Sensoren für Fahrzeuge und Verkehr

Schiffsradar mit elektronisch gesteuerter Antennengruppe

Die Sende-/Empfangsmodule eines funktionstüchtigen Labormusters der aktiven Gruppenantenne mit hochintegrierten Mixed-Signal-Schaltungen auf Silizium-Germanium (SiGe) Basis.
© Foto Fraunhofer FHR

Die Sende-/Empfangsmodule eines funktionstüchtigen Labormusters der aktiven Gruppenantenne mit hochintegrierten Mixed-Signal-Schaltungen auf Silizium-Germanium (SiGe) Basis.

Wegen hoher Herstellungs- und Entwicklungskosten kommen Radarsysteme mit elektronisch gesteuerten Gruppenantennen in der Regel nur im militärischen Umfeld zum Einsatz. Eine Änderung gesetzlicher Vorschriften und der technologische Fortschritt ermöglichen es nun, aktive Gruppenantennen auch im Bereich der zivilen Schiffsnavigation einzuführen. Mit dem Ziel möglichst geringer Herstellungskosten wurde am Fraunhofer FHR der erste aktive S-Band-Antennendemonstrator für diesen Anwendungszweck fertiggestellt.


Radargeräte leisten für die Sicherheit im Schiffsverkehr und beim Gütertransport auf dem Seeweg einen wichtigen Beitrag. Sie unterstützen die Besatzung bei der Navigation und warnen vor Kollisionen mit Hindernissen bei dichtem Verkehr oder schwierigem Fahrwasser. Aufgrund der Verwendung von Mikrowellen arbeiten sie auch nachts oder bei schlechter Sicht. Durch die ständig zunehmende Anzahl von Transporten und Schiffen sind die Anforderungen an die Radarsysteme jedoch erheblich gestiegen. Die höhere Verkehrsdichte erfordert in bestimmten Situationen eine bessere Auflösung, vor allem im Nahbereich. Die heute im Einsatz befindlichen Navigations- und Überwachungssysteme arbeiten jedoch größtenteils mit einer veralteten Hochfrequenztechnologie: Sie verwenden mechanisch rotierende Antennen und eine Signalerzeugung auf Basis von Magnetron-Röhren, die den Einsatz kohärenter Signalverarbeitungsverfahren nicht zulassen.

Durch zwei aktuelle Entwicklungen deutet sich nun eine Trendwende an: Eine Anpassung der Vorschriften für maritime Navigation erlaubt den Betrieb von Radaranlagen mit abgesenkter Sendeleistung im S-Band. Dadurch wird es in Zukunft möglich, Halbleiterverstärker und kohärente Signalverarbeitungsverfahren einzusetzen. Ideal ist der Einsatz von Gruppenantennen (Arrays) mit elektronischer Strahlschwenkung, welche die mechanisch rotierende Balkenantenne ersetzt. Die hohen Kosten elektronischer Bauteile machten bisher eine Nutzung von Array-Systemen im zivilen Bereich unwirtschaftlich. Durch die fortschreitende technologische Entwicklung und die zunehmende Integration von Komponenten in Anwendungsspezifischen Integrierten Schaltungen (ASICs) wird nun jedoch eine kostengünstigere Herstellung der Sende-Empfangs-Module möglich. Das Prinzip der phasengesteuerten Gruppenantennen wird somit für zivile Radaranwendungen attraktiv. Mit kohärenter Signalverarbeitung und hochagiler elektronischer Strahlschwenkung können deutlich mehr und kleinere Objekte bei hoher Genauigkeit erkannt und verfolgt werden. Diese Fähigkeit erschließt neben den üblichen Navigationsaufgaben weitere Anwendungsfelder, z. B. die Überwachung von Hafenanlagen, Küsten- und Flussabschnitten, die Suche nach Schiffbrüchigen oder die Warnung vor schwer erkennbaren, treibenden Hindernissen wie Eisbergen oder verlorengegangenen Containern. Da aktive Gruppenantennen auch mit einer gewissen Anzahl von defekten Antennenelementen weiterhin funktionstüchtig bleiben (graceful degradation) und zudem die unzeitgemäße Magnetron-Röhre durch eine verteilte Leistungserzeugung ersetzt wird, ist im Vergleich zu den konventionellen Systemen mit einem deutlich geringeren Wartungsbedarf zu rechnen. Auch vor dem Hintergrund der aktuellen und ständig steigenden Bedrohung durch Piraten in vielen Gewässern der Erde, kann die neue Technologie einen gewissen Zeitvorsprung für die Schiffsbesatzungen bedeuten.

In einer von einem in Deutschland ansässigen Unternehmen beauftragten Studie stellte das Fraunhofer FHR ein neues Konzept für ein Schiffsradarsystem zu akzeptablen Herstellungskosten vor. Dies gab den Anstoß, einen aktiven Antennendemonstrator für das neue Konzept aufzubauen und zu erproben. Innovationen in diesem Projekt waren ein patentiertes, serielles HF-Speisenetzwerk, welches ohne spezielle Maßnahmen zur Entkopplung der Antennenelemente auskommt, eine spezielle Kalibrierstrategie für die aktive Gruppenantenne und nicht zuletzt die Modularität des Gesamtsystems, welche eine Installation einer einzelnen Antenne an einer Position mit Rundumsicht überflüssig macht. Einen wichtigen Beitrag bei der Umsetzung der Studie leistete auch das Institut für integrierte Analogschaltungen (IAS) der RWTH Aachen. Das IAS war für die Entwicklung hochintegrierter Mixed-Signal-Schaltungen auf Basis von Silizium-Germanium (SiGe) verantwortlich, welche in den Sende-/Empfangsmodulen der aktiven Antenne eingesetzt werden (Abb. 2).

Der am Fraunhofer FHR aufgebaute Antennendemonstrator umfasst nur einen Teil der aktiven Antennenelemente, welche für ein einsatzfähiges System nötig wären. Die geringe Zahl an Antennenelementen ist allerdings völlig ausreichend, um die wichtigsten Eigenschaften zu demonstrieren. Dazu zählen unter anderem die elektronische Strahlschwenkung mit niedrigen Nebenzipfeln und der Stabilitätsnachweis in Bezug auf das serielle Speisenetzwerk. Weitere Punkte im aktuellen Fokus der Untersuchungen sind die Auswirkungen von Interferenzen und die Entwicklung einer kosten- und zeiteffizienten Kalibrationsstrategie. Nächste Schritte sind der Betrieb des Antennenfrontends an einem Radarsystem und die Erprobung unter realistischen Bedingungen. Die Entwicklung hin zu einem kommerziellen Produkt soll in Zusammenarbeit mit Industriepartnern erfolgen.