Radar mit elektronischer Strahlschwenkung

Einen Quantensprung ihrer Leistungsfähigkeit erfährt die neue Generation von Radaren durch den Einsatz von Antennen mit elektronischer Strahlschwenkung. Solche "Phased Array"-Radare für Kampfflugzeuge werden heute weltweit entwickelt und bald zur Serienausstattung moderner Jets gehören. Im Boden- und Schiffs­bereich, wo in der Regel weniger strenge Einschränkungen bezüglich Gewicht, Volumen, Leistungsaufnahme und Kühlmöglichkeiten herrschen, gehören phasen­gesteuerte Radare schon seit Jahren zum Standard.

Diese Radare verfügen über Antennenaperturen mit hunderten oder gar tausenden einzelner Strahlerelemente anstelle einer Reflektorantenne mit nur einem Speise­strahler oder einer phasenstarren Hohlleiterschlitzantenne. Die den Strahler­elementen zugeführte Leistung kann von diesen individuell in Betrag und Phase beeinflußt werden, wodurch die Gesamtantenne Wellenfronten nahezu beliebiger Gestalt erzeugen kann. Aufgrund ihrer reziproken Natur verfügt die Antenne über diese Eigenschaft im Sende- wie im Empfangsfall. Im praktischen Betrieb kann das Diagramm auf diese Weise um etwa ± 60° geschwenkt werden; für größere Winkel sinkt der Wirkungsgrad der Antenne. Im Vergleich zu einer herkömmlichen, mecha­nisch bewegten Antenne kann ein "Phased Array" sein Diagramm nahezu verzugsfrei im Raum schwenken. 

Radare mit elektronischer Strahlschwenkung gliedern sich grundsätzlich in zwei Gruppen. Bei der ersten wird die Sendeleistung an zentraler Stelle erzeugt und von einem Verteilnetzwerk, das mit planaren Leistungsteilern oder in Hohlleitertechnik ausgeführt ist, den Strahlerelementen zugeführt. Im zweiten, fortschrittlicheren Fall des sog. "Active Phased Array" verfügt dieses statt über passive Strahlerelemente über aktive Sende-/Empfangsmodule. Jedes dieser Module stellt einen hochminia­turisierten Sender und Empfänger dar, bei dem Sende- und Empfangsweg in Ampli­tude und Phase gesteuert werden können. Ein so ausgestattetes System wird als AESA (Active Electronically Steered Array) - Radar bezeichnet. Gegenüber einem "passiven" Array bietet ein AESA-Radar zunächst eine sehr viel höhere Zuverlässig­keit, da seine Betriebsbereitschaft nicht mehr von einer einzigen Leistungsquelle, z.B. einer Wanderfeldröhre, abhängt. Dies führt zu einem Charakteristikum, für das keine deutsche Übersetzung üblich ist, der „Graceful Degradation“. Es bezeichnet die Tatsache, daß von der Gesamtzahl der Sende-/Empfangsmodule einer solchen Antenne etwa 5 bis 10 % ausfallen können, ohne daß eine merkbare Beeinträch­tigung der Gesamtleistung der Antenne auftritt.

Eines der ersten Radarsysteme mit elektronischer Strahlschwenkung, das zudem auch einer der imposantesten Vertreter der Gattung ist, ist AN/FPS-108 Cobra Dane, ein hochauflösendes Weitbereichs-Bodenradar, das bereits 1977 auf Shemya Island/Alaska in Betrieb genommen wurde. Seine Aufgabe ist die Luftraumüber­wachung über der Halbinsel Kamtschatka. Cobra Dane wurde von der Raytheon Company entwickelt, arbeitet im L-Band (1215 bis 1400 MHz) und verfügt über eine Apertur von 29 m Durchmesser. 15360 Sende/Empfangsmodule sind darauf unter­gebracht und strahlen eine Spitzenleistung von 15.4 MW ab. Dies erlaubt die Über­wachung von Zielen mit einer Entfernungsauflösung von 1 m in einem 120° breiten Sektor bis zu Entfernungen von rund 1000 nautischen Meilen.

     
Cobra Dane und ein Teil des Arrays

Ein typisches Beispiel eines der ersten mobilen Luftraumüberwachungs-Radare ist TRMS-3D (Telefunken Radar Mobil Such), das in den Jahren 1971 bis 1979 von TELEFUNKEN entwickelt wurde. Es handelt sich um ein passives "Phased Array" mit 4000 Strahlerelementen. Das im C-Band (4 bis 8 GHz) arbeitende System verfügt damit über eine Antenne, die in Elevation elektronisch und im Azimut mechanisch  geschwenkt werden kann. TRMS-3D überwacht gleichzeitig bis zu 4000 Ziele in einer Entfernung von maximal 200 km und in einem Höhen­er­fas­sungs­bereich von bis zu 10000 m.

   
Mobiles Luftraumüberwachungs-Radar TRMS-3D und Ausschnitt aus dem Array

Weitgehend auf der Basis von TRMS entstand in den achtziger Jahren eine neue Generation von 3D-Schiffsradaren zur See- und Luftraumüberwachung. Sie eröffnete in diesem Aufgabenbereich eine weit höhere Leistungsfähigkeit als bisherige Systeme mit Parabol-Reflektorantennen. TELEFUNKEN SYSTEMTECHNIK lieferte im Jahr 1992 die erste Anlage mit der Bezeichnung TRS-3D/16 an die dänische Marine zur Ausstattung ihrer neuen Schiffsklasse SF-300 aus.

TRS-3D/16auf einem Schiff SF-300

Ein bedeutendes luftgestütztes Weitbereichs-Überwachungsradar ist das von Westinghouse entwickelte AN/APY-2 für AWACS (Airborne Warning & Control System). Seine Antenne, ein passives "Phased Array" für die Diagrammsteuerung in Elevation, rotiert zusammen mit dem sog. Rotodome mit 6 U/min auf dem Rumpf einer Boeing E-3A Sentry, der militärischen Version der legendären B 707. Sie besteht aus 28 übereinander liegenden Zeilen von Hohlleiter-Schlitzstrahlern, denen jeweils ein Phasenschieber zugeordnet ist, und mißt 8 m x 1.6 m. AN/APY-2  arbeitet im S-Band (2 bis 4 GHz) und kann aus 10000 m Flughöhe tieffliegende Ziele bis zu einer Entfernung von 370 km verfolgen. Das erste AWACS-System wurde im März 1977 in Dienst gestellt.

E-3A Sentry / AWACS und die Antenne des AN/APY-2 Radars

Der Einsatz mit den höchsten Anforderungen an ein aktives "Phased Array"-Radar ist ohne Zweifel der an Bord eines Kampfflugzeuges. Mit dem Ziel, die potentielle Leistungsfähigkeit eines solchen Systems nachzuweisen, entstand in der Zusammenarbeit dreier Nationen der Demonstrator AMSAR (Airborne Multi-Role Solid State Active Array Radar). Er ist eine gemeinsame Entwicklung der Firmen EADS (Deutschland), BAES (Großbritannien) und Thales (Frankreich). Das aktive Array arbeitet im X-Band (um 10 GHz) und besteht aus 1000 Sende-/Empfangs­modulen, die auf einer Fläche von 60 cm Durchmesser untergebracht sind. Die Module sind in GaAs-MMIC (Monolithic Microwave Integrated Circuit) -Technologie realisiert. AMSAR verfügt neben den schon genannten Merkmalen eines AESA-Radars über zusätzliche Eigenschaften, wie adaptives Leistungsmanagement oder die Möglichkeit, in Richtung erkannter Störer Nullstellen des Antennendiagramms zu erzeugen und diese damit auszublenden (Adaptive Beam Forming).

     
Radardemonstrator AMSAR und Sende/Empfangsmodul

An Bord von Schiffen werden heute AESA-Radare installiert, die den Status der Serienreife erreicht haben. Die deutsche Bundesmarine rüstet ihre Fregatten F 124 mit dem Multifunktionsradar APAR (Active Phased Array Radar) aus, das zentraler Teil eines komplexen Verteidigungssystems zur Bekämpfung von See- und Luft­zielen ist. APAR ist eine trinationale Entwicklung der Firmen EADS (Deutschland), Thales-NL (Niederlande) und Nortel (Kanada). Es besteht aus vier aktiven Antennen mit jeweils 3200 Sende/Empfangsmodulen, die im X-Band arbeiten und den gesamten Azimutsektor von 360° abdecken. Als Multifunktionsradar  erfüllt APAR unterschiedlichste Aufgaben, wie Zielsuche und -erfassung, Ermittlung von Ziel­kursen, Durchführung von Bedrohungsrechnungen, Zielbeleuchtung und Führung von Abwehrraketen. Das erste System wurde im Jahr 2000 auf der Fregatte F 124 "Sachsen"  installiert.

     
Fregatte F 124 "Sachsen" und APAR