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Damit RF-Leistungsverstärker ordnungsgemäß mit Störsystemen funktionieren, müssen sie mit den richtigen Betriebsfrequenzen übereinstimmen, um Energie nicht zu verschwenden und unerwünschte Störungen zu vermeiden. Laut einigen Feldtests aus dem Jahr 2023 konnten Verstärker, die den Frequenzbereich von 1,7 bis 4,2 GHz abdeckten, anstelle von nur schmalen Bändern, den Stromverbrauch um etwa 18 % senken, ohne die Signalqualität zu beeinträchtigen (wie in der Dewinjammer-Studie von 2023 berichtet). Wenn diese Frequenzbereiche jedoch nicht übereinstimmen, treten Probleme auf. Kritische Bereiche, in denen Bedrohungen auftreten könnten, bleiben vollständig ungeschützt, oder schlimmer noch, Signale übersprechen auf benachbarte Kanäle, was bei tatsächlichen elektronischen Kriegsführungseinsätzen erhebliche Störungen verursachen könnte.
Moderne Störsender müssen gleichzeitig Signale im GPS-Bereich (1,2/1,5 GHz), im Mobilfunkbereich (700 MHz–4 GHz) und bei Wi-Fi (2,4/5 GHz) stören, was Bandbreiten von über 500 MHz erfordert. Breitbandige Hochfrequenz-Leistungsverstärker auf Basis der GaN-Halbleitertechnologie liefern eine Verstärkung von >50 dB über oktavenüberspannende Frequenzbereiche und ermöglichen es, mehrere schmalbandige Einheiten durch einen einzigen Verstärker zu ersetzen, ohne dabei an Leistung einzubüßen.
Abstimmbare Verstärker, die in der Lage sind, eine Ausgangsleistung von 30 dBm über Frequenzen von 800 MHz bis hin zu 4 GHz zu erzeugen, werden von militärischem Personal nun effektiv gegen Bedrohungen wie GPS-gesteuerte Drohnen und störende 5G-fähige IEDs eingesetzt. Bei der Betrachtung der Systemleistung zeigt sich, dass sie ein VSWR unterhalb von 2,5:1 an wichtigen Stellen im Spektrum aufrechterhalten, beispielsweise bei 2,3 GHz, das LTE-Signale abdeckt, und bei 3,5 GHz, wo 5G n78 arbeitet. Dies verdeutlicht deutlich – Breitbandverstärker bieten hervorragenden Schutz gegen verschiedene Arten von Bedrohungen, ohne dabei an Leistungsqualität einzubüßen.
Um Signale erfolgreich zu stören, müssen Verstärker mehr Leistung abgeben, als vom Zielgerät empfangen wird. Nehmen Sie kommerzielle Drohnen als Beispiel: Die meisten Hobby-Störsender kommen mit diesen Geräten kaum zurecht, es sei denn, sie können etwa 50 Watt Dauerwellenleistung erzeugen, um lediglich die GPS-Signale zu stören. Militärtechnische Anwendungen sind noch anspruchsvoller und benötigen manchmal über 300 Watt, um die langreichweitigen Kommunikationsverbindungen lahmzulegen. Das Problem verschärft sich, wenn höhere Ausgangsleistungen erforderlich sind, da Wärme sehr schnell entsteht. Deshalb greifen viele Profis heutzutage auf Galliumnitrid-basierte Verstärker zurück. Diese vertragen die Wärme besser und bleiben stabil, ohne die Signale allzu sehr zu verfälschen, was gerade bei intensiven Operationen entscheidend ist, bei denen Zuverlässigkeit im Vordergrund steht.
Wenn Verstärker im nichtlinearen Modus arbeiten, erzeugen sie störende harmonische Verzerrungen sowie Intermodulationsprodukte, die die Genauigkeit der Störung beeinträchtigen. Wenn man diese Verstärker jedoch knapp unterhalb ihres 1-dB-Kompressionspunkts betreibt, geschieht etwas Interessantes: Laut einer Studie des IEEE aus dem Jahr 2024 sinkt das spektrale Wachstum um etwa 65 Prozent. Dies ist besonders wichtig bei überlappenden Frequenzbändern, wie sie zwischen 4G- und 5G-Netzen auftreten. Wenn man dies einhält, bleibt die Störleistung auf das jeweils zu blockierende Signal fokussiert, anstatt versehentlich legitime Signale zu überlagern, die normalerweise durchgelassen werden sollen.
Die Maximierung der Ausgangsleistung verringert oft die Effizienz um 30–40%aufgrund von Wärmestau. Fortschrittliche Designs reduzieren diesen Effekt durch adaptive Vorspannung und Doherty-Konfigurationen und erreichen dabei 80 % Wirkungsgrad bei 150 W Ausgangsleistung. Diese Verbesserungen erhöhen die Betriebsdauer, insbesondere bei mobilen Plattformen mit begrenzter Kühlkapazität.
Der Drittordnungs-Schnittpunkt (IP3) misst die Fähigkeit eines Verstärkers, Intermodulationsverzerrungen bei der Verarbeitung mehrerer Signale zu unterdrücken. In spektral überlasteten Umgebungen minimieren Verstärker mit IP3-Werten >40 dBm die Störungen zwischen Frequenzen. Branchenanalysen zeigen, dass Geräte mit über 45 dBm IP3 das Spektralwachstum um 30–50 % reduzieren und dadurch die Zielgenauigkeit in Szenarien mit mehreren Bedrohungen verbessern.
Der 1-dB-Kompressionspunkt, bekannt als P1dB, ist im Wesentlichen der Punkt, an dem die Verstärkung eines Verstärkers um 1 dB gegenüber dem linear betriebenen Zustand abzufallen beginnt. Wenn Systeme zu nahe an dieser Schwelle betrieben werden, entstehen Verzerrungen, die die Störgenauigkeit erheblich beeinträchtigen können. Die meisten Ingenieure wissen, dass man nicht bis an diese Grenze gehen sollte. Bei gepulsten Signalen empfiehlt es sich, etwa 6 bis 10 dB unterhalb von P1dB zu bleiben. Bei komplexen modulierten Signalen wie OFDM hingegen muss der Sicherheitsabstand größer sein, etwa zwischen 10 und 15 dB unterhalb von P1dB. Dieser zusätzliche Spielraum hilft dabei, die Signalqualität aufrechtzuerhalten, selbst wenn das System täglich wechselnden Lastbedingungen ausgesetzt ist.
Der Headroom, der Abstand zwischen Betriebsleistung und maximaler Ausgangsleistung, schützt vor Signalüberspannungen. Bei mobilen Störsystemen verhindert ein Headroom von 3–5 dB Verzerrungen während plötzlicher Übergänge und optimiert gleichzeitig die Effizienz. GaN-Verstärker bieten einen um 20 % größeren Headroom als herkömmliche LDMOS-Designs und verbessern so die Widerstandsfähigkeit unter unvorhersehbaren Betriebsbedingungen.
Das Ansteuern von Verstärkern bis zur Sättigung erzeugt unkontrollierte Harmonische, wodurch Interferenzen in benachbarten Frequenzbändern riskiert werden. Ein Betrieb 2–4 dB unterhalb der Sättigung erhält stabile Verstärkungsprofile aufrecht, was für lang andauernde Missionen entscheidend ist. Feldmessdaten zeigen, dass die Einhaltung dieses Spielraums thermische Abschaltungen bei kontinuierlichen Gegendrohnen-Einsätzen um 65 % reduziert.
Verstärker, die nahe der Sättigung arbeiten, erzeugen Harmonische, ganzzahlige Vielfache der Grundfrequenz, die nicht betroffene Systeme stören können. Um diese zu unterdrücken, verwenden Ingenieure Impedanzanpassungsnetzwerke und betreiben die Verstärker 6–10 dB unterhalb der Kompression. Fortschrittliche Linearisierungstechniken reduzieren die außerbandigen Emissionen um 15–20 dB und gewährleisten so eine saubere spektrale Ausgabe in modernen Störsystemen.
Eine Erhöhung der Rauschzahl um 2 dB verringert die Empfindlichkeit des Störsenders um 35 %, wodurch schwache Bedrohungssignale möglicherweise der Unterdrückung entgehen können. Bei Anwendungen zur Drohnenabwehr, die auf niederenergetische LoRa-Signale abzielen, müssen Verstärker Rauschzahlen unterhalb von 1,5 dB aufrechterhalten. Die thermische Stabilisierung gewährleistet eine Rauschzahltoleranz von ±0,2 dB im Temperaturbereich von -40 °C bis +55 °C und erhält so die Leistungsfähigkeit unter extremen Umgebungsbedingungen.
Ein dreistufiger Ansatz gewährleistet die Signalreinheit:
Die Unterteilung der Massebene verhindert, dass harmonische Ströme eine falsche Modulation in Stromversorgungen induzieren, was besonders wichtig bei platzbeschränkten störanlagen in Fahrzeugen ist.
Damit mobile Störsysteme ordnungsgemäß funktionieren, benötigen sie HF-Verstärker, die gleichzeitig leistungsstark und kompakt sind und dennoch effizient arbeiten. Die meisten Ingenieure sprechen bei der Entwicklung dieser Systeme von SWaP-C – das steht für Size, Weight, Power und Cost (Größe, Gewicht, Leistung und Kosten). Im Grunde zählt jeder noch so kleine Aspekt, da bereits ein geringfügig höherer Platzbedarf oder Energieverbrauch den entscheidenden Unterschied dafür ausmachen kann, ob das System tatsächlich in der Praxis eingesetzt wird. Laut einem aktuellen Bericht von Verteidigungsforschern aus dem Jahr 2023 treten fast zwei Drittel aller Störgeräteausfälle auf, weil die Geräte überhitzen oder im Vergleich zu ihren SWaP-Spezifikationen zu schnell die Leistung verlieren. Dies verdeutlicht, wie entscheidend ein angemessenes thermisches Management in diesen kompakten Systemen ist.
Eine effektive Integration erfordert eine Abstimmung zwischen HF-Verstärkern und drei Kernteilsystemen:
Integrierte Temperatursensoren und aktive Überwachung reduzieren Ausfallraten um 38 % bei Betrieb mit hohen Schaltzyklen. Wichtige Strategien umfassen:
Diese Maßnahmen stellen sicher, dass Hochfrequenz-Leistungsverstärker über 5.000+ Stunden in rauen Einsatzumgebungen eine Störeffizienz von >90 % aufrechterhalten.
HF-Leistungsverstärker müssen an die Betriebsfrequenzen und die Bandbreite angepasst sein, um gezielt Signale effizient zu stören, ohne Leistung zu verschwenden oder in nicht betroffene Bereiche zu interferieren.
Abstimmbare Verstärker bieten eine große Frequenzabdeckung und ermöglichen so eine effektive Störung verschiedener Bedrohungen wie GPS-gesteuerte Drohnen und 5G-fähige Geräte, ohne die Leistung einzuschränken.
SWaP (Größe, Gewicht, Leistung und Kosten) ist entscheidend bei der Entwicklung mobiler Störsysteme, um sicherzustellen, dass sie kompakt, effizient und für den Dauereinsatz unter Feldbedingungen geeignet sind.
Ein ordnungsgemäßes thermisches Management verhindert Überhitzung und gewährleistet eine gleichbleibende Leistung von HF-Leistungsverstärkern, insbesondere in kompakten mobilen Störsystemen.
