Radarreflektor
Winkelreflektoren bestehen aus zwei oder drei im Winkel von 90° zueinander stehenden reflektierenden Flächen. Sie werden als Antennenreflektor mit zwei Flächen oder als Retroreflektoren mit zwei oder drei Flächen verwendet. Sie reflektieren Funkwellen, Mikrowellenstrahlung oder auch Licht zurück zur Ausstrahlungsrichtung.
Ein aus dem Alltag bekanntes Beispiel für einen flächenhafen Winkelreflektor ist der Rückstrahler, auch als Katzenauge bekannt.
Eintreffende elektromagnetische Wellen werden durch doppelte bzw. dreifache Reflexion in genau die Richtung zurückgeworfen, aus der sie kommen. Somit ergeben auch kleine Objekte mit geringer Reflexionsfläche ein ausreichend starkes Echo. Gegenteilig dazu werden in der Stealth-Technologie bei militärisch genutzten Schiffen und Booten Rechte Innen-Winkel vermieden, um eine Rückstrahlung in die Ursprungsrichtung zu verhindern.
Die zweifache Reflexion an den elektrisch leitenden Platten geschieht phasensynchron, da die Strecken der einzelnen Phasen gleich sind (a+b+c = a'+b'+c'). Bei einem willkürlichen Einfallswinkel wirkt der Winkelreflektor somit wie eine im rechten Winkel zur Einfallsrichtung stehenden Platte. Die wirksame Fläche entspricht etwa der Projektion des Winkelreflektors auf die Ebene der Platte.
Bezeichnungen
Winkelreflektoren für Mikrowellen werden auch Radarreflektoren genannt. Sie werden verwendet, um ein besonders starkes Radarecho von Objekten zu erzeugen, die ansonsten nur über eine sehr geringe effektive Reflexionsfläche verfügen.
Bei Lichtanwendungen müsste man strenggenommen von Spiegeln sprechen. Die Flächen sind viel größer als die Wellenlänge, während ein Reflektor nicht größer ist als das ca. 10-fache der Wellenlänge. In der Alltagssprache verliert sich aber dieser Unterschied.
Winkelreflektoren mit zwei Flächen
Bei Anwendungen, in denen die elektromagnetischen Wellen nur innerhalb einer Ebene reflektiert werden müssen (wie zum Beispiel in der Seefahrt: nur parallel zur Wasseroberfläche), werden Winkelreflektoren mit nur zwei Flächen, die im Winkel von 90° zueinander angebracht sind, verwendet. Da diese Winkelreflektoren aber durch Wind und Seegang nicht immer senkrecht zur Wasseroberfläche stehen, werden sie innerhalb einer Kugel aus isolierendem Material in einem Ölbad schwimmend gelagert. Ein am Fußpunkt angebrachtes Gewicht sorgt innerhalb der Kugel für eine stabile senkrechte Lage unabhängig vom Nicken und Rollen des Bootes. Dieser äußerlich kugelförmige Winkelreflektor kann somit am Mast wie ein Wimpel „gesetzt“ werden. Winkelreflektoren werden an kleineren Booten möglichst weit oben an einem Mast befestigt, um durch die Erdkrümmung verursachte Reichweitenverluste zu verringern.
Winkelreflektoren mit nur zwei Flächen werden auch auf einigen militärischen Flugplätzen verwendet. Hier stehen sie in zwei Reihen parallel zur Start- und Landebahn und bieten dem Bordradar eine gute Orientierung. Die Ebene, in welcher retroreflektiert wird, steht hier senkrecht auf der Erdoberfläche parallel zur Richtung der Start- und Landebahn. Die Flächen des Reflektors sind also so angebracht, wie es im Prinzip-Bild oben zu sehen ist. Ist das Flugzeug im korrekten Landeanflug, werden diese Winkelreflektoren für dessen RADAR sichtbar. Für andere Richtungen sind diese Reflektoren nahezu unwirksam, um den Flugplatz für RADAR-Aufklärung schwerer auffindbar zu machen.
Winkelreflektoren mit zwei Flächen werden auch an sogenannten Winkel- oder Corner-Antennen zum Erreichen einer gerichteten Abstrahlcharakteristik und eines hohen Vor-Rück-Verhältnisses verwendet.
Winkelreflektoren mit drei Flächen
Winkelreflektoren mit drei reflektierenden Flächen im Winkel von 90° zueinander werden dort eingesetzt, wo eine Retroreflexion in den dreidimensionalen Raum notwendig ist. Diese triangularen Reflektoren werden nach dem optischen Vorbild oft auch Tripelspiegel genannt. Die Rückstrahlfläche des im nebenstehenden Bild gezeigten triangularen Winkelreflektors wird berechnet nach:
- a = Länge der Hypotenuse der drei gleichschenkligen Dreiecke des unten gezeigten triangularen Winkelreflektors
- λ = Wellenlänge des aufklärenden Radargerätes
Betrag und Phase der reflektierten Energie bleiben in den von Radargeräten verwendeten Frequenzen unabhängig vom Einstrahlwinkel relativ konstant bis in den Bereich, in welchem die reflektierte Wellenlänge in die Größenordnung der Abmessungen der Reflektorflächen kommt. Die Einzelflächen des Winkelreflektors sollten also groß gegenüber der Wellenlänge sein. Je größer ein Winkelreflektor ist, desto mehr Energie wird reflektiert.
| Beispiel für 10,5 GHz [1]. | |
|---|---|
| Länge der Hypotenuse |
effektive Rückstrahlfläche |
| 21 cm | 100 m² |
| 25 cm | 200 m² |
| 28 cm | 300 m² |
| 30 cm | 400 m² |
Für die in der Binnenschifffahrt meist im I/J-Band arbeitenden Navigationsradargeräte mit einer Wellenlänge von etwa 3 bis 4 cm ist ein Winkelreflektor aus quadratischen Aluminiumplatten mit einer Kantenlänge von je 20 cm als RADAR-Ziel ausreichend.
Ein Winkelreflektor, der rundherum in alle Richtungen etwa gleich stark zurückstrahlt, besteht zeichnerisch aus 12 gleichschenkligen Dreiecken. Beim praktischen Bau geht man aber unter Vernachlässigung der Blechdicke von drei gleich großen quadratischen Blechen aus, von denen eines diagonal halbiert und ein zweites diagonal geviertelt wird. Der Winkelreflektor wird dann aus diesen sieben Teilen symmetrisch zusammengesetzt. Bei einer Kantenlänge der quadratischen Bleche von 0,5 m hat ein solcher Winkelreflektor im I/J-Band eine effektive Rückstrahlfläche von weit mehr als dem fünfhundertfachen Wert, den z.B. ein kleines Ruderboot ohne diesen Winkelreflektor hätte. Ein solcher Reflektor liefert ein auf Radargeräten auch bei großer Entfernung nicht zu übersehendes Zielzeichen auf dem Schirm.
Winkelreflektoren mit vier Flächen
Diese Bauart wird meist bei Bojen in der Schifffahrt verwendet. Die Anzahl „vier“ ist aber hier nur scheinbar: bei dieser Konstruktion handelt es sich um einfache Winkelreflektoren mit eigentlich nur zwei Flächen. Diese haben aber waagerechte Stege, die aussehen, als wären sie nur aus Gründen der mechanischen Stabilität befestigt. Solange die Boje im ruhigrn Wasser auch senkrecht steht, sind auch nur diese beiden senkrechten Flächen des zweiflächigen Winkelreflektors wirksam. Erst wenn die Boje durch Wind oder Seegang geneigt wird, dann werden dem beobachtenden Radar drei Flächen präsentiert. Ist die Neigung nach vorn, dann wird die Bodenplatte als dritte Fläche wirksam, ist die Neigung nach hinten, dann die obere Platte.
Sonderanwendungen
Unter dem Namen „Radarreflektoren für Segelschiffe“ werden röhrenförmige Artikel vertieben, in welchen mehrere kleinere Winkelreflektoren enthalten sind, die in ihren Ausmaßen so bemessen sind, dass sie genau die Wellenlänge des Navigationsradars (Frequenz: 10,5 GHz = etwa 3 cm) treffen. Durch die nun auftretende Resonanz hat dieser Reflektor für diese eine Frequenz eine etwa vier Mal größere effektive Reflexionsfläche, als nach quasioptischen Gesetzmäßigkeiten zu erwarten wäre. Durch minimale Abweichungen der Längen der in der Röhre enthaltenen Reflektoren werden Resonanzen für verschiedene Frequenzen im J-Band erreicht, so dass in der Summe ein Bandpassverhalten für dieses Frequenzband erreicht wird. Diese Reflektoren sind ein Kompromiss zwischen möglichst großem Radarquerschnitt und möglichst geringem Windwiderstand. Sie werden an Segelbooten verwendet.
Anwendung
Winkelreflektoren als Ziele für Radargeräte finden Anwendung:
- als Kalibrierstandard für eine Freiraumkalibrierung von Antennen (zum Beispiel in der Flugsicherung auch zur Richtungsüberprüfung eines Präzisionsanflugradar)
- als Navigationshilfen zur Markierung von Schifffahrtswegen in schwierigem Wasser (auf Bojen, an Brücken)
- zur Markierung der Start- und Landebahn auf Flugplätzen
- Radarreflektoren auf Wasserfahrzeugen zu deren besserer Erkennbarkeit durch Rundsichtradar anderer Schiffe und an Land
- zur Simulation eines großen Flugkörpers mittels sogenannter Scheinziele
- an einem Wetterballon zur Radarverfolgung und Messung von Windgeschwindigkeiten in großen Höhen.
Winkel-Rückstrahler als Ziele für Laser:
- Rückstrahler in der Vermessungstechnik und bei LIDAR-Anwendungen
- Im Rahmen der Luna-Missionen 17 und 21 und der Apollo-Missionen 11, 14 und 15 wurden mehrere optische Retroreflektoren auf dem Mond aufgebaut. Weiterhin umkreisen zahlreiche Satelliten die Erde, z.B. Giove-A, die optische Retroreflektoren tragen. Die Auswertung der reflektierten Laserstrahlung erlaubt eine genaue Positionsbestimmung der Flugkörper.
Quellen
Bilder
-
Eine Boje mit Winkelreflektoren und einem Seelöwen im Hafen von San Diego
-
Boje mit vielen Winkelreflektoren im Hafen von Aurich -
Winkelreflektoren neben der Start- und Landebahn als Landeanflughilfe für das Bordradar
