Entwicklung einer elektronisch schwenkbaren Antenne auf Basis einer planar gespeisten sphärischen Linse für Radarmessungen

Jochen Jebramcik, Jan Barowski, Ilona Rolfes

Klein­heu­ba­cher Ta­gung 2015, U.R.S.I. Lan­des­aus­schuss in der Bun­des­re­pu­blik Deutsch­land e.V., Mil­ten­berg, Ger­ma­ny, Sep 28-30, 2015


Abstract

Radarsysteme finden in vielen industriellen Bereichen Anwendung, wie beispielsweise der Messung von Füllständen in Silos oder Tanks. Hierfür werden sowohl leitungsgebundene Systeme verwendet, als auch solche, die auf der Wellenabstrahlung mithilfe von Antennen beruhen. Radarverfahren sind hierbei insbesondere deshalb von Interesse, da sie auch bei schwierigen Bedingungen, wie hohem Druck und Feuchtigkeit und auch in staubigen Umgebungen zuverlässig arbeiten. Da sich im Falle von Schüttgütern aufgrund des entstehenden Schüttkegels eine in der Regel unebene Oberflächenstruktur ausbildet, genügt hier die Messung der Füllstandshöhe in nur einer definierten Richtung meist nicht, um eine genaue Aussage über das Volumen des Schüttguts im Silo treffen zu können. Einen möglichen Lösungsansatz bieten hier Antennenkonzepte, deren Hauptstrahlrichtung verändert werden kann und die es somit ermöglichen mehrere Messungen in unterschiedliche Raumrichtungen durchzuführen. Die Höhe des Oberflächenprofils kann auf diese Weise an unterschiedlichen Stellen lokal ermittelt werden, sodass eine sehr viel genauere Erfassung des Füllvolumens möglich ist.Die Anforderungen, die ein solches Konzept an die verwendete Antennenstruktur stellt, sind, neben der hohen Bandbreite, Nebenkeulenunterdrückung und Richtwirkung, die Möglichkeit die Hauptstrahlrichtung über einen großen Winkelbereich zu schwenken und hierbei eine möglichst konstante Richtcharakteristik zu gewährleisten. Dies ist insbesondere bei hohen Füllständen aufgrund der geringen Distanz zum Radar entscheidend.In diesem Zusammenhang wurde ein Antennenkonzept auf Basis einer sphärischen Linse aus Polypropylen (PP) für einen Frequenzbereich um 24 GHz entwickelt, die aufgrund ihrer rotationssymmetrischen Geometrie die Erzeugung kongruenter Strahlen über einen großen Winkelbereich ermöglicht. Der hohe Gewinn der Antenne wird dadurch erreicht, dass die sphärischen Phasenfronten eines vergleichsweise ungerichteten Quellstrahlers, durch Brechung an den Grenzflächen der Linse, in annähernd ebene Phasenfronten transformiert werden.Die Schwenkung der Hauptstrahlrichtung erfolgt nicht durch Umpositionierung des Quellstrahlers, sondern durch Verwendung verschiedener Elemente, wodurch eine elektronische Strahlschwenkung realisiert werden kann. Ein Vorteil der elektronischen Strahlschwenkung ist, neben der Geschwindigkeit, dass keine Schrittmotoren benötigt werden und kein Verschleiß an beweglichen Teilen auftreten kann.Die Speisung der dielektrischen Linse erfolgt durch eine planare Antennenstruktur, um eine einfache Realisierung eines, auf Mikrostreifenleitungstechnik basierenden Speisenetzwerkes zum Umschalten zwischen den Elementen zu ermöglichen. Darüber hinaus sind planare Strukturen einfach zu fertigen, kostengünstig und gut reproduzierbar. Um die Speiseantennen in einem Halbkreis um die sphärische Linse anzuordnen, wurden Vivaldi-Antennen verwendet, bei denen es sich um sog. Längsstrahler handelt. Die Vivaldi-Antenne ist für diese Anwendung insbesondere deswegen geeignet, weil sie eine breitbandige Anpassung ermöglicht und eine über den Frequenzbereich stabile Richtcharakteristik besitzt. Darüber hinaus bietet sie einen guten Kompromiss zwischen erzieltem Gewinn und Nebenkeulenunterdrückung.Das hier vorgestellte Antennenkonzept erlaubt die Strahlschwenkung über einen Winkelbereich von über 128° bei einem Abfall der Direktivität bei maximalem Schwenkwinkel von nur 2 dB. Gleichzeitig ist die Fehlanpassung des Antennensystems in einem Frequenzbereich von 6 GHz geringer als -12 dB, was einer relativen Bandbreite von 25 % entspricht.

Tags: