Phased-Array-Antenne

Die Gruppenantenne nutzt die Phasenverschiebung ${\displaystyle \Delta \phi }$ 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 ${\displaystyle \Delta \phi }$ 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 ${\displaystyle \Theta _{S}}$ 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.

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 ${\displaystyle \Theta _{S}}$ 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.

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 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

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).

Beispiele:

• AN/SPS-48
• ST-68U

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.

Beispiele:

• RRP 117
• AN/TPS-77

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 S-300P (Reflexionstyp)