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Ein Phased-Array-Radar ist eine Radararchitektur, bei der die Phase und Amplitude jedes einzelnen Elements in einer Antennenanordnung elektronisch gesteuert werden, um den Strahl schnell im Raum auszurichten. Im Gegensatz zu mechanischen Scan-Radarsystemen, bei denen die Antenne zur Änderung der Strahlrichtung physisch gedreht wird, verfügt ein Phased-Array-Radar über keine beweglichen mechanischen Teile. Der Strahl kann innerhalb von Mikrosekunden umgeschaltet werden, was die Abtastmethode des Radars und seine Fähigkeit zur Erfassung mehrerer Ziele grundlegend verändert.
Die wissenschaftliche Laufbahn des Akademikers Mao Erke ist eng mit der Entwicklung des chinesischen Phased-Array-Radars verflochten. Im Jahr 1964, im Alter von 30 Jahren, war er an der Konstruktion des ersten chinesischen Phased-Array-Radars beteiligt und machte China damit zu einem der wenigen Länder weltweit, die in der Lage sind, große, hochmoderne Radarsysteme zu entwickeln. Rückblickend betrachtet ist die Entwicklung der Phased-Array-Radartechnologie im Wesentlichen eine Paradigmenwende von der “mechanischen Rotation” hin zur “elektronischen Strahlformung”.”
1. Grundlegendes Funktionsprinzip des Phased-Array-Radars
1.1 Beamforming: Die physikalischen Grundlagen der Phasensteuerung
Der Kernmechanismus von Phased-Array-Radar ist Welleninterferenz. Wenn mehrere Elemente einer Antennenanordnung gleichzeitig elektromagnetische Wellen aussenden, überlagern sich die Wellen der einzelnen Elemente im Raum. Haben alle Elemente dieselbe Phase, so zeigt der Strahl in die Normale der Anordnung. Nimmt die Phase der einzelnen Elemente nach einem bestimmten Muster zu oder ab, so wird der überlagerte Strahl abgelenkt.
Bei einer gleichmäßigen linearen Anordnung gilt für den Strahlablenkungswinkel θ, wenn die Phasendifferenz zwischen benachbarten Elementen Δφ beträgt:
Δφ = 2π · d · sinθ / λ
wobei d der Elementabstand und λ die Betriebswellenlänge ist. Durch die präzise Steuerung des Phasenschiebers jedes einzelnen Elements lässt sich der Strahl flexibel in jede beliebige Richtung innerhalb des Scanbereichs ausrichten.
1.2 Von passiv zu aktiv: Die Entwicklung der Architektur
Das Phased-Array-Radar hat sich von passiv zu aktiv und von analog zu digital weiterentwickelt.
Passives elektronisch gesteuerter Antennenarray (PESA) verwendet einen zentralen Hochleistungssender, der das Signal über ein Speisenetzwerk an jedes Antennenelement verteilt. Jedes Element ist lediglich mit einem Phasenschieber ausgestattet. Diese Architektur ist relativ kostengünstig, allerdings sind die Speiseverluste hoch, und die Zuverlässigkeit wird durch den zentralen Sender eingeschränkt.
Aktives elektronisch gesteuertes Antennenarray (AESA) stattet jedes Antennenelement mit einem eigenständigen Sende-/Empfangsmodul (T/R) aus, das einen Leistungsverstärker, einen rauscharmen Verstärker, einen Phasenschieber und einen Dämpfer enthält. AESA macht einen zentralen Sender überflüssig, wodurch die Speisungsverluste erheblich reduziert und die Zuverlässigkeit des Systems deutlich verbessert werden – selbst wenn einige T/R-Module ausfallen, kann das Radar weiterhin im eingeschränkten Modus betrieben werden.
Digitales Phased-Array-System verlagert die Strahlformung weiter vom analogen in den digitalen Bereich. Das von jedem Element oder Subarray empfangene Signal wird von einem A/D-Wandler digitalisiert und anschließend von einem digitalen Signalprozessor strahlgeformt. Die digitale Strahlformung ermöglicht flexible, rekonfigurierbare Strahlformen, die gleichzeitige Bildung mehrerer Strahlen sowie eine höhere Störfestigkeit.
2. T/R-Module: Die Kerneinheit des Phased-Array-Radars
2.1 Funktionaler Aufbau eines Sende-/Empfangsmoduls
Das T/R-Modul ist die zentrale Funktionseinheit des AESA-Radars HF-Frontend, das die Leistungsverstärkung des Sendesignals, die rauscharme Verstärkung des Empfangssignals, die Phasenverschiebung und die Dämpfung vereint. Im Sendemodus verstärkt ein typisches T/R-Modul das Ansteuersignal auf die erforderliche Leistung und wendet eine Phasenverschiebung an. Im Empfangsmodus verstärkt es das schwache Echosignal rauscharme und wendet eine Empfangsphasengewichtung an.
2.2 Technische Herausforderungen bei der hochdichten Integration
Ein großes Phased-Array-Radar kann Tausende oder sogar Zehntausende von Sende-Empfangs-Modulen enthalten. Diese Module müssen auf begrenztem Raum konsistente Phasen- und Amplitudenantworten erzielen; andernfalls verschlechtert sich die Leistung der Strahlformung erheblich. Die Konsistenz zwischen den Kanälen ist eine der größten technischen Herausforderungen bei Phased-Array-Radarsystemen.
Eine im Jahr 2025 veröffentlichte Studie stellte einen kompakten T/R-Modulentwurf für ein volldigitales S-Band-Phased-Array-Radar vor. Auf der Sendeseite wurde GaN-Technologie eingesetzt, um eine Ausgangsleistung von 10 W zu erreichen, während die Empfangskette eine Verstärkung von 33 dB und eine Rauschzahl von 3 dB erzielte. Die Modulgröße betrug lediglich 46 mm × 38 mm. Dieser kompakte Aufbau ermöglicht es, mehrere Module miteinander zu integrieren, um ein vollständig digitales Radarsystem zu realisieren.
2.3 Die Rolle von GaN-Leistungsbauelementen in Sende-/Empfangsmodulen
GaN-Leistungsverstärkerchips bieten zahlreiche Vorteile, darunter geringe Größe, große Bandlücke, hohe Spannungs- und Temperaturbeständigkeit sowie hohe Leistungsdichte, wodurch sie sich für Hochleistungsanwendungen im Bereich der Phased-Array-Radarsysteme eignen. Bei gleichem Volumen des Sende-Empfangsmoduls können GaN-Bauelemente eine um eine Größenordnung höhere Ausgangsleistung liefern als herkömmliche GaAs-Bauelemente, wodurch Phased-Array-Radarsysteme eine Fernerkennung bei gleichzeitig kompakter Bauweise ermöglichen.
3. Technische Vorteile des Phased-Array-Radars
Extrem schnelle Strahlumschaltung. Da keine beweglichen mechanischen Teile vorhanden sind, wird die Ausrichtung des Strahls ausschließlich durch die Reaktionsgeschwindigkeit der Phasenschieber bestimmt, was innerhalb von Mikrosekunden erfolgen kann. Dadurch kann das Phased-Array-Radar den „Track-While-Scan“-Modus (TWS) nutzen und Such- sowie Verfolgungsaufgaben gleichzeitig ausführen.
Fähigkeit zur Bekämpfung mehrerer Ziele. Mithilfe der digitalen Strahlformung kann ein Phased-Array-Radar gleichzeitig mehrere Strahlen in unterschiedliche Richtungen ausbilden, was die gleichzeitige Verfolgung mehrerer Ziele ermöglicht. Eine Studie aus dem Jahr 2025 demonstrierte ein Phased-Array-Radarsystem auf Basis einer gleichmäßigen rechteckigen 30×30-Anordnung, das einen hybriden, robusten Strahlformer verwendete und bei der Mehrzielerkennung sowie der Interferenzunterdrückung eine Gesamtgenauigkeit von 99,291 TP3T erreichte.
Hohe Störschutzfähigkeit. Phased-Array-Radar kann durch adaptive Strahlformung Nullstellen in Richtung von Störquellen erzeugen und so absichtliche oder unbeabsichtigte Störungen wirksam unterdrücken. Die digitale Strahlformung verleiht dem Radar mehrdimensionale Störschutzfähigkeiten im räumlichen, zeitlichen und Frequenzbereich.
Hohe Zuverlässigkeit. Die dezentrale T/R-Modularchitektur des AESA-Radars sorgt dafür, dass der Ausfall eines einzelnen Moduls nicht das gesamte System lahmlegt. Das Radar kann Leistungsverluste durch eine Neuverteilung der Aufgaben ausgleichen, was ihm bei militärischen Anwendungen einen extrem hohen taktischen Wert verleiht.
4. Die wichtigsten technischen Herausforderungen bei Phased-Array-Radarsystemen
4.1 Unterdrückung von Gitterloben
Wenn der Elementabstand die halbe Wellenlänge überschreitet, treten neben der Hauptkeule weitere Strahlen unter anderen Winkeln auf – dies sind Gitterkeulen. Gitterkeulen führen zu einer Streuung der Sendeenergie und zu einer Mehrdeutigkeit des Empfangswinkels. In der Technik wird der Elementabstand in der Regel streng auf λ/2 begrenzt, was jedoch bedeutet, dass die Anzahl der Elemente mit steigender Frequenz stark zunimmt, was wiederum die Kosten, den Stromverbrauch und das Volumen in die Höhe treibt.
4.2 Der Widerspruch zwischen Breitband- und Weitwinkelabtastung
Die Strahlbreite eines Phased-Array-Radars variiert mit dem Abtastwinkel – sie ist am schmalsten, wenn die Antenne senkrecht ausgerichtet ist, und wird bei großen Winkeln breiter, was zu einer Verringerung der Verstärkung und einer Verschlechterung der Auflösung führt. Dies ist ein physikalisches Gesetz von Array-Antennen und lässt sich nicht beseitigen; durch die Systemauslegung kann der Abtastbereich lediglich auf einen akzeptablen Bereich (typischerweise innerhalb von ±60°) begrenzt werden.
4.3 Wärmemanagement
Integrierte T/R-Module mit hoher Packungsdichte erzeugen auf begrenztem Raum erhebliche Wärme. GaN-Leistungsverstärker sind zwar effizient, weisen jedoch auch eine höhere Wärmeflussdichte auf. Effektive Lösungen für das Wärmemanagement – darunter Substrate mit hoher Wärmeleitfähigkeit, Flüssigkeitskühlsysteme und eine durchdachte Modulanordnung – sind entscheidend für die technische Umsetzung von Phased-Array-Radarsystemen.
5. Entwicklungsrichtungen des Phased-Array-Radars
Laut einer im Jahr 2026 veröffentlichten Fachübersicht entwickelt sich die Phased-Array-Antennentechnologie in sechs Richtungen weiter: leicht, integriert, streuungsarm, multifunktional, dezentral und intelligent.
Leicht ist eine dringende Anforderung für Luft- und Satellitenplattformen. Phased-Array-Antennen auf Chip-Ebene und 3D-Mikro-Nano-Integration sind wichtige technische Ansätze zur Realisierung leichter Konstruktionen. Integration erfordert es, die Grenzen herkömmlicher Einzelzugänge zu überwinden, um einen integrierten Einsatz umfassender Plattformzugänge zu erreichen. Intelligenz zielt auf zukünftige Anforderungen an adaptive Radarsysteme ab, wonach Phased-Array-Antennen über Front-End-Fähigkeiten für integrierte Verarbeitung und intelligente Ablaufsteuerung verfügen müssen.
Diese Entwicklungsrichtungen stellen höhere Anforderungen an das HF-Frontend – größere Bandbreite, höhere Integration, geringerer Stromverbrauch und bessere Anpassungsfähigkeit an unterschiedliche Umgebungsbedingungen.
6. Das Technologieportfolio von STARDL für HF-Frontends von Phased-Array-Radarsystemen
Der Leistungsengpass bei Phased-Array-Radarsystemen liegt im HF-Frontend – die Sendeleistung und der Wirkungsgrad bestimmen die Erfassungsreichweite, die Rauschzahl des Empfängers legt die Obergrenze der Empfindlichkeit fest und die Phasenkonsistenz der Signalkette bestimmt die Qualität der Strahlformung. Das HF-Frontend-Technologieportfolio von STARDL bietet umfassende Hardware-Unterstützung für Phased-Array-Radarsysteme:
Sendekette – GaN-Leistungsbauelemente. Die GaN-Leistungsbauelemente von STARDL decken den Frequenzbereich von 0,5 bis 8,0 GHz ab und bieten eine Ausgangsleistung von bis zu 100 W+. Sie verfügen über vorab angepasste interne Impedanznetzwerke, die im Impulsbetrieb eine stabile Linearität gewährleisten. Die hohe Leistungsdichte und die hervorragende thermische Stabilität von GaN machen es zu einem idealen Sendeelement für Hochleistungs-Phased-Array-Radar-Sende-/Empfangsmodule.
Empfangskette – rauscharme Verstärker. Die Rauschzahl der Empfangskette eines Phased-Array-Radars bestimmt direkt die maximale Empfindlichkeit des Systems. Die LNAs von STARDL basieren auf einem GaAs-Prozess und erreichen Rauschzahlen von nur 0,35 dB bei gleichzeitig guter Linearität, wodurch sie die strengen Anforderungen an Konsistenz und Stabilität beim Mehrkanal-Empfang von Phased-Array-Radarsystemen erfüllen.
Signalkette – HF- und Mikrowellen-ICs. Die Genauigkeit der Strahlformung bei Phased-Array-Radarsystemen hängt von der Phasenkonsistenz der einzelnen Kanäle ab. Die HF-Mikrowellen-ICs von STARDL decken den Frequenzbereich von Gleichstrom bis 50 GHz ab – von Mischern über Multiplizierer bis hin zu Phasenschiebern – und bilden so eine komplette Signalkettenlösung. Ein Design mit geringem Phasenrauschen wirkt sich direkt auf die Qualität der Strahlformung und die Genauigkeit der Doppler-Verarbeitung aus.
Systemintegration – Sende-/Empfangsmodule und IC-Bausteine. Die Kompetenz von STARDL im Bereich der Sende- und Empfangsmodule (T/R-Module) zielt auf die Lösung des Kernproblems ab, “einen stabilen Mehrkanalbetrieb auf begrenztem Raum zu erreichen”. Die integrierten Schaltkreise (ICs) decken den Frequenzbereich von Gleichstrom bis 40 GHz ab und sind mit Standard-SMT-Prozessen kompatibel. Damit bieten sie Integrationslösungen mit hoher Dichte und hoher Konsistenz für die Entwicklung und Serienfertigung von Phased-Array-Radarsystemen.
7. Vergleich der Auswahlkriterien: Phased-Array-Radar vs. Radar mit mechanischer Abtastung
| Dimension | Phased-Array-Radar | Mechanisches Scan-Radar |
|---|---|---|
| Strahlumschaltgeschwindigkeit | Mikrosekunden (elektronische Steuerung) | Sekunden (mechanische Drehung) |
| Fähigkeit zur Bekämpfung mehrerer Ziele | Stark (gleichzeitige Mehrstrahlverfolgung) | Schwach (sequenzielle Einzelstrahlverfolgung) |
| Störschutzfähigkeit | Stark (adaptive Nullung) | Schwach (keine räumliche Filterfunktion) |
| Zuverlässigkeit | Hoch (verteilte Sende-/Empfangsmodule) | Mittel (Verschleiß der mechanischen Teile) |
| Kosten | Hoch (große Anzahl von T/R-Modulen) | Niedrig (einfacher Aufbau) |
| Typische Anwendungsbereiche | Hochwertige Militärradarsysteme, Satellitenkommunikationsterminals | Wetterradar, Schiffsnavigationsradar |
Die Realität im Ingenieurwesen
Das Wesentliche am Phased-Array-Radar ist der Ersatz von mechanische Mittel mit elektronische Mittel um den Strahl zu steuern, wodurch das Radar von der physikalischen Einschränkung des “Drehens einer Antenne” befreit wird und die Freiheit der Strahlformung sowie die Flexibilität der Verarbeitung mehrerer Ziele gewonnen wird.
Der Akademiker Mao Erke war im Alter von 30 Jahren an der Entwicklung des ersten Phased-Array-Radars Chinas beteiligt und trieb in den folgenden Jahrzehnten die Forschung an Radarsystemen neuer Architektur weiter voran. Die von ihm vorgeschlagenen Forschungsrichtungen – synthetisches Breitband-Hochauflösungsradar, Vollraum-Zeit-Radar, verteiltes kohärentes Radar – haben alle einen gemeinsamen Kerngedanken: durch eine Verbesserung der Auflösung mehr Informationen über das Ziel gewinnen—und die Phased-Array-Technologie ist eines der wirksamsten Mittel, um dieses Ziel zu erreichen.
Das Technologieportfolio von STARDL im Bereich der HF-Frontends – von GaN-Leistungsbauelementen bis hin zu rauscharmen Verstärkern, von HF- und Mikrowellen-ICs bis hin zu Sende-/Empfangsmodulen – deckt die gesamte Hardwarekette vom Senden bis zum Empfangen für Phased-Array-Radarsysteme ab und bietet damit eine solide HF-Grundlage für die technische Umsetzung von Phased-Array-Radarsystemen der nächsten Generation.
