Grundlagen der Radartechnik

Torusantenne

Eine Torusantenne (von engl.: toroidal für „kreisförmig“) beruht wie die Parabolantenne auf der Geometrie einer Rotationsfläche von einer Parabel. Die Reflektoren dieser Antennen sind Ausschnitte dieser Rotationsflächen. Für die Konstruktion einer normalen Parabolantenne rotiert die Parabel um die Symmetrieachse (siehe Bild 1, links). Die rotierende Parabel bildet einen Rotationsparaboloiden. Diese Symmetrieachse ist bei Parabolantennen auch die Hauptstrahlrichtung wenn die Primärantenne sich im Brennpunkt befindet.

Für eine Torusantenne steht die Rotationsachse senkrecht auf der Symmetrieachse der Parabel in einer Entfernung zur Rotationsfläche, die größer ist als der Brennpunkt der Parabel (siehe Bild 1, rechts). Die Torusantenne bildet keinen Brennpunkt, sondern eine Schar von Brennlinien, die auf einem Halbkreis vor dem Reflektor liegen.

Gegenüber einer Parabolantenne hat die Torusantenne größere Aberationsverluste, weil die Primärantenne (zum Beispiel ein Hornstrahler) nicht in einem Brennpunkt, sondern nur auf einer Brennlinie liegt. Im Empfangsfall würde ein Teil der durch den Reflektor gebündelten Energie die Primärantenne verfehlen. Zusätzlich kann die Primärantenne nur einen begrenzten Bereich des Reflektors ausleuchten, die effektive Antennenfläche ist also immer wesentlich kleiner als bei einer Parabolantenne.

Um diese Aberationsverluste zu verringern kann ähnlich einer Cassegrain-Antenne ein zweiter Reflektor konstruiert werden, der die Phasendifferenzen an den Grenzen der jeweiligen Ausleuchtzonen kompensiert.

Bild 2: Torusantenne DR3 des AN/FPS-50 der Air Force Station in Clear auf Alaska, © 2000-2016 GlobalSecurity.org

Bild 2: Torusantenne DR3 des AN/FPS-50 auf der Clear AFS auf Alaska, © 2000-2016 GlobalSecurity.org

Torusantennen werden genutzt, um mit einem großen Reflektor mehrere Hauptstrahlrichtungen der Antenne gleichzeitig zu ermöglichen. Das wird zum Beispiel bei OTH-B Radar ausgenutzt, deren Antennenreflektoren wegen der extrem niedrigen Resonanzfrequenzen zu groß für eine mechanische Drehung sind. Der Reflektor der Torusantenne des AN/FPS-50 war etwa so groß wie ein Fußballfeld. Die Speisung dieser Antenne erfolgte mit einem sogenannten Orgelpfeifenschalter (engl.: organ-pipe scanner) der die an verschiedenen Positionen angeordneten Strahler wechselseitig in den Sende-/Empfangsweg schaltet. Auf diese Weise wird das Antennendiagramm durch Wahl des Speisepunktes bei feststehendem Reflektor geschwenkt.

Wegen dieser Eigenschaft können Torusantennen auch genutzt werden, um geostationäre Satelliten von mehrereren Positionen im All mit nur einer Antenne gleichzeitig zu empfangen. Hierzu wird an jeder Strahlerposition ein LNB mit einem eigenen Empfänger benötigt. Diese Konfiguration kann für den privaten Fernsehempfang genutzt werden mit dem Vorteil, dass nur ein großer Reflektor benötigt wird statt sonst mehrere. Dieser Vorteil macht diese Antennenform auch für Nachrichtendienste interessant, die so mit nur einer Antenne den Datenverkehr von bis zu 35 verschiedenen Satellitenpositionen überwachen können.[2][3]

Weitere Bedeutung: Als Torusantenne wird manchmal auch eine speziell in Satelliten verwendete Form einer Reflektorantenne genannt, die aufblasbar ist. Ein schwimmringförmiger Reflektorhalter (Torus) wird aufgeblasen und spannt so den zusammengefalteten Reflektor auf. Dieser Reflektor ist ebenfalls aufblasbar, aber nur eine Seite davon hat reflektierende Eigenschaften (mit Metall bedampft), so dass eine Parabolantenne entsteht.[4]