Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHRUntersuchung der aktiven Schwenkimpedanz von konformen Aperturen
Die Krümmung der Aperturebene einer Gruppenantenne hat einen fundamentalen Einfluss auf relevante Parameter wie das Maß der gegenseitigen Verkopplung der Strahlerelemente und somit auf die aktive Schwenkimpedanz jedes einzelnen Strahlers. Für die praktische Anwendung ist es von hohem Interesse, diese Effekte numerisch effizient vorhersagen zu können.
Verkopplung in breitbandigen Gruppenantennen
Die numerische Untersuchung der Strahlungseigenschaften elektrisch großer Gruppenantennen ist äußerst rechenintensiv. Aus Zeitgründen werden häufig idealisierte Strahler modelliert, deren elektromagnetische Eigenschaften unabhängig von ihrer Umgebung sind. Das Fernfeld von Gruppen solch idealisierter Strahler kann vergleichsweise einfach angegeben werden. In der Praxis zeigt sich jedoch, dass dieser stark vereinfachte Ansatz die Leistungsfähigkeit einer Gruppenantenne nur unzureichend genau vorhersagen kann. Reale Strahler verkoppeln signifikant u. a. durch auf der tragenden Struktur ausbreitende Wellen, durch die Freiraumabstrahlung oder durch unvollkommene Speisenetzwerke. Aufgrund dieser Störeinflüsse kommt es zu einer merklichen Abweichung zwischen dem idealen Verhalten und den Messungen. Je nach Konfiguration der Gruppe reichen diese Abweichungen von einer moderaten Degradierung der Leistungsfähigkeit bis hin zum totalen Verlust der Abstrahlfähigkeit bei spezifischen Schwenkwinkeln (sog. Blind Spots). Letzteres geschieht aufgrund einer signifikanten Fehlanpassung an die aktive Impedanz der Strahler.
Für zukünftige Systemen reicht es zudem voraussichtlich nicht mehr aus die Verkopplung innerhalb einer Gruppe für eine Funktion (schmalbandig) zu betrachten. Es zeichnet sich ab, dass aufgrund der steigenden Anzahl von Gruppenantennen auf Plattformen, die Verkopplung zwischen mehreren Gruppen oder aber innerhalb einer Gruppe über mehrere Modi (breitbandig) betrachtet werden muss.
Entwicklung zugeschnittener Modellierungswerkzeuge
Die Modellierung der Verkopplung der Strahler ist bei weitem der zeitaufwendigste Schritt innerhalb der numerischen Auslegung elektrisch großer Gruppenantennen. Für große ebene Strukturen mit regulär angeordneten Strahlern lässt sich, mit Ausnahme der Randelemente, die Verkopplung in guter Genauigkeit vergleichsweise schnell mittels sog. Floquet-Moden untersuchen. Die Zeitersparnis ergibt sich dabei aus der Annahme der Periodizität der Felder, wodurch lediglich eine vergleichsweise kompakte Einheitszelle statt der gesamten Struktur analysiert werden muss.
Ist eine elektrisch große Gruppenantenne hingegen gekrümmt auszulegen, beispielsweise weil diese in eine Plattform zu integrieren ist, 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 im Jahr 2018 ein breitbandiger Antennendemonstrator entworfen. Der Demonstrator 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). Neben kreiszylindrischen Formen können so auch ortsabhängige Krümmungen realisiert werden. Da erwartet wird, dass die Verkopplungseffekte polarisationsabhängig auftreten, lassen sich alle Strahler in zwei zueinander orthogonalen Polarisationsmoden anregen. Um gezielt die Entstehung von Störeffekten wie Blind-Spots und Grating-Lobes (signifikante Abstrahlung in ungewollte Raumwinkel) 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 wird in der kommenden Zeit für typische Krümmungsprofile vermessen. Die entwickelten numerischen Methoden werden in ihrer Genauigkeit überprüft. Ist die Verkopplung quantitativ mit ausreichender Genauigkeit erfasst, können systematisch Gegenmaßnahmen zur Verkopplungsreduktion modelliert und experimentell überprüft werden. Bekannte Ansätze sind beispielsweise in das Speisenetzwerk integrierte Entkopplungsnetzwerke oder aber die Verwendung von speziell angefertigten Abdeckungen, welche im Falle von Blind Spots das reaktive Speichern der Feldenergie direkt vor der Apertur reduzieren können (sog. Wide-Angle Impedance Matching Strukturen, kurz WAIM). Es ist geplant, solche WAIMs am Fraunhofer FHR innerhalb des in 2019 anlaufenden EDA-Projektes METALESA II für typisch auftretende Krümmungsprofile auszulegen und anhand des bereits realisierten Demonstrators experimentell zu überprüfen.