt.
Da der Öffnungswinkel aller Antennen einen endlich kleinen Wert hat, erhält man mehrere Antwortimpulse, die, da die Antenne sich ja ständig weiterdreht, eigentlich jeder zu einem anderen Seitenwinkel zugeordnet werden können. Der wahre Seitenwinkel muss dann aus einer Anzahl von Antworten korrelliert werden. Bei älteren analogen Radargeräten geschieht das visuell durch den Operator am Bildschirm, bei weniger alten Radargeräten bei denen dieser Vorgang automatisiert abläuft, wird im Plotextraktor mit dem so genannten Sliding Window- Verfahren eine Art einfache Korrelation durchgeführt und aus den verschiedenen Seitenwinkelangaben ein Durchschnitt gebildet. Ob in dem betrachteten Öffnungswinkel bei gleicher Entfernung ein oder mehrere Ziele vorhanden sind, kann meist nicht festgestellt werden.
Bild 4: Verhältnis Differenzkanal zum Summenkanal
Ein Echo genügt!
In einer Monopulsantenne kann durch Vergleich von Summen- und verschiedenen Differenzkanälen eine Lokalisierung des reflektierenden Objektes auch innerhalb des Antennendiagramms erfolgen.
Durch eine gegenphasige Kopplung der linken zu den rechten Antennengruppen wird ein Differenzkanal (ΔAz) (sprich: „Delta Azimut“) gebildet. Der Azimut wird nun dadurch bestimmt, dass in diesem Winkel bei einem Maximum des Summenkanals der Differenzkanal ein Minimum haben muss. (Vergleiche die Diagramme aus Bild 1.) Da der Summenkanal (Σ) und der Differenzkanal aus nur einem Echo gebildet werden können, genügt (zumindest in störungsfreier Umgebung) ein Impuls zur genauen Berechnung der Koordinaten. (Deshalb erhielt diese Antennengruppierung auch den Namen Monopulsantenne.)
Das Verhältnis von Summenkanal zum Differenzkanal ist das Maß für die Abweichung der realen Richtung von der Mittelachse der Antenne (englisch: „Boresight“). Die Winkeldifferenz zwischen Mittelachse der Antenne und dem tatsächlichen Seitenwinkel des Targets wird „Off-Boresight Angle“ (OBA) genannt.
Bei 3D- Radargeräten wird als dritte Koordinate auch noch der Höhenwinkel gemessen. Auch hier kann das Verfahren angewendet werden. Hier wird die Antenne in eine obere und eine untere Hälfte gruppiert. Der zweite Differenzkanal (ΔEl) heißt nun „Delta Elevation”.
II |
I |
III |
IV |
II |
I |
III |
IV |
Bild 5: Aufteilung der Antenne in vier Quadranten
Die Monopulsantenne ist nun also in vier Quadranten aufgeteilt. Aus den Empfangssignalen dieser vier Quadranten werden folgende Signale gebildet:
- Summenkanal Σ ( I + II + III + IV )
- Differenzkanal ΔAz ( I + IV ) - ( II + III )
- Differenzkanal ΔEl ( I + II ) - ( III + IV )
Der Vollständigkeit halber soll auch noch der
- Auxiliary Channel Ω
genannt werden, obwohl dieser nicht an die Monopulsantenne gebunden ist. Dieser Kanal zur Kompensation von Nebenkeulen hat praktisch immer seine eigene kleine Antenne, die mit ihrem gewollt breiten Antennendiagramm auch zur Erkennung von aktiven Störungen dient.
Alle diese Signale benötigen einen eigenen Empfangsweg. Moderne 3D- Radargeräte haben also mindestens vier parallel arbeitende Empfangskanäle.
Wenn die Primärstrahler für die Monopulsantenne aus Hornstrahlern bestehen, dann kann die Aufteilung der empfangenen Signale mit einem Monopuls-Duplexer durchgeführt werden.
Amplituden- oder Phasenvergleich
In der Konfiguration in Bild 1 erzeugt die linke Antennengruppe die obere Hälfte des Differenzdiagramms und die rechte Antennengruppe die linke Hälfte des Differenzdiagramms. Die phasengleiche Kombination der beiden Gruppen ergibt das Summensignal. Bei dieser Antennenanordnung wird die Information über die Winkelposition des Ziels in der Differenz der Spannungspegel aus den beiden Antennengruppen durchgeführt: Wenn das Ziel in diesem Bild unterhalb der Mittelachse der Diagramme in Bild 1 wäre, wäre die Spannung aus der rechten Antennengruppe größer als die Spannung aus der linken Antennengruppe. Wäre das Ziel oberhalb der Mittelachse der Diagramme, wäre die Spannung aus der linken Antennengruppe größer als die Spannung aus der rechten Antennengruppe.
Da die Winkelinformation aus den Spannungswerten oder Amplituden ermittelt wird, wird dieser Antennentyp als Monopulsantenne mit Amplitudenvergleich oder kürzer: Amplituden-Monopulsantenne bezeichnet.
Bei einer Phased-Array-Antenne würden das Summendiagramm und beide Differenzhälften in die gleiche Richtung zeigen. Zu der Mittelachse der Antennenebene würde zusätzlich eine durch Phasenverschiebungen erzeugte Schwenkung des Antennendiagramms entstehen. In diesem Fall würde die Winkelinformation nicht in den relativen Amplituden der Signale aus den Differenzkanälen ermittelt werden. Stattdessen wird die Winkelinformation aus den Phasenlagen der Einzelantennen oder Antennengruppen ermittelt. Deshalb werden Phased-Array-Antennen auch als Monopulsantenne mit Phasenvergleich oder kurz als Phasen-Monopulsantenne bezeichnet.
Mit dem Phasenvergleich zwischen zwei Antennenebenen konnten schon alte russische VHF-Radargeräte wie die P-3 und deren Nachfolger bis zur P-12 eine Höhenwinkelmessung durchführen. Danach wurde auf dieses Verfahren verzichtet, weil es die Reichweite verschlechterte. In modernen Flugsicherungsradaren wie das ASR-NG erhielt dieses Verfahren mit dem Phasenvergleich eine Renaissance, da der Reichweitenverlust durch digitale Signalverarbeitung vermieden wird. Die ASR-NG verwendet für dieses Verfahren drei übereinanderliegende Hornstrahler.