Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHRDie Krümmung der Aperturebene einer Gruppenantenne beeinflusst fundamental Parameter wie die gegenseitige Verkopplung der Strahlerelemente und damit die aktive Schwenkimpedanz jedes Strahlers. Für praktische Anwendungen ist es wichtig, diese Effekte numerisch effizient vorhersagen zu können.
Verkopplung in breitbandigen Gruppenantennen
Die numerische Untersuchung der Strahlungseigenschaften elektrisch großer Gruppenantennen ist sehr rechenintensiv. Aus Zeitgründen werden häufig idealisierte Strahler modelliert, deren Eigenschaften unabhängig von ihrer Umgebung sind. Das Fernfeld solcher Gruppen kann zwar einfach angegeben werden, ist in der Praxis jedoch oft zu ungenau. Reale Strahler verkoppeln u. a. über auf der tragenden Struktur geführte Wellen, Freiraumabstrahlung oder unvollkommene Speisenetzwerke. Dies führt zu deutlichen Abweichungen zwischen idealem Verhalten und Messungen: von moderater Leistungsdegradierung bis hin zum totalen Verlust der Abstrahlfähigkeit bei bestimmten Schwenkwinkeln (Blind Spots).
Für zukünftige Systeme reicht es zudem nicht aus, die Verkopplung nur schmalbandig oder innerhalb einer einzelnen Gruppe zu betrachten. Aufgrund der steigenden Anzahl von Gruppenantennen auf Plattformen müssen Verkopplungseffekte zwischen mehreren Gruppen bzw. zwischen mehreren Modi breitbandig analysiert werden.
Entwicklung zugeschnittener Modellierungswerkzeuge
Für elektrisch große, ebene Strukturen mit regulär angeordneten Strahlern lässt sich, mit Ausnahme der Randelemente, die Verkopplung in guter Genauigkeit mit vergleichsweise geringerem Zeitaufwand mittels sog. Floquet-Moden untersuchen.
Ist eine elektrisch große Gruppenantenne hingegen gekrümmt auszulegen, so sind momentan keine passenden kommerziellen Modellierungswerkzeuge verfügbar. Am Fraunhofer FHR werden deshalb spezielle numerische Methoden erprobt, mit dem Ziel die Verkopplung der Strahler unter Berücksichtigung der Krümmung effizient vorhersagen zu können.
Messtechnische Untersuchungen
Zur Überprüfung der entwickelten Methoden wurde ein breitbandiger, dual polarisierter Antennendemonstrator entworfen. Er ist modular aufgebaut und für das X-Band ausgelegt. Als Basiselemente werden einzelne lineare Strahlerzeilen verwendet, welche aus sog. »gestackten Patch-Antennen« (Abbildung 1) bestehen. Mittels »3D-gedruckter« Formteile (Abbildung 2) kann unter Laborbedingungen ein Satz Strahlerzeilen zu Aperturen mit unterschiedlicher Krümmung zusammengesetzt werden (Abbildung 3). Um gezielt die Entstehung von Störeffekten wie Blind-Spots und Grating-Lobes beobachten zu können, lässt sich das Strahlerraster durch gedruckte Blindmodule variieren. Erste Messungen an isolierten Strahlern zeigen eine hohe Übereinstimmung zur Simulation.
Ausblick
Die Verkopplung wurde für typische Krümmungsprofile vermessen. Die entwickelten numerischen Methoden werden hinsichtlich ihrer Genauigkeit validiert und zur Reduktion der Verkopplung eingesetzt. Bekannte Ansätze sind u. a. im Speisenetzwerk integrierte Entkopplungsnetzwerke oder speziell angepasste Abdeckungen, die im Falle von Blind Spots das reaktive Speichern von Feldenergie vor der Apertur reduzieren (Wide Angle Impedance Matching Strukturen, WAIM). Solche WAIMs sollen am Fraunhofer FHR im Rahmen des EDA Projektes METALESA II für typische Krümmungsprofile ausgelegt und am bestehenden Demonstrator experimentell verifiziert werden.