Präzise Messen in der Luftfahrt Den Radarquerschnitt mit einem VNA ermitteln

Autor / Redakteur: Ferdinand Gerhardes * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Der Radarstreuquerschnitt (Radar Cross Section, RCS) gibt an, wie groß die Reflexion eines Flugobjektes zurück in Richtung der Quelle ist. Mit einem Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) lässt sich die RCS kalkulieren.

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Der Radarstreuquerschnitt wird als der projizierte Bereich einer Metallkugel ausgedrückt, die die gleiche Energie in dieselbe Richtung streuen würde, wie die des Ziels.
Der Radarstreuquerschnitt wird als der projizierte Bereich einer Metallkugel ausgedrückt, die die gleiche Energie in dieselbe Richtung streuen würde, wie die des Ziels.
(Anritsu)

Der Radarstreuquerschnitt oder kurz RCS ist ein Maß für die Fähigkeit eines Ziels, Radarsignale in Richtung eines Radarempfängers zu reflektieren. Eine Reihe unterschiedlicher Faktoren bestimmt, wie viel gestreute elektromagnetische Energie zur Quelle zurückkehrt. Somit können verschiedene Objekte gleicher Größe und Form einen vollkommen unterschiedlichen Radarstreuquerschnitt haben.

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Natürlich ist der RCS ein ausschlaggebender Parameter für Hersteller und Nutzer von Flugzeugen und Schiffen. Allgemein besteht für Konstrukteure die Aufgabe, den Radarstreuquerschnitt von Zivilflugzeugen und Schiffen zu maximieren, andererseits den ihrer militärisch genutzten Pendants zu minimieren. Das bedeutet, dass jede Methode, die schnellere oder exaktere RCS-Messungen mit sich bringt, einen hohen Mehrwert darstellen kann.

Im folgenden Text wird beschrieben, mit welcher Genauigkeit RCS-Messungen mit einem Messgerät durchgeführt werden können, das normalerweise nicht für diese Aufgabe zum Einsatz kommt: mit einem portablen Vektornetzwerkanalysator (VNA). Es wird gemeinhin angenommen, dass komplexe RCS-Messungen die Verwendung von Messgeräten in Tischgeräteausführung erfordern. Dieser Artikel liefert jedoch eine kurze Anleitung zum Messen von Streuparametern (S-Parametern), die im Außendiensteinsatz oder an auf Flugstrecken befindlichen Zielen von einem tragbaren Vektor-Netzwerkanalysator erfasst wurden und kann als Grundlage für eine RCS-Kalkulation genutzt werden.

Das Messen des Radarquerschnitts von sowohl einfachen als auch komplexen Zielen ist ein schwieriges und anspruchsvolles Problem, das bereits seit der Erfindung des Radars besteht. Obwohl die Gesetzmäßigkeiten der elektromagnetischen Theorie gut entwickelt sind, resultiert die Anwendung dieser Gesetzmäßigkeiten für eine Prognostizierung des RCS oftmals in komplexen und umfangreichen Berechnungen. Daher besteht immer Bedarf, Theorien zu überprüfen bzw. zu validieren oder Vorhersagen zu verifizieren. Solche Prozesse werden am besten durch Prüfmessungen ausgeführt.

Mathematisch ausgedrückt, ist der Radarstreuquerschnitt eines Ziels der projizierte Bereich einer elektrisch großen und ideal leitenden Metallkugel, die die gleiche Energie in dieselbe Richtung streuen würde, wie die des Ziels. Der Radarstreuquerschnitt wird gewöhnlich durch den griechischen Buchstaben σ dargestellt und hat Flächenmaßeinheiten m². Diese Größe hängt von drei Faktoren ab:

  • Geometrischer Querschnitt
  • Reflexionsvermögen (Reflectivity)
  • Bündelung, Richtfaktor (Directivity)

Diese drei Faktoren helfen die unverkennbare Form des bei den US-Streitkräften im Einsatz befindlichen Tarnkappenbombers zu erläutern, die darauf ausgelegt ist, sich der Entdeckung durch einen feindlichen Radar zu entziehen: ein flaches Profil, um somit einen geringen geometrischen Querschnitt zu bieten, eine Beschichtung mit radarabsorbierenden Materialien, um weniger Energie zu reflektieren, und eine Struktur, die aus vielen kleinen, ebenen Flächen besteht, die verschiedene Einfallswinkel aufweisen, um die höchstmögliche Energie vom Empfänger weg zu reflektieren.

Wie die RCS-Messungen ablaufen

Die Kugelform ist in Feld- und Labormessungen nützlich, da die Ausrichtung oder Anordnung der Kugel die Messung von Radarreflexionen nicht beeinträchtigt. Daher können solche Messungen als Referenz für Eichungen genutzt werden. Ziele, wie Schiffe und Flugzeuge sind jedoch sehr komplex und verfügen über eine Vielzahl reflektierender Elemente und Formen. Eine Berechnung des Radarstreuquerschnitts dieser Objekte ist daher nicht ohne Probleme möglich, so dass der Radarstreuquerschnitt durch Messen ermittelt werden muss.

Die Herausforderung für den Techniker besteht dann darin, effektive und exakte RCS-Messungen an realen Objekten wie an Flugzeugen, vorzunehmen. Beschrieben wird eine Methode, den Radarstreuquerschnitt auf der Grundlage der Messungen der S-Parameter zu messen. Der Vorteil der S-Parameter-Messungen besteht darin, dass sie mit einem Vektor-Netzwerkanalysator (VNA) durchgeführt werden können. RCS-Messungen sind von entscheidender Bedeutung für Hersteller und Anwender von Flugzeugen und Schiffen. Für sie kann ein tragbarer VNA wie die MS202xC/MS203xC VNA Master-Baureihe der Handheld-Vektornetzwerkanalysatoren von Anritsu unhandliche, mit Wechselstrom betriebene und teure VNA-Tischgeräte ersetzen. Die Serie bietet hardwareseitig einen Frequenzbereich von 5 kHz bis 20 GHz, kurze Sweepzeiten, die Verwendbarkeit bei Hohlleitern sowie fortschrittliche Time-Domain-Ressourcen.

Die Aufgabe des VNA Masters besteht darin, die S-Parameter im Frequenzbereich zu messen. Der zu messende Frequenzbereich wird so gewählt, dass er mit dem Radarfrequenzband von 8,2 bis 12,4 GHz für WR-90 X-Band-Wellenleiter übereinstimmt. Die Zeitbereichsfunktion des VNA überträgt die Frequenzbereichsmessung für die Streuparameter (Γ gegenüber Frequenz) in den Zeitbereich (Γ gegenüber Zeit bzw. Abstand).

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