Phased-Array-Antenne

In der Antennentheorie bezeichnet man mit Phased Array üblicherweise ein elektronisch abgetastetes Array , also eine computergesteuerte Antennenanordnung , die einen Funkwellenstrahl erzeugt , der elektronisch in verschiedene Richtungen gelenkt werden kann, ohne dass die Antennen bewegt werden müssen. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

Bei einer Phased-Array-Antenne wird die Sendeleistung über sogenannte Phasenschieber , die von einem Computersystem gesteuert werden, an die Strahlungselemente geleitet. Diese Phasenschieber können die Phase oder die Signalverzögerung elektronisch verändern und so den Strahl der Radiowellen in eine andere Richtung lenken. Da die Größe einer Antennenanordnung viele Wellenlängen umfassen muss, um die für eine schmale Strahlbreite erforderliche hohe Verstärkung zu erzielen, sind Phased-Array-Antennen hauptsächlich im Hochfrequenzbereich des Funkspektrums, im UHF- und Mikrowellenbereich, praktisch einsetzbar, da dort die Betriebswellenlängen vergleichsweise klein sind.

Phased-Array-Antennen wurden ursprünglich für militärische Radarsysteme zur Ortung schnell fliegender Flugzeuge und Raketen entwickelt , finden heute aber breite Anwendung und werden auch in zivilen Bereichen wie 5G MIMO für Mobiltelefone eingesetzt. Das Phased-Array-Prinzip wird zudem in der Akustik, beispielsweise in der Phased-Array-Ultraschalltechnik , und in der Optik genutzt.

Der Begriff „Phased Array“ wird in geringerem Umfang auch für ungesteuerte Antennenanordnungen verwendet , bei denen das Strahlungsmuster der Antennenanordnung feststeht. ^{[ 5 ] [ 7 ]} Beispielsweise werden AM-Rundfunkantennen, die aus mehreren Maststrahlern bestehen , ebenfalls als „Phased Arrays“ bezeichnet.

Ein Phased-Array ist ein elektronisch abgetastetes Array , eine computergesteuerte Antennenanordnung , die einen Radiowellenstrahl erzeugt , der elektronisch in verschiedene Richtungen gelenkt werden kann, ohne die Antennen selbst zu bewegen. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]} Die allgemeine Theorie eines elektromagnetischen Phased-Arrays findet auch Anwendung in der Ultraschall- und medizinischen Bildgebung ( Phased-Array-Ultraschall ) sowie in der Optik ( optisches Phased-Array ).

Bei einer einfachen Array-Antenne wird der Hochfrequenzstrom des Senders mehreren einzelnen Antennenelementen mit der passenden Phasenbeziehung zugeführt , sodass sich die Hochfrequenzwellen der einzelnen Elemente zu einem Strahl überlagern . Dadurch lässt sich die abgestrahlte Leistung in gewünschten Richtungen erhöhen und die Abstrahlung in unerwünschten Richtungen unterdrücken.

Bei einer Phased-Array-Antenne wird die Sendeleistung über sogenannte Phasenschieber , die von einem Computersystem gesteuert werden, an die Strahlungselemente geleitet . Der Computer kann die Phase oder Signalverzögerung jedes Antennenelements elektronisch verändern, wodurch ein Radiowellenbündel entsteht, das dynamisch in beliebige Richtungen gelenkt werden kann.

Phased-Array-Antennen wurden ursprünglich für militärische Radarsysteme entwickelt , um einen Radiowellenstrahl schnell über den Himmel zu lenken und so Flugzeuge und Raketen zu orten. Diese Systeme sind heute weit verbreitet und finden auch in zivilen Anwendungen wie 5G MIMO für Mobiltelefone Verwendung. Das Phased-Array-Prinzip wird auch in der Akustik genutzt . So kommen Phased-Array-Antennen mit akustischen Wandlern in medizinischen Ultraschallgeräten ( Phased-Array-Ultraschall ), in der Öl- und Gasexploration ( Reflexionsseismologie ) und in militärischen Sonarsystemen zum Einsatz .

Der Begriff „Phased Array“ wird in geringerem Umfang auch für nicht steuerbare Antennenanordnungen verwendet , bei denen die Phase der Speiseleistung und damit das Strahlungsmuster der Antennenanordnung festgelegt ist. ^{[ 5 ] [ 8 ]} Beispielsweise werden AM-Rundfunkantennen, die aus mehreren Maststrahlern bestehen , die so gespeist werden, dass ein bestimmtes Strahlungsmuster erzeugt wird, ebenfalls als „Phased Arrays“ bezeichnet.

Phased-Array-Antennen gibt es in verschiedenen Ausführungen. Die vier gebräuchlichsten sind jedoch die passive elektronisch gesteuerte Antenne (PESA), die aktive elektronisch gesteuerte Antenne (AESA), die hybride Strahlformungs-Phased-Array-Antenne und die digitale Strahlformungs-Antenne (DBF). ^{[ 9 ]}

Ein passives Phased-Array oder passiv elektronisch abgetastetes Array (PESA) ist ein Phased-Array, bei dem die Antennenelemente an einen einzigen Sender und/oder Empfänger angeschlossen sind , wie in der ersten Animation oben dargestellt. PESAs sind die gebräuchlichste Art von Phased-Arrays. Im Allgemeinen verwendet ein PESA einen einzigen Empfänger/Anreger für das gesamte Array.

Eine aktive Phased-Array -Antenne ( AESA) ist eine Phased-Array-Antenne, bei der jedes Antennenelement über ein analoges Sende-/Empfangsmodul (S/E) ^{[ 10 ]} verfügt . Dieses Modul erzeugt die für die elektronische Strahlsteuerung erforderliche Phasenverschiebung. Aktive Arrays stellen eine fortschrittlichere Phased-Array-Technologie der zweiten Generation dar, die in militärischen Anwendungen eingesetzt wird. Im Gegensatz zu PESAs können sie mehrere Radiowellenstrahlen mit unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig in verschiedene Richtungen abstrahlen. Die Anzahl der gleichzeitig abstrahlbaren Strahlen ist jedoch aus praktischen Gründen der elektronischen Gehäusebauweise auf etwa drei Strahlen pro AESA begrenzt. Jedem Strahlformer ist ein Empfänger/Anreger angeschlossen.

Ein digitales Beamforming-Phased-Array (DBF-Phased-Array) verfügt über einen digitalen Empfänger/Anreger an jedem Element. Das Signal an jedem Element wird vom Empfänger/Anreger digitalisiert. Dadurch lassen sich Antennenstrahlen digital in einem FPGA (Field Programmable Gate Array) oder dem Array-Computer formen. Dieses Verfahren ermöglicht die simultane Erzeugung mehrerer Antennenstrahlen.

Ein hybrides Phased-Array mit Strahlformung kann als Kombination aus einem AESA- und einem digitalen Phased-Array mit Strahlformung betrachtet werden. Es verwendet aktive Phased-Array-Subarrays (beispielsweise 64, 128 oder 256 Elemente, abhängig von den Systemanforderungen). Die Subarrays werden zum vollständigen Array kombiniert. Jedes Subarray verfügt über einen eigenen digitalen Empfänger/Anreger. Dieses Verfahren ermöglicht die Erzeugung von Clustern simultaner Strahlen.

Eine konforme Antenne ^{[ 11 ]} ist eine Phased-Array-Antenne, bei der die einzelnen Antennen nicht in einer Ebene, sondern auf einer gekrümmten Oberfläche angeordnet sind. Phasenschieber kompensieren die unterschiedlichen Laufzeiten der Wellen aufgrund der variierenden Position der Antennenelemente auf der Oberfläche, sodass die Antenne eine ebene Welle abstrahlt. Konforme Antennen werden in Flugzeugen und Raketen eingesetzt, um die Antenne in die gekrümmte Oberfläche des Flugzeugs zu integrieren und so den Luftwiderstand zu reduzieren.

Es gibt zwei Haupttypen von Beamformern: Zeitbereichs- Beamformer ^{[ 12 ]} und Frequenzbereichs- Beamformer ^{[ 13 ] [ 14 ]} . Theoretisch handelt es sich bei beiden um prinzipiell dieselbe Operation; die Umwandlung zwischen den beiden Typen erfolgt lediglich mittels Fourier-Transformation .

Um die Unterdrückung von Nebenkeulen zu verbessern, wird zusätzlich zur Phasenverschiebung manchmal ein abgestuftes Dämpfungsfenster über die gesamte Fläche des Arrays angewendet.

Zeitbereichs-Beamformer ^{[ 15 ]} arbeiten mit Zeitverzögerungen. Die grundlegende Operation heißt „Verzögern und Summieren“. Dabei wird das Eingangssignal jedes Array-Elements um eine bestimmte Zeit verzögert und anschließend addiert. Mithilfe einer Butler-Matrix können mehrere Strahlen gleichzeitig geformt oder ein Strahl entlang eines Bogens geführt werden. Der gebräuchlichste Zeitbereichs-Beamformer ist der Serpentinenwellenleiter. Aktive Phased-Array-Systeme verwenden einzelne Verzögerungsleitungen, die ein- und ausgeschaltet werden. Yttrium-Eisen-Granat -Phasenschieber variieren die Phasenverzögerung mithilfe der Stärke eines Magnetfelds.

Es gibt zwei verschiedene Arten von Frequenzbereichs-Beamformern.

Der erste Typ trennt die verschiedenen Frequenzkomponenten des empfangenen Signals in mehrere Frequenzbänder (entweder mittels diskreter Fourier-Transformation (DFT) oder Filterbank ). Werden auf jedes Frequenzband unterschiedliche Delay- und Summen-Beamformer angewendet, zeigt die Hauptkeule bei jeder Frequenz gleichzeitig in mehrere verschiedene Richtungen. Dies kann für Kommunikationsverbindungen von Vorteil sein und wird beim SPS-48- Radar genutzt.

Der andere Typ von Frequenzbereichs-Beamformern nutzt die Ortsfrequenz. Von jedem einzelnen Array-Element werden diskrete Abtastwerte erfasst. Diese Abtastwerte werden mittels DFT verarbeitet. Die DFT führt während der Verarbeitung mehrere unterschiedliche diskrete Phasenverschiebungen ein. Die Ausgänge der DFT sind einzelne Kanäle, die gleichmäßig verteilten, gleichzeitig erzeugten Strahlen entsprechen. Eine eindimensionale DFT erzeugt einen Fächer aus verschiedenen Strahlen. Eine zweidimensionale DFT erzeugt Strahlen in Ananasform .

Mithilfe dieser Techniken lassen sich zwei Arten von Phased-Array-Antennen erzeugen.

• Dynamisch – Zur Bewegung des Strahls wird eine Anordnung von variablen Phasenschiebern verwendet ^{[ 16 ].}

• Fest – die Strahlposition ist in Bezug auf die Array-Fläche stationär, während die gesamte Antenne bewegt wird ^{[ 17 ].}

Es gibt zwei weitere Unterkategorien, die die Art des dynamischen oder festen Arrays modifizieren.

• Aktive Verstärker oder Prozessoren befinden sich in jedem Phasenschieberelement ^{[ 18 ].}

• Passiv – großer Zentralverstärker mit dämpfenden Phasenschiebern ^{[ 19 ]}

Jedes Array-Element verfügt über einen einstellbaren Phasenschieber. Diese werden gemeinsam verwendet, um den Strahl relativ zur Array-Fläche zu bewegen.

Dynamische Phased-Array-Radargeräte benötigen keine physische Bewegung zur Ausrichtung des Strahls. Die Strahlbewegung erfolgt elektronisch. Dadurch kann die Antenne so schnell bewegt werden, dass mit einem schmalen, punktförmigen Strahl mehrere Ziele gleichzeitig verfolgt und nach neuen Zielen gesucht werden kann – eine Fähigkeit, die als „Track while Search“ bekannt ist .

Beispielsweise benötigt eine Antenne mit einem 2-Grad-Strahlwinkel und einer Pulsfrequenz von 1 kHz etwa 8 Sekunden, um eine gesamte Halbkugel mit 8.000 Messpunkten abzudecken. Diese Konfiguration bietet 12 Möglichkeiten, ein Fahrzeug mit einer Geschwindigkeit von 1.000 m/s (2.200 mph; 3.600 km/h) über eine Entfernung von 100 km (62 Meilen) zu erfassen und eignet sich daher für militärische Anwendungen.

Die Position mechanisch gesteuerter Antennen lässt sich vorhersagen, was zur Entwicklung elektronischer Gegenmaßnahmen genutzt werden kann , die den Radarbetrieb stören. Die Flexibilität des Phased-Array-Betriebs ermöglicht es, die Antennenstrahlen auf beliebige Positionen auszurichten und so diese Schwachstelle zu beseitigen. Dies ist auch für militärische Anwendungen von Vorteil.

Feste Phased-Array-Antennen werden typischerweise eingesetzt, um Antennen mit einer günstigeren Bauform als herkömmliche Parabol- oder Cassegrain-Reflektoren zu realisieren . Feste Phased Arrays verfügen über feste Phasenschieber. Beispielsweise verwenden die meisten kommerziellen UKW-Radio- und Fernsehantennentürme ein kollineares Antennenarray , ein fest angeordnetes Phased Array aus Dipolelementen.

In Radaranwendungen wird diese Art von Phased-Array-Antenne während des Verfolgungs- und Abtastvorgangs physisch bewegt. Es gibt zwei Konfigurationen.

• Mehrere Frequenzen mit einer Verzögerungsleitung
• Mehrere benachbarte Balken

Das SPS-48- Radar nutzt mehrere Sendefrequenzen und eine serpentinenförmige Verzögerungsleitung an der linken Seite der Antennenanordnung, um einen vertikalen Fächer übereinanderliegender Strahlen zu erzeugen. Jede Frequenz erfährt beim Durchlaufen der Verzögerungsleitung eine unterschiedliche Phasenverschiebung, wodurch verschiedene Strahlen entstehen. Ein Filter dient zur Trennung der einzelnen Empfangsstrahlen. Die Antenne wird mechanisch gedreht.

Die halbaktive Radarzielsuche nutzt ein Monopulsradar mit festem Phased-Array-Antennensystem, das mehrere benachbarte Strahlen erzeugt, welche Winkelabweichungen messen. Diese Bauform eignet sich für die kardanische Montage in Raketensuchköpfen.

Aktive elektronisch abgetastete Antennenarrays (AESA) verfügen über eine Sendeverstärkung mit Phasenverschiebung in jedem Antennenelement (bzw. jeder Elementgruppe). Jedes Element beinhaltet außerdem eine Empfangsvorverstärkung. Die Phasenverschiebungseinstellung ist für Senden und Empfangen identisch. ^{[ 20 ]}

Aktive Phased-Array-Antennen benötigen nach dem Ende des Sendeimpulses keine Phasenrückstellung, was mit Doppler-Radar und Puls-Doppler-Radar kompatibel ist .

Passive Phased-Array-Antennen verwenden typischerweise große Verstärker, die das gesamte Mikrowellen-Sendesignal für die Antenne erzeugen. Phasenschieber bestehen typischerweise aus Hohlleiterelementen, die durch Magnetfeld, Spannungsgradient oder eine vergleichbare Technologie gesteuert werden. ^{[ 21 ] [ 22 ]}

Das bei passiven Phased-Array-Antennen verwendete Phasenverschiebungsverfahren führt typischerweise dazu, dass Sende- und Empfangsstrahl in diagonal gegenüberliegenden Quadranten liegen. Um den Empfangsstrahl an die gleiche Position wie den Sendestrahl zu bringen, muss das Vorzeichen der Phasenverschiebung nach dem Sendeimpuls und vor Beginn der Empfangsperiode umgekehrt werden. Dies erfordert einen Phasenimpuls, der die Sub-Clutter-Sichtbarkeit von Doppler- und Puls-Doppler-Radar verschlechtert. Beispielsweise müssen Yttrium-Eisen-Granat- Phasenschieber nach dem Abschalten des Sendeimpulses und vor Beginn der Empfängerverarbeitung umgeschaltet werden, um Sende- und Empfangsstrahl auszurichten. Dieser Impuls erzeugt FM-Rauschen, das die Clutter-Sichtbarkeit beeinträchtigt.

Im AEGIS Combat System ^{[ 23 ]} wird die passive Phased-Array-Technologie zur Schätzung der Einfallsrichtung eingesetzt .

Das US-amerikanische PAVE PAWS- Radar zur aktiven Phased-Array -Raketenerkennung in Alaska wurde 1979 fertiggestellt und war eines der ersten aktiven Phased-Array-Radare.

Nahaufnahme einiger der 2677 gekreuzten Dipolantennenelemente, aus denen die ebene Antennenanordnung besteht. Diese Antenne erzeugte einen schmalen, nur 2,2° breiten „Bleistiftstrahl“.

Die Phased-Array-Übertragung wurde erstmals 1905 von Nobelpreisträger Karl Ferdinand Braun vorgestellt , der die verbesserte Übertragung von Radiowellen in eine Richtung demonstrierte . [ ^{24 ] [ 25 ] Während} des Zweiten Weltkriegs nutzte Nobelpreisträger Luis Alvarez die Phased-Array-Übertragung in einem schnell steuerbaren Radarsystem für den bodengestützten Anflug (GCAP ), ein System zur Unterstützung der Flugzeuglandung. Zeitgleich baute die deutsche GEMA ( Gesellschaft für elektroakustische und mechanische Apparate ^{[ 26 ]} ) die Mammut 1. ^{[ 27 ]} Diese wurde später für die Radioastronomie adaptiert, was Antony Hewish und Martin Ryle den Nobelpreis für Physik einbrachte , nachdem am Interplanetary Scintillation Array der Universität Cambridge mehrere große Phased-Array-Antennen entwickelt worden waren . Dieses Design wird auch für Radar verwendet und findet Anwendung in interferometrischen Radioantennen.

1966 verwendeten die meisten Phased-Array-Radargeräte Ferrit-Phasenschieber oder Wanderfeldröhren zur dynamischen Phasenanpassung. Das AN/SPS-33 – um 1961 auf den atomgetriebenen Schiffen Long Beach und Enterprise installiert – galt 1966 als das einzige betriebsbereite 3D-Phased-Array-Radar weltweit. Das AN/SPG-59 war so konstruiert, dass es mehrere Tracking-Strahlen aus dem Sende-Array erzeugte und gleichzeitig unabhängige Empfangs-Arrays programmierte. Das erste zivile 3D-Phased-Array-Radar wurde 1960 im National Aviation Facilities Experimental Center gebaut, das Projekt jedoch 1961 eingestellt. ^{[ 28 ]}

Im Jahr 2004 demonstrierten Forscher des Caltech den ersten integrierten, auf Silizium basierenden Phased-Array-Empfänger mit 8 Elementen bei 24 GHz. ^{[ 29 ]} Darauf folgte 2005 die Demonstration eines CMOS-Phased-Array-Senders mit 24 GHz ^{[ 30 ]} und 2006 die eines vollständig integrierten Phased-Array-Transceivers mit integrierten Antennen für 77 GHz ^{[ 31 ] [ 32 ]} , ebenfalls entwickelt vom Caltech-Team. 2007 kündigten Forscher der DARPA eine 16-Elemente-Phased-Array-Radarantenne an, die ebenfalls mit allen notwendigen Schaltkreisen auf einem einzigen Siliziumchip integriert war und im Frequenzbereich von 30–50 GHz arbeitete. ^{[ 33 ]}

Die relativen Amplituden der von den einzelnen Antennen abgestrahlten Signale sowie die konstruktiven und destruktiven Interferenzeffekte zwischen ihnen bestimmen das effektive Strahlungsmuster der Antennenanordnung. Eine Phased-Array-Antenne kann verwendet werden, um ein festes Strahlungsmuster auszurichten oder um schnell in Azimut oder Elevation zu schwenken . Das gleichzeitige elektrische Schwenken in Azimut und Elevation wurde erstmals 1957 bei einer Phased-Array-Antenne der Hughes Aircraft Company in Kalifornien demonstriert. ^{[ 34 ]}

Die Gesamtrichtwirkung eines Phased-Arrays ergibt sich aus der Verstärkung der einzelnen Array-Elemente und der Richtwirkung aufgrund ihrer Positionierung im Array. Letztere Komponente ist eng mit dem Array-Faktor verknüpft (aber nicht identisch mit ^{[ 15 ]} ) . ^{[ 35 ] [ 15 ]} In einem (rechteckigen) planaren Phased-Array mit den Abmessungen , dem Elementabstand bzw. kann der Array-Faktor entsprechend berechnet werden ^{[ 2 ] [ 35 ]} :${\displaystyle M\times N}$${\displaystyle d_{x}}$${\displaystyle d_{y}}$

$${\displaystyle AF=\sum _{n=1}^{N}I_{n1}\left[\sum _{m=1}^{M}I_{m1}\mathrm {e} ^{j\left(m-1\right)\left(kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}\right)}\right]\mathrm {e} ^{j\left(n-1\right)\left(kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta _{y}\right)}}$$

Hierbei sind und die Richtungen, in denen der Array-Faktor im rechts dargestellten Koordinatensystem berechnet wird. Die Faktoren und stellen die progressive Phasenverschiebung dar , die zur elektronischen Strahlsteuerung verwendet wird. Die Faktoren und sind die Anregungskoeffizienten der einzelnen Elemente. ${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \phi }$${\displaystyle \beta _{x}}$${\displaystyle \beta _{y}}$${\displaystyle I_{n1}}$${\displaystyle I_{m1}}$

Die Strahlsteuerung wird im selben Koordinatensystem angegeben, die Richtung der Steuerung wird jedoch mit und angegeben , was bei der Berechnung der progressiven Phase verwendet wird: ${\displaystyle \theta _{0}}$${\displaystyle \phi _{0}}$

${\displaystyle \beta _{x}=-kd_{x}\sin \theta _{0}\cos \phi _{0}}$

${\displaystyle \beta _{y}=-kd_{y}\sin \theta _{0}\sin \phi _{0}}$

In allen obigen Gleichungen beschreibt der Wert die Wellenzahl der bei der Übertragung verwendeten Frequenz. ${\displaystyle k}$

Mithilfe dieser Gleichungen lassen sich die Nullstellen, Hauptkeulen und Gitterkeulen des Arrays vorhersagen. Unter Berücksichtigung der Exponenten in der Array-Faktorgleichung lässt sich sagen, dass Haupt- und Gitterkeulen bei ganzzahligen Lösungen der folgenden Gleichungen auftreten: ^{[ 2 ] [ 35 ]}${\displaystyle m,n=0,1,2,\dots }$

${\displaystyle kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}=\pm 2m\pi }$

${\displaystyle kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta_{y}=\pm 2n\pi }$

In der Technik ist es üblich , Phased-Array- Werte in Dezibel anzugeben . Da die Array-Faktor-Gleichung oben eine komplexe Exponentialfunktion enthält, ist mit dem Array-Faktor oft die Größe des summierten Phasenvektors gemeint , der am Ende der Berechnung entsteht. Damit lässt sich folgende Gleichung herleiten: Zur besseren Veranschaulichung analysieren wir den Array-Faktor anhand eines Azimuts und einer Elevation , die wir mithilfe der folgenden Umrechnung auf das Array-Koordinatensystem abbilden :${\displaystyle AF}$${\displaystyle AF_{dB}=10\log _{10}AF}$$${\displaystyle AF_{dB}=10\log _{10}\left\|\sum _{n=1}^{N}I_{1n}\left[\sum _{m=1}^{M}I_{m1}\mathrm {e} ^{j\left(m-1\right)\left(kd_{x}\sin \theta \cos \phi +\beta _{x}\right)}\right]\mathrm {e} ^{j\left(n-1\right)\left(kd_{y}\sin \theta \sin \phi +\beta _{y}\right)}\right\|}$$${\displaystyle \theta }$${\displaystyle \phi }$

${\displaystyle \theta =\arccos \left(\cos \left(\theta _{az}\right)\sin \left(\theta _{el}\right)\right)}$

${\displaystyle \phi =\arctan 2\left(\sin \left(\theta _{el}\right),\sin \left(\theta _{az}\cos \left(\theta _{el}\right)\right)\right)}$

Dies stellt ein Koordinatensystem dar, dessen Achse mit der Array - Achse übereinstimmt . ${\displaystyle \mathbf {x} }$${\displaystyle \mathbf {z} }$${\displaystyle \mathbf {y} }$${\displaystyle \mathbf {x} }$

Bei einem Phased-Array liefert dieser Prozess die folgenden Werte für , wenn auf die Hauptstrahlrichtung ( , ) ausgerichtet wird: ${\displaystyle 16\times 16}$${\displaystyle AF_{dB}}$${\displaystyle \theta _{0}=0^{\circ }}$${\displaystyle \phi _{0}=0^{\circ }}$

Diese Werte wurden auf ein Minimum von -50 dB begrenzt; in der Realität weisen die Nullpunkte im Array-Faktordiagramm jedoch deutlich kleinere Werte auf. ${\displaystyle AF}$

Phased-Array-Radare wurden ursprünglich für die Radarverfolgung ballistischer Raketen entwickelt und finden aufgrund ihrer hohen Zielverfolgungsgeschwindigkeit breite Anwendung im Militärbereich. Beispielsweise ermöglicht die schnelle Strahlsteuerung einem Kriegsschiff, mit nur einem Radarsystem sowohl Schiffe als auch Flugzeuge und Raketen zu orten und zu verfolgen sowie die Verbindung zu Raketen herzustellen. Vor dem Einsatz dieser Systeme benötigte jede Boden-Luft-Rakete im Flug ein eigenes Feuerleitradar , wodurch radargelenkte Waffen nur eine geringe Anzahl von Zielen gleichzeitig bekämpfen konnten. Phased-Array-Systeme können Raketen in der Mittelphase ihres Fluges steuern. In der Endphase des Fluges übernehmen Feuerleitgeräte mit Dauerstrichbetrieb die finale Zielführung. Da das Antennenmuster elektronisch gesteuert wird , können Phased-Array-Systeme Radarstrahlen schnell genug ausrichten, um viele Ziele gleichzeitig präzise zu erfassen und zu verfolgen und gleichzeitig mehrere Raketen im Flug zu steuern.

Das Phased-Array-Radar AN/SPY-1 , Bestandteil des Aegis-Kampfsystems auf modernen US- Kreuzern und -Zerstörern , kann gleichzeitig Such-, Verfolgungs- und Lenkfunktionen für über 100 Ziele ausführen. ^{[ 36 ]} Ebenso verfügt das in Frankreich und Singapur eingesetzte multifunktionale Phased-Array-Radar Thales Herakles über eine Verfolgungskapazität von 200 Zielen und ermöglicht die automatische Zielerkennung, -bestätigung und -verfolgung in einem einzigen Scan. Gleichzeitig liefert es Kurskorrekturen für die vom Schiff abgefeuerten MBDA-Aster- Raketen. ^{[ 37 ]} Die Deutsche Marine und die Königlich Niederländische Marine haben das Active Phased Array Radar System (APAR) entwickelt . Die MIM-104 Patriot und andere bodengestützte Flugabwehrsysteme nutzen Phased-Array-Radar für ähnliche Vorteile.

Phased-Array-Sonargeräte werden in der Schiffssonartechnik eingesetzt, sowohl in aktiven (Senden und Empfangen) als auch in passiven (nur Empfangen) Systemen sowie in rumpfmontierten und geschleppten Array-Sonaren .

Eines der ersten akustischen Phased-Array-Systeme war das deutsche Gruppenhorchgerät .

In der Akustik werden auch Mikrofonarrays und Linienlautsprecherarrays verwendet.

Die Raumsonde MESSENGER war eine Mission zum Planeten Merkur (2011–2015 ^{[ 38 ]} ). Sie war die erste Tiefraummission, die eine Phased-Array-Antenne für die Kommunikation nutzte . Die Strahlungselemente sind zirkular polarisierte Schlitzwellenleiter . Die Antenne, die das X-Band nutzt , verwendet 26 Strahlungselemente und kann bei Bedarf ruckartig verschlechtern . ^{[ 39 ]}

Das National Severe Storms Laboratory (NSSL) nutzt seit dem 23. April 2003 an seinem Standort in Norman, Oklahoma, eine von der US Navy bereitgestellte Phased-Array-Antenne vom Typ SPY-1A für Wetterforschungszwecke . Man erhofft sich von der Forschung ein besseres Verständnis von Gewittern und Tornados, was letztendlich zu längeren Vorwarnzeiten und verbesserten Tornadovorhersagen führen soll. Zu den aktuellen Projektbeteiligten gehören das NSSL und das Radar Operations Center des National Weather Service (NWS), Lockheed Martin , die US Navy , die Fakultät für Meteorologie, die Fakultät für Elektrotechnik und Informatik sowie das Atmospheric Radar Research Center der University of Oklahoma , die Oklahoma State Regents for Higher Education, die Federal Aviation Administration (FAA) und Basic Commerce and Industries. Das Projekt umfasst Forschung und Entwicklung , zukünftigen Technologietransfer und die mögliche landesweite Einführung des Systems in den Vereinigten Staaten. Die Projektdauer wird voraussichtlich 10 bis 15 Jahre betragen, die anfänglichen Baukosten beliefen sich auf rund 25 Millionen US-Dollar. ^{[ 40 ]} Ein Team des japanischen RIKEN Advanced Institute for Computational Science (AICS) hat mit experimentellen Arbeiten zur Nutzung von Phased-Array-Radar mit einem neuen Algorithmus für Echtzeit-Wettervorhersagen begonnen . ^{[ 41 ]}

Im sichtbaren und infraroten Spektrum elektromagnetischer Wellen lassen sich optische Phased-Arrays (OPAs) realisieren, die eine dynamische Strahlformung und Strahlsteuerung ohne mechanisch bewegliche Teile ermöglichen. ^{[ 42 ] [ 43 ] [ 44 ]} Sie werden in Wellenlängenmultiplexern und Filtern für Telekommunikationszwecke ^{[ 42 ]} sowie in Lidar ^{[ 43 ]} , optischer Freiraumkommunikation ^{[ 45 ] [ 46 ]} und Holographie eingesetzt. OPAs ermöglichen außerdem linsenlose Projektoren ^{[ 47 ]} , linsenlose Kameras ^{[ 48 ] [ 49 ]} und optische Pinzetten im Chipmaßstab . ^{[ 50 ]}

Aufgrund der kurzen Wellenlängen werden OPAs typischerweise in nanostrukturierten photonischen integrierten Schaltungsplattformen realisiert, die Materialien wie Silizium auf Isolator ^{[ 42 ]} , Germanium auf Silizium ^{[ 51 ]} , Siliziumnitrid ^{[ 52 ]} oder Polymere ^{[ 53 ] verwenden.}

Die Heterodyn-Detektion mit synthetischen Arrays ist eine effiziente Methode, um ein gesamtes Phased-Array auf einen einzelnen Photodetektor zu multiplexen .

Starlink ist eine Satellitenkonstellation in niedriger Erdumlaufbahn , die in über hundert Ländern verfügbar ist. Sie bietet Verbrauchern Breitband-Internetverbindungen; die Endgeräte des Systems verwenden Phased-Array-Antennen. ^{[ 54 ]}

Bis 2014 wurden Phased-Array-Antennen in RFID- Systeme integriert, um die Abdeckung eines einzelnen Systems um 100 % auf 76.200 m² (820.000 Quadratfuß) zu erhöhen, ^wobei weiterhin herkömmliche passive UHF- Tags verwendet wurden. ^{[ 55 ]}

Im Jahr 2008 wurde im Shinoda-Labor der Universität Tokio ein Phased-Array von akustischen Wandlern entwickelt, das als Airborne Ultrasound Tactile Display (AUTD) bezeichnet wird, um taktiles Feedback zu erzeugen. ^{[ 56 ]} Es wurde demonstriert, dass dieses System es einem Benutzer ermöglicht, virtuelle holographische Objekte interaktiv zu manipulieren. ^{[ 57 ]}

Phased-Array-Feeds (PAF) ^{[ 58 ]} werden seit Kurzem im Fokus von Radioteleskopen eingesetzt , um viele Strahlen zu erzeugen und so ein sehr weites Sichtfeld zu ermöglichen . Drei Beispiele hierfür sind das ASKAP- Teleskop in Australien , die Apertif-Modernisierung des Westerbork Synthesis Radio Telescope in den Niederlanden und das Florida Space Institute in den Vereinigten Staaten.

In der Rundfunktechnik hat der Begriff „Phased Array“ eine andere Bedeutung als im allgemeinen Sprachgebrauch. Er bezeichnet eine herkömmliche Antennenanordnung , also eine Gruppe von mehreren Maststrahlern , die ein gerichtetes Strahlungsmuster erzeugen , im Gegensatz zu einem einzelnen Mast, der ein omnidirektionales Strahlungsmuster erzeugt. Phased Arrays im Rundfunkbereich weisen ein festes Strahlungsmuster auf und werden im Betrieb nicht wie andere Phased Arrays gesteuert.

Phased-Array-Antennen werden von vielen AM- Rundfunksendern eingesetzt, um die Signalstärke und damit die Reichweite im Sendegebiet zu verbessern und gleichzeitig Störungen in anderen Gebieten zu minimieren. Aufgrund der unterschiedlichen Ausbreitungsbedingungen in der Ionosphäre bei Mittelwellenfrequenzen tagsüber und nachts wechseln AM-Rundfunksender üblicherweise zwischen Tag- ( Bodenwelle ) und Nachtstrahlung ( Raumwelle ), indem sie die Phase und die Leistung der einzelnen Antennenelemente (Maststrahler ) täglich bei Sonnenaufgang und Sonnenuntergang anpassen . Für Kurzwellensendungen verwenden viele Sender horizontale Dipol-Arrays. Eine gängige Anordnung besteht aus 16 Dipolen in einem 4×4-Array. Dieses befindet sich üblicherweise vor einem Drahtgitterreflektor. Die Phasenlage ist oft umschaltbar, um die Strahlrichtung im Azimut und teilweise auch in der Elevation zu steuern.

• Radarforschung und -entwicklung – Phased-Array-Radar – Nationales Labor für schwere Stürme
• Schiffsradargeräte mit Phased Array-Technologie (Archiviert am 18.11.2017 im Internet Archive)
• NASA-Bericht: MMICs für Mehrfachabtastantennen für Weltraumanwendungen
• Funktionsprinzip der Phased-Array-Antenne
• 'Phased Array'-Mikrofonsystem von Tony Faulkner
• Grundlagen von Phased-Array-Systemen – Tutorial 1