mini | rechts | Entwurf einer Phased-Array-Antenne auf einer Leiterplatte
mini|hochkant=1.4|Detail einer fixed Beam Panelantenne, die gleiche Phasenlage aller Strahler-Elemente (Rechtecke) wird durch definierte Längen der speisenden Streifenleitungen erreicht
mini|Dreieckige vertikal polarisierte Phased-Array-Antenne, F. Braun, Frühjahr 1905|250x250px
mini|hochkant=1.8|Animiertes Diagramm 1-dimensionalen Beam Phased-Array-Antenne. TX = Sender, Φ = Phasenschieber, A = Antennen-Array, C = Computer, Θ = Abstrahlwinkel. Die roten Linien sind die Wellenfronten
Eine Phased-Array-Antenne (von ‚ 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 hohen 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.
Geschichte mini|509x509px|Prinzipieller Aufbau einer Phased-Array-Antenne aus drei in einem gleichseitigen Dreiecks angeordneten vertikal polarisierte Monopolantennen, F. Braun, Frühjahr 1905 Bereits im Frühjahr 1905 wurde unter Ferdinand Braun durch Mandelstam und Papalexi eine dreieckige, vertikal polarisierte Phased-Array-Antenne mit Richtwirkung entwickelt (s. 1. Abbildung, dreieckige, vertikal polarisierte Phased-Array-Antenne, F. Braun, Frühjahr 1905). Die Antennenanordnung bestand aus drei vertikal polarisierten Monopol-Antennen A, B, und C, die in den Ecken eines gleichseitigen Dreiecks angeordneten waren, wobei die Strecke C D des Dreiecks einer viertel Wellenlänge (λ/4) entsprach (s. 1. Bild). Wurden A und B gleichphasig, aber C um λ/4 verzögert angeregt, dominierte die Strahlung in Richtung C D. Durch Vertauschung der um λ/4 phasen-verschobenen Antenne, ließ sich eine Drehung der bevorzugten Richtung von je 120° erzielen, auch solche von je 60°. mini|593x593px|Lorenz-System – Leitstrahl-Landefunkfeuer Seit 1932/1933 wurde für die Lorenzbake ein aus 3 vertikal polarisierten λ/2-Dipol-Antennen bestehendes Phased-Antennen-Array als Lande-Funkfeuer (LFF, siehe auch: Lorenz Funknavigations- und Landesysteme) verwendet. Es wurde nur ein Trägersignal verwendet. Dabei wurde jeweils einer der beiden äußeren Dipole mittels Relais jeweils für 1/8 s ab- oder zugeschaltet, während die Mittel-Antenne permanent gespeist wurde. Dementsprechend entstanden, an einem betrachteten Ort im Raum, an dem sich z. B. ein Luftfahrzeug befand, unterschiedliche Signale, die zur horizontalen Führung des Luftfahrzeuges auf der verlängerte Anfluggrundlinie einer Landebahn führte. mini|676x676px|Prinzip der Erzeugung der im Fernfeld der 1-Frequenz-ILS-LLZ-Antennen-Arrays empfangenen 90-Hz- und 150-Hz-Signale. Das abgestrahlte AM-CDSB und die beiden AM-DSBSC-Signale werden nicht im Sender erzeugt, sondern entstehen erst bei der Kombination eines mit 90 Hz und eines mit 150 Hz modulierten AM-CDSB-Signals Um 1940 wurde in den USA ein auf der Lorenzbake aufbauendes Anflugsystem verwendet, das seit 1950 von ICAO in ICAO Annex 10 standardisierte Präzisions-Instrumenten-Lande-System (ILS, engl. Instrument Landing System) wobei für den ILS-LLZ (engl. Instrument Landing System-LocaLiZer) ein Phased-Antennen-Arrays einsetzt. Die Besonderheit gegenüber anderen Phased-Array-Antennen-Systemen besteht darin, dass drei unterschiedliche Antennendiagramme zur Generierung einer mit dem Ort im Raum variierenden Difference in Depth of Modulation (DDM) zwischen 90 Hz und 150 Hz amplituden-modulierten Seitenbändern eingesetzt werden. Hierzu werden ein mit 90 Hz und 150 Hz amplituden-modulierten AM-CDBS- (Amplitude Modulation-Carrier Double Side Band) und zwei ebenfalls mit 90 Hz und 150 Hz amplituden-modulierten AM-DSBSC- (Amplitude Modulation-Double Side Band Suppressed Carrier) Signalen erzeugt, die mit unterschiedlicher Phase und zu den äußeren Antennen abnehmender Amplitude gespeist werden. Ein horizontal polarisiertes ILS-LLZ-Phased-Antennen-Array bestand ursprünglich aus mehreren einzelnen Alford-Loop-Antennenelementen. Heute kommen, je nach Typ der ILS-Anlage ganz unterschiedliche Antennentypen für die Antennenelemente der Phased-Array-Antennen zum Einsatz. Die einzelnen Antennenelemente werden von parallel betriebenen Sendern über Ringkoppler mit den 3 unterschiedlichen amplitudenmodulierten AM-CDSB- und den zwei AM-DSBSC-Signalen gespeist. Dadurch, dass die einzelnen Signale über drei separate Antennendiagramme der ILS-LLZ Phased-Antennen-Arrays in den Raum abgestrahlt werden, ergibt sich eine Überlagerung dieser Signale. Abhängig vom betrachteten Ort im Raum ergibt sich so im Fernfeld des ILS-LLZ-Phased-Array-Antennensystems eine variierende Differenz der Modulationstiefe (DDM) zwischen den 90-Hz- und 150-Hz-Seitenbändern. Mit dessen Hilfe wird, bei Gleichheit des Modulationsgrades zwischen dem 90-Hz- und dem 150-Hz-Signal, ein Luftfahrzeug auf die verlängerte Anflugmittellinie und zur Landebahn geführt. Das Fernfeld beginnt, je nach Anzahl der verwendeten Antennenelemente, in einem Mindestabstand von dfarfield ≥ 2775 m bezogen auf ein aus 32 Einzelantennenelementen bestehendes ILS-LLZ-Phased-Array-Antennensystem mit einer Breite von 75 m.