Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHRDer Blickwinkelbereich von Gruppenantennen ist physikalisch bedingt eingeschränkt. Durch elektronisch abstimmbare Metamaterialien könnte er sich langfristig erweitern lassen und damit neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.
Produktentwickler wünschen sich möglichst viele Freiheitsgrade bei Entwicklung und Design. Metamaterialien könnten diese Freiheitsgrade künftig erweitern: Deren Eigenschaften und Frequenzcharakteristik lassen sich, anders als bei herkömmlichen Materialien, von den Entwicklern selbst einstellen – möglich sind dabei auch Werte, die in der Natur nicht vorkommen. So können Materialien gezielt an spezifische Anforderungen angepasst werden. Herstellbar sind beispielsweise Materialien, in denen sich Wellen in bestimmten Frequenzbereichen nicht ausbreiten können. Denn Metamaterialien bestehen aus Zellen, die z. B. mit Leiterplattentechnologie oder 3D-Druck hergestellt werden und die deutlich kleiner sind als die Wellenlänge.
Einen weiteren Freiheitsgrad schaffen Metamaterialien unter anderem bei der Entwicklung von Antennen: Über sie lassen sich z. B. gezielt spezielle Abschirmeigenschaften oder Wellendämpfungseigenschaften realisieren. Das eröffnet konkrete Vorteile für die Entwicklung leistungsfähiger Radarsysteme. Doch wie lassen sich militärische Radarsysteme über Metamaterialien verbessern? Dies untersuchte das Fraunhofer FHR gemeinsam mit der spanischen Firma Tafco Metawireless S.L. und der ebenfalls spanischen Universidad Pública de Navarra im Projekt METALESA II für die European Defence Agency (EDA).
Das Fraunhofer FHR widmete sich dabei Gruppenantennen, die sich aus zahlreichen kleineren Antennenelementen zusammensetzen und deren strahlende Oberfläche gebogen ist. Üblicherweise wird der Blickwinkel solcher Antennen elektronisch angepasst, doch ist der elektronische Schwenkbereich bisher sehr eingeschränkt.
Erweiterter Scanbereich durch intelligente Materialsteuerung
Forschende des Fraunhofer FHR arbeiteten im Projekt METALESA II, kurz für „Metamaterials for Active Electronically Scanned Array“ daher daran, den Scanbereich zu erweitern und verbesserten dazu die Leistung von gekrümmten Antennen mittels abstimmbarer Metamaterialien. Der Hintergrund: Die Scanrichtung eines Antennenarrays hängt von der relativen Phasenlage der von den das Array bildenden Antennenelementen abgestrahlten Wellenfronten ab. Mit elektronisch abstimmbaren Metamaterialien wollen die Forschenden die Phasen der abgestrahlten Wellenfronten weiter verändern und den Schwenkbereich somit erweitern. Die phasenbeeinflussenden Eigenschaften dieser speziellen Metamaterialien lassen sich via Gleichspannung über Kapazitäten integrierter Varactor-Dioden ändern.
Prototypen zeigen konkreten Mehrwert
Doch in welchem Ausmaß sind solche abstimmbaren Metamaterialien in der Lage, die Phase der Radarstrahlung zu beeinflussen? Und wie hoch sind die Verluste, die dadurch auftreten? Dies haben die Forschenden in verschiedenen Testaufbauten und Prototypen untersucht. Dazu haben sie zwei große Metamaterialleiterplatten mit den Abmessungen von 24 Zentimeter mal 16 Zentimeter hergestellt und vermessen. In einem ersten Versuch montieren sie die abstimmbaren Metamaterialplatten vor eine Sendeantenne und untersuchen das Abstrahlverhalten mit einer Empfangsantenne. Bereits diese Ergebnisse waren sehr vielversprechend: Sowohl für die horizontale als auch für die vertikale Polarisation waren Phasenänderungen von bis zu 170° möglich. Auch die Verluste waren gering, sie lagen im Bereich von 1 bis 2 dB.
In einem nächsten Schritt entwarfen und bauten die Forschenden zwei Prototypen. Während der erste aus einer abstimmbaren Metamaterialplattebestand, wies der zweite Prototyp eine facettenförmige Anordnung mehrerer Metamaterialplatten (Abb. 1 und 2)vor einem gekrümmten Antennenarray auf.
Leistungssteigerung bei kompakter Bauweise
Beimersten Prototyp konnten Funktionalitäten wie Phasenkompensation zur Strahlfokussierung und -bündelung (ähnlich einer Linse) sowie zur Strahlschwenkung nachgewiesen werden. Für beide Polarisationen wurde ein Scanbereich von (± 60°) erreicht bei einer gleichzeitigen Steigerung der Antennengewinn um 3 dB (Abb. 3 und 4) und gleichzeitig sehr kompakter Bauweise mit einer Metaoberflächenstruktur von nur einem Millimeter Dicke.
Der Prototyp mit dem gekrümmenten Antennenarray und der facettierten Metamaterialschicht überzeugte ebenfalls: Im azimutalen Scanbereich von 70° bis 90° konnte bei Verwendung der abstimmbaren Metamaterialplatten für die horizontale Polarisation eine Verbesserung des Antennengewinns um 1 bis 2 dB erreicht werden.
Wichtig sind diese Ergebnisse unter anderem für kleine Plattformen wie Drohnen: Sie sind zu klein, um eine große Gruppenantenne zu tragen. Die neue Technologie ermöglicht es künftig ein leichtes, kostengünstiges System mit nur einer einzelnen Antenne zu nutzen und dennoch einen hohen Gewinn zu erzielen und die Blickrichtung dieser Antenne elektronisch einstellen zu können.
Derzeit arbeiten die Forschenden des Fraunhofer FHR in dem Folgeprojekt E-DOME daran, die Grenzen der vorliegenden Metaoberfläche weiter auszuloten, und basierend auf den dadurch gewonnen Erfahrungen, eine noch bessere Metaoberfläche zu entwickeln.
