Radar

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RADAR = Radio Detection and Ranging (us-amerikanisch)

RDF = Radio Direktion Finding (britisch)

FuMG = Funkmessgerät (deutsch)

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Entwicklung

Der schottische Physiker James Clerk Maxwell stellte bereits 1864 eine Theorie über die Existenz elektromagnetischer Wellen auf. Die Grundlage für die folgenden Erfindungen von Funk, Radar und Fernsehen. Dem deutschen Physiker Heinrich Rudolf Hertz gelang es 1886 erstmals in einem Experiment elektromagnetische Wellen auch zu erzeugen. Dabei stellte er fest, dass diese von metallischen Gegenständen reflektiert wurden.

1904 konnte der deutsche Hochfrequenztechniker Christian Hülsmeyer bereits ein Schiff mithilfe von Funkwellen orten. Das Gerät nannte er „Telemobiloskop“. Er meldete sein Verfahren zum Patent an und gilt als der Erfinder des Radars. Die Reichweite betrug nur drei Kilometer, sodass diese Erfindung noch keinen praktischen Nutzen für das Militär hatte.

Auch aufgrund der sich abzeichnenden politischen Spannungen wurde die Entwicklung in den 1930er Jahren massiv vorangetrieben. Hauptsächliche Entwicklungsziele waren die landgestützte Frühwarnung vor anfliegenden Bomberverbänden, die Führung von Jagdflugzeugen und die Feuerleitung von Flugabwehrstellungen. In der Marine erkannte man ebenfalls das Potenzial von Radar zur Luft- und Seeraumüberwachung bzw. zur Feuerleitung. Auch wurden kleinere Radargeräte für den Einsatz in Flugzeugen entwickelt.    

In der britischen Marine wurde ab 1936 mit dem Test des Radar-Systems ‚Type 79X‘ begonnen. Wirklich erfolgreich war schließlich erst die verbesserte Version ‚Type 79Y‘ mit einer Reichweite von bis zu 50 nm gegen Luftziele. Als erste Schiff wurde im September 1938 der leichte Kreuzer HMS Sheffield (C-24) damit ausgerüstet. Der Nachfolger ‚Type 79Z‚ folgte ein Jahr später, im September 1939.

Auch in Deutschland wurde bereits ab 1936 mit den ersten Prototypen vom Typ ‚Seetakt‚ (von: Seetaktisch) Erprobungen durchgeführt.  Das erste einsatzbereite Modell  FuMG 38G ‚Seetakt‚ wurde im Januar 1938 auf dem Panzerschiff Graf Spee installiert. Größere Schiffziele konnten damit auf 13,5 nm (25 km) Entfernung geortet werden. 

In der amerikanischen Marine wurde nach einigen Erprobungen auf See, u. a. mit den Systemen ‚XAF‘ und ‚CXZ‘, schließlich ab Mai 1940 das erste in Serie produzierte Radar ‚CXAM‘ ausgeliefert. Die Reichweite gegenüber Flugzeugen betrug ca. 50 nm, gegenüber großen Schiffen ca. 14 nm. Als eine der ersten Einheiten wurde das Schlachtschiff  USS California (BB-44) und der Flugzeugträger USS Yorktown (CV-5) damit ausgerüstet. Nach nur sechs eingerüsteten Systemen folgte noch im selben Jahr die leicht verbesserte Version ‚CXAM-1′. 

Militärische Radar-Generationen 

Mechanisch – 2D: 2D-Radarsysteme verwenden eine mechanisch rotierende Antenne zur Raumabtastung. Die Zielerfassung beschränkt sich dabei auf zwei Koordinaten. Klassische Rundsuchradare liefern Informationen über die Entfernung (Range) und Richtung bzw. Peilung (Bearing). Ab 1944 kamen mit dem britischen Typ 277 erstmals spezialisierte 2D-Höhensuchradare (Height-Finder-Radar) zum Einsatz, die sowohl Entfernung als auch den Höhenwinkel (Elevation) messen konnten, wobei die Peilung in der Horizontalen mechanisch erfasst wurde. Während Höhensuchradare für die Flugabwehr während des Zweiten Weltkriegs und in der frühen Nachkriegszeit noch weit verbreitet waren, wurden diese bald durch 3D-Radarsysteme mit vollständiger dreidimensionaler Zielerfassung abgelöst. 2D-Radare hingegen sind in der Navigation, der Seeraumüberwachung und in Teilen der weiten Luftraumüberwachung auch heute noch im Einsatz, da in diesen Bereichen präzise Höheninformationen häufig nicht zwingend erforderlich sind.

Mechanisch – 3D:  3D-Radarsysteme ermöglicht die simultane Erfassung von Entfernung (Range), Peilung (Bearing) und Höhenwinkel (Elevation). Pionier dieser Technologie war das 1953 eingeführte US-System AN/SPS-2. Die Höhenmessung erfolgte hier noch über sieben übereinander angeordnete einzelne Sende-/Empfangseinheiten  („Stacked-Beam“-Verfahren). Aufgrund des massiven Gewichts der Antenneneinheit von über 23 Tonnen blieb der Einsatz jedoch auf die Schiffe USS ‚Northampton‘ (CLC-1) und USS ‚Little Rock‘ (CLG-4) beschränkt. Den eigentlichen Durchbruch markierte 1960 das AN/SPS-39. Bei diesem System wurde die vertikale Strahlschwenkung über kleine Frequenzänderungen beim Sendevorgang – der innovative Frequency-Scanning-Technologie (FRESCAN) – realisiert. Dank der dadurch wesentlich leichteren Bauweise konnte es erstmals auch auf Zerstörern installiert werden und wurde mit 89 produzierten Einheiten zum ersten weit verbreiteten Standard-3D-Marine-Radar. Auch die Nachfolger, das AN/SPS-48 oder das AN/SPS-52 sind FRESCAN-Radare. Im Gegensatz dazu kombinieren heutige 3D-Suchradare eine mechanische Drehung für die Rundumsicht mit einer elektronischen Strahlschwenkung in der Vertikalen nach dem PESA- oder AESA-Prinzip. Diese Technologie kam bereits ab 1980 im sowjetischen Feuerleitradar 3R41 Wolna (NATO-Codename: ‚Top Dome‘) zum Einsatz, das eine PESA-Antenne zur präzisen Zielverfolgung nutzte.

PESA (Passive Electronically Scanned Array): Bei diesen 3D-Systemen können die planaren Antennenflächen (Arrays) aus tausenden einzelnen Elementen bestehen. Jedes Element verfügt über einen computergesteuerten Phasenschieber, wodurch die Radarstrahlen nahezu verzögerungsfrei in jede beliebige Richtung geschwenkt werden können. Die elektromagnetische Energie wird zentral von einer (aktiven-) Hochfrequenzquelle erzeugt, typischerweise ein Klystron oder eine Wanderfeldröhre (Traveling Wave Tube / TWT). Die Antennenelemente selbst agieren dabei nur passiv, da sie die Signale im Sendebereich (und natürlich auch im Empfangsbetrieb) lediglich weiterleiten, anstatt sie selbst zu generieren. Ein großer Vorteil ist u. a. die Ausfallsicherheit, da der Defekt einzelner Elemente die Gesamtleistung kaum beeinträchtigt. Ein Ausfall der zentralen Hochfrequenzquelle führt – wie bei konventionellen 2D- und 3D-Radarsystemen – ebenfalls zum vollständigen Systemausfall.
Zur Gewährleistung einer lückenlosen 360-Grad-Rundumüberwachung bei gleichzeitig hoher Aktualisierungsrate kommen meist vier fest installierte Antennenflächen zum Einsatz, die jeweils einen Sektor von 90 Grad abdecken. Um hingegen Kosten und Gewicht zu reduzieren, werden PESA-Systeme teils auch klassisch mechanisch rotiert – ein Beispiel hierfür ist das weitreichende Luftraumüberwachungsradar SMART-L. Ein Vorläufer, der seiner Zeit weit voraus war, war das SCANFAR 3D-Radarsystem (Scanning Far-Field Radar), das ab 1961 als Verbund aus dem AN/SPS-32 zur Suche und dem ersten Phased-Array-System AN/SPS-33 zur Zielverfolgung betrieben wurde. Da zu dieser Zeit noch keine Halbleitertechnik verwendet wurde, waren die Antennenflächen jedoch viel zu schwer und die Wartung extrem aufwändig. Daher wurde dieses System nur auf der USS ‚Long Beach‘ (CGN-9) und der USS ‚Enterprise‘ (CVN-65) installiert. Ab 1980 ersetzte man auf beiden Schiffen das SCANFAR schließlich durch die Radare AN/SPS-48 und AN/SPS-49 herkömmlicher Bauart. Das erste erfolgreich im maritimen Bereich eingesetzte PESA-System war schließlich das US-amerikanische AN/SPY-1A, das ab 1983 als Teil des Aegis-Kampfsystems auf den Kreuzern der CG ‚Ticonderoga‘ Klasse in Dienst gestellt wurde. 

AESA (Active Electronically Scanned Array): Im Gegensatz zu PESA-Systemen mit einer zentralen Signalquelle ist jedes einzelne Antennenelement hier mit einem eigenen aktiven Sende-Empfangs-Modul (Transmit/Receive-Module) ausgestattet, wodurch jedes Element unabhängig voneinander senden und empfangen kann. Dadurch steigt die Ausfallsicherheit noch einmal erheblich, da eine zentrale Hochfrequenzquelle entfällt. AESA-Systeme sind äußerst resistent gegen elektronische Gegenmaßnahmen (Jamming), da sie ihre Frequenzen blitzschnell anpassen können. Zudem ermöglicht das gleichzeitige Senden auf vielen verschiedenen Frequenzen, dass das Signal für gegnerische Aufklärungssysteme schwerer vom Hintergrundrauschen zu unterscheiden ist. Das erste AESA-Radar, das serienmäßig auf einem Kriegsschiff zum Einsatz kam, war das japanische OPS-24, das ab 1990 auf den Zerstörern der DDG ‚Asagiri‘ Klasse eingeführt wurde. AESA-Systeme sind insgesamt deutlich komplexer und kostenintensiver als PESA-Systeme. Als Halbleitermaterialien kommen Galliumarsenid (GaAs) oder, für noch höhere Leistungen, das teurere Galliumnitrid (GaN) zum Einsatz.

Funktionsweise 

• Pulse
• CW
• FMCW

Typen

• air surveillance radar
• surface surveillance radar
• height-finder radar
• target acquisition radar
• target indication radar
• tracking radar
• navigation radar
• fire control radar

Antennen Formen

• Balken-Antenne
• Parabolantennen
  • Symmetrisch
  • Trapezförmig
  • Vertikal
  • Käse-Antenne
• Runde-Antenne
• Yari-Antenne
• Phased-Array-Antenne
  • passive electronically scanned array (PESA)
  • active electronically scanned array (AESA)

Vergleich

	SPS-39	SPY-1A	SPY-6(V)1
Typ	3D-Luftraumüberwachungsradar	Multi-Funktions-Radar (MFR)	Multi-Funktions-Radar (MFR)
IOC	1960	1983	2024
Frequenzband	S-Band	S-Band	S-Band
Arbeitsfrequenz	2,91 – 3,15 GHz	3,1 – 3,5 GHz	?
Technik	FRESCAN	PESA	AESA
Verstärker	Klystron  (Röhrenverstärker)	Wanderfeldröhre + CFA (Röhrenverstärker)	GaN (Halbleiter)
Spitzenleistung	1 MW	4,2 MW	〉 15 MW *
Reichweite	300 km	350 km *	500 km *

* geschätzt

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Link

Radartutorial.de von Christian Wolff