Phased-Array-Antenne

Eine Phased-Array-Antenne (von englisch phased array‚ phasengesteuertes Feld) ist ein amplituden- und phasengesteuertes, horizontales und/oder vertikales Antennen-Array (Gruppenantenne), welches aus vielen einzelnen Antennenelementen besteht. Die Anordnung der Antennen kann sowohl 1-dimensional, z. B. als horizontale oder vertikale Antennenzeile erfolgen als auch 2-dimensional, entweder aus Einzelantennen oder vertikalen Antennen-Arrays. Diese können linien- oder kreisförmig oder in einem Dreieck bzw. Viereck angeordnet sein.

Durch die vertikale und horizontale Anordnung der einzelnen Antennenelemente, sowie die phasen- und amplituden-gerechte Ansteuerung der einzelnen Antennenelementen (Einzelstrahlern) oder als Arrays zusammengefassten Einzelantennen, die jeweils nur einen kleinen Antennengewinn und ein breites Antennendiagramm besitzen, ergibt sich durch Bündelung der Strahlungsenergie der einzelnen Antennenelemente im Fernfeld ein gemeinsames, gewünschtes Antennendiagramm in einer gewünschten Richtung und/oder Elevationswinkel mit höherem Antennengewinn, als die verwendeten einzelnen Antennenelemente. Eine Phased-Array-Antenne besitzt somit die gleiche Wirkung wie eine entsprechend groß dimensionierte Richtantenne, z. B. Hornstrahler, Cylindrical Parabolic Reflector Antenna oder Parabolantenne.

Durch winkel-abhängige, konstruktive und destruktive Überlagerung der, von den einzelnen Antennenelementen abgestrahlten Signale, ergibt sich das gewünschte horizontale bzw. vertikale Strahlungsdiagramm und der Antennengewinn einer Phased-Array-Antenne.

Eine Phased-Array-Antenne kann folgende Eigenschaften haben:

• Sie kann horizontal, vertikal, elliptisch oder zirkular polarisiert sein.
• Sie kann eine unveränderliche Einspeisung aller Einzelantennen einer horizontalen Antennenzeile besitzen, z. B. ILS-LLZ-Antennen-Array mit horizontaler Polarisation oder vertikal polarisierten, vertikalen Antennenzeile, z. B. Hogtrough-Antenne für SSR- und IFF-Interrogatoren. Bei einer vertikalen Antennenzeile, z. B. DME-Interrogator-Antennen-Array, kann durch die Speisung ein cosecans²-förmiges Elevations-Diagramm als gewünschtes, aber unveränderliches Strahlungsdiagramm (Fixed Beam) ergeben.
• Sie kann eine unveränderliche Einspeisung von einem horizontalen Antennen-Array, das aus einer Kombination von vertikalen Phased-Antennen-Arrays besteht, z. B. LVA-Antennen-Arrays für SSR- und IFF-Interrogatoren, ergibt durch die vertikalen Arrays ein unveränderliches, cosecans²-förmiges Elevations-Diagramm. Hingegen sorgt die horizontale Anordnung und Speisung der vertikalen Arrays für ein unveränderliches Horizontal-Diagramm mit einem hohem Gewinn bei minimalen Nebenkeulen.
• Jede Einzelantenne eines planaren 2-dimensionalen Phased-Antennen-Arrays kann auch variabel, gezielt gespeist werden. Dadurch lässt sich das erzeugte Strahlungsdiagramm innerhalb, durch konstruktive Maßnahmen vorgegebenen Winkelbereichen, vertikal und/oder horizontalen beliebig scannen (Scanning Beam). Dies wird auch als Beam Steering bezeichnet.
• Sie kann auch aus einem kreisförmig angeordnete 1-dimensionale Phased-Arrays bestehen. Diese erlauben eine Abstrahlung und/oder eine Erfassung von 360°, z. B. portable escan TACAN-Antennen oder DVOR zur Erzeugung eines, je nach Azimut eines Luftfahrzeuges in Bezug zu einer DVOR-Anlage drehenden, amplitudenmodulierten Signals. Es werden bis zu 52 einelne Alford-Loop-Antennenelementen in einem Kreis von 13,5 m (entspricht 45' bei 115 MHz) Durchmesser auf einem Counter-Poise (elektrisches Gegengewicht) mit einem mindestens doppelt so großen Durchmesser angeordnet, mit zusätzlich einer Alford-Loop-Antenne als Referenzantenne zur Abstrahlung des Referenzsignals in der Mitte des Antennenrings. Je nachdem welche Methode zur Erzeugung des VOR-Signals gewählt besteht der Ring aus einzelnen Antennenelementen bei DSB- und SSB-DVOR aus einer ungeraden und bei ASB-DVOR aus einer geraden Anzahl von Alford-Loop-Antennenelementen.
• Sie kann aus einem kreisförmig angeordnete 2-dimensionale Phased-Array bestehen. Dies erlaubt eine Abstrahlung und/oder eine Erfassung von 360°. Damit kann eine mechanisch drehende Antenne ersetzt werden (Rotating Beam), z. B. SSR- und IFF-Interrogatoren.

Es sind also sowohl eindimensionale, horizontale oder vertikale, gekrümmte oder kreisförmige Anordnungen der Antennen-Elemente von Phased-Arrays möglich, z. B.:

• 1-dimensionale horizontale, Fixed Beam Phased-Antennen-Arrays bestehen aus einer horizontalen Zeile aus einzelnen Antennenelementen, z. B. ILS-LLZ-Antennen-Array,
• 1-dimensionale vertikale, Fixed Beam Phased-Antennen-Arrays bestehen aus einer vertikalen Zeile aus einzelnen Antennenelementen, z. B. DME-Interrogator-Antennen-Array,

als auch 2-dimensionale planare, gekrümmte oder kreisförmige Anordnung Phased-Arrays möglich

• 2-dimensionale vertikale und horizontale, Fixed Beam Phased-Antennen-Arrays bestehen aus vertikalen und horizontalen Antennen-Arrays, z. B. LVA-Antennen-Arrays für SSR- und IFF-Interrogatoren
• 2-dimensionale Scanning Beam Phased-Antennen-Arrays mit einzeln ansteuerbaren Antennen erlauben das vertikale und horizontale Scannen der Antennenkeule, z. B. PSR, PAR
• 2-dimensional im Kreis angeordnete Rotating Beam Phased Arrays, die so eine mechanisch drehende Antenne ersetzen können, z. B. für SSR- und IFF-Interrogatoren oder TACAN-Transponder

1-dimensionale Phased Array Antennen bestehen, entweder aus einer horizontalen, oder einer vertikalen Zeile von einzelnen Antennen-Elementen, oder aus vertikalen und/oder horizontalen Zeilen von einzelnen Antennen-Elementen die ein 2-dimensionales Phased-Array bilden. Dabei ist zu unterscheiden, ob ein Phased-Array aus Einzelantennen für ein fixes Antennendiagramm in Azimut und Elevation mit maximalem Gewinn und möglichst minimalen Nebenzipfeln im Antennendiagramm optimiert ist, oder ob durch ein Phased-Array aus Einzelantennen ein sogenanntes Beam Steering möglich ist; bei dem die Antennenkeule horizontal und/oder vertikal innerhalb definierter Grenzen elektronisch geschwenkt oder escan (Electronic Scanning) werden kann.

2-dimensionale Phased-Array-Antennensysteme können, sowohl aus einer symmetrischen Anordnung von einzelnen Antennen-Elementen für Beam Steering bestehen, d. h. sie besitzen horizontal und vertikal den gleichen Abstand zueinander, oder sie bestehen aus einer Kombination von einzelnen 1-dimensionalen Phased-Array-Antennen, die zu einer 2-dimensionalen Gruppe aus Phased-Array-Antennen zusammengeschaltet werden, z. B. bei Large-Vertical-Array (LVA) für Sekundärradar- und Freund-Feind-Erkennungs-Radarsensoren aus einzelnen vertikalen Phased-Array-Antennenzeilen. Bei LVA-Antennen muss weder der vertikale noch horizontale Abstand der einzelnen Antennenelemente gleich sein, sondern richtet sich nach alleine nach dem benötigten maximalen Antennengewinn und Antennendiagram im Azimut, der durch die Anzahl, horizontale Anordnung und Speisung der vertikalen Phased-Array-Antennenzeilen und der Elevation die durch die vertikale Anordnung und Speisung der vertikalen Phased-Array-Antennenzeilen bestimmt wird.

1. ↑ Elektrische Schwingungen und drahtlose Telegraphie, Nobel-Vortrag gehalten am 11. Dezember 1909 zu Stockholm, F. Braun, Jahrbuch der drahtlosen Telegraphie und Telephonie, Bd. IV, Heft 1, 1910, S. 1ff. (archive.org [abgerufen am 13. August 2025]). 
2. Antennas, John D. Kraus, 1950. 
   1. ↑ p.346, chpt.12.8
3. ↑ FED-STD-1037C, Federal Standard: Telecommunications: Glossary of Telecommunication Terms, 1996.Aug.07. (everyspec.com [abgerufen am 12. August 2025]). 
4. ↑ ITU Recommendation ITU-R M.1851-2, Mathematical models for radiodetermination radar and aeronautical mobile systems antenna patterns for use in interference analyses, 2023,12. 
5. ↑ ATC-Journal, Fall 2013, Vol.55, No.3, Multifunction Phased Array Radar (MPAR): Achieving next generation surveillance and weather radar capability, M. E. Weber, J. S. Herd, John Y. N. Cho, G. A. Jones. (researchgate.net [PDF; abgerufen am 12. August 2025]). 
6. ↑ The Use of Specialized Antenna Technology for Air Traffic Control and Communications, James J . Maune, Richard J. Giannini, IEEE Transactions Communications, Vol. COM-21, No. 5, May 1973. 
7. ↑ Patentanmeldung DE2158416A1: Antennenanordnung. Angemeldet am 25. November 1971, veröffentlicht am 31. Mai 1972, Anmelder: Hazeltine Corp, Erfinder: Richard J. Giannini.‌
8. ↑ RD-75-219, Test and Evaluation of ATCRBS Electronic Scan Antenna, (Field Tests), Anthony D. Bradley, 1976 January. 
9. ↑ Project Report, ATC-416, Secondary Surveillance Phased Array Radar (SSPAR): Initial Feasibility Study, M.E. Weber, M.L. Wood, J.R. Franz, D. Conway, J.Y.N. Cho, 2014, February 06. (docslib.org [abgerufen am 12. August 2025]). 
10. ↑ Patent US3474447A: Electronically scanned TACAN antenna. Angemeldet am 2. Mai 1968, veröffentlicht am 21. Oktober 1969, Anmelder: Raytheon Co., Erfinder: Leo Melancon.‌
11. ↑ Patent US4905012A: Power efficient feed network for TACAN antenna arrays. Angemeldet am 8. Juni 1989, veröffentlicht am 27. Februar 1990, Anmelder: ISC Cardion Electronics Inc, Erfinder: Stephen J. Foti.‌