Elektromagnetische Felder

Zukunftstechnologie Metamaterialien

Realisierung eines seriellen Speisenetzwerks mit Metamaterial-Leitungen.
© Foto Fraunhofer FHR/Bellhäuser

Realisierung eines seriellen Speisenetzwerks mit Metamaterial-Leitungen.

Entkopplung von Antennenelementen innerhalb einer Gruppenantenne mithilfe von EBG-Strukturen
© Foto Fraunhofer FHR/Bellhäuser

Entkopplung von Antennenelementen innerhalb einer Gruppenantenne mithilfe von EBG-Strukturen

Schematische Darstellung der unerwünschten seitlichen und rückwärtigen Abstrahlung (links), EBG-Rahmen zur Unterdrückung dieser Effekte (rechts oben).
© Foto Fraunhofer FHR

Schematische Darstellung der unerwünschten seitlichen und rückwärtigen Abstrahlung (links), EBG-Rahmen zur Unterdrückung dieser Effekte (rechts oben).

Die Nachfrage nach kompakten, zuverlässigen und kostengünstigen Radargeräten, sowohl im zivilen als auch im militärischen Bereich, wird auch in Zukunft immer weiter ansteigen. Der Einsatz von Metamaterialien kann dabei einen wichtigen Beitrag zur Verbesserung der Systeme leisten.


Als Metamaterialien (MTM) bezeichnet man künstliche, in der Regel periodische Strukturen, welche Eigenschaften aufweisen, die in der Natur normalerweise nicht vorkommen. Weltweit beschäftigen sich Forschungsgruppen mit dem Aufspüren neuer Funktionalitäten durch Metamaterialien, wie etwa dem „Cloaking“. Dabei werden elektromagnetische Wellen durch eine Art Metamaterial-Mantel umgeleitet, sodass darin verborgene Objekte unsichtbar erscheinen. Die Wissenschaftler des Fraunhofer FHR untersuchen den Einsatz solcher Strukturen für Radargeräte bereits seit einigen Jahren, unter anderem im Rahmen zweier Studien, die von der European Defence Agency (EDA) beauftragt wurden. Die Anbahnungsphase für eine weitere Studie ist nahezu abgeschlossen.

Langfristiges Potenzial der Metamaterialtechnologie

In der EDA-Studie "Forecasts in Metamaterials with Extreme Parameters for Disruptive Antennas, Radomes, and Cloaking in Radar Applications" (METAFORE) untersuchte das Fraunhofer FHR gemeinsam mit internationalen Projektpartnern die zukünftige Entwicklung im Bereich der MTM und die zu erwartenden Einsatzmöglichkeiten. Besonderes Augenmerk wurde dabei auf die militärischen Anwendungen der MTM gelegt. Die langfristigen Prognosen in unterschiedlichen Bereichen wie etwa "RF Materials and Printed Technology", "Transformation Optics" oder "Graphene-based Metamaterials" wurden genutzt, um eine große Anzahl aussichtsreicher Projekte für die nächsten beiden Jahrzehnte zu identifizieren. Trotz der Unschärfe langfristiger Prognosen zeigt die Fülle an potenziellen Einsatzmöglichkeiten, dass MTM auch in Zukunft eine wichtige Rolle im Bereich der Forschung und Entwicklung spielen werden.

Phasenkompensationsleitungen

In einem weiteren EDA-Projekt "Metamaterials for Active Electronically Scanned Arrays" (METALESA) entwickelte das Fraunhofer FHR unter anderem ein MTM-Hochfrequenzspeisenetzwerk für phasengesteuerte Gruppenantennen. Der traditionelle Ansatz eines solchen Speisenetzwerkes, welches eine gleichphasige Anregung der einzelnen Antennenelemente gewährleisten muss, basiert auf einer binären Baumstruktur. Diese parallele Speisung benötigt bei einer großen Anzahl von Antennenelementen viel Platz. Im Vergleich dazu kommt ein serielles Speisenetzwerk mit nur einer Verteilungsebene aus, besitzt aber – bei herkömmlicher Realisierung ( z. B. durch Hohlleiter) – den Nachteil, dass sich die Laufzeiten zu den Antennenelementen unterscheiden. Zur Realisierung eines neuartigen, phasenstabilen, seriellen Speisenetzwerkes werden MTM-Leitungen eingesetzt (Abb. 1). Dabei kommen sogenannte linkshändige Leitungen zum Einsatz. Auf diesen Leitungen verlaufen die Wellenausbreitung und der Leistungstransport in entgegengesetzter Richtung. Somit ist es möglich, den Phasenversatz eines Arms des Speisenetzwerkes durch eine entsprechende MTM-Leitung zu kompensieren. Das Ergebnis ist ein Speisenetzwerk, welches deutlich kompakter ist als eine entsprechende parallele Variante.

Unterdrückung parasitärer Wellen

Auf der Oberfläche aktiver Gruppenantennen können sich Oberflächenwellen ausbreiten, die zu unerwünschter Abstrahlung führen und die Effizienz des Systems verringern. In einem weiteren Arbeitspaket des METALESA-Projekts sollte die Änderung der Verkopplung benachbarter Antennenelemente untersucht (Abb. 2) und die unerwünschte Abstrahlung in seitliche und rückwärtige Richtung reduziert werden (Abb. 3). Der vom Fraunhofer FHR realisierte Lösungsansatz basiert auf einer sogenannten Electromagnetic Bandgap (EBG) Struktur. Diese verhindert die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen innerhalb eines bestimmten Frequenzbandes (Bandlücke), welches von der Geometrie und den Abmessungen dieser periodischen Struktur abhängt. Dazu wurde ein spezieller EBG-Rahmen entwickelt, dessen Bandlücke den operativen Frequenzbereich der Antenne einschließt. Die Unterdrückung parasitärer Wellen wird hierbei mit einer kostengünstig herzustellenden Anordnung erreicht. Die Gesamtfläche der Antennenapertur vergrößert sich durch die zusätzliche Maßnahme kaum. Sowohl bei der Konstruktion neuer Radar-Antennen als auch bei der Nachrüstung bestehender Systeme kann diese Technik zum Einsatz kommen.

Durch die erfolgreiche Zusammenarbeit im Rahmen der EDA-Aufträge wurden auch weitere Einsatzmöglichkeiten identifiziert, für die Metamaterialien zukünftig bei Radar- oder Kommunikationssystemen genutzt werden können. Das Potenzial dieser interessanten Technologie ist also noch längst nicht ausgeschöpft.