Von der Paraboloid- zur Phased-Array-Antenne: Eine kurze Geschichte der Entwicklung von luftgestützten Radarantennen

Mit den sich wandelnden Anforderungen der Kriegsführung und dem Fortschritt von Wissenschaft und Technologie steigt der Stellenwert des Luftkampfes stetig. Die Entwicklung von Bordradargeräten für Kampfflugzeuge ist ein typisches Beispiel dafür. Optisch ist die Veränderung der Antenne der auffälligste Aspekt der Radarentwicklung. Im Folgenden wird die Entwicklung von Bordradarantennen kurz erläutert.

Die luftgestützte Radartechnik hat sich von einfachen Such- und Entfernungsmessungen in ihren Anfängen zu Systemen entwickelt, die neben der großflächigen Suche, Verfolgung und Feuerleitung auch Bodenvermessung und Kartierung, SAR-Bildgebung und weitere Multifunktionen umfassen. Generell benötigt luftgestützte Radartechnik Antennen mit Eigenschaften wie hoher Verstärkung (zur Erhöhung der Erfassungsreichweite), schmalem Strahl (zur Erhöhung der Winkelmessgenauigkeit) und geringen Nebenkeulen (zur Störfestigkeit). Am einfachsten lassen sich Richtantennen wie Yagi- und Parabolantennen (mit einem einzelnen Reflektor) verwenden. Die Yagi-Antenne ist jedoch zu groß, und Parabolantennen ermöglichen im Vergleich zu Yagi-Antennen leichter geringe Nebenkeulen. Daher verwendeten frühe luftgestützte Radarsysteme nach dem Kalten Krieg in der Regel Parabolantennen.

Parabolantenne (Einzelreflektorantenne).Diese Antennenart nutzt ein größeres Paraboloid als Hauptfläche und ein Horn mittig vor der Hauptfläche als Speisequelle (Vorwärtsspeisung). (Das Horn kann auch von der Mittelposition abweichen, was als Offset-Speisung bezeichnet wird.) Ihr Funktionsprinzip ähnelt dem eines Parabolspiegels in der Optik. Im Sendebetrieb treffen die vom Horn emittierten Kugelwellen auf das Paraboloid. Dieses wandelt die einfallenden Kugelwellen in ebene Wellen um, die sich im freien Raum ausbreiten. Im Sende- und Empfangsbetrieb bündelt die Hauptreflexionsfläche die im freien Raum ausgesendeten ebenen Wellen (Kugelwellen) und lenkt sie zurück zum Speiselautsprecher. Diese Antennenform ist im X-Band und darunter einfach zu realisieren, hat einen simplen Aufbau und ist kostengünstig. Allerdings weist sie auch Nachteile auf. Da Parabolantennen üblicherweise eine hohe Leistung erzielen, wenn das Brennweitenverhältnis (das Verhältnis des Abstands zwischen Horn und reflektierender Oberfläche zur Größe der Hauptreflexionsfläche) hoch ist, ist die Gesamthöhe der Antenne größer und ihr Volumen höher. Insbesondere bei der Rotation und dem Scannen der gesamten Antenne beansprucht sie viel Platz im Maschinenkopf, wodurch der Scanwinkel relativ begrenzt ist. Um diese Schwierigkeiten zu lösen, wurde die sogenannte Cassegrain-Form mit doppelter reflektierender Oberfläche entwickelt.

Grundaufbau und Funktionsdiagramm einer Parabolantenne

Grundaufbau und Funktionsdiagramm einer Parabolantenne

Die Antenne des SL1-Radars (Nachbau des sowjetischen Typs РП-1/5), ausgestattet mit der Allwetterversion J-5A.

Cassegrain-Antenne.Es handelt sich um eine Weiterentwicklung der Einzelreflektorantenne. Im Vergleich zu einer Einzelreflektorantenne optimiert der zusätzliche Subreflektor die vom Lautsprecher ausgesendeten elektromagnetischen Wellen und sorgt für eine idealere Verteilung, bevor sie zum Hauptreflektor zurückreflektiert werden. Dieser wandelt die kugelförmige Welle in eine ebene Welle um und strahlt sie in den freien Raum ab. Dadurch wird der Wirkungsgrad der Antennenapertur verbessert, der Gewinn erhöht, das Brennweitenverhältnis deutlich reduziert, das Gesamtprofil der Antenne verkleinert und die Größe reduziert. Da Empfänger und Speiseleitung ebenfalls auf der Hauptfläche angeordnet sind, vereinfacht dies die Systemverkabelung und reduziert das Systemrauschen. Die Einführung des Subreflektors führt jedoch auch zu einer verstärkten Abschirmung der Hauptfläche, was wiederum den Gesamtgewinn der Antenne verringert und den Nebenkeulenpegel erhöht.

Grundlegender Aufbau und Funktionsprinzip der Cassegrain-Antenne

„Eagle“-Radar des Abfangjägers Su-15 (РП-11)

„Eagle“-Radar des Abfangjägers Su-15 (РП-11)

Um das Problem der Subreflektorverdeckung zu lösen, wurde eine Antenne namens invertierte Cassegrain-Antenne entwickelt und findet breite Anwendung in luftgestützten Radarsystemen. Die invertierte Cassegrain-Antenne, auch deformierte Cassegrain-Antenne genannt, basiert auf der Cassegrain-Antenne, wobei die Position des Subreflektors durch ein polarisiertes Gitterparaboloid und die Position der Hauptfläche durch eine polarisierte, verdrillte Platte ersetzt wird. (Tatsächlich unterscheiden sich bei der invertierten Kartenantenne die Positionen der Haupt- und Nebenflächen deutlich von denen herkömmlicher Cassegrain-Antennen.) Das Funktionsprinzip ist grundlegend anders: Die Hornantenne der polarisationsverdrillten Ausführung sendet horizontal linear polarisierte elektromagnetische Wellen aus, die vom nach vorn gerichteten Polarisationsgitter nahezu vollständig reflektiert werden und die Kugelwelle in eine ebene Welle umwandeln. Diese trifft auf die rückseitig angebrachte Polarisationsverdrillungsplatte, wodurch die horizontale Polarisation in eine vertikal linear polarisierte elektromagnetische Welle „verdrillt“ wird. Diese Welle wird vom vorderen Polarisationsgitter ausgesendet und in den freien Raum abgestrahlt. Kurz gesagt: Obwohl der von der invertierten Kartenantenne ausgesendete Strahl zweimal reflektiert wird, unterscheidet er sich von der herkömmlichen Cassegrain-Antenne durch die Polarisationsverdrillung in der Mitte. Das vor der Antenne befindliche Polarisationsgitter blockiert lediglich horizontal polarisierte elektromagnetische Wellen und hat nahezu keinen Einfluss auf vertikal linear polarisierte Wellen. Übrigens sind luftgestützte Radarantennen zur Unterdrückung von Bodenstörungen meist vertikal linear polarisiert. Die Strahlschwenkung erfolgt durch Drehen der Polarisationsdrehplatte. Die Klappantenne löst das Problem der Subreflektorverdeckung und ermöglicht zudem eine leichte Versetzung der Speise- und Polarisationsgitter, wodurch das Antennenprofil weiter reduziert wird. Aufgrund dieser Vorteile sind Klappantennen bei Mobiltelefonen der zweiten Generation sehr beliebt.

Das Funktionsprinzip der Klappkartenantenne besteht darin, dass der vordere horizontale Steg ein Polarisationsgitter bildet. Die polarisierte Drehplatte ist auf der Rückseite in einem Winkel von 45 Grad angeordnet.

Die vom Sapphire-21-Radar der MiG-21BIS verwendete invertierte Kartenantenne. Beachten Sie, dass das Polarisationsgitter nicht installiert ist.

Die im Tornado-Kampfjet AI-24-Radarsystem verwendete umgekehrte Cassegrain-Antenne

Die vom Mig25 Tornado A-Radar verwendete invertierte Kartenantenne besitzt kein installiertes Polarisationsgitter.

Bemerkenswert an der invertierten Kartenantenne des n001-Radars der Su-27 ist auch, dass ihre Polarisationsgitterfläche nicht installiert ist.

Die vom n001-Radar der Su-27 verwendete invertierte Kartenantenne. Beachten Sie, dass diese vollständig montiert ist und ein Polarisationsgitter besitzt.

Die grundlegenden Funktionsprinzipien der oben genannten Antennen basieren alle auf der Form der reflektierenden Oberflächen, die sich in Details wie der Art der reflektierenden Oberflächen (einfach oder doppelt reflektierend) und dem Vorhandensein oder Fehlen einer Polarisationsdrehung unterscheiden. Durch die Kontrolle des Abstands des Antennesammlers zur Hauptfläche, die Anpassung der Beleuchtungscharakteristik usw. lassen sich hohe Verstärkung und geringe Nebenkeulen leicht erzielen. Auch in frühen Entwicklungsstadien sind zufriedenstellende Ergebnisse möglich. Obwohl die Anforderungen an die Verarbeitung von Antennen mit reflektierenden Oberflächen nicht hoch sind (im X-Band ist die Leistung relativ gut, steigt aber in höheren Frequenzbändern stark an), sind die Kosten akzeptabel. Mit der Verbesserung der Leistung von Bordradargeräten wurden jedoch auch neue Anforderungen an die Antennen gestellt, wie z. B. ein größerer Abtastwinkel, geringere Nebenkeulen und die Realisierung von geformten Strahlen. Zu den systembedingten Nachteilen von Klappantennen gehören der ständige Energieverlust (der die Apertureffizienz und den Gewinn verringert), die starke Strahlverzerrung beim Scannen (der Hauptkeulengewinn sinkt, der Hauptstrahl verbreitert sich und die Nebenkeulen nehmen zu) sowie das hohe Antennengewicht. Daher erscheint es allgemein als veraltet, dass die Flugzeuge der dritten Generation, die die Lufthoheit anstreben – die MiG-29 und die Su-27 –, in ihren Anfängen auf invertierte Cassegrain-Antennen setzten.

Wir wissen, dass zur Erfüllung der Anforderungen an Bordradargeräte mit hoher Verstärkung, schmalem Strahl und geringen Nebenkeulen aufgrund ihrer einfachen Struktur früher Parabolantennen eingesetzt wurden. Es gibt jedoch auch eine Antennenart, die zwar etwas komplexer aufgebaut ist, aber eine bessere Leistung bietet: die Planar-Array-Antenne. Die Planar-Array-Antenne ist eine typische Array-Antenne. Dutzende, Hunderte oder sogar Tausende kleiner Antennenelemente sind nach bestimmten Regeln und Abständen gleichmäßig auf der Array-Oberfläche angeordnet. Eine einzelne Antenne kann einen sehr breiten Strahl und eine geringe Verstärkung aufweisen. Durch das Zusammenwirken zahlreicher Antennenelemente im Antennenarray lassen sich jedoch eine sehr hohe Verstärkung, ein schmaler Strahl und extrem geringe Nebenkeulen erzielen (später kann sogar ein planares Phased-Array-System entwickelt werden). Aufgrund ihrer hervorragenden Leistung haben Planar-Array-Antennen die reflektierenden Oberflächenantennen schnell abgelöst und sind zum Standard in verschiedenen Bordradarsystemen der dritten, modifizierten und vierten Generation geworden. Heutzutage verwenden fast alle modernen Bordradargeräte, insbesondere Phased-Array-Radargeräte, Planar-Array-Antennen.

Zu den gängigen planaren Antennenarrays gehören Hohlleiter-Schlitzantennen (Flachplattenantennen), offene Hohlleiterantennen, Dipolantennen, Vivaldi-Antennenarrays, Mikrostreifen-Patchantennenarrays usw.

Die Hohlleiter-Schlitzantenne ist eine gängige Struktur für die Mikrowellenübertragung. Schlitze werden in die Oberfläche des Hohlleiters eingebracht, wodurch diese kleinen Schlitze als Antennen zur Abstrahlung elektromagnetischer Wellen dienen. Sie bietet den Vorteil der Anpassung an die Speisestruktur und einer hohen Belastbarkeit. Da die Hohlleiter-Schlitzantennen wie in eine flache Platte eingeschnitten aussehen, werden sie auch als Flachschlitzantennen bezeichnet.

Das von E3 verwendete APY1-Radar nutzt eine Hohlleiter-Schlitzantennenanordnung.

Die vom APG63-Radar der F-15 verwendete Flachplatten-Schlitzantenne verfügt über eine IFF-Elementantenne (Antennenanordnung), die aus dem Randbereich herausragt.

 Die vom APG63-Radar der F-15 verwendete Flachplatten-Schlitzantenne verfügt über eine IFF-Elementantenne (Antennenanordnung), die aus dem Randbereich herausragt.

Die vom APG66-Radar der F16A/B verwendete Flachplatten-Schlitzantenne

Ähnlich verhält es sich mit der offenen Hohlleiterantenne. Auch sie nutzt eine Hohlleiterstruktur, jedoch werden elektromagnetische Wellen hier direkt über die Hohlleitermündungsfläche abgestrahlt, anstatt durch Schlitze und Spalten erzeugt zu werden. Da diese Art von offenem Hohlleiter einen etwas größeren Querschnitt aufweist und daher schwerer ist, findet er häufiger Anwendung in land- oder schiffsgestützten Radargeräten und wird selten in luftgestützten Radargeräten eingesetzt.

Die oben beschriebene Struktur, die Wellenleiter zur Speisung und Abstrahlung nutzt, begünstigt die Antennenanpassung und zeichnet sich durch ihre hohe Belastbarkeit aus. Allerdings ist die Antennenbandbreite oft begrenzt und das Gewicht schwer zu kontrollieren. In der Folge wurden in luftgestützten Radarsystemen nach und nach zahlreiche neue Designs eingesetzt.

Tatsächlich nutzten Ingenieure im späten Kalten Krieg Phased-Array-Antennen für Bordradargeräte, um höhere Abtastgeschwindigkeiten und eine gesteigerte Leistungsfähigkeit (z. B. für die gleichzeitige Suche, Verfolgung, Feuerleitung, Lenkung und Bodenerkennung) zu erzielen. Diese Technologie gilt bis heute als fortschrittlich. Optisch unterscheidet sich eine Phased-Array-Antenne kaum von einer herkömmlichen Planar-Array-Antenne. Vereinfacht gesagt handelt es sich um eine modifizierte Speisestruktur einer herkömmlichen, maschinell abgetasteten Planar-Array-Antenne (wobei sich der nachgelagerte Sender/Empfänger und der Signalverarbeitungsalgorithmus natürlich deutlich unterscheiden). Durch Hinzufügen eines Phasenschiebers am Antennenende erhält man eine passive Phased-Array-Antenne (PESA). Verzichtet man auf den Phasenschieber und fügt eine TR-Komponente hinzu, erhält man eine aktive Phased-Array-Antenne (AESA). Antennenentwickler können dieselbe Antennenanordnung sowohl für AESA als auch für PESA verwenden. Daher bieten Planar-Array-Antennen großes Potenzial für die Weiterentwicklung zu Phased-Array-Antennen.

Radargeräte mit aufgerüsteten AESA-Antennen bieten eine höhere Sendeleistung, größere Reichweite, empfindlichere Strahlabtastung und leistungsfähigere Strahlformungsfunktionen. Zudem lässt sich leichter ein durchschnittlicher Nebenkeulenwert von -50 oder -60 dB erzielen.

Nehmen wir die F-22 als Beispiel. Das AESA-Radar dieser neuen Generation von Tarnkappenjägern verwendet bevorzugt Dipolantennen (die Abbildung zeigt die schirmförmige Dipolantenne des APG-77-Radars der F-22). Das Gerät nutzt eine Dipolantenne mit Breitbandcharakteristik. Das Strahlungsmuster ist breit und ermöglicht problemlos das Scannen großer Winkel.

APG77-Radarantenne der F-22

Das vorne hervorstehende Bauteil kann leicht mit einem TR-Bauteil verwechselt werden. Genau genommen handelt es sich jedoch um die Oberfläche der Antenne. Das TR-Bauteil ist hinter der Antenne angeschlossen (obwohl das TR-Bauteil heutzutage üblicherweise mit der Antenne integriert wird, wird es hier noch separat behandelt).

Das im neuen Rafale verwendete RBE2-AESA-Radar (siehe Abbildung unten) nutzt eine Vivaldi-Antennenanordnung. Diese Antenneneinheit zeichnet sich durch eine besonders große Bandbreite aus, wodurch die Bandbreite der gesamten Antennenanordnung erweitert werden kann.

RBE2 AESA

RBE2 AESA

Natürlich gibt es auch speziellere Systeme. Beispielsweise verwendet das APY9-Radar des Frühwarnflugzeugs E2D eine Yagi-Antenne. Da die Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen im UHF-Band lang ist, ist die Antennengröße stark begrenzt. Um einen möglichst schmalen Strahl und eine hohe Verstärkung zu erzielen, muss der Strahl der Yagi-Antenne verengt werden, weshalb sie sich als ideale Lösung erwiesen hat. Als Einheit kann die hochverstärkende Yagi-Antenne die Verstärkung des Arrays deutlich verbessern. Doch alles ist relativ. Der schmale Strahl der Yagi-Antenne schränkt die Weitwinkel-Scanfähigkeit des Arrays stark ein. Weicht der Scanwinkel der Antenne stark von der Normalen ab, sinkt die Verstärkung und die Wellenformverzerrung wird deutlich sichtbar. Daher nutzt das APY9 eine Kombination aus elektromechanischer Abtastung, um diese Nachteile auszugleichen.

Das E2D APY9-Radar verwendet eine 2x9-Yagi-Antennenanordnung.

Die Entwicklung der Phased-Array-Technologie hat die Luftfahrtantennen auf ein neues Niveau gehoben.

Die Antennenentwicklung spiegelt die technologische Gesamtentwicklung von Radarsystemen wider. Obwohl sich aus dem Aussehen der Antenne keine Rückschlüsse auf die Radarleistung ziehen lassen oder die Gesamtleistung eines Radarsystems messen lässt, konzentriert sich die Ingenieurwissenschaft häufig auf die Koordination und den Ausgleich der Systeme. Eine hohe Gesamtleistung eines Radarsystems setzt eine leistungsstarke Antenne voraus. Zukünftig werden Ingenieure weiterhin Herausforderungen wie die großwinklige Abtastung von Phased-Array-Antennen (Erweiterung des aktuellen Abtastbereichs um +60 Grad), Ultrabreitband, gemeinsame Apertur und konforme Antennen bewältigen, um die Entwicklung luftgestützter Radarsysteme voranzutreiben.

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