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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abdeckung einer Antenne, insbesondere für Antennensysteme für die mobile Satellitenkommunikation.
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Stand der Technik
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Antennen sollen für den Gebrauch unter widrigen Umweltbedingungen, wie sie für Antennensystem der mobile Satellitenkommunikation vorliegen, sei es flugzeuggebunden, auf anderen Fahrzeugen montiert oder tragbar, abgedeckt sein, um eine Verschmutzung oder Beschädigung zu verhindern.
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Je nach Einsatzgebiet der Antenne ergibt sich eine Bandbreite an Schutzanforderungen, welche z.B. Feuchtigkeit, Regen, Sand, Staub, Chemikalien, Blitzschlag, Vogeleinschlag (bei Flugzeugen) u.v.m. umfassen kann. Ebenso wichtig wie die Schutzfunktion gegenüber den zuvor erwähnten Umweltfaktoren ist die elektrische bzw. hochfrequenztechnische Leistungsfähigkeit des Radoms (Abdeckung) der Antenne. Diese wird gekennzeichnet durch die elektrischen Verluste und die Kreuzpolarisationsunterdrückung.
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Die elektrischen Verluste sind sowohl reflexiver als auch dissipativer Natur. Während sich die dissipativen Verluste aus den dielektrischen Eigenschaften der verwendeten Materialien ergeben, sind die Reflexionen durch die Qualität des Hochfrequenzdesigns bestimmt. Durch geschickte Auswahl von Materialien, Geometrien und Konstruktionen kann man die reflexiven Verluste für einen gewünschten Einsatz- bzw. Frequenzbereich minimieren.
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Nach dem Stand der Technik werden mehrlagige Sandwich-Konstruktionen aus unterschiedlichen Verbundwerkstoffen und ähnlichen Materialien für eine Abdeckung (Radom) von Antennen gewählt. Der prinzipielle Aufbau und die Wirkungsweise einer Abdeckung für Antennen sind beispielsweise in
DE 199 02 511 A1 erläutert.
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Bei einem Radom in traditioneller Sandwich-Technik werden drei Lagen miteinander verbunden: Innenhaut, Radomkern (Dicke 1/4 der Wellenlänge, möglichst kleine Dielektrizitätskonstante) und Außenhaut. Bei zwei im Abstand von 1/4 der Wellenlänge hintereinander angeordneten Reflexionsschichten löschen sich die beiden entstehenden Teil-Reflexionen aus, da der Phasenunterschied der beiden Teilwellen 2·1/4 der Wellenlänge, d.h. 180° beträgt. Damit werden die Reflexionen der Welle an der Abdeckung gering gehalten. Die Herstellung dieser Radome verlangt ein entsprechendes Know-How an Klebe-, Laminier- und Verbundtechniken, sowie eine gut abgestimmte Auswahl der verschiedenen Materialien.
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Bei manchen Anwendungen ist das Radom auch gekrümmt, wie beispielsweise auf Flugzeugen, um die aerodynamischen Eigenschaften der auf dem Flugzeugrumpf befestigten Antenne zu verbessern. So ist aus
WO 2014/005691 A1 beispielsweise bekannt, das ein Radom, d.h. die Abdeckung einer Antenne, durch eine Krümmung Polarisationsanisotropien aufweisen kann, die dazu führen, dass das Achsenverhältnis zirkular polarisierter Signale beim Durchgang durch das Radom stark verändert wird.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, den Aufbau der Abdeckung gegenüber einer Sandwich-Bauweise zu vereinfachen. Diese Aufgabe wird durch die Abdeckung mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst.
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Dazu besteht die Abdeckung einer Antenne für elektro-magnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge aus einer Schicht mit periodisch angeordneten zellenartigen Ausprägungen. Von einer Oberseite oder Unterseite der Schicht betrachtet ist die Schicht innerhalb einer Ausprägung um einen Abstand von der Schicht außerhalb der Ausprägung beabstandet, wobei der Abstand in etwa 1/4 der Wellenlänge entspricht.
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In Strahlrichtung der Antenne, also orthogonal zur Apertur der Antenne weist die Schicht zellenartige Ausprägungen unterschiedlicher Form auf. Je nach Form der Ausprägungen ergeben sich in der Regel von beiden Seiten der Schicht unterschiedliche Ansichten der Ausprägung. Es ist jedoch auch denkbar bei exakt quadratischen und diagonal angeordneten Ausprägungen oder bei angeschrägten Ausprägungen von beiden Seiten gleiche Ansichten der Abdeckung zu erzeugen.
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Durch die Ausprägungen ergibt sich ein Art Pseudo-3-Lagen-Aufbau, welcher in Wirklichkeit aber nur aus einer Lage Material besteht. Die zwei virtuellen inneren und äußeren Lagen weisen aufgrund der Ausprägungen jeweils eine niedrigere effektive Dielektrizitätskonstante im Vergleich zu einem Vollmaterial auf, was sich vorteilhaft auf die Höhe und erzielbare Bandbreite der Reflexionsunterdrückung auswirkt. Die Tiefe der Ausprägungen bzw. der Abstand der Pseudo-Innen/Außen-Lagen zueinander wird – wie beim klassischen Sandwich-Radom – auf ca. 1/4 der Wellenlänge gesetzt, um Reflexionen zu minimieren. Die Abdeckung kann bidirektional betrieben werden, d.h. die Unter- oder die Oberseite der Abdeckung kann der Antennenapertur zugewandt sein bzw. für Sende- und Empfangsbetrieb werden ähnlich geringe Reflektionen erzielt.
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Vorteilhafterweise ist die Oberseite von einer Unterseite der Schicht durch weniger als 1/4 der Wellenlänge getrennt. Die Schicht ist also sehr dünn, insbesondere beträgt die Dicke der Schicht zwischen 0,5 und 3 mm. Hier wird ein Optimum zwischen mechanischer Stabilität (möglichst dicke Schicht) und geringen dissipativen Verlusten bzw. sich überlagernden Reflektionen an Unterseite und Oberseite der Schicht (möglichst dünne Schicht) gewählt.
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Nach weiteren vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung sind die Ausprägungen in x- und y-Richtung der Oberseite bzw. Unterseite symmetrisch ausgeformt und/oder die Ausprägungen derart zueinander angeordnet, dass in x- und y-Richtung der Oberseite bzw. Unterseite sich eine symmetrische Verteilung der Ausprägungen ergibt. Damit eignet sich die Abdeckung auch für elektro-magnetische Strahlung zirkularer Polarisation. Bei zirkularer Polarisation müssen beide orthogonalen Feldkomponenten gleich behandelt werden, ansonsten kommt es zu ungewünschten Kreuzpolarisationseffekten. Für rein lineare Polarisationen wären auch bezüglich der zwei Richtungen nicht-symmetrische, z.B. rechteckige, Ausprägungen bzw. Gruppen von Ausprägungen nutzbar.
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Eine weitere Fortbildung der Erfindung liegt vor, wenn eine Flächensumme von Oberseite und von Unterseite der Schicht etwa gleich ist. Damit sind die innerhalb und außerhalb der Ausprägungen reflektieren Signalstärken in etwa gleich, so dass die Auslöschungswirkung am besten ist.
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Um die Schichtdicke möglichst gering und die Stabilität der Abdeckung trotzdem hoch zu halten, ist vorteilhafterweise zusätzlich zu Seitenwänden zwischen Oberseite und Unterseite um die Ausprägung herum, zumindest eine Versteifung vorgesehen. Diese Versteifung verbindet die Oberseite und Unterseite zwischen zwei Ausprägungen. Ein weiterer fertigungstechnischer Vorteil ergibt sich, wenn die Versteifung an der Ausprägung eine größere Breite als von der Ausprägung entfernt aufweist. Damit ist die Abdeckung durch die Rundungen leichter fräsbar und die Kraftableitung zwischen den Ausprägungen wird verbessert. Alternative Herstellverfahren für die Abdeckung sind Tiefziehen, Spritzguss oder 3-D Druck, wobei hierfür die Seitenwände zwischen Ober- und Unterseite vorteilhafterweise leicht angeschrägt sind.
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Durch die regelmäßige Anordnung der Ausprägungen ist die Abdeckung insbesondere für Antennen, die aus einem Hornstrahlerfeld gebildet werden, geeignet. Ausprägungen und Hornstrahler können dann entsprechend zueinander ausgerichtet werden. Für eine Ausrichtung der Abstrahlcharakteristik eines Hornstrahlers zum Zentrum des Hornstrahlers hin, ist es vorteilhaft, wenn eine Versteifung oder eine Seitenwand an einem Zentrum eines Hornstrahlers angeordnet ist. Eine Versteifung oder eine Seitenwand enthält ein größeres Volumen an dem Material der Schicht. Alternativ ist ein Punkt (ein Mittelpunkt) der Schicht zwischen in x- und y-Richtung benachbarten Ausprägungen am Zentrum des Hornstrahlers ausgerichtet.
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Die Dimensionen der Ausprägung in x- und y-Richtung können relativ frei gewählt werden und stellt einen Kompromiss zwischen elektrischer Performance und mechanischer Stabilität dar. Je größer die Ausprägung, desto niedriger die effektive Dielektrizitätskonstante des Pseudo-Kerns (Hohlraums innerhalb der Ausprägung), desto niedriger die Reflexionen, desto niedriger das Gewicht, aber desto fragiler auch irgendwann die Struktur.
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Durch entsprechende mechanische Versteifungen wie in der vorliegenden Erfindung gezeigt, lässt sich ein guter Kompromiss aus mechanischer Stabilität und hoher elektrischer Performance erzielen. Das vorgestellte Radom bedient sich Formen, wie sie ähnlich bei Bienenwaben oder Eierkartons benutzt werden, um bei geringem Gewicht eine möglichst hohe mechanische Stabilität zu erreichen.
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Um die Reflektionen an der Abdeckung über das gesamte Hornstrahlerfeld gering und gleichmäßig zu verteilen, ist vorteilhafterweise eine Abmessung von Hornstrahler in x- und y-Richtung gleich einer Abmessung einer zellenartigen Ausprägung oder ein Vielfaches oder ein gerades Bruchteil davon.
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Die Ausprägungen sind vorteilhafterweise im Wesentlichen quadratisch, gern auch mit herstellungsbedingten Abrundungen im Übergang von Seitenwand zu Oberseite und/oder Unterseite oder zwischen den Seitenwänden, um die Herstellung durch Fräsen zu vereinfachen.
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Es hat sich herausgestellt, dass die Schicht aus Kunststoffen, wie z.B. Polypropylen, Polyethylen oder Polyamid bestehen kann, wobei aus diesen Materialgruppen insbesondere ein Material mit geringer Dielektrizitätskonstante gewählt wird.
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Für die getesteten Anwendungen, hervorzuheben ist hier eine Antenne, die an einem tragbaren Satellitenterminal für ein X-Band (7,25 GHz–8,40 GHz) montiert ist, hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn pro Quadratmeter mehr als 1000, für das X-Band bedeutet das beispielsweise zwischen 1000 und 1200, Ausprägungen angeordnet sind. Bei einer Optimierung der Abdeckung auf die Mittenfrequenz des X-Bandes beträgt die Breite einer Ausprägung ca. 3 cm. Bei einer solchen Anwendung für die Satellitenkommunikation wird die Abdeckung dichtend auf ein Hornstrahlerfeld der Antenne montiert. Das hier vorgestellte Radom ist optimiert für tragbare, mobile Anwendungen im X-Band, kann jedoch durch Umskalierung aber auch für andere Frequenzbereiche benutzt werden.
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Zum weiteren Schutz der Schicht der Abdeckung wird die Oberseite der Schicht mit einer UV-beständigen, keine Metallpartikel aufweisenden Schutzschicht lackiert. Die Dielektrizitätskonstante des Lackes sollte besonders gering, gern auch kleiner als die Dielektrizitätskonstante der Schicht sein.
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Kurze Figurenbeschreibung
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1 zeigt eine Antenne mit erfindungsgemäßer Abdeckung,
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2 zeigt einen Ausschnitt einer Antenne mit erfindungsgemäßer Abdeckung,
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3 zeigt Umrisse der Strukturen von Abdeckung und Hornstrahlerfeld der Antenne in Draufsicht,
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4–6 zeigen eine zellenartige Ausprägung der Abdeckung in unterschiedlichen Darstellungen,
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7–8 zeigen einen Ausschnitt der Abdeckung mit mehreren Ausprägungen,
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9 zeigt das Reflektionsverhalten der Abdeckung im X-Band.
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Eine Antenne 10 mit erfindungsgemäßer Abdeckung 1 ist in 1 in perspektivischer Darstellung gezeigt. Von der Antenne 10 ist insbesondere ein Hornstrahlerfeld 12 mit einer Vielzahl von Hornstrahlern 11 verdeutlicht. Zur Antenne 10 gehört weiterhin ein Speisenetzwerk, das die einzelnen Hornstrahler 11 mit einer Sende- und Empfangseinrichtung (nicht dargestellt) verbindet.
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Die Abdeckung 1 ist derartig an der Antenne 10 befestigt, dass eine Abdichtung erfolgt und Umwelteinflüsse den Betrieb der Antenne 10 nicht beeinflussen können. Die Abdeckung 1 besteht aus einer im Folgenden weiter erläuterten Schicht 2 aus Teflon und Abstützungen 2a aus dem gleichen Material, Letztere beabstanden die Schicht 2 von der Antenne 10, richten die Schicht 2 parallel zum Hornstrahlerfeld 12 aus und führen auch die Abdichtung herbei. Die Schicht 2 ist auf der Oberseite 4 mit einer Schutzschicht lackiert.
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Zwischen Hornstrahlerfeld 12 und Abdeckung 1 kann eine Mäander-Polarisationsschicht (nicht gezeigt) in dem dargestellten Hohlraum eingebracht werden. Die Mäander-Polarisationsschicht wandelt linear in zirkular polarisierte Wellen um.
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Die Schicht 2 und das Hornstrahlerfeld 12 sind im Wesentlichen eben, haben jedoch beide Strukturen, die senkrecht zu dieser Ebene ausgebildet sind. Diese Strukturen wurden durch Fräsen herausgearbeitet.
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Diese Strukturen sind 2 zu entnehmen. Die Hornstrahler 11 des Hornstrahlerfeldes 12 sind als Steghornstrahler mit zusätzlicher Rille 16 ausgebildet. Andere Hornstrahlerformen können jedoch auch zum Einsatz kommen.
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Der Steghornstrahler ist aperturseitig (in Richtung der Öffnungen der Hornstrahler 11) von einem durch die Rille 16 vom Steghornstrahler getrennten Einzelstrahlerrand 14 umgeben. Der Einzelstrahlerrand 14 ist dabei in einem Abstand von der Aperturfläche mit dem Einzelstrahler verbunden.
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Stege (Restriktionen) 15 des Steghornstrahlers senken die Cut-off Frequenz, so dass sich die Baugröße für die hier interessanten Frequenzbereiche verringern lässt. Die Rille 16 verbessert die Anpassung und verringert eine ungewünschte Kreuzpolarisation. Durch diese Anordnung kommt es zu einer Überlagerung einer Welle aus dem Steghornstrahler und der Welle aus der Rille 16, wobei die Rille 16 so dimensioniert wird, dass eine in die Rille 16 einlaufende und an einem Rillenende reflektierte Welle sich konstruktiv mit einer aus dem Steghornstrahler austretenden Welle überlagert.
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Der Einzelstrahlerrand 14 hat eine rechteckige Kontur (an den Ecken herstellungsbedingt abgerundet), in der der Steghornstrahler mittig angeordnet ist. Somit sind mehrere solche Einzahlstrahler leicht und ohne Platzverlust zum Hornstrahlerfeld 12 kombinierbar. Bei quadratischer Kontur des Einzelstrahlerrands 14 wird diese Kombination in beide Richtungen vereinfacht. Bei einer mittigen Anordnung des Steghornstrahlers erfolgt eine Ausrichtung der Abstrahlungscharakteristik zur Mitte des Einzelstrahlers hin. Zieht man in Betracht, dass bei einer E-Feld Einkopplung eine leichte Neigung der Abstrahlungscharakteristik zur Seite der E-Feld Einkopplung hin kompensiert werden sollte, könnte die Anordnung des Steghornstrahlers auch leicht versetzt zur Mitte erfolgen.
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Die Rille 16 hat zur Aperturfläche im Wesentlichen senkrechte Wände, d.h. die Rillen 16 öffnen sich direkt zur Aperturfläche und vermeiden eine Neigung, die ansonsten einen erhöhten Platzbedarf parallel zur Aperturfläche hervorrufen würde.
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Die Anzahl der benötigten Stege richtet sich nach der Anzahl der unterstützten Polarisationen. Der Steghornstrahler nach
2 hat vier Stege, die jeweils zum Steghornstrahlermittelpunkt ausgerichtet und kreuzweise angeordnet sind. Die Anordnung ist dabei in der Regel symmetrisch, so dass ein Winkelabstand zwischen zwei Stegen 180° oder 90° ist. Weitere Einzelheiten zum Steghornstrahler sind der
DE 10 2014 112 825 A1 entnehmbar.
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Eine mögliche Ausrichtung der Abdeckung 1 über dem Hornstrahlerfeld 12 ist 3 zu entnehmen. Die Konturen von Ausprägungen 3 der Abdeckung 1 in Bezug auf ein Zentrum 9 des Hornstrahlers 11 soll hiermit verdeutlicht werden. Nach 3 sind nicht die Ausprägungen 3 am Zentrum 9 des Hornstrahlers 11 ausgerichtet, sondern ihr Gegenstück – als abgerundetes Kreuz – zwischen den Ausprägungen 3. Damit liegen später erläuterte Versteifungen 8 über den Einzelstrahlerrändern 14. Diese Anordnung hilft bei der Entkopplung der Strahlungscharakteristiken benachbarter Hornstrahler 11 und sieht trotzdem eine hohe Materialdichte der Schicht 2 am Zentrum 9 vor.
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Alternativ kann die Versteifung 8 zwischen Ausprägungen 3 am Zentrum 9 des Hornstrahlers ausgerichtet sein. Hier würde die erhöhte Materialdichte der Abdeckung eine Ausrichtung der Abstrahlungscharakteristik eines Hornstrahlers zum Zentrum 9 hin bewirken.
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Die zuvor angedeuteten zellenartigen Ausprägungen 3 der Schicht 2 sind in den 4–6 verdeutlicht. Die Schicht 2 ist relativ dünn, hier 1,2 mm, im Vergleich zu einem Abstand d der Schicht 2, die durch die Ausprägung 3 zwischen Oberseite 4 und Unterseite 5 der Schicht 2 erzeugt wird.
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Von der Oberseite 4 (4) aus gesehen sind Versteifungen 8 jeweils zwischen Seitenwänden 7 der Ausprägung 3 zu benachbarten Ausprägungen (nicht dargestellt) erkennbar. Die Seitenwände 7 stehen senkrecht auf der zur Ober- 4 und Unterseite 5 der Schicht 2. Im Übergang von der Versteifung 8 zu einer Seitenwand 7 der Ausprägung 3 ist die Versteifung 8 breiter. Sowohl am Übergang von Versteifung 8 zur Seitenwand 7, als auch in der Ausprägung 3 zwischen den Seitenwänden 7 liegen Abrundungen 6 vor (siehe 5).
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In der Darstellung der Ausprägung 3 nach 5 ist die quadratische Grundform der Ausprägung 3 deutlicher zu sehen. Die Oberseite 4 (4) und die Unterseite 5 (5) der Schicht 2 sind jeweils eben, jedoch durch die Tiefe (Abstand d – 6) der Ausprägung 3 und die Dicke der Schicht 2 beabstandet.
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In 6 ist verdeutlicht, dass die Dicke der Schicht 2 – hier beispielhaft 1,2 mm – deutlich geringer ist als der Abstand d der Unterseite 5 der Schicht 2 innerhalb zu außerhalb der Ausprägung 3. Der Abstand d wird durch die Wellenlänge der elektro-magnetischen Strahlung der Antenne festgelegt. Für ein Frequenzband, im X-Band beispielsweise 7,25 GHz–8,4 GHz, wird die Mittelfrequenz hier Frequenz f = 7,825 GHz gewählt, um den Abstand d zu bestimmen. Der Abstand d ergibt sich aus 1/4 der Wellenlänge λ, also in diesem Fall d = c/4·f ca. 1 cm, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.
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Die 7 und 8 zeigen aus größerer Entfernung die Schicht 2 mit einer Vielzahl von Ausprägungen 3 von der Oberseite 3 (7) und der Unterseite 5 (8) aus gesehen. Sowohl die Ausprägungen 3 selbst sind in beide Ausdehnungsrichtungen x und y der ebenen Schicht 2 symmetrisch, als auch die Anordnung der Ausprägungen 3, d.h. der Abstand der zellenartigen Ausprägungen ist über die Fläche und in beide Richtungen x und y gleichbleibend. Die Anzahl der Ausprägungen 3 pro Quadratmeter ist zwischen 1000 und 1200, wenn wie hier eine Ausprägung 3 pro Hornstrahler 11 gewählt wird. Alternativ kann eine Ausprägung 3 auch 4, 9, 16 u.s.w. Hornstrahler 11 überdecken oder andersherum können auch 4, 9, 16 u.s.w. Ausprägungen 3 pro Hornstrahler 11 vorgesehen sein.
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Für die Antenne 10 entsteht damit trotz der nur einen Schicht 2 ein virtueller mehrlagiger Aufbau aus zwei Anteilen, die voneinander um 1/4 der Wellenlänge λ beabstandet sind und damit durch den hohen Luftanteil innerhalb der Ausprägungen 3 eine effektive Dielektrizitätskonstante, die deutlich geringer ist als die des Materials der Schicht 2 und geringe Reflektionen über die Bandbreite des X-Bandes bedeutet (9).
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Bei der Dimensionierung der Ausprägungen 3 wurde beachtet, dass die Summe der Flächen der Schicht 2 der Oberseite 4 (gemeint ist Oberseite innerhalb der Ausprägungen 3) gleich der Summe der Flächen der Schicht 2 der Unterseite 5 (außerhalb der Ausprägungen 3) ist. Somit haben beide Reflektionsflächen etwa den gleichen Anteil an den an der Schicht 2 zurückgeworfen Strahlen und können sich auslöschen.
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9 zeigt einen Reflexionsfaktor r für die gezeigte Abdeckung. Reflexionen betragen < –30dB im Bereich 7,25 GHz–8,4 GHz, also weniger als 0,1% der Antennenleistung werden reflektiert. Die reflektiven Verluste sind in diesem Fall nahezu Null, es bleiben nur die materialabhängigen internen dissipativen Verluste übrig.
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Es wird hiermit eine sehr effiziente Abdeckung (Radom) einer Antenne für das X-Band gezeigt, die für tragbare Antennen der mobilen Satellitenkommunikation benutzt werden kann. Diese Abdeckung kann jedoch auch für andere Frequenzbänder entsprechend den erläuterten Designkriterien umskaliert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abdeckung
- 2
- Schicht
- 2a
- Abstützung
- 3
- Ausprägungen
- 4
- Oberseite
- 5
- Unterseite
- 7
- Seitenwände
- 6
- Abrundung
- 8
- Versteifung
- 9
- Zentrum eines Hornstrahlers
- 10
- Antenne
- 11
- Hornstrahler
- 12
- Hornstrahlerfeld
- 13
- Polarisierer
- 14
- Einzelstrahlerrand
- 15
- Restriktion
- 16
- Rille
- 20
- Satellitenempfänger
- d
- Abstand
- f
- Frequenz
- r
- Reflektionsfaktor
- λ
- Wellenlänge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19902511 A1 [0005]
- WO 2014/005691 A1 [0007]
- DE 102014112825 A1 [0039]
