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Die
Erfindung betrifft eine Antenne für ein Seefahrzeug, insbesondere
für ein
Unterseeboot.
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Gegenwärtig sind
zum Empfang und zur Aussendung von Signalen auf Seefahrzeugen, insbesondere
auf Unterseebooten, lang und dünn
ausgestaltete Stab- oder Peitschenantennen bekannt. Zur Kommunikation
mittels Hochfrequenzsignalen im Kurzwellenbereich müssen diese
Antennen dabei eine Mindestlänge
von mehreren Metern aufweisen, die für eine brauchbare Signalqualität (bzw.
Reichweite) nicht unterschritten werden kann. Prinzipiell lassen
sich mit sehr langen Antennen gute Sende- und Empfangseffizienzen
erreichen; sehr lange Antennen jedoch weisen beim Einsatz auf Seefahrzeugen
deutliche Nachteile auf. So ist es schwierig, die Antennen bei widrigen
Umweltbedingungen wie etwa starkem Wind zu betreiben, da diese dem
Wind große
Angriffsflächen
und lange Krafthebel bieten, wodurch die Antenne oder das Seefahrzeug
leicht beschädigt
werden können. Ähnlich problematisch
erweist sich Seeschlag für
diese Antennen. Besonders problematisch ist insbesondere bei Unterseebooten die
Anströmung
von Seewasser beim Abtauchen, da hier enorme Kräfte auf die Antenne wirken
können.
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Es
ist Aufgabe der Erfindung, eine Antenne zu schaffen, welche den
rauen Bedingungen, wie sie auf See herrschen, standhält und die
einen guten Wirkungsgrad für
die Aussendung bzw. den Empfang elektromagnetischer Signale gewährleistet,
und das auch bei widrigen Umge bungsbedingungen, wie starkem Wind,
Anströmung
durch Wasser oder Seeschlag. Darüber
hinaus ist es Aufgabe der Erfindung, eine Antenne für den Betrieb
mit den oben genannten Vorzügen
für ein
Seefahrzeug, insbesondere ein Unterseeboot, zu schaffen, welche
platzsparend an Bord des Seefahrzeuges gelagert werden kann. Dabei
soll die Antenne möglichst
einfach und kostengünstig
realisierbar sein.
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Erfindungsgemäß wird diese
Aufgabe durch die Verwendung einer Antenne mit Käfigstruktur erreicht. Eine
Antenne mit den in Anspruch 2 angegebenen Merkmalen löst dabei
vorteilhaft den weiteren Teil der Aufgabe. Bevorzugte Ausführungsformen sind
in den zugehörigen
Unteransprüchen,
der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird für ein Seefahrzeug, insbesondere
für ein
Unterseeboot, eine Antenne mit Käfigstruktur
verwendet. Die Käfigstruktur
hat einerseits den Vorteil, dass für Hochfrequenzwellen mit einer
Wellenlänge
von etwa 150 Metern die Käfigstruktur
als eine nahezu geschlossene Oberfläche betrachtet werden kann,
sofern die Abmessungen der Zwischenräume in der Käfigstruktur
zumindest eine Größenordnung
unterhalb der Hochfrequenzwellenlänge liegen. Die Antenne weist
auf diese Weise einen Strahlungswiderstand auf, der dem einer deutlich
längeren
Peitschenantenne entspricht. Für
eine vergleichbar effiziente Aussendung bzw. einen vergleichbar
effizienten Empfang kann eine Antenne mit Käfigstruktur daher deutlich
kürzer
als eine Peitschenantenne ausgelegt werden. Zum anderen widersteht
die Antenne vorteilhaft insbesondere der Anströmung durch Seewasser, starker
Windbelastung und Seeschlag, da der Käfig für Wind und Wasser eine nahezu
vollständig
durchlässige
Struktur aufweist.
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Bei
Antennen, die als Ausfahrgerät
an Unterseebooten angeordnet sind, ist dies insbesondere in Anbetracht
der mitunter langen Ein- und Ausfahrzeit der Antenne relevant. Hier
kann die Antenne auch während
des Abtauchvorganges eingefahren bzw. während des Auftauchvorganges
ausgefahren werden, da die Antenne mit Käfigstruktur vom Wasser durchströmt wird
und bei hoher Eigenstabilität
vergleichsweise geringen Strömungswiderstand
bietet. Bei einer solchen Antenne ist somit die Gefahr einer Beschädigung der
Antenne oder ihres Lagers am Unterseeboot nicht gegeben. Mittels
einer Käfigstruktur kann
eine Antenne also gleichzeitig sowohl kompakt als auch mit einem
guten Wirkungsgrad behaftet ausgelegt werden.
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Vorteilhaft
weist die erfindungsgemäße Antenne
für ein
Seefahrzeug, insbesondere für
ein Unterseeboot in einem Betriebszustand eine Käfigstruktur und in einem Bereitschaftszustand
gegenüber
der Käfigstruktur
verringerte Abmessungen auf. Die Antenne kann also mindestens zwei
Zustände
einnehmen, einen Betriebszustand mit einer Käfigstruktur, in welchem die
Antenne die oben geschilderten Vorzüge besitzt, und einen Bereitschaftszustand,
in welchem die Antenne platzsparend aufbewahrt werden kann.
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Vorzugsweise
weist die Antenne elektrisch leitende Stäbe auf. Mittels der elektrisch
leitenden Stäbe
kann im Betriebszustand leicht eine Käfigstruktur gebildet werden.
Dies kann auf unterschiedliche Weisen geschehen: In einer bevorzugten Ausführungsform
wird die Käfigstruktur
durch elastisches Biegen der Stäbe
gebildet. Dabei können
die Stäbe
beispielsweise im Bereitschaftszustand als ungebogene, beispielsweise
zylindrische Stäbe
vorliegen. Wird eine Mehrzahl solcher Stäbe elastisch gebogen, so können die
gebogenen Stäbe
gemeinsam einen Raumbereich begrenzen und so eine Käfigstruktur
ausbilden. Alternativ können
wesentliche Teile der Antenne im Bereitschaftszustand als gebogene
Stäbe vorliegen.
Durch elastisches Biegen lassen sich die Stäbe in eine geänderte gebogene
Form oder aber in gerade Stäbe überführen, wobei
die Antenne ihren Betriebszustand einnimmt. Auch in diesen Fällen kann über das
elastische Biegen der Stäbe
eine Käfigstruktur
gebildet werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
weisen die Stäbe
Gelenke auf, wobei die Antenne durch Beugung der Gelenke vom Betriebs-
in den Bereitschaftszustand oder vom Bereitschaftszustand in den
Betriebszustand überführbar ist.
Beispielsweise können
die Stäbe
im Bereitschaftszustand als im Wesentlichen gerade Stäbe mit ungebeugten
Gelenken vorliegen. Die Überführung in
den Betriebszustand kann dann durch Beugung der Gelenke erfolgen,
sodass die Stäbe
abgewinkelte Elemente aufweisen. Mit diesen Stäben lässt sich dann ein Raumbereich
begrenzen und entsprechend eine Käfigstruktur ausbilden. Alternativ
können
die Stäbe
bereits im Bereitschaftszustand abgewinkelte Elemente aufweisen,
wobei sich diese Winkel bei der Überführung der
Antenne vom Bereitschaftszustand in den Betriebszustand ändern. Beispielsweise
können
diese Winkel im Betriebszustand verschwinden, wobei die geraden
Stäbe mit
umgebeugten Gelenken die Käfigstruktur
aufspannen.
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Bevorzugt
sind bei der Antenne die Stäbe
an ihren Enden miteinander verbunden und im Bereitschaftszustand
im Wesentlichen parallel angeordnet. Dabei sind die Stäbe durch
eine Verringerung des Abstandes der Enden in eine Käfigstruktur
als Betriebszustand überführbar. Vorzugsweise
erstrecken sich die Stäbe
im Bereitschaftszustand entlang einer gemeinsamen Achse. Damit lassen
sich die Stäbe
im Bereitschaftszustand platzsparend nebeneinander anordnen. Wird
der Abstand der Enden der Stäbe verringert,
so können
sich, etwa durch elastisches Biegen oder durch die Beugung von Gelenken,
Teile oder Teilbereiche der Stäbe
von der Achse beabstanden und eine Käfigstruktur bilden, sodass
die Antenne in den Betriebszustand überführt wird.
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Bevorzugt
ist die Antenne als Ausfahrgerät eines
Unterseebootes ausgebildet und weist im eingefahrenen Zustand den
Bereitschaftszustand auf. Bei Unterseebooten ist man bestrebt, die
Abmessungen von Ausfahrgeräten
aufgrund der räumlichen
Beschränkungen
besonders gering zu halten. In diesem Bereitschaftszustand weist
die Antenne dazu gegenüber
der Käfigstruktur
verringerte Abmessungen auf, sodass die Lagerung der Antenne im
eingefahrenen Zustand deutlich erleichtert ist. Weiter bevorzugt weist
die Antenne in ihrem Bereitschaftszustand eine im Wesentlichen zylindrische
Gestalt mit hohem Aspektverhältnis
auf.
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In
bevorzugter Ausgestaltung weist die Antenne an den Enden der Stäbe angeordnete
Halterungen und mindestens ein Zugmittel auf, durch welches der
Abstand beider Halterungen zueinander verändert werden kann. Auf diese
Weise lassen sich die Enden der Stäbe leicht einander annähern, sodass
eine Betätigung
des Zugmittels die Antenne effizient vom Bereitschafts- in den Betriebszustand bzw.
vom Betriebs- in den Bereitschaftszustand überführen kann. Darüber hinaus
kann ein solches Zugmittel vorteilhaft verwendet werden, um die Überführung von
einem Zustand in den jeweils anderen Zustand einer als Ausfahrgerät ausgestalteten
Antenne zu bewerkstelligen. Auf diese Weise kann die Zustandsüberführung gleichzeitig
mit Aus- oder Einfahrt eines Ausfahrgerätes durchgeführt werden;
beispielsweise kann die Zustandsüberführung automatisch
bei einer bestimmten Ausfahr- oder Einfahrposition des Ausfahrgerätes erfolgen.
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Bevorzugt
weist die Antenne an mindestens einem Ende der Stäbe mindestens
ein Mittel zur Einspeisung oder zur Aufnahme von elektrischer Energie
auf. Auf diese Weise kann eine besonders effiziente Einspeisung
bzw. Aufnahme der elektrischen Energie erfolgen, da sich die Stäbe im Betriebszustand
gerade an den Enden berühren
und elektrisch leitend verbunden sind. Damit können die Einspeise- bzw. Aufnahme mittel
platzsparend ausgelegt werden, da die Stabenden unabhängig von
dem Zustand, den die Antenne einnimmt nur gering voneinander beabstandet
sind. Insbesondere bei einem symmetrischen Aufbau der Käfigstruktur
einer solchen Antenne kann das bevorzugte Ende zur Einspeisung bzw.
Aufnahme der elektrischen Energie frei gewählt werden. Prinzipiell kann
auch an beiden Stabenden jeweils eine Einspeisung bzw. Aufnahme für elektrische
Energie vorgesehen sein, falls dies aus Gründen der Ausfallsicherheit
oder aus anderen Gründen
geeignet erscheint.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist die Antenne eine
Dachkapazität
auf. Ferner bevorzugt ist die Antenne zudem als Ausfahrgerät eines Unterseebootes
ausgebildet und die Dachkapazität derart
ausgestaltet, dass die Dachkapazität im Bereitschaftszustand mit
der Außenhaut
des Unterseebootes abschließt.
Somit kann der Strahlungswiderstand der Antenne vergrößert werden,
ohne dass dazu eine Verlängerung
der Antenne erforderlich ist. Zweckmäßigerweise dient die Dachkapazität bei einer
als Ausfahrgerät
eines Unterseebootes ausgestalteten Antenne als Deckel des Ausfahrgeräteschachts
der Antenne.
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Bevorzugt
ist die Antenne für
die Aussendung und/oder den Empfang von elektromagnetischen Hochfrequenzwellen,
vorzugsweise mit einer unteren Grenzfrequenz von zwei Megahertz,
dimensioniert.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es
zeigen:
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1A eine
als Ausfahrgerät
eines Unterseebootes ausgestaltete Antenne, welche sich im eingefahrenen
Zustand und in ihrem Bereitschaftszustand befindet und
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1B dieselbe
Antenne im ausgefahrenen Zustand und in ihrem Betriebszustand jeweils
in vereinfachter schematischer Darstellung.
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Die
in 1A dargestellte Antenne 5 weist im Bereitschaftszustand
acht parallel angeordnete leicht gebogene Stäbe 10 auf. Die Stäbe 10 bestehen aus
glasfaserverstärktem
Kunststoff (GFK) und weisen jeweils einen Durchmesser von etwa 20
mm auf. Die Stäbe 10 enthalten
eine Kupferseele und besitzen daher die zur Aussendung bzw. zum
Empfang von elektromagnetischen Wellen erforderliche elektrische
Leitfähigkeit.
Die acht Stäbe
sind derart angeordnet, dass sich ihre Querschnitte gleichmäßig auf einem
Kreis mit 90 mm Durchmesser verteilen. Die Stäbe 10 besitzen eine
Länge von
etwa 4 Metern. Die Enden der Stäbe 10 sind
jeweils in einer von zwei Halterungen 15 eingefasst. Die
Antenne 5 ist daher prinzipiell in einem zylindrischen
Raumabschnitt mit einem Durchmesser kleiner als 200 mm unterbringbar.
Die Antenne 5 ist als Ausfahrgerät ausgebildet und in einem
Ausfahrgeräteschacht 20 eines
Unterseeboots gelagert, in welchem sie im eingefahrenen Zustand
vollständig
versenkt ist. Im eingefahrenen Zustand liegt die Antenne 5 daher
vollständig
innerhalb der Außenhaut 25 des
Unterseeboots.
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Zum
Ein- und Ausfahren der Antenne 5 ist die Antenne 5 mit
ihrer in den Figuren unteren (dem Schachtboden nahen) Halterung 15 an
einem Führungskörper 30 angeordnet,
welcher in dem Ausfahrgeräteschacht 20 entlang
der Schachtachse verfahrbar ist. Der Führungskörper 30 wird zum Ein-
und Ausfahren von einem am Boden des Schachts 20 angeordneten
Radialkolbenmotor 35 mittels eines Spindelantriebs angetrieben.
Anstelle eines Radialkolbenmotors 35 kann auch ein anderer
Hydraulikmotor oder ein Elektromotor verwendet werden. Zum Antrieb
des Führungskörpers 30 dreht
der Radialkolbenmotor 35 eine Spindel 40. Die
Spindel 40 erstreckt sich dazu über nahezu die gesamte Höhe des Schachts 20.
Die Spindel 40 ist koaxial zur Schachtachse angeordnet, sodass
die Stäbe 10 im eingefahrenen
Zustand die Spindel 40 umfänglich umgeben. Zum Antrieb
weist der Führungskörper 30 eine
fest damit verbundene Spindelmutter 45 auf, durch welche
die Spindel 40 durchgeführt
ist. Die Drehung der Spindel 40 durch den Radialkolbenmotor 35 wird
mittels der Mutter 45 in eine axiale Bewegung des Führungskörpers 30 im
Schacht 20 übersetzt.
Dabei ist der Führungskörper 30 in
dem Schacht drehfest gelagert, da sowohl der Führungskörper 30 als auch der
Schacht 20 mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet
sind. Auf diese Weise kann die Antenne 5 aus dem Schacht 20 des
Unterseeboots ausgefahren und in den Betriebszustand überführt werden
und umgekehrt.
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Zum
Ausfahren der Antenne 5 aus dem Ausfahrgeräteschacht 20 bewegt
sich der Führungskörper 30 durch
Rotation der Spindel 40 in schachtauswärtige Richtung. Entsprechend
wird mit dem Führungskörper 30 die
untere Halterung 15 der Antenne 5 schachtauswärts verschoben.
Die in den Figuren obere (vom Schachtboden entferntere) Halterung 15 der
Antenne 5 ist mit dem Führungskörper 30 über ein
Rohr 50 verbunden, welches die Spindel 40 umgibt.
Das Rohr 50 kann also über
einen weiten im Schachtinneren gelegenen Bereich mit dem Führungskörper 30 im
Ausfahrgeräteschacht 20 axial verfahren
werden. Beim Ausfahren der Antenne 5 verhindert jedoch
ein Anschlag (in der Zeichnung nicht dargestellt) das vollständige Ausfahren
des Rohres 50. Dieser Anschlag ist am äußeren Ende der Spindel 40 angeordnet
und als umfänglich
die Spindelachse umgebender Ring ausgestaltet, welcher einen größeren Durchmesser
als die Spindel 40 aufweist. Im Rohr 50 ist korrespondierend
zu diesem Anschlag an seinem unteren (dem Schachtboden nahen) Ende
ein Ring als Anschlag angebracht. Dieser Ring gelangt bei nahezu
vollständiger
Ausfahrt des Rohres 50 an dem Anschlag der Spindel 40 zur
Anlage, sodass dann zwar die untere Halterung 15 weiter aus
dem Schacht ausfährt,
aber die obere Halterung 15 stehen bleibt, da sie durch
das Rohr 50 am weiteren Ausfahren gehin dert ist. Hierdurch
verringert sich der Abstand der Halterungen 15 der Antenne 5,
sodass sich die Stäbe 10 der
Antenne 5 biegen und zu einem räumlichen Gebilde aufspannen.
Die Richtungen der Stabbiegungen sind dabei durch eine geringe Vorbiegung
der Stäbe 10 vorbestimmt.
Die Stäbe 10 werden
durch die Abstandsverringerung der Halterungen 15 bei der
Ausfahrt elastisch derart gebogen, dass sich die Stäbe in ihrem
mittleren Bereich am weitesten radial von dem Rohr 50 beabstanden. Auf
diese Weise spannen die Stäbe 10 eine
Käfigstruktur
auf. Bei vollständig
ausgefahrener Antenne 5 nimmt diese ihren Betriebszustand
ein (1B), in welchem der größte Durchmesser senkrecht zur Achse
des Rohres 50 etwa 120 cm beträgt. Der Abstand der Halterungen 15 ist
im Betriebszustand auf 375 cm verkürzt. In diesem Betriebszustand
weist die Antenne 5 eine deutlich vergrößerte Oberfläche für Hochfrequenzwellen
auf, wodurch der Strahlungswiderstand der Antenne 5 im
Vergleich zu einer gleichlangen Stabantenne erheblich vergrößert ist.
Die Antennenlänge
(im Bereitschaftszustand) ist in diesem Ausführungsbeispiel mit ca. 4 Metern
für den
Hochfrequenzbereich recht gering. Der Strahlungswiderstand jedoch
ist aufgrund der Käfigstruktur
mit dem einer Peitschenantenne von ca. 7 Metern Länge vergleichbar.
Gegenüber
einer solchen Peitschenantenne weist die Antenne 5 zudem
eine deutlich größere Bandbreite
auf. Durch die Abmessungen der Antenne 5 in ihrem Betriebszustand
ist diese für
das Aussenden und den Empfang von Hochfrequenzwellen mit einer unteren
Grenzfrequenz von etwa 2 MHz bzw. mit einer Wellenlänge von
etwa 150 Metern bestimmt.
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Die
untere Halterung 15 weist zudem als Mittel zur Aufnahme
elektrischer Energie einen Speiseanschluss 55 auf, mittels
welchem die elektrische Energie der Antenne 5 aufgenommen
und beispielsweise über
Speiseleitungen an eine Auswerteelektronik weitergeleitet werden
kann. Dazu ist der Speiseanschluss 55 mit dem unteren Speisepunkt
der Antenne 5 leitend verbunden, welcher durch die Enden
der Stäbe 10 gebildet
wird. Die Antenne 5 stellt damit eine Empfangsantenne dar.
Zur Vergrößerung des Strahlungswiderstandes
der Antenne 5 ist an ihrem oberen Ende eine Dachkapazität 60 befestigt.
Diese ist durch einen elektrisch leitenden Deckel 60 realisiert,
der an der oberen Halterung 15 der Antenne angeordnet ist
und sich quer zum Rohr 50 erstreckt. Entsprechend vergrößert sich
im Betriebszustand der Strahlungswiderstand der Antenne 5.
Der Deckel 60 ist dabei derart bemessen, dass er den Schacht 20 bei
eingefahrener und im Bereitschaftszustand befindlicher Antenne 5 bedeckt.
Dabei schließt
der Deckel 60 mit der Außenhaut 25 des Unterseebootes bündig ab.
Alternativ kann die Dachkapazität 60 auch aus
mehreren einzelnen Stäben
gebildet sein, die im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse
der Antenne 5 orientiert sind.
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- 5
- Antenne
- 10
- Stäbe
- 15
- Halterung
- 20
- Schacht
- 25
- Außenhaut
eines Unterseebootes
- 30
- Führungskörper
- 35
- Radialkolbenmotor
- 40
- Spindel
- 45
- Spindelmutter
- 50
- Rohr
als Zugmittel
- 55
- Speiseanschluss
- 60
- Deckel
als Dachkapazität