Phased-Array-Antenne

Detail einer Panelantenne, die gleiche Phasenlage aller Strahler-Elemente (Rechtecke) wird durch definierte Längen der speisenden Streifenleitungen erreicht.

Eine Phased-Array-Antenne (von englisch phased array ‚phasengesteuertes Feld‘) ist eine phasengesteuerte Gruppenantenne mit starker Richtwirkung, die eine Bündelung der Strahlungsenergie durch die Anordnung und Verschaltung von Einzelstrahlern erreicht. Wenn sich die Einzelstrahler unterschiedlich ansteuern lassen, ist das Antennendiagramm der Antenne elektronisch schwenkbar (Elektronische Strahlschwenkung). Phased-Array-Technik wird häufig bei Radaranlagen im militärischen Bereich verwendet.

Einsatz

Prinzipiell sind alle Gruppenantennen und Panelantennen auch Array-Antennen, sie besitzen jedoch eine unveränderlich gleiche Phasenlage aller Strahler zueinander. Sie werden zum Satellitenempfang (Wetter- und Kommunikationssatelliten), bei Mobilfunkstationen, Rundfunksendern (UKW (VHF), UHF) und an Radaranlagen eingesetzt.

Die Bündelung ist umso stärker, je größer die Querausdehnung der Antenne ist. Daher sind Antennen für den Mobilfunk vertikal gestapelt, Radarantennen hingegen horizontal. Durch gezielte Abweichung der Phasenlage kann das Richtdiagramm asymmetrisch beeinflusst werden, um z.B. ein Aufklärungsradar mit einem auch nach schräg oben erweiterten Richtdiagramm zu versehen, es jedoch nach unten zu begrenzen.

Bei Radargeräten werden oft auch elektronisch schwenkbare Phased-Array-Antennen eingesetzt. Sie gestatten die schnelle und genaue Verfolgung eines beweglichen Ziels. Beispiele sind Flugabwehrraketen-Systeme wie das amerikanische Patriot und die russischen SA-10 und SA-15.

Phased-Array-Radars unterscheiden sich in 2 Arten. Die oben beschriebene wird Passive Electronically Scanned Array (PESA) genannt, also mit passiver elektronischer Strahlschwenkung.

Die modernere Variante des Phased-Array-Radars ist das Active Electronically Scanned Array (AESA)-Radar, bei dem jedes einzelne Sende- bzw. Empfangselement eine HF-Quelle besitzt. Es wird vor allem in Kampfflugzeugen eingesetzt, aufgrund des reduzierten Gewichts und Größe.

Vorteile	Nachteile
Strahlschwenkung im Mikrosekundenbereich sehr flexible Antennencharakteristik (Richtstrahler, Fächerstrahler, Sektorstrahler) hohe mögliche Richtwirkung, bis hin zum Fixieren der Sendeenergie auf einen Punkt in beliebiger Entfernung (Brennglaseffekt) keine komplexe Form der Antenne nötig, eine flache, rechteckige Fläche genügt hohe Redundanz durch hohe Anzahl an Sende- bzw. Empfangselementen	hoher Technikaufwand, hohe Kosten eingeschränkter Bereich des Richtwinkels (technisches Maximum +/− 60°, wirtschaftlich < 30°). hohe Präzisionsanforderungen an die Elemente, die zur Phasenverschiebung nötig sind. Geringe Bandbreite der Antenne, da die geometrischen Abstände der Sendeelemente untereinander die Wellenlänge festlegen.

Vorteile

Nachteile

Strahlschwenkung im Mikrosekundenbereich
sehr flexible Antennencharakteristik (Richtstrahler, Fächerstrahler, Sektorstrahler)
hohe mögliche Richtwirkung, bis hin zum Fixieren der Sendeenergie auf einen Punkt in beliebiger Entfernung (Brennglaseffekt)
keine komplexe Form der Antenne nötig, eine flache, rechteckige Fläche genügt
hohe Redundanz durch hohe Anzahl an Sende- bzw. Empfangselementen

hoher Technikaufwand, hohe Kosten
eingeschränkter Bereich des Richtwinkels (technisches Maximum +/− 60°, wirtschaftlich < 30°).
hohe Präzisionsanforderungen an die Elemente, die zur Phasenverschiebung nötig sind.
Geringe Bandbreite der Antenne, da die geometrischen Abstände der Sendeelemente untereinander die Wellenlänge festlegen.

Geschichte

In Gruppen angeordnete und phasensynchron gespeiste Yagiantennen waren die ersten Radarantennen, sie dienten dem Rundfunk-Weitempfang und sind auch heute bei Funkamateuren verbreitet (70-Zentimeter-Band).

Aus einem Hohlleiter bestehende vertikale Schlitzantennen-Arrays dienten an sowjetischen Radargeräten (1970er Jahre) bei Frequenzen um 1 GHz neben der Hauptantenne zum Empfang der Freund-Feind-Kennung, da diese aufgrund ihrer Verzögerung nicht von der stark bündelnden, inzwischen weitergedrehten Hauptantenne empfangen werden konnte.

Das erste Radar mit elektronischer Strahlschwenkung war 1944 die deutsche Fernsuchanlage FuMG 41/42 Mammut.

Technologie

Funktion

Die Gruppenantenne nutzt die Phasenverschiebung $\Delta\phi$ der in einer Matrix angeordneten Sendeelemente, um durch Interferenz eine Bündelung zu erzielen. Die Sendeenergie wird in der gewünschten Richtung verstärkt, während die unerwünschten Richtungen durch destruktive Interferenz ausgelöscht werden. Die einzelnen Sendeelemente benötigen hierbei keine Bündelungseinrichtungen.

Durch schrittweise verzögerte Speisung der Einzelstrahler wird das Gesamtdiagramm geschwenkt.

Phasengleichheit: Das gemeinsame Diagramm beider Einzelleistungen ist die Hauptrichtung.

Phasenlage des unteren Strahlers ist etwas früher als der obere, das Diagramm wird leicht nach oben geschwenkt.

Um etwa den Abstrahl- bzw. Empfangswinkel nach oben zu verlagern, muss nur der Phasenwinkel der unteren Elemente früher einsetzen, der Phasenwinkel der oberen Elemente entsprechend später. Durch die Laufzeitunterschiede hat die Energie der unteren Strahler nicht mehr in der Antennenmitte, sondern weiter oben Phasengleichheit mit der Energie der oberen Strahler. Dadurch wird die Wellenfront gegenüber der Antennenfläche angewinkelt, und der Abstrahlwinkel neigt sich nach oben. Die Phasendifferenz zwischen den Strahlern (in der Grafik als x bezeichnet) ist zwischen den Antennenelementen konstant und eventuelle Laufzeitunterschiede in der Zuleitung müssen mit berücksichtigt werden.

Wenn eine unterschiedliche Phasendifferenz eingestellt wird, indem zum Beispiel der Phasenwinkel der äußeren Elemente nach- und der der inneren vorgestellt wird, so wird die Bündelung der Gesamtantenne verändert, das heißt, die Antennendiagrammform ändert sich. Diese Methode wird bei einem Multimode-Radar genutzt, um von einem breiteren Diagramm zur Zielsuche auf ein sehr schmales Diagramm zur genauen Zielbegleitung umzuschalten.

Für ein sehr schmales Antennendiagramm werden sehr viele Einzelstrahler benötigt, deren Phasendifferenz $\Delta\phi$ zwischen den Strahlern sich zum Rand der Antennengruppe hin addieren. Die Phasenschieber müssen also eine Phasenverschiebung von fast 360° erreichen und diese Phasenverschiebung muss extrem schnell realisiert werden. In der Praxis werden verschiedene Umwegleitungen verwendet, die bei einem mit einem 16 Bit- Steuerwort geschalteten 4-Bit-Phasenschieber in Schritten von 22,5° in die Speiseleitung geschaltet werden. (Dieses Steuerwort muss auch Informationen zur Adressierung enthalten.)

Das Luftverteidigungsradar RRP 117 verwendet eine Phased-Array-Antenne mit 1584 Einzelstrahlern, die horizontal in Gruppen zusammengefasst sind, da dieses Radar seine Antenne dreht und das Antennendiagramm nur im Höhenwinkel elektronisch schwenken muss.

Der Abstrahlwinkel $\Theta_S$ kann zwar theoretisch fast ±90° betragen. In der Praxis werden aber nur maximal ±60° erreicht, da die Bündelung des Antennendiagramms sich mit größer werdendem Abstrahlwinkel rapide verschlechtert. Für eine Suche im Vollkreis um die Antenne herum werden in der Praxis drei Antennengruppen im Winkel von 120° verteilt. Effektiver sind vier Gruppen im Abstand von 90°, wie es zum Beispiel beim APAR, einem Radargerät der Marine verwendet wird.

Anordnungsmöglichkeiten

Frequenzabhängige Strahlschwenkung

Die frequenzabhängige Strahlschwenkung ist ein Sonderfall der Phased-Array-Antenne, bei welcher die Strahlschwenkung völlig ohne Phasenschieber durch die Sendefrequenz gesteuert wird. Die Strahlschwenkung ist eine Funktion der Frequenz.

Eine vertikale Antennengruppe wird seriell gespeist. Auf der Grundfrequenz erhalten alle Strahler eine Leistung gleicher Phase durch konstruktiv gleiche Umwegleitungen, die eine Phasenverschiebung von n · 360° bewirken. Alle Strahler strahlen also mit gleicher Phase zur gleichen Zeit. Der resultierende Strahl befindet sich somit senkrecht zur Antennenebene.

Wenn die Sendefrequenz um wenige Prozent erhöht wird, stimmt aber die konstruktiv festgelegte Länge der Umwegleitungen nicht mehr. Die Umwegleitung ist nun etwas zu lang. Es tritt eine Phasenverschiebung von Strahler zu Strahler auf. Der erste Strahler strahlt diese wenigen Prozent eher als der nächste benachbarte Strahler und so weiter. Der resultierende Strahl ist also um den Winkel $\Theta_S$ nach oben geschwenkt.

Diese Art der Strahlschwenkung ist zwar sehr einfach aufgebaut, ist aber auf wenige fest installierte Sendefrequenzen beschränkt. Neben der Störanfälligkeit sind auch noch mehr Einschränkungen hinzunehmen, zum Beispiel kann dieses Radargerät keine Pulskompression verwenden.

Lineare Arrays

Planares Array, jedes Antennenelement verfügt über einen eigenen Phasenschieber.

Lineare Phased-Array-Antennen bestehen aus Zeilen, die gemeinsam über einen Phasenschieber gesteuert werden. Eine Vielzahl senkrecht übereinander angeordneter linearer Arrays bilden eine ebene Antenne.

Vorteil: einfache Anordnung
Nachteil: Strahlschwenkung nur in einer Ebene möglich

Planare Arrays

Planare Phased-Array-Antennen bestehen vollständig aus Einzelelementen mit jeweils einem Phasenschieber pro Element. Die Elemente werden wie in einer Matrix angeordnet, die ebene Anordnung aller Elemente bildet die gesamte Antenne.

Vorteil: Strahlschwenkung in zwei Ebenen möglich
Nachteil: komplizierte Anordnung und sehr viel mehr gesteuerte Phasenschieber

Speisung der Phased-Array-Antennen

Phased-Array-Antennen können leitungsgespeist sein, dann wird die Energie durch Koaxialkabel oder durch Hohlleiter seriell oder parallel zu den Antennenelementen geführt. Alternativ dazu kann die Speisung auch durch einen zentralen Strahler, also mit bereits abgestrahlter Energie erfolgen: Die Antennen nennt man dann „strahlungsgespeist“.

Serienspeisung

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 Programmierpraxis: eine andere Phasenwinkeltabelle nutzen).

Parallelspeisung

Parallelspeisung

Bei der Parallelspeisung der Phased-Array-Antennen wird die Sendeleistung an jedem Knoten gleichphasig aufgeteilt. Jedes Strahlerelement hat also eine gleich lange Zuleitung und wird demzufolge gleichphasig versorgt. Das hat den Vorteil, dass der Computer die Länge der Zuleitungen bei der Berechnung der Phasenverschiebung ignorieren kann und dass die Phasenverschiebung nicht zusätzlich frequenzabhängig ist.

Strahlungsspeisung

Bei der Strahlungsspeisung wird die Sendeenergie über eine zentrale Primärantenne auf eine Antennenmatrix verteilt. Das kann einerseits von hinten geschehen und die Antennenmatrix mit den Phasenschiebern leitet die Energie hindurch (Transmissionstyp). Alternativ dazu kann auch die Strahlungsspeisung von vorn geschehen, dann wird die Energie durch die Elemente der Antennenmatrix empfangen, mit dem Phasenschieber verzögert, an einer Fehlanpassung reflektiert und wieder abgestrahlt (Reflexionstyp).

Beispiele:

Flugabwehrraketensystem MIM-104 Patriot (Transmissionstyp)
Flugabwehrraketensystem SA-10 Grumble (Reflexionstyp)

Radargeräte mit Phased-Array-Antennen

Phased-Array-Antennen sind ein weites Einsatzgebiet hauptsächlich für militärische Radargeräte. Das hat sich historisch so ergeben, da anfangs die Kosten für eine Phased-Array-Antenne extrem hoch waren und nur militärische Anwender diese Kosten aufbringen konnten. Die Vorteile einer nicht mit mechanischen Drehelementen ausgestatteten Antenne spielten dabei weniger eine Rolle, denn viele Phased-Array-Antennen sind trotzdem mechanisch drehbar. Größter Vorteil aus militärischer Sicht ist die große Geschwindigkeit der möglichen Strahlschwenkungen, welche das Zeitbudget eines Impulsradars günstig beeinflussen kann. Durch den Einsatz der Technologien der digitalen Strahlschwenkung ist es sogar möglich, die Antenne während der Empfangszeit gleichzeitig in mehrere Strahlrichtungen zu fokussieren. Daraus ergibt sich ein universell verwendbares Multifunktionsradar, welches mehrere ältere hochspezialisierte Radargeräte sowohl für Luftraumaufklärung, Navigation und Zielbegleitung/Zielverfolgung ersetzt. Der Nachteil eines eingeschränkten Beobachtungssektors wird durch den Einsatz mehrerer Antennen wirkungsvoll ausgeglichen. Eine sogenannte 3 $\pi$ Antenne, die gleichzeitig alle Richtungen innerhalb einer Halbkugel um die Antenne herum abdecken kann (2 $\pi$ für 360° im Seitenwinkel und ein weiteres $\pi$ für die 180° im Höhenwinkel), wurde vom Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik unter dem Namen Krähennest Antenne entwickelt und patentiert.

Verschiedene Phased-Array-Antennen mit unterschiedlich ausgeprägtem Grad der Agilität der Strahlschwenkung sind mittlerweile weit verbreitet. Es werden elektronisch starre Antennen (LVA-Antenne) in der Flugsicherung verwendet um ein spezielles Antennendiagramm zu erzeugen. Eine Form der frequenzabhängigen Strahlschwenkung wird mit Schlitzantennen und dem FMCW-Radarverfahren in der Sicherungstechnik als Barriereradar angewendet. Elektronisch nur in einer Richtung geschwenkte lineare Arrays (zum Beispiel PAR-80, RRP 117) nutzen noch einen Antennendrehtisch für die gesamte Antenne. Planare Arrays, die teilweise auf eine mechanische Bewegung völlig verzichten werden zum Beispiel beim APAR, AN/MPQ-53 sowie beim Cobra Dane verwendet. Als besonders vorteilhaft wirkt sich aus, dass planare Arrays ein mögliches Nicken, Gieren und Rollen eines luftgestützten oder maritimen Antennenträgers elektronisch ausgleichen können. Die Verteilung der einzelnen Strahlerelemente einer Phased-Array-Antenne muss nicht immer nur in einer ebenen Fläche erfolgen. Es werden bereits Antennen gebaut, die sich in ihrer geometrischen Form zum Beispiel dem aerodynamischen Querschnitt der Vorderkante eines Flugzeugflügels exakt anpassen.

Basierend auf einem Artikel in:

Wikipedia.de