Phased-array-antenne: hoe je een radiobundel stuurt zonder iets te bewegen
Een phased-array-antenne is geen enkele antenne, maar een groep van tientallen tot duizenden kleine antennes die samen één richtbare radiobundel vormen. In plaats van de hele antenne mechanisch te draaien om ergens naartoe te wijzen, past het systeem alleen de timing van de signalen in elk klein antenne-element aan. Door die timing net iets te verschuiven tussen de elementen, versterken de golfjes elkaar in één richting en doven ze elkaar juist uit in andere richtingen. Het resultaat is een bundel die binnen microseconden van richting kan veranderen, zonder dat er ook maar één onderdeel beweegt.
Een handige vergelijking is een marcherende band die op een sportveld een geluidsgolf probeert te richten. Als alle muzikanten precies tegelijk spelen, klinkt het geluid het hardst recht vooruit. Laat je de muzikanten aan de linkerkant net iets eerder spelen dan die aan de rechterkant, dan verschuift de plek waar het geluid het hardst samenkomt naar rechts — zonder dat iemand van positie hoeft te veranderen. Phased-array-antennes doen precies dit met radiogolven: door de zendtijd (fase) van elk klein antennetje elektronisch te vertragen of te versnellen, sturen ze de bundel elektronisch de ruimte in.
Wat is het precies?
Een phased-array bestaat uit veel identieke, kleine antenne-elementen die naast elkaar op een plat oppervlak zijn geplaatst, vaak in een rooster van rijen en kolommen. Elk element zendt (of ontvangt) hetzelfde signaal, maar met een eigen, nauwkeurig ingestelde fase: een kleine tijdsverschuiving in de golf. Door die fase per element te regelen, ontstaat op de ene plek constructieve interferentie (golven die elkaar versterken) en op andere plekken destructieve interferentie (golven die elkaar uitdoven). Zo bouw je met veel zwakke, losse signalen één sterke, gerichte bundel.
Het cruciale verschil met een klassieke schotelantenne is dat er niets fysiek beweegt: de bundelrichting wordt volledig elektronisch bepaald door software die de fases van alle elementen tegelijk bijstelt. Dat kan in microseconden, terwijl een mechanisch draaiende schotel seconden nodig heeft om te verplaatsen. Er bestaan twee hoofdvormen: bij een passieve array deelt één centrale zender het signaal via faseverschuivers over alle elementen; bij een actieve array (afgekort AESA, Active Electronically Scanned Array) heeft elk element zijn eigen kleine zend- en ontvangstversterker. Actieve arrays zijn krachtiger en flexibeler, maar ook duurder en complexer. Dezelfde array kan meestal zowel zenden als ontvangen, en door slimme signaalverwerking kunnen sommige systemen zelfs meerdere bundels tegelijk vormen, elk naar een ander doel of gebruiker.
Wat wil men ermee bereiken?
De belangrijkste belofte van phased-array-technologie is snelheid: een bundel die in microseconden van richting wisselt, kan snel bewegende doelen volgen, meerdere gebruikers na elkaar afhandelen, of razendsnel tussen satellieten schakelen. Omdat er geen bewegende onderdelen zijn, is er ook geen mechanische slijtage, wat systemen betrouwbaarder maakt en langere levensduur geeft — belangrijk voor bijvoorbeeld radar op een schip of een satelliet die je niet zomaar kunt repareren.
Een tweede voordeel is dat één array tegelijk meerdere taken kan uitvoeren: verschillende bundels tegelijk vormen om meerdere doelen te volgen, of meerdere datastromen naar verschillende gebruikers sturen. Daarnaast is een phased-array plat en relatief compact, waardoor hij ingebouwd kan worden in oppervlakken waar een draaiende schotel niet past: het dak van een auto, de romp van een vliegtuig, of een klein vlak paneel op je dak voor satellietinternet. Deze voordelen maken de technologie aantrekkelijk voor drie grote toepassingsgebieden: radar (militair en civiel), telecommunicatie (mobiel internet en satellietverbindingen) en radioastronomie.
Voorbeelden uit de praktijk
Phased-array-antennes zijn geen toekomstmuziek meer; ze draaien al in tal van bestaande systemen.
- SpaceX Starlink-gebruikersterminals: de platte, ronde of ovale schotels die klanten thuis op hun dak plaatsen, zijn in werkelijkheid phased-arrays. Sinds satellietinternet van Starlink begin jaren twintig van deze eeuw breed beschikbaar kwam voor consumenten, sturen deze terminals hun bundel elektronisch mee met de snel voorbijtrekkende satellieten, zonder dat de schotel zelf beweegt.
- AN/SPY-1 scheepsradar: dit is de radar in het Amerikaanse Aegis Combat System, dat op oorlogsschepen wordt gebruikt om meerdere doelen tegelijk te volgen. Het systeem is al sinds de jaren tachtig operationeel en geldt als een van de vroege grootschalige toepassingen van phased-array-radar.
- AESA-radars in gevechtsvliegtuigen: moderne jachtvliegtuigen zoals de Amerikaanse F-22 (met de AN/APG-77-radar) en de F-35 (met de AN/APG-81) gebruiken actieve phased-array-radars die in de neus zijn ingebouwd. Deze radars kunnen tegelijk meerdere doelen volgen en zijn lastiger te detecteren dan oudere, mechanisch draaiende radars.
- Thales Nederland in Hengelo: dit Nederlandse defensiebedrijf ontwikkelt en bouwt actieve phased-array-radarsystemen zoals APAR (Active Phased Array Radar) en SMART-L, die onder meer op fregatten van de Nederlandse marine worden gebruikt om luchtdoelen en raketten te detecteren en te volgen.
- 5G mmWave-antennes in smartphones: sinds de introductie van 5G met hoge millimetergolf-frequenties, rond 2019, zitten er in sommige telefoons piepkleine phased-array-antennemodules die het signaal richten om een betere verbinding met de dichtstbijzijnde zendmast te krijgen.
Hoe ver is de techniek?
Phased-array-technologie is in de militaire en ruimtevaartwereld al decennia volwassen: radarsystemen zoals AN/SPY-1 en de AESA-radars in gevechtsvliegtuigen draaien al sinds respectievelijk de jaren tachtig en negentig/tweeduizend in operationele omgevingen. Voor consumenten- en telecomtoepassingen is de technologie veel jonger en nog volop in ontwikkeling.
Het grootste obstakel is kosten: in een actieve array heeft elk afzonderlijk antenne-element zijn eigen kleine zend- en ontvangstelektronica nodig, en bij duizenden elementen loopt dat snel op. De trend is om deze elektronica steeds verder te integreren op goedkope siliciumchips (CMOS-technologie), waardoor de prijs per element daalt. Starlink is hiervan een goed voorbeeld: door de gebruikersterminals in grote aantallen te produceren, wist SpaceX de kostprijs van een geavanceerde phased-array-schotel fors te verlagen ten opzichte van vergelijkbare militaire systemen. Een nieuwe, nog pril onderzoeksrichting is de optische phased-array: hierbij wordt niet radiogolven maar licht elektronisch gestuurd, met als mogelijke toepassing goedkopere lidar-sensoren (laserafstandmeters) voor zelfrijdende auto's. Deze technologie bevindt zich nog vooral in laboratoria en is nog niet rijp voor grootschalige toepassing.
Wie werken eraan?
Aan de militaire en ruimtevaartkant zijn Amerikaanse defensiebedrijven als Raytheon (nu onderdeel van RTX), Northrop Grumman en Lockheed Martin grote spelers, naast SpaceX voor satellietcommunicatie. In Europa ontwikkelen Thales (met een belangrijke vestiging in Hengelo, Nederland) en het Italiaanse Leonardo eigen phased-array-radarsystemen, vooral voor marineschepen en luchtverdediging. Aan de telecomkant werken chipmakers en netwerkleveranciers als Qualcomm, Samsung, Ericsson en Nokia aan phased-array-antennes voor 5G en toekomstige mobiele netwerken.
Op onderzoeksgebied speelt het Amerikaanse MIT Lincoln Laboratory een belangrijke rol, evenals NASA's Jet Propulsion Laboratory (JPL) voor ruimtevaarttoepassingen. In Nederland doet TNO onderzoek naar radar- en antennetechnologie, vaak in samenwerking met defensie en de industrie, terwijl in Duitsland verschillende Fraunhofer-instituten aan verwante technologie werken. Op instantieniveau zijn het Amerikaanse ministerie van Defensie, de Europese ruimtevaartorganisatie ESA en de Amerikaanse weerdienst NOAA belangrijke opdrachtgevers en gebruikers van phased-array-systemen.