Was ist eine Phased-Array-Antenne?

Eine Phased-Array-Antenne besteht aus einer Gruppe von Antennenelementen, die zu einem Array angeordnet sind, das wie eine einzelne Antenne zusammenarbeitet. Sie erzeugt elektronisch gesteuerte Funkwellen, die in eine oder mehrere Richtungen gerichtet werden können, ohne dass eine physische Bewegung erforderlich ist.

Im als Beamforming bezeichneten Vorgang senden Phased-Array-Systeme ein Signal mit derselben Frequenz über alle Elemente aus, wobei jedoch an jedem Element die Phase und die Amplitude unterschiedlich sind. Dies führt zu verstärkender und destruktiver Interferenz, wobei die Funkwellen zusammen ein Strahlungsmuster erzeugen, das einem gerichteten, stark verstärkten Strahl entspricht.

Die meisten Phased-Array-Antennen sind planar und bestehen aus Hunderten oder sogar Tausenden von linear, auf einer einzelnen Ebene oder in drei Dimensionen angeordneten Einzelelementen in einem Array. Ingenieur*innen nutzen Simulationen der Physik der Hochfrequenz-Elektromagnetik für das Design der Array-Elemente, die gesamte Array-Konfiguration sowie die Hochfrequenz-(HF-)Hardware und die elektronischen Schaltungen für den Betrieb der Antenne. 

Phased-Array-Antennensysteme sind komplexe Systeme, die Leistungselektronik, HF-Komponenten und Antennendesigns in einem leistungsstarken System vereinen. Um zu verstehen, wie Designteams Phased-Array-Antennensysteme konfigurieren und welche Anwendungen für diese Technologie am besten geeignet sind, sollten die Ingenieur*innen mit den folgenden Grundlagen vertraut sein.

Funkwellenamplitude, Phase, Frequenz und Wellenlänge

Funkwellen sind eine Form hochfrequenter elektromagnetischer Strahlung, die in Form einer sinusförmigen Welle innerhalb einer Bandbreite von etwa 3 kHz bis 3.000 GHz oszilliert. Diese Abbildung zeigt die grundlegenden Eigenschaften einer jeder Welle:

Die Wellenlänge ist die Distanz, die die Welle in einem Zyklus zurücklegt. Die Amplitude ist der höchste Wert der Welle und die Phase ist die Differenz oder die Zeitverzögerung zwischen den Spitzenamplituden verschiedener Kurven. Die Frequenz ist in einer Phased-Array-Antenne in der Regel konstant mit lediglich geringen Abweichungen, aber sowohl die Phase als auch die Amplitude können an jeder Antenne geändert werden.

Antennenelemente

Die Antennenelemente sind die einzelnen Antennen in einem Array. Obwohl es viele verschiedene Arten von Antennenelementen gibt, die zu dem Array kombiniert werden können, sind die am häufigsten verwendeten Antennenelemente Patchantennen, Mikrostreifen-Patchantennen, Hornstrahler oder Monopolantennen. Die Betriebsfrequenz der Antennen bestimmt die Größe und den Abstand der Elemente.

Antennenverstärkung

Als Antennenverstärkung wird die Stärke des Signals (die Amplitude) in einer beliebigen Richtung im Vergleich zu einem theoretischen einzelnen isotropen Strahler bezeichnet, der das Signal gleichmäßig in alle Richtungen verteilen würde.

Beamformer-Komponenten einer Phased-Array-Antenne

Ein Beamformer besteht aus elektronischen und HF-Schaltungen, mit denen ein Eingangssignal in ein steuerbares Übertragungssignal umgewandelt wird. Bei passiven Phased-Array-Systemen, der gängigsten Art von Phased-Array-Antennen, wird ein einzelnes Eingangssignal in ein in die gewünschte Richtung gebündeltes Signal umgewandelt. Dazu werden eine Reihe von Komponenten verwendet: Ein Sendeleistungsverstärker, ein Beamformer und die einzelnen Antennenelemente. Der Beamformer besteht in der Regel aus Dämpfungsgliedern, Phasenschiebern oder Komponenten, die ähnliche Funktionen erfüllen. 

• Sendeleistungsverstärker: Das Eingangssignal wird verstärkt, um das gewünschte Signal mit der erforderlichen Verstärkung zu erzeugen. Dies ist das Signal, das der Empfänger erfasst.
• Leistungsteiler: Ein Leistungsteiler teilt das Eingangssignal in mehrere Signale für alle Antennenelementschaltkreise auf.
• Dämpfungsglieder: Die Amplitude für jedes Antennenelement wird je nach Bedarf durch Dämpfungsglieder erhöht oder verringert. Die Dämpfungsglieder können digitale oder analoge Geräte mit passiver oder aktiver Funktion sein. 
• Phasenschieber: Diese digitalen oder analogen Geräte erzeugen eine kleine Verzögerung in der Signalform. Dies ist der wichtigste Schritt zur Lenkung des Strahls.
• Antennenelemente: Schließlich erreicht das Signal das Antennenelement und wird mit der gewünschten Phase und Amplitude übertragen.
• Rauscharmer Verstärker: Wenn die Antenne auch als Empfangsantenne verwendet wird, ist sie mit einem rauscharmen Verstärker ausgestattet.
• Sende-Empfangsschalter: Wenn die Antenne auch für den Empfang von Signalen verwendet wird, leitet ein Schalter das eingehende Signal über den rauscharmen Verstärker anstelle des Leistungsverstärkers.

Der Computer, der das Phased Array steuert, ändert die Amplitude und Phase der einzelnen Antennenelemente elektronisch und nimmt schnell Änderungen für eine schnelle Strahlschwenkung vor.

Strahlrichtung

Die Strahlrichtung ist die Richtung, die vom Ursprung der Antenne bis zum Punkt der maximalen Signalamplitude zeigt, nachdem die Signale aller Antennenelemente kombiniert wurden. Antennendesigns verwenden zwei Winkel zur Angabe des Vektors. Der Azimut ist der Winkel parallel zum Horizont, und der Höhenwinkel ist der Winkel über dem Horizont.

Strahlbreite

Ein Diagramm mit einer Darstellung des Verhältnisses zwischen Signalamplitude und Lenkwinkel zeigt den Hauptstrahl und andere Strahlen, die vom Phased Array erzeugt werden, als Erhebungen im Diagramm, die sogenannten Strahlungskeulen. Die Breite des Strahls entspricht der Breite der stärksten Strahlungskeule in Grad.

Es gibt zwei Standards für die Messung der Strahlbreite. Die erste Messung von Nulldurchgang zu Nulldurchgang wird als First Null Beamwidth (FNBW) bezeichnet. Die zweite Methode misst bei halber Richtleistung vom Spitzenwert und wird als Half Power Beamwidth (HPBW) bezeichnet.

Strahlschwenkung und -abtastung

Die elektronische Einstellung der Strahlrichtung wird als Strahlschwenkung bezeichnet. Wenn sich die Strahlrichtung in einem Muster bewegt, wird dies als Strahlabtastung bezeichnet. Komplexere Phased-Array-Antennen können mehrere Strahlen in verschiedene Richtungen mit leicht unterschiedlichen Frequenzen schwenken.

Nebenkeulen

Eine Nebenkeule ist ein beliebiges lokales Maximum im Strahlungsmuster, das nicht dem Hauptstrahl entspricht. Nebenkeulen verschwenden Energie und können Störungen verursachen. Das Array-Design zielt darauf ab, die Größe von Nebenkeulen zu minimieren. 

Phased-Array-Antennen gibt es in zahlreichen Formen. Experten klassifizieren Phased-Array-Antennen anhand von Topologie und Beamformer-Technologie.

Phased-Array-Topologie

Eine Möglichkeit, die Typen von Phased-Array-Systemen zu unterscheiden, besteht darin, sie nach der relativen Position der Antennenelemente zu klassifizieren. Die meisten Systeme fallen in einen der folgenden topologischen Typen:

1. Lineare Arrays: Die Antennenelemente sind in einer horizontalen Linie angeordnet, um den Azimutwinkel des Strahls zu ändern, oder in einer vertikalen Linie, um den Höhenwinkel zu steuern.
2. Planare Arrays: Die Antennenelemente sind auf einer ebenen Fläche angeordnet (eine planare Struktur), was eine Schwenkung des Höhen- und des Azimutwinkels ermöglicht, wodurch der gesamte Raum über der Antenne abgedeckt wird.
3. 3D-Array: Die Antennenelemente sind in einem dreidimensionalen Körper angeordnet, sodass ein oder mehrere Strahlen in jede Richtung geschwenkt werden können.

Arten von Beamformern

Passive Electronically Scanned Array (PESA): Ein passives Phased-Array ist eine Antenne mit einem einzelnen Sender für das gesamte Array. Dies ist der gängigste Typ der Phased-Array-Konfiguration.

Active Electronically Scanned Array (AESA): Ein aktives Phased-Array ist eine Antenne, in der jedes Antennenelement oder jede Elementuntergruppe über ein analoges Sendemodul verfügt, um die Phasenverschiebung in jedem Element zu erzeugen. Militärische Anwendungen nutzen diesen fortschrittlicheren Ansatz.

Phased-Array mit Digital Beamforming (DBF): Eine DBF-Array-Antenne verwendet ein digitales Sendemodul, um die Phase und Amplitude in jedem Antennenelement zu variieren. Es kann auch mehrere Strahlen erzeugen und verwendet einen FPGA (Field Programmable Gate Array)-Chip oder einen Array-Computer, um das Antennenmuster digital zu formen. Arrays mit Digital Beamforming können auch neutrale Strahlungsdiagramme erzeugen, um die Leistungsempfindlichkeit zu verringern. Die Empfangsempfindlichkeit wird absichtlich minimiert, um Störungen in oder aus bekannten Richtungen zu vermeiden.

Phased-Array mit Hybrid Beamforming: Die AESA- und DBF-Ansätze können zu einem Phased-Array mit Hybrid Beamforming kombiniert werden. Bei diesem Ansatz kommen Subarrays zum Einsatz. Jedes Subarray verwendet einen analogen Sender, und jedes Array-Element in den Subarrays verfügt über einen eigenen digitalen Sender. Mit diesem Ansatz können Cluster von simultanen Strahlen erzeugt werden.

Ingenieur*innen, die Kommunikationssysteme und Sensoren entwickeln, verwenden Phased-Array-Antennen zum Erstellen einer räumlich selektiven drahtlose HF-Signalquelle. Mit einem Antennenarray kann ein System eine oder mehrere der folgenden Funktionen nutzen:

1. Kombinieren von mehreren Antennenelementen, um einen großen Sendewinkel und ein stärkeres Signal zu erzeugen
2. Verwenden von Beamforming, um eine elektronisch schwenkbare Antenne zu erstellen
3. Verwenden von adaptivem, hybridem oder digitalem Beamforming, um gleichzeitig in mehrere Richtungen gerichtete Strahlen zu erzeugen, und um Störungen in der ein- und ausgehenden Übertragung mit anderen HF-Systemen zu minimieren

Diese Funktionen bieten einige wesentliche Vorteile gegenüber Reflektor- und Mastantennen mit mechanischer Schwenkung:

• Mit elektronisch geschwenkten Strahlen ist eine viel schnellere Abtastung oder Veränderung der Strahlrichtung möglich.
• Im Vergleich zu einer Reflektorantenne mit mechanischer Steuerung und einer großen Schüssel hat eine Phased-Array-Antenne in der Regel einen geringeren Platzbedarf und wiegt weniger. Sie kann auf ein Fahrzeug oder ein Gebäude montiert werden.
• In den meisten Fällen weisen Phased-Array-Systeme auch geringere Kosten bei gleicher Leistung auf, insbesondere wenn integrierte Schaltkreise für Beamforming oder Antennenelemente verwendet werden.
• Zuverlässigkeit. Die Grundleistung des Antennensystems insgesamt wird nicht beeinträchtigt, wenn einzelne Komponenten innerhalb eines Kanals ausfallen. Tatsächlich nimmt die Leistung bei Komponentenausfällen nur teilweise ab, im Gegensatz zu mechanischen Antennensystemen mit einem Single Point of Failure.
• Ausrichtung des Signals in mehrere Richtungen mit einem einzigen Gerät.
• Da die Leistung für jedes Antennenelement addiert wird, sind sie energieeffizienter.

Diese Vorteile veranlassten frühe Pioniere im HF-Bereich, Phased-Array-Radar- und Radioastronomie-Arrays zu entwickeln, die sehr schwache Signale von fernen Sternen verstärken konnten. Im Laufe der Zeit wuchs die Anzahl der Phased-Array-Anwendungen auf Antennen für andere Luft- und Raumfahrtsysteme sowie für Anwendungen in der Medizin, bei Automobilen, in der Industrie und in Kommunikationssystemen.

Multidirektionale Antennen-Array-Systeme werden in den folgenden Feldern verwendet:

• Moderne 4G- und 5G-Telekommunikationsnetze
• Künftige 6G-Telekommunikationsnetze
• Moderne WLAN-Access Points
• Radarsysteme für autonom fahrende Kraftfahrzeuge
• Medizinische Therapieprodukte

Selbst kleine Arrays für Phased-Array-Antennen zu entwerfen, wäre ohne Simulation schwierig. Bei Systemen mit Tausenden von Antennenelementen wird sie unverzichtbar. Alle Aspekte, vom Array-Spacing bis hin zu Leistungsverlusten durch Seitenkeulen, sind kaum manuell zu berechnen. Die Messung von Strahlungsdiagrammen in einer reflexionsfreien Kammer ist ebenfalls teuer und zeitaufwändig. 

Eine Animation einer Simulation, die zeigt, wie die maximale Verstärkung einer Phased-Array-Antenne dynamisch auf eine Bodenstation zeigt, während sie das Gebiet umkreist 

Mit Simulationen können Ingenieur*innen nicht nur ihre Arrays und die Beamforming-Komponenten entwerfen, sondern ihre Systeme auch hinsichtlich Effizienz, Kosten und Geschwindigkeit optimieren. Teams nutzen Simulationen auch, um die Auswirkungen von Fertigungstoleranzen und Materialabweichungen auf die Konstruktion zu analysieren.

Ingenieur*innen verwenden Simulationstools, um Antennenarrays, Antennenelemente und Beamforming-Komponenten zu entwerfen, zu verifizieren und zu optimieren. Sie können auch simulieren, wie ihre Antennen mit dem Gesamtsystem interagieren.

Ein umfassendes, benutzerfreundliches und präzises Finite Elemente-Tool für Hochfrequenz-Elektromagnetik wie die Ansys HFSS Simulationssoftware für hochfrequente Elektromagnetik eignet sich ideal für die Simulation fast aller elektromagnetischen Aspekte von Phased-Array-Antennen. Mit leistungsstarken Vernetzungen, parallel laufenden Solvern und Workflows, die speziell für Arrays erstellt wurden, entspricht sie dem Goldstandard für die Modellierung auf Komponenten- und Systemebene. Die HFSS-Software simuliert alles von einzelnen Wellenleitern bis hin zur Signalausbreitung durch die gesamte Baugruppe und modelliert die Antenne schon lange bevor Hardware verfügbar ist.

Die SBR (Shooting and Bouncing Rays)-Technologie in Anwendungen wie der Ansys Perceive EM Radiofrequenzkanal- und Radarsignatursimulationssoftware erschließt ein ganz neues Niveau in der Simulation, wodurch Anwender*innen die Leistung ihrer Antennen über große Entfernungen und um Hindernisse wie Regale in einem Lager oder Gebäude in einer Stadt modellieren können. Teams, die die Auswirkungen der lokalen Installation ihrer Antennensysteme untersuchen, verwenden die SBR (Shooting and Bouncing Rays)-Funktion in der HFSS-Software, um die Wechselwirkung der Antenne mit dem Mast, dem Gebäude oder dem Fahrzeug zu erfassen, an dem sie montiert ist, zu erfassen. Ingenieur*innen können mit Hilfe eines Tools auf Systemebene wie der Ansys RF Channel Modeler Software für hochgenaue Funkkanalmodellierung auch Simulationen verwenden, um die Funktion ihrer Antennenkonstruktion in einem Netzwerk zu modellieren.

Sobald die elektromagnetischen Eigenschaften analysiert und optimiert sind, müssen die Konstruktionsteams die thermische und strukturelle Reaktion des Phased-Array-Systems untersuchen. Dafür können sie Tools wie die Ansys Software für mechanische Finite-Elemente-Analysen (FEA) oder Ansys Icepak-Simulationssoftware für Elektronikkühlung verwenden, die über eine Schnittstelle mit ihre Solver für hochfrequente Elektromagnetik verbunden werden können. Und wenn die Antenne an einem Fahrzeug oder Flugzeug montiert werden soll, müssen sie möglicherweise ein CFD-Tool wie die Ansys Fluent Software zur Strömungssimulation verwenden, um aerodynamische Lasten bei hoher Geschwindigkeit zu analysieren und zu gestalten. 

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