Grundlagen der Radartechnik

„Branch- Duplexer“

Der „Branch- Duplexer“ ist ein Sende- Empfangsumschalter, der aus abgestimmten Leitungsabschnitten besteht. Diese werden durch Gasentladungsröhren oder pin-Dioden entweder kurzgeschlossen oder liegen als offene Leitung vor und leiten so die Hochfrequenz auf der Leitung zu der gewünschten Baugruppe.

Voraussetzungen

Wichtige Eigenschaft von λ/4- Leitungsabschnitten ist die Widerstandstransformation. Bei Betrachtung der Spannungs- und Stromverhältnisse auf einem Leitungsabschnitt kann beobachtet werden, dass bei einer Leitung

• Strom- und Spannungsmaxima zeitlich versetzt sind;
• bei einem Strommaximum ein Spannungsminimum vorliegt und
• bei einem Spannungsmaximum ein Stromminimum vorliegt.

Ein Strommaximum liegt vor, wenn eine Leitung kurzgeschlossen ist. Der Kurzschluss besagt, dass an dieser Stelle keine Spannung messbar ist - die Spannung hat also ein Minimum. Ein Spannungsmaximum besagt, dass an dieser Stelle Verhältnisse sind, wie sie bei einer offenen Leitung vorliegen: es fließt kein Strom.

Bei einer hochfrequenten Spannung wechseln sich Maxima und Minima gemäß einer Sinusfunktion ab. Die Spannung eilt dem Strom um 90° voraus (das entspricht einem Viertel der Wellenlänge λ). Das Strommaximum und das Spannungsmaximum liegen auf der Leitung um λ/4 entfernt.

Wird der Widerstand betrachtet, dann muss nach der Formel R = U / I bei einem Spannungsmaximum (entspricht Stromminimum) ein unendlich hoher Widerstand vorliegen. Bei einem Spannungsminimum (und demzufolge einem Strommaximum) ist der Widerstand gleich Null. Ein Kurzschluss wird durch die Periodizität der Sinusfunktion nach λ/4 zu einem unendlich hohen Widerstand transformiert, also zu einer „offenen Leitung”. Wiederum λ/4 später wäre wieder ein Kurzschluss zu messen.

Arbeitsweise eines Branch-Duplexers

Bei einem Branch-Duplexer wird die Sendeenergie auf einer Leitung (Koaxialkabel oder Hohlleiter) dazu benutzt, in einer Gasentladungsröhre durch Zündung ihren Innenwiderstand zu verändern. Normal hat diese Gasentladungsröhre einen fast unendlich hohen Innenwiderstand. Wenn die Gasfüllung der Röhre in einen Plasmazustand übergeht (die Röhre „zündet“), so ist ihr Innenwiderstand extrem gering.

Im Sendemoment zünden im Bild 2 beide Gasentladungsröhren und erzeugen an den Punkten C und D je einen Kurzschluss. Dieser Kurzschluss wird nach λ/4 zu einem fast unendlich hohen Widerstand transformiert. Der Sendeenergie bleibt also kein anderer Weg, als der zur Antenne.

In der Empfangszeit haben beide Röhren einen sehr hohen Innenwiderstand. Der in der Leitung vorhandene Kurzschluss hinter dem Punkt C bleibt nach λ/2 immer noch Kurschluss und trennt somit den Sender von der Leitung. Dieser Kurzschluss im Punkt A wird nach λ/4 im Punkt B wieder ein sehr hoher Widerstand und wird von den von der Antenne empfangenen Echosignalen als offene Leitung erkannt, ihnen bleibt nur der Weg zum Empfänger.

Der Nachteil dieser Bauart von Duplexern ist

• die Betriebsbandbreite beträgt nur 5%
• die durchschaltbare Sendeleistung ist begrenzt
• die Entkopplung zwischen Sende- und Empfangskanal ist geringer als bei anderen Duplexern

Der Widerstand einer gezündeten TR-Röhre ist nicht gleich Null. Mit einer TR-Röhre werden Dämpfungen von „nur“ bis zu 30 dB erreicht. Deshalb werden oft auf dem Weg zum Empfänger mehrere Gasentladungsstrecken im Abstand von λ/2 hintereinandergeschaltet.

TR-Röhren

Keep- Alive Elektrode

Gasentladungsstrecke

Massepotenzial

Bild 3: TR- Röhre für einen Hohlleiterabschnitt mit einer „Keep-Alive Elektrode“

TR- Röhren sind üblicherweise Gasentladungsstrecken, die in einem nur teilweise evakuierten Glaskörper eingegossen sind, wie im Bild 2 gezeigt wird. Wenn Elektronen durch das ionisierte Gas oder den ionisierten Dampf geführt werden, wird ein Lichtbogen erzeugt. Die notwendige Zündspannung kann durch Herabsetzen des Gasinnendruckes verringert werden. Hier muss ein Optimum erzielt werden, um sowohl einen effiziente Zünd- als auch Löschvorgang zu gewärleisten. Die Erholzeit der TR-Röhre kann durch etwas Wasserdampf im Füllgas verbessert werden. Bei etwa 1 MilliBar Wasserdampfdruck in der Röhre beträgt die Erholzeit ungefähr 0,5 µs. Eine sehr kurze Erholzeit ist sehr wichtig für das Radargerät, da Echos von sehr nah am Radar fliegenden Flugzeugen, die noch während der Erholzeit eintreffen, den Empfänger nicht erreichen können.

Der Zündvorgang geschieht ebenfalls nicht verzögerungsfrei. Das ist sehr fatal, da für diese Zeit (bis zu 100 ns) die volle Sendeleistung an die Empfängereingänge gelangt. Die Reaktionszeit zum Zünden kann durch eine so genannte „Keep-Alive Spannung” von etwa 100 bis 1000 Volt erhöht werden, welche die Zündspannung ebenfalls noch einmal herabsetzt.

TR Röhre als Hohlleiterabschnitt

Fenster

Entladungs-
strecke

Blende

Bild 4: Aufbau einer TR Röhre als Hohlleiterabschnitt

Die Gasentladungsstrecke wird durch Blenden und kegelförmige Einsätze für Resonanzverhalten mit starker Feldüberhöhung in der Entladungsstrecke ausgelegt. Ein HF-Impuls hoher Leistung zündet innerhalb weniger Nanosekunden durch Stoßionisation eine Gasladung. Dadurch wird der Hohlleiterabschnitt kurzgeschlossen. Die mit Quarzglas gasdicht geschlossenen Fenster werden so geformt, dass bei niedrigen Leistungen die Gasentladungsröhre reflexionsfrei ist.

Bild 5: Beispiel: tube electron MD 80 S 2 der Firma „Raytheon”.

Diese Gasentladungsröhre ist ein Hohlleiterabschnitt im Senderblock der ASR-910, der im Zeitpunkt des Anliegens der HF-Energie durch Ionisation der Argonfüllung einen HF-mäßigen Kurzschluss verursacht und somit den Empfänger vor zu großer HF-Energie schützt.

Die weiße Aufschrift und der kleine Aufkleber warnt: diese Gasentladungsröhre der ASR 910 enthält als Ionisationshilfe auch radioaktives H₃ (Tritium) mit 0,6 bis 1,3 GigaBecquerel! Wenn das Gehäuse zerstört wird, kann das Gas entweichen und somit seine radioaktive β-Strahlung gefährlich werden.

ATR- Röhre

Die ATR- Röhre ist prinzipiell genauso aufgebaut, wie eine TR- Röhre. Der wesentliche Unterschied besteht nur in den verschiedenen Einbaupositionen, die ATR- Röhre muss nicht so empfindliche Bauteile schützen. Meist ist sie deshalb etwas einfacher aufgebaut, als die TR- Röhre, da die Ionisationshilfen, wie radioaktive Gasfüllungen oder die „Keep-Alive Spannung“ entfallen können.