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3D-gedruckte Polymerantennen für Radar

Der Doktorand Jan Reifenhäuser von der Fachhochschule Koblenz untersucht die Verwendung des 3D-Drucks bei der Herstellung verbesserter Antennen für verschiedene Anwendungen. Dies wird in der Bachelorarbeit “Investigation of a Plastic Printed Slotted Waveguide Antenna for Airborne SAR Applications” erläutert. Zu einem neuen Projekt am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wurde die Arbeit mit der SAR-Technologie (Synthetic Aperture Radar) im Ka-Band aufgenommen, genauer gesagt mit dem PolInSAR-System im Ka-Band.

Aufgrund der hohen Anforderungen an die mechanische Genauigkeit wurde der 3D-Druck als Herstellungsverfahren für temperaturbeständigen Kunststoff gewählt. Die am Projekt beteiligten Forscher erstellten zwei verschiedene Antennenprototypen aus Kunststoff und Messing.

Foto: German Aerospace Center/Hochschule Koblenz

Im Institut für Mikrowellen und Radar konzentrieren sie sich jedoch ausschließlich auf die Erforschung neuer Technologien im Zusammenhang mit Radar und Fernerkundung. Speziell für diese Studie werden luftgestützte und satellitengestützte Radarsysteme mit synthetischer Apertur – zur genaueren Bereitstellung von Daten – aus dem Weltraum verwendet , zum Beispiel. Die SAR-Interferometrie kann als Erweiterung fungieren, indem zwei verschiedene Sensoren Bilder derselben Sache aufnehmen. Die Höhe der zu überwachenden Objekte kann genau bestimmt werden, was bei Kartenanwendungen hilfreich ist. Radarsignale können auch verwendet werden, um größere Datenmengen über Merkmale wie den Oberflächenzustand zu erhalten.

„Bei Reflexion am Boden kann sich die Polarisation je nach reflektierender Oberfläche ändern“, sagt Reifenhäuser. „Diese Änderung wird beim Empfang des Echos erkannt und es können Rückschlüsse auf die Oberfläche gezogen werden. Dieses Verfahren nennt man Polarimetrie. “

Gegenwärtig verwendet das Institut Forschungsflugzeuge (wie das Flugzeug Do228-212) zum Kompilieren von SAR-Bildern, wobei das Interesse an solchen Anwendungen und dem Bereich satellitenbasierter Systeme zunimmt – und das Interesse weltweit an Ka-Band-SAR-Systemen auch zunimmt. Das Ka-Band zeichnet sich durch eine kürzere Wellenlänge und die Möglichkeit aus, eine geringere Eindringtiefe in das Volumen zu verwenden. Dies ist nützlich für Anwendungen, die Präzision erfordern, wie z. B. die Wetter- und Klimaforschung.

Bisher haben Wissenschaftler jedoch nur begrenzte Erfahrungen mit Ka-Band-SAR-Systemen einschließlich interferometrischer oder polarimetrischer Single-Pass-Funktionen gesammelt. Es gibt jedoch eine zunehmende Anzahl von Ka-Band-Hardwarekomponenten, die den Verbrauchern über den kommerziellen Markt zur Verfügung stehen. Mit dem Ka-Band-PolInSAR-Demonstrator betritt das DLR das Reich der flugzeugbasierten Ka-Band-PolInSAR-Systeme.

Die Tests wurden sowohl mit simulierten Übungen als auch mit physikalischen Messungen abgeschlossen, wobei eine Messingantenne als Bezugspunkt für die 3D-gedruckte Version diente. Beide Geräte wurden im DLR-Kompakttestbereich (CTR) bei 21 °C getestet, sodass die Forscher den Einfluss der Temperatur genauer untersuchen konnten. Um die Strahlungseigenschaften besser definieren zu können, wurde empfohlen, mehrere Einzelstrahler zu verwenden von ihnen zusammen in eine “Gruppenantenne”, erreicht durch die Schaffung von “Schlitzen” in einer Wellenleiterwand.

Letztendlich besteht das Ka-Band-PolInSAR-System aus mehreren Antennen, die so eingerichtet sind, dass sie die Strahlformung fördern, wobei sich die horizontalen und vertikalen Antennen abwechseln, was zu einem sehr geringen Abstand zwischen den Polarisationen führt. Die Forscher haben den 3D-Druck eines Prototyps ausgelagert, während der andere mit traditionellen Fertigungsmethoden aus Messing gefräst wurde. Die 3D-gedruckte Antenne bestand aus Kunststoff, war jedoch mit einer Kupferschicht versehen. Die Wärmeausdehnung hatte den größten Einfluss auf beide Antennen – die Forscher fanden jedoch auch sehr kleine Unterschiede zwischen Antennengewinn und Eingangsreflexion.

Das Team stellte außerdem fest, dass beim Testen der Prototypen auf die Auswirkungen von Temperaturänderungen eine Transformation in der Signalphase festgestellt wurde. Sie stellten auch einen höheren Fehler in der Phasenzuordnung fest, da eine erhöhte Anzahl von Elementen in der Wellenleiteranordnung angeordnet war. Letztendlich zeigten jedoch ähnliche Antennen, die in unterschiedlichen Frequenzbereichen eingestellt waren, die gleichen Zeichenanpassungen.

“Betrachtet man das einzelne Element der Antennenanordnung, so kann gesagt werden, dass der kleine ermittelte Ausrichtungsfehler durch die Symmetrie der Antenne aufgrund der zentralen Einspeisung kompensiert wird”, folgerten die Forscher. „Bedruckter Kunststoff eignet sich daher als Material für das Antennenarray des Ka-Band-PolInSAR-Systems.“

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