Verteidigung

Der Blickwinkelbereich von Gruppenantennen ist, physikalisch bedingt, eingeschränkt. Durch elektronisch abstimmbare Metamaterialien könnte er sich langfristig erweitern lassen.

Chamäleons haben nahezu einen Rundumblick: Denn sie können beide Augen unabhängig voneinander bewegen. Anders sieht es bei Antennenarrays aus, die elektronisch gesteuert werden und z. B. in militärischen Radargeräten oder agilen Richtfunkanwendungen zum Einsatz kommen: Ihr Scanbereich wird durch die Physik eingeschränkt, sodass ihr Sichtbereich recht klein ist.  

Forschende des Fraunhofer FHR nutzen im Projekt METALESA II daher abstimmbare Metamaterialien: Mit diesen wollen sie die Leistung von gekrümmten Antennen verbessern, die Phasen der abgestrahlten Wellenfronten weiter verändern und den Schwenkbereich erweitern.

Prototypen liefern vielversprechende Ergebnisse

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 Testaufbauten und Prototypen untersucht. Dazu haben sie zwei große Metamaterialleiterplatten – 24 Zentimeter mal 16 Zentimeter – hergestellt und vermessen. In einem ersten Versuch montierten sie die Platten vor eine Sendeantenne und untersuchten das Abstrahlverhalten mit einer Empfangsantenne. Bereits diese Ergebnisse waren sehr vielversprechend: Sowohl für die horizontale als auch für die vertikale Polarisation sind Phasenänderungen von bis zu 170 Grad möglich. Auch die Verluste waren gering, sie lagen im Bereich von ein bis zwei Dezibel.  

In einem nächsten Schritt entwarfen und bauten die Forschenden zwei Prototypen. Während der erste Prototyp aus nur einer abstimmbaren Metamaterialplatte besteht, die von einem Antennenelement bestrahlt wird, sind im zweiten Prototyp mehrere Platten facettenförmig vor einem gekrümmten Antennenarray angeordnet. Beim ersten Prototyp konnten die Forschenden eine Phasenkompensation nachweisen, mit der sich der Strahl fokussieren und ähnlich wie mit einer Linse bündeln lässt, ebenso eine Phasenkompensation im Hinblick auf die Strahlschwenkung. Sowohl für die vertikale als auch die horizontale Polarisation der abgestrahlten Welle wurde ein Scanbereich von ± 60 Grad erreicht, wobei gleichzeitig der Antennengewinn um drei Dezibel gesteigert werden konnte. Wichtig sind diese Ergebnisse unter anderem für Drohnen: Sie sind zu klein, um große Gruppenantennen zu tragen. Die neue Technologie ermöglicht es künftig, statt einer Gruppenantenne ein leichtes, kostengünstiges System aus nur einer einzelnen Antenne zu nutzen und dennoch die gleichen Abstrahleigenschaften zu erlangen.

Der zweite Prototyp überzeugte ebenfalls: Im azimutalen Scanbereich von 70 bis 90 Grad konnte der Antennengewinn um ein bis zwei Dezibel verbessert werden – bei Verwendung der abstimmbaren Metamaterialplatten für die horizontale Polarisation.