Grundlagen der Radartechnik

Zweiweg-Antennendiagramm

Ein Zweiweg-Antennendiagramm (engl.: two-way beamwidth oder two-way antenna pattern) entsteht generell, wenn ein Radar im Sendefall ein anderes Antennendiagramm verwendet, als im Empfangsfall. Das ist zum Beispiel bei Multifunktionsradargeräten der Fall, die eine digitale Strahlformung verwenden. Ein solches Radar muss im Sendefall den gesamten Raum zum Beispiel mit einem Fächerdiagramm ausleuchten, der dann im Empfangsfall durch simultan gebildete einzelne schmale Empfangsdiagramme abgesucht werden soll. Die Überlagerung des gesendeten Antennendiagramms mit dem beim Empfang wirksamen Antennendiagramm ist dann ein Zweiweg-Antennendiagramm.

Bild 2: Zweiweg-Antennendiagramm durch unterschiedliche Aspektwinkel

Bild 2: Zweiweg-Antennendiagramm durch unterschiedliche Aspektwinkel

Anwendung bei bistatischem SAR und SLAR

Für ein bistatisches Seitensicht-Radar kann ein Zweiweg-Antennendiagramm auch durch unterschiedliche Aspektwinkel entstehen.[1] Wenn zum Beispiel aus einem Satelliten heraus ein symmetrisches Antennendiagramm schräg auf die Erdoberfläche fällt, ergibt das eine ausgeleuchtete Fläche einer Ellipse, deren Fläche aus den Längen der Hauptachse und der Nebenachse errechnet werden kann.

(1)

• Θ_B = Halbwertsbreite der Antenne
• R·Θ_B = gültige Näherung bei kleinen Winkeln
• R = Schrägentfernung
• γ = Depressionswinkel

Der Depressionswinkel ist der Winkel zwischen der horizontalen Linie und der Blickrichtung des Radars.

Ein zweiter Satellit, der mit dem gleichen Antennendiagramm aus einer anderen Position ebenfalls auf diese Fläche zielt, erzeugt aber eine gegenüber der ersten verdrehte Ellipse. Beobachtet werden kann nur die Fläche, die von beiden (im Extremfall kreuzweise übereinander liegenden) Ellipsen ausgeleuchtet werden. Mehrere solcher Ellipsen aus unterschiedlichen Aspektwinkeln bilden auf der Erdoberfläche nur einen kleinen Kreis von der Größe ab, der in alle Ellipsen eingeschlossen wird. Also ein Kreis mit dem Durchmesser von RΘ_B. Das Verhältnis von Kreisfläche zur Fläche der Ellipse ist dann nur noch gleich sin(γ). Bei einem Depressionswinkel von 30° ergibt das einen Faktor von genau 0,5 – um den sich die reflektierende Fläche und somit auch die reflektierte Leistung verringert. Die nutzbare Diagrammbreite der einzelnen Antennendiagramme verringert sich somit ungefähr auf den −1,5 dB Leistungspegel.

Bei einem Radar mit synthetischer Apertur entsteht dieser Fall zum Beispiel auch im Spotlight Mode, da für eine Signalverarbeitung alle empfangenen Echosignale aus unterschiedlichen Satellitenpositionen verwendet werden. Es kann zur Berechnung des Radarbildes aus der synthetischen Apertur nur die Fläche verwendet werden, die der Satellit aus unterschiedlichen Richtungen gleichmäßig ausleuchten kann. Damit verbessert sich auch das aus der Diagrammbreite des Zweiweg-Antennendiagramms (−3 dB)·sin(30°) = (−1,5 dB) resultierende Auflösungsvermögen.

Bemerkenswert ist, dass diese Beziehung auch auf ein monostatisches Radar angewendet werden kann, welches senkrecht nach unten strahlt: Hier ist dann der Depressionswinkel gleich 90° und der Sinus daraus gleich eins. Damit verbleibt dessen Auflösungsvermögen bei den üblichen −3 dB.

Weitere Anwendungen

Bild 3: Ein FMCW-Radarmodul mit unterschiedlichen Antennengrößen für Senden und Empfangen
(Mit freundlicher Genehmigung von RFbeam Microwave GmbH)

Bild 3: Ein FMCW-Radarmodul mit unterschied­lichen Antennengrößen für Senden und Empfangen
(Mit freundlicher Genehmigung von
RFbeam Microwave GmbH)

Ein weiterer Anwendungsfall besteht zum Beispiel bei einem Radar mit Minimumpeilung nur auf dem Empfangsweg (COSRO), wie zum Beispiel bei dem historischen Zielverfolgungsradar Type 275 .

Aber auch modernere Radargeräte verwenden unterschiedliche Sende- und Empfangsantennen, wie zum Beispiel das im 24-GHz Frequenzband arbeitende K-MC4 der RFbeam Microwave GmbH (Bild 3). Mit diesem Radarmodul ist die Realisierung des Monopulsverfahrens in einer Ebene möglich. Es kann aber auch nur ein Empfangskanal genutzt werden. Damit überlagern sich die Antennendiagramme von der Sende- und von der Empfangsantenne. Deren Nebenkeulen liegen dadurch auf unterschiedlichen Seitenwinkeln und so verringert sich insgesamt die Intensität der Nebenkeulen.