Echobox

Der Begriff Echobox (englisch Echo Box oder Echo-Box) wird seit den 1940er Jahren für ein analoges Messgerät verwendet, das zur Vermessung verschiedener Betriebsparameter eines analogen Impulsradarsensors genutzt wird. Bei der US-Navy wurde anstelle „Echo Box“ auch der englische Begriff „Phantom Target Equipment“ verwendet.^{[1][2.1][2.2][3]}

In einer Echobox wird ein Hohlraumresonators^[4][5] durch die Sendepulse eines Impulsradarsensors zum Schwingen angeregt, sofern die Echobox auf die Sendefrequenz des Impulsradarsensors abgestimmt wurde. Wenn der Hohlraumresonator in Resonanz auf der Sendefrequenz Impulsradarsensors ist, nimmt solange der Puls des Impulsradars den Hohlraumresonator zum Schwingen angeregt, die Amplitude der Schwingung im Hohlraum zu. Diese Schwingung kann aber je nach der Güte, Q eines Hohlraumresonators bei zu kurzen Pulsen unter Umständen nicht den maximal möglichen Wert der Amplitude erreichen. Daher zählen Echoboxen die zur Vermessung verschiedener Betriebsparameter von Impulsradarsensoren genutzt werden zum Typ der Resonant Echo Box (englisch, dt. Echobox beim Betrieb in Resonanz).

Anmerkung: Es existiert auch ein Typ der Echobox, die „Nonresonant Echo Box“ genannt wird. Es handelt sich dabei um eine Echobox, bei deren Nutzung keine Abstimmung der Resonanzkammer erfolgt.^[6.1]

Nach dem Ende eines Sendeimpulses schwingt der Hohlraumresonator mangels Erregung durch den Sendeimpuls zunehmend aus, und die Amplitude der Schwingung nimmt exponential ab. Im Empfänger eines Impulsradars werden die abklingenden Schwingungen erst nach dem Ende einer Totzeit, die zum Schutz des Empfängers eines Impulsradars nach dem Ende des Pulses eines Impulsradars anliegt, als Reflektionen an Zielen interpretiert. Dabei werden im Empfänger eines Impulsradarsensors solange Ziele erzeugt und auf A-Skope (Oszilloskop) dargestellt oder auf einem PPI (Plan Position Indicator) des Impulsradarsensors als helle Fläche dargestellt, bis die Amplitude der abklingenden Schwingungen schwächer als das Minimum Discernable Signal (MDS, frei übersetzt kleinstes, detektierbares Signal) des Empfängers des Impulsradarsensors ist.

Durch die Energie des Sendeimpulses des Impulsradarsensors wird der Hohlraumresonator, je nach Pulslänge und Frequenz, mehr oder weniger stark zum Schwingen angeregt. Daher muss eine Echobox nicht nur für den Betriebsfrequenzbereich, sondern auch für die Pulsdauer des Senders eines Impulsradarsensors optimiert sein.^[7]

Die Zeit innerhalb deren eine Echobox beim Nachschwingen noch Signale erzeugt, die vom Radarempfänger noch als Ziele verarbeitet werden, wird im Englischen auch als Ringing Time bezeichnet. Die Ringing Time bei einem 1 µs langen Puls kann, je nach Güte des verwendeten Hohlraumresonators, z. B. bis zu 50 µs andauern.^[8.1][5.1] Die Ringing Time ist proportional zur Empfindlichkeit, bzw. MDS des Empfängers des Impulsradarsensors. Die zunehmend abklingende Signalamplitude im Hohlraumresonator wird von den sehr empfindlichen Empfänger eines Impulsradarsensor als Ziele auf einem Oszilloskope (A-Scope) oder analogen PPI (Plan Position Indicator) dargestellt.

Eine andere Option für die Erzeugung von künstlichen Zielen ist die Nutzung von, im Vergleich zur Wellenlänge, ausreichend langen Hohleitern. Eine Echo Line (englisch) beginnt an dem Punkt eines Hohlleiters an dem dieser mit einer Iris vershen ist und endet mit einem Kurzschluss-Abschluss am Ende des langen Hohlleiters. Durch die Iris wird die Energie des Radarpulses eingekoppelt und nach dessen Ende die Energie beim Nachschwingen ausgekoppelt. Im K-Band wurden mehrere Echo Lines gebaut und dessen Nutzbarkeit durch Messungen nachgewiesen.^[9] Im weiteren Sinn kann man auch die Nutzung von, an beiden Seiten im Vergleich zur Wellenlänge langen, und an beiden Seiten abgeschlossenen Hohlleitern zu Hohlraumresonatoren zählen, da Echoboxen und Echo Lines einen metallisch umschlossenen, hohlen Raum als Resonator nutzen, wobei im Vergleich zu Hohlraumresonatoren die Echoline im Vergleich zur Wellenlänge sehr lang sind, jedoch Echoboxen und Echo Lines in der Funktion und Wirkung gleiche Ergebnisse liefern.

Heute werden können gezielt auf ein Radarsensor angepasste Prüfziele für Messungen in einem Radar Echo Generator (englisch) erzeugt werden, z. B. durch Kombination eines Signal- und Spektrum-Analysators mit einem Vector Signal Generator.^[10]

Eine, auf die Sendefrequenz des Impulsradarsensors abgestimmte Echobox, wird entweder über einen Hohleiter-Richtkoppler im Hohlleiterstrang zwischen einem Impulsradargerät und der verwendeten Antenne angeschlossen, oder die Echobox wird an eine separate Antenne angeschlossen, die in einem geeigneten Abstand zu der Antenne des Impulsradarsensors im Nah- oder Fernfeld der Antenne platziert wird.^[4.1]

Mit einer Echobox kann z. B. die Veränderungen der Empfängerempfindlichkeit und/oder Abfall der abgestrahlten Equivalent Isotropically Radiated Power (EIRP, dt. äquivalente isotrope Strahlungsleistung ) im Vergleich zu den Ergebnissen der vorherigen Messungen ermittelt werden. Bei ausreichend kleiner Bandbreite im Bereich um 100 kHz,^[2.2] kann auch die Spektrale Leistungsdichte bzw. das Spektrum eines Impulsradars in mehreren Schritten gemessen werden, ohne dass hierzu ein Spektrumanalyzer benötigt wird. Über eine Auskopplung aus dem Hohlraumresonator mit anschließender Gleichrichtung mit einem Silicon Crystal Rectifier^[11.1] (englisch, auch Point Contact Diode Crystal Rectifier oder Crystal Diode, dt. Silizium-Kristall-Detektor, z. B. Typ 1N21 (bis 1 GHz), Typ 1N21 (ursprünglich bis 3 GHz, später bis 12 GHz), 1N23 (bis 9,4 GHz) oder 1N26 (bis 24 GHz),^[12] kann mit Hilfe eines Voltmeters die Spannung angezeigt werden.^{[2.3][13][14.1]} Sie bestehen aus Silizium mit gezielten Verunreinigungen und einem Spitzenkontakt. Das dafür verwendete, englische Wort Whisker bedeutet "Barthaar einer Katze" und wurde verwendete, wegen des Aussehens des Kontaktdrahts aus Wolfram (engl. Tungsten). Silicon Crystal Rectifiers vom Typ 1N21 waren ursprünglich bis ca. 3 GHz nutzbar und der Typ 1N23 bis 9,4 GHz. Die noch heute noch erhältliche Version des Typs 1N21 mit der Bezeichnung 1N21WE^[15] kann für Frequenzen bis 12 GHz verwendet werden. Andere Silicon Crystal Rectifier-Versionen sind bis über 30 GHz nutzbar. Aufgrund der Wolfram-Spitze, die die Silikon-Fläche berührte, hatten Silicon Crystal Rectifiers am Anfang noch größere Abweichungen in der Empfindlichkeit und waren empfindlich gegenüber Erschütterungen. Aufgrund unterschiedlicher Durchmesser an beiden Enden eines Silicon Crystal Rectifiers gab die Bauform die Polarität der Silicon Crystal Rectifier vor. Esrt spätere Bauformen besaßen an beiden Enden eines Silicon Crystal Rectifiers den gleichen Durchmesser, wodurch die Polarität durch Wahl der Einbaurichtung frei wählbar war. Für den Einsatz in Anlagen die für die ursprüngliche Bauform der 1N21 gebaut worden waren, gab es eine Kappe, die auf ein Ende aufgesetzt werden konnte, um die ursprünglichen Form der 1N21 zu erhalten.

Über eine Skala an einer Echobox kann, nachdem die Echobox am Zeigerinstrument auf Maximum und damit Resonanz mit der Sendefrequenz eines Impulsradarsensors abgestimmt wurde die Sendefrequenz des Impulsradarsensors abgelesen werden. Im Gegensatz hierzu weisen Absorbtionsfrequenzmesser bei Resonanz ein Minimum auf.

Studien während des Zweiten Weltkrieges und danach^[1] zeigten, dass Echoboxen sowohl für Primärradarsensoren, im L-Band, S-Band und X-Band (z. B. mit Wellenlängen von ca. 3 cm bzw. Frequenzen von ca. 10 GHz)^[5.1], als auch für das damals verwendete IFF-System (englisch Interrogation Friend or Foe-System) einsetzbar sind. Echoboxen wurden z. B. bei Impulsradaranlagen in Luftfahrzeugen, an Land und auf Schiffen im L-, S- und X-Band für Messzwecke eingesetzt.

Ein Hohlraumresonator verhält sich wie ein aus einer Kapazität und einer Induktivität bestehender Parallelschwingkreis, wenn er auf die Betriebsfrequenz des Sendeimpulses in Resonanz gebracht wurde hochohmig. Der Unterschied liegt in der maximal erreichbaren Güte Q, die bei Parallelschwingkreisen selten ein Q von über 100 erreichen, weshalb Parallelschwingkreise nicht, zur Bildung einer längeren Nachschwingzeit wie sie für Echoboxen benötigt werden geeignet sind. Für Frequenzen um, und über 500 MHz werden daher Hohlraumresonatoren verwendet, die je nach verwendetem Material, eine unbelastete Güte mit einem Q-Wert von bis zu 200.000 erreichen können. Je nach Frequenz und Pulslängen der Signale eines Impulsradarsensors werden mit zunehmender Frequenz und zunehmend kürzeren Pulsen immer größere Güten für den Hohlraumresonator benötigt, um die gleiche Bandbreite zu erzielen.

Bei der Güte ist zwischen der unbelasteten Güte eines Hohlraumresonators und der belasteten Güte, z. B. durch Belastungen durch Ein- und Auskopplungen, zu unterscheiden. Die theoretische, unbelastete Güte für einen Hohlraumresonator auf der Mittenfrequenz des Abstimmbereiches von 2800 MHz, entspricht einer Wellenlänge von 10,7 cm, der aus nur aus Silber besteht wurde zu einem Q von 55.000 errechnet. Gemessen wurde ein belastete Güte mit einem Q von 42.000 (Kopplungskoeffizient von 0,1), woraus auf eine unbelastete Güte von 46.000 geschlossen wurde.^[2.1]

Die in der Tabelle aufgeführten Näherungswerte für die notwendige Güte bei zunehmender Frequenz stammen aus^[16.1].

Die erzielbare Güte eines Hohlraumresonators hängt auch von dem Widerstand der verwendeten Materialien ab. Bei gleichen Dimensionen eines Hohlraumresonators gilt, je höher der elektrische Widerstand der Wände ist, desto tiefer dringen die Stöme in das Material ein und desto niedriger ist das erzielbare Q. So halbiert sich bei Verwendung von Messing anstelle von Kupfer für einen Hohlraumresonator die erreichbare Güte um den Faktor 0,48. Daher erhalten Hohlraumresonatoren, die aus Messing gefertigt werden im Hohlraum oft auch, abhängig von der Eindringtiefe bei der Betriebsfrequenz in das Metall, eine ausreichend dicke Beschichtung mit Silber um eine hohe Güte zu erreichen.^[2.4] In Umgebungen bei denen es bei Silber zur Korrosion und damit Verschlechterung der Güte kommen kann, z. B. an der Küste oder am Meer, kann zusätzlich auch eine dünne Goldschicht aufgebracht werden.

Wenn Hohlraumresonatoren Änderung in der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit und/oder dem Druck ausgesetzt sind, verändern sich je nach verwendetem Material die Werte, bis zu 1·10³. Die Frequenzanzeige der Skalen bei Standard-Hohlraumresonatoren, z. B. ohne Temperaturkompensation, gelten für eine Temperatur von 25 °C und eine Luftfeuchtigkeit von 60 %.^[2.4]

Während sich die Abmessungen eines Hohlraumresonators proportional zu einer Änderung in der Frequenz skalieren lassen, ist die Zunahme der Einflüsse durch Änderung in der Temperatur, der Luftfeuchtigkeit und/oder dem Druck nicht linear, zumals oft auch weitere Materialien für die einzelnen Komponenten, aus denen ein Hohlraumresonator besteht, weitere Faktoren einbringen.

Sofern ein Hohlraumresonator auf der Betriebsfrequenz eines Impulsradarsensors in Resonanz ist, wird dieser vom Sendeimpuls zum Schwingen angeregt. Nach dem Ende des Sendeimpulses schwingt der Hohlraumresonator, abhängig von seiner Güte, mehr oder weniger stark nach, d. h. beim Nachschwinken nimmt die Amplitude zunehmend ab. Die Nachschwingdauer innerhalb der dieses Nachschwingen von einem Impulsradarsensor als fiktive Ziele wahrgenommen wird, wird auf PPI-Display bis zu der Entfernung dargestellt bei der die Amplitude kleiner als das MDS des Empfängers des Impulsradarsensors ist. Sofern das Nachschwingen eines Hohlraumresonators z. B. für z. B. 50 µs eine Amplitude besitzt, die größer als das Minimum Discernable Signal des Empfängers des Impulsradarsensors ist, werden z. B. für die ersten 4 NM, die von dem nachschwingenden Hohlraumresonator erzeugten, fiktiven Ziele auf einem analogen PPI-Display als aufgehellter Bereich dargestellt wird. Hierbei entspricht eine Nachschwingdauer von 50 µs bei 12,36 µs für eine Radar Mile (dt. Radar Meile), d. h. eine Entfernung von 4 NM (englisch Nautical Mile, dt. Nautische Meile oder Seemeile). Der Begriff Radar-Meile (englisch Radar Mile) bedeutet, dass ein ausgestrahltes Radarsignal innerhalb von 12,36 µs den Weg vom Radar zu einem Ziel in 1 NM Entfernung zurücklegen und nach Reflektion an dem Ziel den gleichen Weg zum Empfänger des Radarsensors zurückgelegt hat.

1. ↑ ^{a b} NRL Report No. R-1943, BuShips Problem X4-20C, A Pulse "Phantom" Target for Use with Radar and IFF Equipment, Naval Research Laboratory Bellevue DC, 1942-10-07,. (dtic.mil [PDF; abgerufen am 7. Januar 2026]). 
2. ↑ Massachusetts Institude of Technology, Radiation Laboratory Series, Volume 11, Technique of Microwave Measurements, Edited by Carol G. Montgomery, 1947. (introni.it [PDF; abgerufen am 11. Januar 2026]). 
   1. ↑ ^{a b} Section 5·17. Right Circular Cylinder in TE011-mode for the 10-cm Region, (TS-270). 325 FF
   2. ↑ ^{a b} Section 7·13. Echo Boxes, Seite 447 FF
   3. ↑ Section 3·31. The Use of Rectifiers for Power Indication. Seite 192 FF
   4. ↑ ^{a b} Section 6·24. Temperature and Humidity Effects for Standard Cavities Seite 384 FF
3. ↑ AFCRC (Air Force Cambridge Research Laboratories) TR-60-l34(IV), Antenna Catalog Volume IV, Aircraft Antennas, Georgia Institute of Technology, 1960-10, S. 241. (navy-radio.com [PDF]). 
4. ↑ USAF (United States Air Force) Manual No. 52- 8, RADAR Circuit Analyses, 1951-06-30. (archive.org [abgerufen am 4. Januar 2026]). 
   1. ↑ No. 10-30
5. ↑ Fundamentals of Ground Radar For Air Traffic Control Engineers and Technicians, Ronald Bouwman, 2009. 
   1. ↑ ^{a b} Seite 168 FF
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   1. ↑ Section 8·5. Measurements of Water-vapor Absorption.Seite 669 FF
7. ↑ US Bureau of (Ships Navy Department), Report No. UMM-119, Echo Box Design Handbook, Theory and Practice of Echo Box Design Survey of existing cavities, B. Levy, E. Leith, 1953-12-31. (navy-radio.com [PDF; abgerufen am 7. Januar 2026]). 
8. ↑ Massachusetts Institude of Technology, Radiation Laboratory Series, Volume 23, Microwave Receivers, S. N. Van Voorhis, 1948. 
   1. ↑ Section 11·6. Noise Generators. Seite 293 FF
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10. ↑ Rohde & Schwarz, Application Note AN 1MA28, Radar Echo Generator. (rohde-schwarz.com [PDF; abgerufen am 12. Januar 2026]). 
11. ↑ Massachusetts Institude of Technology, Radiation Laboratory Series, Technique of Microwave Measurements, LouIs N. Ridenous Editor-in-Chief, 1947. 
    1. ↑ Section 1.3. The Detection of Microwaves
12. ↑ ASI (Advanced Semiconducter Inc.), Silicon Point Contakt Mixer Diodes,. (datasheetarchive.com [PDF; abgerufen am 14. Januar 2026]). 
13. ↑ The First French Germanium Semiconductors, CFS Westinghouse Westectal Diode and Westcrel Transistron, Christian Adam 2011 (french), Mark Burgess (englisch). (radiomuseum.org [PDF; abgerufen am 11. Januar 2026]). 
14. ↑ Technische Physik in Einzeldarstellungen, 12, Mikrowellen-Meßtechnik, Friedrich J. Tischer, 1957. 
    1. ↑ 3.5.1 Detektor-Gleichrichtung
15. ↑ 1N21WE, Silicon Mixer Diode, ASI (Advanced Semiconducter Inc.). (mouser.com [PDF]). 
16. ↑ The Bell System Technical Journal, High Q Resonant Cavities for Microwave Testing, I. G. Wilson, C. W. Schramm and J. P. Kinzer, Volume: 25, Issue: 3, 1946-07. 
    1. ↑ ^{a b c} Seite 422