Den Radarquerschnitt mit einem VNA ermitteln

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Zum besseren Verständnis kann ein TUT (Target under Test = Messziel), bestehend aus dem Flugzeug, das entweder auf einen Sockel mit geringer Reflexion montiert ist oder aus dem Flugzeug an sich, das sich auf einer Flugroute befindet, gewählt werden. Jedoch ist vor dem Messen eines realen Flugzeugs eine Kalibrierung bzw. Referenzierung erforderlich. Um eine typische Messkonfiguration zu erhalten, wird die Sendeantenne an den Port 1 und die Empfangsantenne an den Port 2 des VNA angeschlossen. Das E-Feld beider Antennen zeigt in vertikale Richtung. Folgende Messanordnung liefert sinnvolle Ergebnisse:

• Beide Antennen sind, entweder in vertikaler oder horizontaler Ebene, so nah wie möglich zueinander angeordnet.

• Um die Polarisationsmatrix erstellen zu können, sollten sowohl Sende- als auch Empfangsantenne um 90° drehbar sein.

• Das Ziel sollte in einer Entfernung von D > AFR/2 > 20 λ und so angeordnet sein, dass sich das gesamte Ziel innerhalb des Antennenstrahls befindet (ARF = Alias Free Range = Eindeutigkeitsbereich).

• Die Abmessungen des Ziels sollten innerhalb von -1 dB Azimuth und Höhenwinkel des Antennenstrahls liegen.

Um eine Bezugsebene für die RCS-Messungen zu definieren, wird eine vollständige 12-Term-Kalibrierung am Ausgang der Koaxialkabel durchgeführt. Es wird auf der Zielfläche eine S₂₁(f)-Frequenzbereichsmessung durchgeführt. Die Streuparameterdaten S₂₁(f) werden – unter Anwendung des Bandpassverarbeitungsmodus – in den Abstandsbereichsmodus S₂₁(D) umgewandelt. Es muss sichergestellt werden, dass Reflexionen von Fremdobjekten sowie von der für das Ziel vorgesehenen Stützkonstruktion mindestens 20 dB unterhalb der Reflexion des kalkulierten Ziels liegen.

Vor einer RCS-Messung das Ziel einmessen

Um eine RCS-Messung durchzuführen, lässt sich das System durch Einmessen eines Ziels mit bekanntem Radarstreuquerschnitt und durch Referenzieren aller anderen Ziele auf das bekannte Ziel kalibrieren. Für unsere Beispielmessung verwenden wir eine 6-Zoll-Kugel als Bezugsobjekt. Erfüllt der Radius r dieser Kugel die Bedingung (2πr / λ) > 10, wird der Radarstreuquerschnitt RCS mit σ = π r² berechnet. Somit ergibt der RCS einer idealen 6-Zoll-Kugel zu 0,018 m².

Nun wird eine S₂₁(f)_Std-Frequenzbereichsmessung mit dieser 6-Zoll-Kugel durchgeführt, und die Streuparameterdaten werden in den Zeitbereichsmodus übertragen. Ein entsprechendes Zeittor wird mittig in einem Abstand (D) zum Ziel angeordnet, wobei die Torbreite größer ist als die wahrgenommene Größe des Ziels. Hierdurch werden alle unerwünschten Reflexionen entfernt. Es wird die Magnitude des S_21Std der „Kalibrier-Reflexion“ gemessen und stellt die Referenzgröße für die spätere RCS-Zielmessung dar.

Wenn die Maßgabe eine Kugel mit einem Radarstreuquerschnitt von 1 m² wäre, so ergibt sich der Radarstreuquerschnitt des Ziels aus:

E1: RCS_Tgt[dBsm] = RCS_Std[dB] - RCS_Tgt[dB]

E2: dBsm = 10 log₁₀(RCSm²)[dB]

Die Daten werden in dBm² ausgedrückt bzw. in Dezibel, bezogen auf einen Quadratmeter. Der Radarstreuquerschnitt in Quadratmeter kann mit Hilfe der Gleichung E 3 in die Einheit dBm² konvertiert werden.

Der Pegel S_21Std der Kalibrier-Reflexion wird mit E3:

Im nächsten Schritt wird das Kalibriernormal gegen eine 12-Zoll-Kugel ausgetauscht, die als Testziel (Target Under Test, TUT) fungiert. Anschließend wird der zurückgestreute Pegel S_21Tgt erneut gemessen. Die Kugel wird regelmäßig gedreht, um die Azimuth-Abhängigkeit des Radarstreuquerschnitts zu erhalten. Schlussendlich wird die Differenz berechnet. Das geschieht unter Nutzung der Trace Math-Funktion des VNA Master (Speicher – Daten = S_21Std - S_21Tgt).

Mit Hilfe der Radarreichweitengleichung ist eine Ableitung des Radarstreuquerschnitts (RCS) des Ziels auf analytischem Wege möglich.

wobei P_RX die zurückgestrahlte Empfangsleistung an der Empfangsantenne ist. Als typisches Beispiel für die beiden Vergleichsmessungen mit einem Kalibrierobjekt in Form einer 6-Zoll-Kugel und eines Zielobjekts lässt sich die Gleichung umstellen, wobei der Index Std den Radarstreuquerschnitt der Kalibrierungsnormalen (6-Zoll-Kugel) bezeichnet. Tgt bezeichnet das Ziel. Somit können die beiden VNA-Messungen folgendermaßen ausgedrückt werden:

Zur Berechnung des Radarstreuquerschnitts des Ziels kann die folgende Beziehung verwendet werden:

Die Pegeldifferenz von 5,2 dB ist gleich:

Durch Auflösen der Gleichung nach σ_Tgt kommt man zu dem gleichen Ergebnis, wie bei unserer Herangehensweise über die Radarreichweitengleichung. Der theoretische Wert für eine 12-Zoll-Kugel beträgt 0,073 m² bzw. 0,77 dB in dBm². Die meisten Messabweichungen wurden auf kleine Bewegungen in der Stützkonstruktion des VNA (und damit der Messantennen), die während der Messungen auftraten, zurückgeführt. Dies beweist, dass der Einsatz hochleistungsfähiger tragbarer VNA im Außeneinsatz in Verbindung mit einem unkomplizierten Messaufbau zuverlässige und exakte Messungen des Radarstreuquerschnitts liefern können.

* Ferdinand Gerhardes ist Program Manager Education, Research & Defence bei der Anritsu GmbH in München.

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