Phased-Array-Antenne

Eine Phased-Array-Antenne (von englisch phased array‚ phasengesteuertes Feld) ist ein amplituden und phasengesteuertes horizontales und/oder vertikales Antennen-Array (Gruppenantenne) welches aus vielen einzelnen Antennenelementen besteht. Durch die vertikale und horizontale Anordnung der einzelnen Antennenelemente, sowie die phasen- und amplituden-gerechte Ansteuerung der einzelnen Antennenelementen (Einzelstrahlern) mit einem kleinemAntennengewinn und breitem Antennendiagramm, ergibt sich durch Bündelung der Strahlungsenergie der einzelnen Antennenelemente im Fernfeld ein gemeinsames Summen-Antennendiagramm mit höherem Antennengewinn und stärkerer Richtwirkung, als die verwendeten Einzelstrahler ergibt. Eine Phased-Array-Antenne besitzt somit die gleiche Wirkung wie eine entsprechend groß dimensionierte Richtantenne, z. B. eine Parabolantenne.

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

Animiertes Diagramm der Phased-Array-Antenne. TX = Sender, Φ = Phasenschieber, A = Antennen-Array, C = Computer, Θ = Abstrahlwinkel. Die roten Linien sind die Wellenfronten

Phased Array Antennen bestehen entweder aus einer horizontalen oder Vertikalen Zeile von einzelnen Antennenelementen oder aus vertikalen und/oder horizontalen Zeilen von einzelnen Antennenelementen die ein 2-dimensionales Phased-Array bilden. Dabei ist zu unterscheiden ob ein Phased-Array aus Einzelantennen für ein fixes Antennendiagramm in Azimut und Elevation mit maximalem Gewinn und möglichst minimalen Nebenzipfeln im Antennendiagramm optimiert ist oder ob durch ein Phased-Array aus Einzelantennen ein sogenanntes Beam Steering möglich ist; bei dem die Antennenkeule horizontal und/oder vertikal innerhalb definierter Grenzen elektronisch geschwenkt oder escan (Electronic Scanning) werden kann.

2d Phased-Array-Antennensysteme können sowohl aus einer symmetrischen Anordnung von einzelnen Antennenelementen für Beam-Steering bestehen, d. h. sie besitzen horizontal und vertikal den gleichen Abstand zueinander, oder sie bestehen aus einer Kombination von einzelnen 1-dimensionalen Phased-Array-Antennen die zusammen zu einer 2-dimensionalen Gruppe aus Phased-Array-Antennen zusammengeschaltet werden, z. B. bei Large-Vertical-Array (LVA) für Sekundärradar- und Freund-Feind-Erkennungs-Radarsensoren aus einzelnen vertikalen Phased-Array-Antennenzeilen. Bei LVA-Antennen muss weder der vertikale noch horizontale Abstand der einzelnen Antennenelemente gleich sein, sondern richtet sich nach alleine nach dem benötigten maximalen Antennengewinn und Antennendiagram im Azimut der durch die Anzahl, horizontale Anordnung und Speisung der vertikalen Phased-Array-Antennenzeilen und der Elevation die durch die vertikale Anordnung und Speisung der vertikalen Phased-Array-Antennenzeilen bestimmt wird.

Seit ca. 1940 wurden in den ersten Phased-Antennen-Arrays eingesetzt. Diese bestehen aus einem horizontalen Antennen-Array aus mehreren einzelnen Antennenelementen. Die einzelnen Antennenelementen werden von mehreren parallel betriebenen Sendern jeweils mit Signalen gespeist, deren Amplituden und Phasen so dimensioniert sind, dass sich bei der Überlagerung der einzelnen Signale im Raum ein gewünschtes Antennendiagramm ergibt. Dies wird z. B. bei Landeskurs- und Gleitwegsendern des Instrumentenladesystems genutzt. Hierbei sind die zu erzeugten Antennendiagramme durch die gewünschte Nutzung (z. B. im Anflugbereich eines Flughafens) vorgegeben. Will man ein Antennendiagramm ändern, so müssen die Amplituden und Phasen im Speise-Netzwerk der Array-Antenne entsprechend justiert werden.

Wenn sich die Einzelstrahler variabel ansteuern lassen, ist das Antennendiagramm der Gesamt-Antenne elektronisch schwenkbar (escan, von engl. electronic scanning oder Beam-Stearing). Eine escan- oder Beam-Steering-Antenne besitzt somit die Eigenschaften einer mechanisch schwenkbaren Richtantenne, mit dem Vorteil, dass das sie die Antennenkeule schneller horizontal und/oder vertikal schwenken kann, da keine große und schweren Antenne(n) mechanisch geschwenkt werden müssen.

Elektronisch schwenkbare escan Phased-Array-Antennen werden z. B. in Radaranlagen, Mobilfunk-Basisstationen oder in der Raumfahrt verwendet. Eine Weiterentwicklung der Phased-Array-Technologie ist das Synthetic Aperture Radar.

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. Mit durch Umschalten der Phasenlage eingeschränkt wählbarer Sende- und Empfangsrichtung arbeiten 4-Square-Antennen, die im Amateurfunk zum Einsatz kommen.^[1]

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 Steuerung der Phasenlage kann das Richtdiagramm asymmetrisch beeinflusst werden, z. B. um 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. Da die Antenne nicht mechanisch bewegt werden muss, die schnelle und genaue Verfolgung eines beweglichen Ziels möglich. Beispiele sind Flugabwehrraketen-Systeme wie das amerikanische Patriot und die russischen S-300P und 9K330 Tor.

Phased-Array-Radare unterscheiden sich in zwei Grundtypen: Die oben beschriebene wird englisch Passive Electronically Scanned Array (PESA) genannt, also mit passiver elektronischer Strahlschwenkung. Die zweite Variante des Phased-Array-Radars ist das AESA-Radar, bei dem jedes einzelne Sende- bzw. Empfangselement eine HF-Quelle besitzt. Es wird vor allem in Kampfflugzeugen aufgrund des reduzierten Gewichts und der Größe eingesetzt.

Vorteile	Nachteile
Strahlschwenkung im Mikrosekundenbereich sehr flexible Antennencharakteristik (Richtstrahler, Fächerstrahler, Sektorstrahler) hohe mögliche Richtwirkung, bis hin zum Fokusieren 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 durch die Wellenlänge vorgegeben ist

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.^[2]

Technologie

Funktion

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 oder besser noch 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 ${\displaystyle \Theta _{S}}$ 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.

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

Kreisgruppen-Antennen

Es gibt Gruppenantennen, bei denen die Antennenelemente im Kreis angeordnet sind. Dazu gehört die Wullenwever-Antenne. Sie wird bevorzugt zum Peilen von Funksignalen verwendet.

Kreisgruppe vom Typ Wullenwever

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

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

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

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 S-300P (Reflexionstyp)

Radargeräte mit Phased-Array-Antennen

Escan Phased-Array-Antennen werden derzeit noch weitestgehend in militärischen Primär-Radargeräten eingesetzt. Dies begründet sich darin, das der benötigte vertikale und horizontale Erfassungsbereich von SRE (Surface Radar Equipment, z. B. SRE-M), ASR (en. Airport Surveillance Radar) und ASDE (en. Airport Surveillance Detection Equipment) für die zivile Flugsicherung keinen Vorteil von einem horizontalen und/oder vertikale Beamsteering hat. Das Präzisionsanflugradar (engl. Precision Approach Radar, PAR) für die Anflugkontrolle stellt eine Ausnahme dar. Zwar sind von der Internationalen Zivilluftfahrtorganisation ICAO noch Kriterien für GCA (en. Ground Controlled Approach) Anflüge definiert, jedoch wurden GCA-Anflüge unter Nutzung von Präzionsanflugradare weitestgehen weltweit durch Instrumentenlandesysteme (engl. Instrument Landing System, ILS), und zu einem kleinen Teil auch durch GBAS-Systeme (en. Ground Based Augmentation System) ersetzt.

Escan Beamsteering wird sowohl für eine fest in eine Richtung ausgerichtete Phased-Array-Antenne, als auch für drehende oder horizontal und/oder vertikal schwenkende Primärradar-Sensoren verwendet. Die Kosten für Phased-Array-Antenne waren am Anfang größer, als die Kosten für mechanisch schwenkende oder scannende Antennen und wurden nur für militärische Nutzungen eingestzt. Der Vorteil gegenüber einer mechanischen drehenden oder schwenkenden Antenne war sowohl die innerhalb definierter Gernzen flexibel ausrichtbare Antennenkeule als auch die höhere Geschwindigkeit mit der eine escan Antenne die Antenenkeule im vergleich zu einer mscan (en. mechanical scanning) Antenne ausrichten kann.

Durch den Einsatz der Technologien der digitalen Strahlschwenkung ist es sogar möglich die Antenne während der Empfangszeit gleichzeitig in mehrere Strahlrichtungen zu fokussieren.^[3] 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${\displaystyle \pi }$-Antenne, die gleichzeitig alle Richtungen innerhalb einer Halbkugel um die Antenne herum abdecken kann (2${\displaystyle \pi }$ für 360° im Seitenwinkel und ein weiteres ${\displaystyle \pi }$ für die 180° im Höhenwinkel), wurde vom Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik unter dem Namen Krähennest-Antenne^[4] 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) für die 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. Fix ausgerichtete elektronisch horizontal und vertikal schwenkende lineare Arrays werden bei Primärradar-Radarsensoren z. B. PAR-80 verwendet, während die Phased-Array-Antenne bei AD-SRE-Radarsensoren um 360° drehen, z. B. RRP-117.

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.

• 
  Zeichnung der deutschen Fernsuchanlage FuMG 41/42 Mammut
• 
  Aufklärungs- und Überwachungsradar des russischen Flugabwehrraketenkomplexes S-300P
• 
  Installation eines Phased-Array-Radars
• 
  APAR auf der Fregatte „Sachsen“
• 
  Cobra Dane: Detailaufnahme der Sendeelemente

Instrumentenlandesystem mit Phased Array-Antenne

Landekurssender von Instrumentenlandesystemen (engl. Instrument Landing System Localizer, ILS-LLZ) nutzen Phased-Array-Antennen mit horizontaler Polarisation. Diese besteht aus bis zu 32 Antennenelementen, wobei Antennen mit 21 Elementen am weitesten verbreitet sind.^[5][6][7] Durch geeignete amplituden- und phasenrichtige Ansteuerung einzelner Antennenelemente werden bei Ein-Frequenz-Ladekurssendern (1f-ILS-LLZ) jeweils ein Antennendiagramm für das mit 90 Hz und das mit 150 Hz modulierte Signal erzeugt. Beim Zwei-Frequenz-Landerkurssender (2f-ILS-LLZ) geschieht dies separat für die Nutzungsbereiche der Course- und der Clearance-Navigation.^[8]

Typisches ILS-LLZ Antennen-Array des Landekurssenders eines Instrumentenlandesystems: Es besteht aus 21 Dipolantennen-Elementen vor einem Reflektor-Stäben mit ca. 50 Meter Breite (Landebahn 27R des Flughafens Hannover, Blick von der Rückseite durch die Reflektor-Stäbe)

Literatur

• Heinz Lueg: Experimentelle und theoretische Untersuchungen an Labormodellen von Phased-Array-Antennen. Dokumentationszentrum der Bundeswehr, Bonn 1975.