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Die Erfindung betrifft eine Strukturantenne für Fluggeräte oder
Flugzeuge mit annähernd
rundstrahlender Abstrahlcharakteristik, die als leitfähiges Element
auf einer nichtleitenden Schicht angeordnet ist, welche die Grundschicht
der Oberfläche
einer aerodynamischen Wirkfläche
des Fluggeräts
bildet, wobei das strahlende Element um eine Faltkante der aerodynamischen
Wirkfläche
des Fluggeräts
herum angeordnet ist.
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Antennen, die an Fluggeräten oder
Flugzeugen verwendet werden sollen, sind einer Reihe von Anforderungen
unterworfen. Die Kontur des Fluggeräts oder Flugzeugs soll möglichst
nicht so weit beeinflusst werden, dass sich die aero-dynamischen Verhältnisse
und damit die Flugeigenschaften wesentlich verändern. Die Anordnung und die
Befestigung der Antenne muss im Einklang mit dem mechanischen Aufbau
der Strukturteile sein und die mechanische Festigkeit der Struktur
darf nicht beeinträchtigt werden.
Der Radarrückstreuquerschnitt
soll möglichst
nur geringfügig
verändert
werden.
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Da der Einbauort von Antennen bei
Fluggeräten
oder Flugzeugen sehr begrenzt ist, werden zunehmend die Antennen
in Flügel,
Leitwerke oder in die dazu gehörenden
Ruderklappen eingebaut. Die Anwendung von Antennen in diesen sehr
schmal bauenden Elementen ist problematisch, da die Abstrahleigenschaften
in Kantenrichtung wegen der in dieser Richtung kleinen Apertur stark
eingeschränkt sind.
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Die
US-PS
5,191,351 beschreibt eine Reihe von gefalteten Breitbandantennen
mit symmetrischer Strahlungscharakteristik. Die vorgeschlagenen
logarithmisch-periodischen Antennen sind grundsätzlich zum Einbau an Flügelkanten
geeignet und ihre Antennendiagramme entsprechen den gewünschten Anforderungen.
Die Speisung der Antennen erfolgt an der Faltkante, wodurch sich
bauartbedingte Einschränkungen
ergeben.
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Bei modernen Flugzeugen besteht die
Vorderkante von Tragflächen
und Leitwerken aus einer scharfen durchgehenden Metallkante, um
einerseits die scharfen Kanten festigkeitsmäßig zu beherrschen, die für die Anforderungen
an geringer Radarerkennbarkeit erforderlich sind, und andererseits
einen ausreichenden Blitzschutz der Antennen durch eine niederohmige
galvanische Verbindung zur Struktur zu gewährleisten. Die in der genannten Druckschrift
beschriebenen Antennen können
diese Anforderungen nicht erfüllen.
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Aus der
EP 0 996 191 A2 ist eine
Notch-Antenne bekannt geworden, die in Form einer leitfähigen Fläche in einer
aerodynamischen Wirkfläche
integriert ist und deren Bezugspotential durch eine weitere leitfähige Fläche gebildet
wird, die von der ersteren mittels eines Streifens aus dielektrisch
wirksamen Material beabstandet angeordnet ist. Die mit dieser Antenne
in Richtung der Kanten erzielbare Abstrahlung entspricht jedoch
nicht den gewünschten Vorgaben.
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Die
DE 22 12 647 B2 beschreibt eine Nutantenne,
die zur Anbringung an aerodynamischen Wirkflächen geeignet ist. Problematisch
ist hierbei die Position des Einspeisepunktes in unmittelbarer Nähe der Faltkante,
die die Einspeisung nur bei größeren Winkeln
der Teilflächen
der Antenne erlaubt.
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Ähnlich
wirkt die in der
US 4 371 875 vorgeschlagene
Antenne, deren Einspeisepunkt im Bereich der Kante oder Spitze liegt
oder von der Kante oder Spitze gebildet wird. Eine Anwendung im
Bereich einer scharfen Flügelkante
scheitert deren Anwendung am erforderlichen Platzbedarf im Inneren des
Flügels.
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Eine weitere Variante einer für aerodynamische
Wirkflächen
geeigneten Antenne zeigt die
US
3 039 095 . Die Wirkfläche
darf in diesem Fall scharfe Kannten aufweisen. Da die Antennenelemente
jeweils auf den Seitenflächen
der aerodynamischen Wirkfläche
angeordnet sind, ergeben sich hieraus Verluste bei der Abstrahlung
in Richtung der Kanten.
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung,
eine Antennenbauform mit angenäherter
Rund strahlcharakteristik anzugeben, die für den Einbau an scharfkantigen
Tragflächen-,
Leitwerks- oder Ruderkanten geeignet ist.
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Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden
Teil des Anspruch 1 angegeben Merkmale gelöst.
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Die aerodynamische Wirkfläche besteht
im Bereich der Strukturantenne aus dem dielektrisch wirksamen Material
einer nichtleitenden Schicht. Die leitfähige Fläche der Strukturantenne ist
ganz oder zumindest teilweise von einem Bereich der nichtleitenden
Schicht umgeben, der vorzugsweise die Form eines Streifens haben
kann. Die Strukturantenne wird in dem der Faltkante abgewandten
Bereich der leitenden Fläche
gespeist, so dass die Stromrichtung senkrecht zur Faltkante verläuft und
der Wellenwiderstand an der Faltkante sehr viel niedriger ist als
im Bereich der kantenfernen Enden der Strukturantenne. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Strukturantenne weist gegenüber dem
Stand der Technik eine Reihe von Vorteilen auf. Die Speisung erfolgt
nicht an der Faltkante, sondern entfernt von der Kante in einem Bereich
des Flügels
oder Leitwerks, in dem aufgrund der zunehmenden Dicke der Struktur
der Einbau und Anschluss der Strukturantenne erleichtert wird. Die Möglichkeit
einer leitenden Verbindung zwischen der Strukturantenne und der
mit der Struktur verbundenen Faltkante erweist sich als wesentlicher
Vorteil wegen des Blitzschutzes und bei der Fertigung von Flugzeugen,
die aus Festigkeitsgründen
mit einer metallischen scharfen Kante ausgerüstet sein müssen. Die scharfe Kante beinhaltet
günstige Stealth-Eigenschaften,
da der Radarrückstreuquerschnitt
nur wenig verschlechtert wird. Weiterhin kann diesbezüglich eine
Verbesserung dadurch erzielt werden, dass die Kanten der aus metallisch
leitenden Flächen
bestehenden Strukturantenne schräg
zur Hauptbedrohungsrichtung, die der Flugrichtung entspricht, gestellt
werden und dadurch, dass die Zwischenräume zwischen der Strukturantenne
und der leitenden Oberflächenschicht
der aerodynamischen Wirkfläche
sehr klein gewählt
werden dürfen.
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Einige Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Strukturantenne
sind in der Zeich- nung schematisch vereinfacht dargestellt und
werden nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
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1a eine
Draufsicht auf eine rechteckförmige
Strukturantenne, die an der Kante einer aerodynamischen Wirkfläche angeordnet
ist,
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1b eine
Alternative zu 1a ,
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2a eine
rautenförmige
Strukturantenne,
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2b eine
Alternative zu 2a,
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3a eine
kreisförmige
Strukturantenne,
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3b eine
Alternative zu 3a,
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4a eine
asymmetrische Speisung einer Strukturantenne,
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4b eine
Speisung mit Zwangssymmetrierung,
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4c eine
Speisung ohne Zwangssymmetrierung.
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Anhand der Ia und
der 4a wird der grundsätzliche
Aufbau der erfindungsgemäßen Strukturantenne,
die auf einer aerodynamischen Wirkfläche 3 angeordnet ist,
erläutert.
Eine aerodynamische Wirkfläche 3 in
Gestalt einer Tragfläche,
eines Leitwerks oder einer Ruderklappe, die zu einem unbemannten
Fluggerät
oder einem Flugzeug gehören,
weist eine scharfe Faltkante 4 auf, um die herum die Strukturantenne 1 angeordnet
ist. Die Ia zeigt hierbei als Draufsicht
nur eine Hälfte
der Strukturantenne 1, die andere Hälfte liegt symmetrisch zur Faltkante 4 auf
der hier nicht sichtbaren Seite der aerodynamischen Wirkfläche 3.
Die 4a zeigt den zu Ia gehörenden
Schnitt durch die Strukturantenne 1. Die aerodynamische
Wirkfläche
weist zumindest im Bereich der Strukturantenne 1 eine Grundschicht 6, 12 aus
einem elektrisch isolierenden Material wie Kunststoff oder Keramik
auf. Der leitende Teil der Strukturantenne 1 besteht aus
einer leitfähigen Fläche 9, 11 wie
sie beispielsweise durch Metallisierung der Oberfläche der
nichtleitenden Schicht 6, 12 oder in Form eines
Blechteils erzeugt werden kann. Diese leitfähige Fläche 9 ist im Ausführungsbeispiel nach Ia nicht mit der entlang der Wirkfläche durchlaufenden
Faltkante 4 elektrisch verbunden. Sie kann aber, wie in 1b, 2b und 3b dargestellt, mit
der Faltkante 4 und damit auch mit der Struktur des Fluggeräts bzw.
-Zeugs leitend verbunden sein. Wenn sie, wie in Ia, 2a und 3a dargestellt, von der Faltkante 4 isoliert
ist, endet die leitfähige
Fläche 9 in
unmittelbarer Nähe
der Falt kante 4. Die Speisung der Strukturantenne 1 ist
in den 4a, 4b und 4c in verschiedenen Varianten dargestellt,
sie erfolgt auf der der nichtleitenden Schicht 6 zugewandten Seite
der leitfähigen
Fläche 9, 11.
Der Einspeisungsort ist bedarfsweise in der oberen oder unteren
Hälfte des
in Ia abgebildeten Teils der Strukturantenne 1.
Die Strukturantenne 1 ist zumindest teilweise von einem
Bereich der nichtleitenden Schicht 6, 12 umgeben,
der im Ausführungsbeispiel
die leitfähige
Fläche 9, 11 in
der Form eines Streifens umgibt. Außerhalb des Bereichs der nichtleitenden
Schicht 6, 12 ist die Strukturantenne 1 von
einer leitfähigen
Oberfläche 2 umgeben,
die auf der nichtleitenden Schicht 6, 12 aufliegt
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Das Grundprinzip der hier verwendeten Strukturantenne
besteht darin, dass ein flächiger
Resonator mit einer Seitenlänge
von etwa 1/2 der Betriebswellenlänge λ auf einem
nichtleitenden Basismaterial wie Kunststoff oder Keramik oder über einem
Luftraum angeordnet ist. Für
die Berechnung der Stromverteilung auf dem flächigen Resonator, die der Abstrahlcharakteristik
zugrunde liegt, wird vorausgesetzt, dass das Bezugspotential in
einem spitzen Winkel zur flächigen
Ausdehnung des Resonators verläuft.
Bei der vorliegenden Erfindung reduziert sich der Abstand zu diesem
Potential von den entfernt zur Faltkante 4 liegenden Enden
der Strukturantenne 1 bis hin zur Faltkante 4 selbst.
Als Folge davon ist der Wellenwiderstand im Bereich der Enden groß und im
Bereich der Faltkante 4 sehr klein. Damit ändert sich
umgekehrt proportional zum Wellenwiderstand auch die Stromverteilung über der Strukturantenne.
Der Stromfluss 5 im Bereich der Faltkante 4, d.
h. der Mitte der gefalteten Strukturantenne, wird gegenüber den üblichen
Patch-Antennen nach dem Stand der Technik größer. Deshalb verstärkt sich
dort auch die an sich geringe Abstrahlung in Richtung der Faltkante 4.
Somit wird in einer gedachten Ebene, die in Flugrichtung quer zur
aerodynamischen Wirkfläche
liegt, näherungsweise
eine Rundstrahlcharakteristik erreicht. Zusätzlich kann eine Erhöhung der
Stromdichte im Bereich der Faltkante 4 dadurch erreicht
werden, dass sich die von der Strukturantenne 1 bedeckte
Fläche
proportional zu deren Breite B mit zunehmendem Abstand von der Kante 4 verkleinert.
Beispiele hierfür
sind in den 2a, 2b, 3a und 3b dargestellt.
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Die Strukturantenne 1 ist,
wie oben bereits beschrieben, eine aus der bekannten Microstrip-Patch-Antenne
abgeleitete Bauform, die in 1a schematisch
vereinfacht dargestellt ist. Sie ist in ihrem Mittelbereich derart
gefaltet, dass sie die Kante einer Tragfläche, eines Leitwerks oder eines Ruders
umschließt.
Die 2a, ..., 3b zeigen verschiedene Bauformen
derartiger Strukturantennen 1 in der Draufsicht. Wie bei
derartigen Strukturantennen üblich,
können
dabei verschiedene Strukturantennenflächenformen wie quadratisch,
rechteckig, drei-eckig, rautenförmig,
kreisförmig,
elliptisch oder ähnliche
zum Einsatz kommen.
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Wird jedoch an die Strukturantenne
die Anforderung der geringen Radarerkennbarkeit gestellt, werden
Formen mit zur Flugrichtung schräg
gestellten Rändern 7 der
leitfähigen
Flächen 9 der
Strukturantenne 1 bevorzugt. Die Funktionalität dieser
Anordnung ist durch gute Messergebnisse bestätigt worden.
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Aus konstruktiven Gründen werden
bei Flugzeugen häufig
die Kanten der im wesentlichen aus Kunststoff bestehenden Tragflächen, Leitwerke
oder Ruder mit Metallschienen verstärkt. Diese Metallschienen dürfen aus
Festigkeitsgründen
nicht unterbrochen und auch nicht durch nichtleitende Kunststoffelemente
ersetzt werden. Somit ist eine leitende Verbindung mit der übrigen metallisierten
Struktur über
diese Kante gegeben. Da die erfindungsgemäße Strukturantenne 1 im Bereich
der Faltkante 4 eine Spannungsnullstelle aufweist, ist
eine leitende Verbindung zwischen der Strukturantenne 1 und
der metallischen Faltkante 4, wie in den Anordnungen gemäß der 1b, 2b, 3b,
realisierbar und auch nicht nachteilig. Diese Ausführungsformen
werden bevorzugt verwendet, weil sie die Anforderungen an Festigkeit
der Faltkante und an den Blitzschutz gut erfüllen. Bei einer Erdung im Mittelbereich
der Strukturantenne 1 ist allerdings eine erdfreie Einspeisung
zur Vermeidung von Unsymmetrien durch die Bildung von Erdschleifen
zwingend erforderlich.
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Die 4a zeigt
den einfachsten Fall einer unsymmetrischen Speisung der metallischen
flächenförmigen Strukturantenne 11 am
Einspeisepunkt 13. Der Einspeisepunkt liegt hierbei in
dem Bereich der leitenden Fläche 11 der
Strukturantenne 1, der am weitesten von der Faltkante 4 entfernt
ist. Die metallische Faltkante 4 ist in diesem Fall von
der leitfähigen
Oberfläche
der Tragfläche
isoliert, wie in Ia, 2a und 3a dargestellt.
Im Innenbereich der Strukturantenne befindet sich eine bis fast
in die Faltkante 4 reichende Metallfläche 14, die mit dem
Mantel der koaxialen Zuleitung 15 verbunden ist und somit
das elektrische Bezugspotential zur leitenden Fläche 11 bildet. Zusätzlich ist
angedeutet, dass die nichtleitende Schicht 12 bis in die
Nähe der
Strukturantenne mit einer leitfähigen
Beschichtung 16 versehen sein kann, wobei ein Streifen
der nichtleitenden Schicht 12 freigelassen wird.
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Die 4b zeigt
eine bevorzugte Bauform mit einer symmetrischen Speisung unter Verwendung
des an sich bekannten Lindenblad-λ/4
-Sperrtopfes 17. Durch diese Art der Einspeisung ist die
Erdung der leitenden Fläche
der Strukturantenne 11 an der Faltkante 4 unkritisch.
Gemäß 4b erfolgt die Einspeisung über die
symmetrisch angeordneten Einspeisepunkte 13a und 13b,
die ebenfalls in dem Bereich der leitenden Fläche 11 der Strukturantenne 1 liegen,
der am weitesten von der Faltkante 4 entfernt ist. Die
metallische Faltkante 4 ist über den λ/4-Sperrtopf 17 zwangsweise
symmetriert. Die leitfähige
Fläche 11 der
Strukturantenne wird an der metallisch Faltkante 4 geerdet
bzw. zwangsweise symmetriert, da die Einspeisung durch den λ/4-Sperrtopf 17 erdfrei
erfolgt.
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Wie in 4c dargestellt,
kann auf eine Metallfläche 14,
die in dem Ausführungsbeispiel
nach 4b von der Faltkante 4 zum
Sperrtopf 17 verläuft, auch
verzichtet werden. Die Speisung erfolgt dann direkt aus der Zuleitung 15 über den
Sperrtopf 17 und die Anschlüsse 13a und 13b,
die auch in dem Bereich der leitenden Fläche 11 der Strukturantenne 1 liegen,
der am weitesten von der Faltkante 4 entfernt ist. Hiermit
wird ein besonderer Vorteil für
die Fertigung erzielt, da diese Metallfläche 14 schwierig in
der keilförmigen
Flügelstruktur
einzubringen ist. Aufgrund der erdfreien Speisung und der Erdung
an der Faltkante 4 ergibt sich von selbst eine gute Symmetrierung,
da sich im Bereich der gedachten Symmetrielinie (strichpunktiert
dargestellt) innerhalb der Struktur ein Nullpotential ausbildet.
Die Reduzierung des Wellenwiderstandes zur Faltkante 4 hin
ergibt sich in der gleichen Weise wie in den vorher genannten Beispielen.
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In den 1b, 2b und 3b sind jeweils Varianten zu den bereits
beschriebenen Bauformen dargestellt, bei denen die leitfähige Fläche 9 zumindest
mit der metallischen Faltkante 4, die längs der aerodynamischen Wirkfläche 3 verläuft, und
auch mit der leitfähigen
Oberfläche 2 der
aerodynamischen Wirkfläche
selbst verbunden ist. Sollte die nichtleitende Schicht 12 um
die Strukturantenne herum nicht metallisiert sein, so ist zumindest
die leitende Verbindung zwischen der leitfähigen Fläche 9 und der Faltkante 4 gegeben,
die ihrerseits mit der Struktur auf gleichem Potential liegt.