Phasenpeiler


Phasenpeiler entnehmen dem elektromagnetischen Feld Richtungsinformationen, indem sie die räumlichen Lage der Linien gleicher Phase (sogenannte Isophasen oder auch Phasenfronten) auswerten. Die Phasenfronten können im Fernfeld als, näherungsweise, parallele Linien die senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der Welle liegen angenommen werden. Durch die Verteilung einzelner Antennenelemente im Feld und deren geeignete Zusammenschaltung kann die Lage der Phasenfronten vermessen werden. Dieser Vorgang wird auch als Aperturabtastung oder Sensor Array Processing bezeichnet.

Grundprinzip des Phasenpeilers: der Peilwinkel ist eine Funktion der Phasenbeziehung ausgewählter Antennenelemente (Basen) und einer Referenzfunktion, hier am Beispiel des Interferometerpeilers.
Grundprinzip des Phasenpeilers: der Peilwinkel ist das Ergebnis einer Funktion der Phasen-beziehung von Antennenelementen untereinander, hier am Beispiel des Interferometerpeilers.

Phasenpeiler bieten gegenüber den Polarisationspeilern den Vorteil der:

    • Eindeutigkeit des Peilergebnisses (zumindest solange die Apertur des Systemes ≤ 0,5 ist bzw. der Abstand der Antennenelemente < λ/2 ist) sowie
    • Unabhängigkeit des Peilergebnisses von der Amplitude (Modulation) des zu peilenden Signals und
    • Verringerung der polarisationsbedingten Peilfehler.

Die von den Sonden gewonnenen Informationen (Amplitude und Momentanphase im Form einer komplexen Spannung zum Zeitpunkt t ) werden untereinander in Beziehung gesetzt um dadurch die Phasendifferenzen zwischen den einzelnen Antennenelementen zu gewinnen. Die Phasendifferenzen sind, unabhängig von der Momentanphase der einfallenden Wellenfront, nur von der Position der Antennenelemente zueinander und dem Einfallswinkel der Welle abhängig (Verkopplung der Antennenelemente nicht betrachtet). Die so gewonnenen Phasendifferenzen können, durch geeignete mathematische Auswertung, genutzt werden um die Richtung der einfallenden Wellenfront zu schätzen.

Momentanphasen (orange) und Phasendifferenzen (rot) von Antennenelementen im Empfangsfeld bei vorhandensein einer einfallenden Welle.
Momentanphasen zum Zeitpunkt t (orange) und Phasendifferenzen (rot) von Antennen-elementen im Empfangsfeld bei Vorhandensein einer einfallenden Welle im ungestörten Empfangswellenfeld.

Für die gemessene  Ausgangsspannung am i-ten Antennenelement (dem Messvektor) gilt unter Vernachlässigung der Verkoppelung von Antennenelmenten und unter Annahme der Schmalbandnäherung:

Formel74

Unter Annahme gleicher Antennencharakteristik und unter Vernachlässigung des zeitlichen Aspektes sowie der Elevation folgt für die Momentanphase :

formel78

Dieser Ausdruck beschreibt die Phasenverschiebung zwischen einem Bezugspunkt und der darauf bezogenen Antennenposition und hängt vom Einfallswinkel (Azimut α) und der Antennenpostion (β, und r) ab.

Antennenelemente im Empfangsfeld der Welle (blau, Einwellenszenario).

Um einen über die Messzeit t konstanten Bezugswert für die Berechnung des Einfallswinkels zu erhalten wird die Phasendifferenz zwischen den Einzelantennen berechnet.

Grundlegendes Prinzip des Phasenpeilers: Sondenanordnung zur Phasendifferenzmessung (bzw. Laufzeitdifferenzmessung). Die blaue Verbindungslinie der Länge d wird als Basis bezeichnet.
Grundlegendes Prinzip des Phasenpeilers: Sondenanordnung zur Phasen-differenzmessung (bzw. Laufzeitdifferenzmessung). Die blaue Verbindungslinie der Länge d wird als Basis bezeichnet.

Die Phasendifferenz zwischen zwei Antennenelementen folgt einer Sinusschwingung und erreicht ihr Maximum wenn die Basis (Verbindungslinie zweier Antennenelemente) senkrecht zu den Isophasen der einfallenden Welle liegt und ihr Minimum wenn die Isophasen parallel zur Basis liegen.

Phasendifferenz in Abhänigkeit vom Einfallswinkel der Welle bei einer Apertur von 0,2. Im Fall 1 wird die Phasendifferenz Null, da die Wellenfront parallel zur Antennenbasis verläuft. Im zweiten Fall wird die Phasendifferenz maximal - die Wellenfronten stehen senkrecht auf der Antennenbasis.
Phasendifferenz in Abhängigkeit vom Einfallswinkel der Welle bei einer Apertur von 0,2. Im Fall 1 wird die Phasendifferenz Null, da die Wellenfront parallel zur Antennenbasis verläuft. Im zweiten Fall wird die Phasendifferenz maximal – die Wellenfronten stehen senkrecht auf der Antennen-basis.

Die Amplitude der Sinusschwingung (die Phasendifferenz zwischen zwei Antennenelementen) ist anhänig von der Apertur der Antenne. Der Einfluß der Elevation ψ auf die Amplitude der Sinusschwingung folgt:

Formel39

Wie aus obiger Formel zu ersehen ist, sorgt ein steiler Elevationswinkel für eine Verkürzung der Antennenbasis und somit für eine Veränderung des Antennensystemes (hin zu einer kleineren Apertur).

Mit zunehmender Apertur steigt die Anzahl von Mehrdeutigkeiten bei der Auswertung der Phasendifferenzen durch geeignete Peilverfahren, weil die Phasendifferenz nur im Bereich von ±180° eindeutig gemessen werden kann (siehe Interferometerpeiler). Hieraus folgt die Forderung nach einer Antennengruppe die als Kleinbasissystem fungiert und somit Mehrdeutigkeiten beim Berechnen des Peilergebnisses ausschließt.

Grundlegend kann man Phasenpeiler in folgende Verfahren unterscheiden:

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