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Die Erfindung betrifft eine Radomwandung für Kommunikation, insbesondere Datenübertragung, im Frequenzband von 17 bis 31 GHz, insbesondere zur Nutzung an Verkehrsflugzeugen, sowie ein Radom mit entsprechender Radomwandung.
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Zum Schutz von Antennen zur Abstrahlung und/oder zum Empfang von elektromagnetischer Strahlung vor äußeren mechanischen oder chemischen Einflüssen, wie bspw. Wind und Regen, sind als „Radome“ bezeichnete Schutzhüllen für Antennen bekannt. Neben der zum Schutz der Antennen erforderlichen strukturellen Festigkeit ist für Radome wesentlich, dass sie ein geeignetes Transmissionsverhalten aufweisen, also im ausreichenden Maße durchlässig für die elektromagnetische Strahlung in dem für die zu schützende Antenne(n) relevanten Frequenzbereich - für Kommunikationsanwendungen wie Datenübertragung bspw. von 17 bis 31 GHz - sind.
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Insbesondere für Anwendungen, in denen die Formgebung eines Radoms nicht beliebig frei gewählt werden kann, ist es weiterhin erforderlich, dass die Wandung des Radoms auch in einem ausreichend großen Bereich für den Einfallswinkel ausgehend von einem orthogonalen Auftreffen der Strahlung auf die Wandung ein gutes Transmissionsverhalten aufweisen. Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist der Schutz von Antennen zur Satellitenkommunikation an Verkehrsflugzeugen, bei denen die Radome aus aerodynamischen Gründen an die Formgebung der Flugzeughülle angepasst sein müssen, womit jedoch die elektromagnetische Strahlung regelmäßig nicht orthogonal auf die Radome auftritt bzw. diese durchdringt.
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Im Stand der Technik, wie er bspw. in
EP 2 747 202 A1 zusammengefasst ist, sind Radome aus drei- oder fünf-lagigen Sandwichstrukturen umfassend GFK- und Schaumstofflagen bekannt, die einerseits ein ausreichendes Transmissionsverhalten aufweisen, andererseits bei geringem Gewicht ausreichende strukturelle Festigkeit bieten. Hierzu lassen sich für gewünschte Frequenzbereiche geeignete Lagenanordnungen, insbesondere im Hinblick auf die Dicke der einzelnen Lagen berechnen, wobei auch die Dielektrizitätskonstanten der einzelnen Lagenmaterialen berücksichtigt werden müssen.
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Nachteilig an dem Stand der Technik ist jedoch, dass die Güte des Transmissionsverhalten bei von einem orthogonalen Auftreffen der elektromagnetischen Strahlung auf die Radomwandung abweichenden Einfallswinkel stark von der Einhaltung der zuvor berechneten Dicke der einzelnen Lagen abhängt. In der Folge sind die Fertigungstoleranzen hinsichtlich Dicke der einzelnen Lagen sehr gering, was eine aufwendige und kostenintensive Herstellung zur Folge hat.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Radomwandung zu schaffen, bei der die Nachteile aus dem Stand der Technik nicht mehr oder zumindest nur noch im verminderten Umfang auftreten.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Radomwandung gemäß dem Hauptanspruch sowie durch ein Radom gemäß dem nebengeordneten Anspruch 12. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Demnach betrifft die Erfindung eine Radomwandung für Kommunikation, insbesondere Datenübertragung, im Frequenzband von 17 bis 31 GHz zur Nutzung an Verkehrsflugzeugen umfassend einen Mehrschichtaufbau mit wechselnder Anordnung von kraftaufnehmenden festen Deckschichten und schubsteifen Kernschichten, wobei die Radomwandung wenigstens vier Deckschichten umfasst, von denen zwei die Außenseiten der Radomwandung bilden, und wobei die Deckschichten und die Kernschichten aus dielektrischen Materialen sind.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Radom zur Nutzung an Verkehrsflugzeugen, dessen Wandung erfindungsgemäß ausgebildet ist.
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Die erfindungsgemäße Radomwandung zeichnet sich dadurch aus, dass sie in Sandwichbauweise mit n ≥ 4 Deckschichten und - da die Außenseiten der Wandung jeweils durch eine Deckschicht gebildet werden sollen - n - 1 Kernschichten gebildet wird. Bei den Deckschichten handelt es sich um kraftaufnehmende feste Schichten, die von lediglich formstabilen Kernschichten gestützt und auf Abstand gehalten werden. Die Kernschichten nehmen dabei im Vergleich zu den Deckschichten nur einen geringen Teil der auf das Bauteil einwirkenden Kräfte auf, weisen unter Belastung aber dennoch nur eine kaum nennenswerte und zu vernachlässigende Deformation unter Betriebslast (häufig weit unter 1%) auf. Im Regelfall ist das spezifische Gewicht der Deckschicht höher als das spezifische Gewicht der Kernschichten. Im Stand der Technik sind entsprechende Sandwichbauweisen grundsätzlich bekannt und - nicht nur in Bezug auf Radome - weit verbreitet. Insbesondere ist bekannt, dass sich mithilfe einer Sandwichbauweise eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht erreichen lässt.
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Für die Verwendung der Sandwichbauweise für Radome ist weiterhin erforderlich, dass die so gebildete Radomwandung ein gutes Transmissionsverhalten aufweist. Insbesondere soll in dem für die durch das Radom geschützte Antenne relevanten Frequenzbereich eine möglichst geringe Dämpfung bzw. eine hohe elektromagnetische Durchlässigkeit über einen möglichst großen Einfallswinkelbereich erreicht werden. Während entsprechendes grundsätzlich auch bei drei- oder fünf-lagigen Sandwichstrukturen gemäß dem Stand der Technik erreichbar ist, erfordert dies jedoch eine hochgenaue Fertigung. Insbesondere in Bezug auf die Dicke der einzelnen Schichten müssen im Stand der Technik sehr geringe Fertigungstoleranzen zur sicheren Vermeidung von Verschlechterungen der Transmissionseigenschaften eingehalten werden.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Mehrschichtaufbau der Radomwandung mit wenigstens vier Deckschichten - also einer wenigstens sieben-lagigen Sandwichstruktur - ein deutlich toleranteres Design gegenüber kleineren Dickenschwankungen führt, ohne dass es zu relevanten Verschlechterungen der relevanten Transmissionseigenschaften kommt. Trotz der größeren Anzahl der Schichten und dem damit einhergehenden größeren Herstellungsaufwand, lassen sich dennoch die Herstellungskosten einer erfindungsgemäßen Radomwandung gegenüber einem drei- oder fünf-lagigen Design aus dem Stand der Technik reduzieren, da die Fertigungstoleranzen deutlich großzügiger gewählt werden können. Gleichzeitig lässt sich eine hohe Gesamtfestigkeit der Radomwandung erreichen, die wenigstens derjenigen eines drei- oder fünf-lagigen Design entsprechen kann. Auch sind in der Regel Gewichtseinsparungen gegenüber dem Stand der Technik möglich.
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Durch geeignete Wahl der Dicken der einzelnen Deck- und Kernschichten lassen sich - unter Berücksichtigung der jeweiligen Dielektrizitätskonstanten - für den gewünschten Frequenzbereich durch einfache, dem Fachmann grundsätzlich bekannte Parameterstudien optimale Dicken für die einzelnen Schichten bestimmen, mit denen sich gute elektromagnetische Transmissionseigenschaften im gewünschten Frequenzbereich erreichen lassen. Dabei lassen sich die guten Transmissionseigenschaften über einen großen Winkelbereich von 0° bis zu ca. 65°, jeweils bezüglich der Flächennormalen der Außenseite der Radomwandung an der Stelle, an der die elektromagnetische Strahlung auftrifft. Dies ist insbesondere Vorteilhaft für Radome von Antennen für die Satellitenkommunikation an Bord von Verkehrsflugzeugen, die regelmäßig im Frequenzbereich von 17 bis 31 GHz arbeiten. Es ist so möglich, das Radom aerodynamisch günstig als Teil der Außenhülle des Flugzeugs auszugestalten, ohne dass es zu einem maßgeblichen Bandbreitenverlust käme. So lassen sich rumpf- oder leitwerksmontierte Antennen für die Breitband-Satellitendatenübertragung realisieren.
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Es ist bevorzugt, wenn die Radomwandung flächensymmetrisch zur Mittelebene der Radomwandung ist. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus ist sichergestellt, dass sowohl für das Senden als auch das Empfangen von Signalen durch die von der Radomwandung geschützte Antenne die gleichen guten Transmissionseigenschaften vorliegen.
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Es ist weiter bevorzugt, dass die beiden der Außenseiten der Radomwandung nächstliegenden Kernschichten dicker sind als die der Mittelebene der Radomwandung nächstliegende Kernschicht (en) . Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Schichten wird der gute Transmissionsgrad insbesondere über einen weiten Einfallswinkelbereich (bspw. von 0° bis 65°) sichergestellt.
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Die Toleranz für die Dicke der Deckschichten kann für eine Nenndicke bis 1 mm ±30%, vorzugsweise ±20%, und für eine Nenndicke über 1 mm ±0,3 mm, vorzugsweise ±0,2 mm betragen. Die Toleranz für die Kernschichten beträgt vorzugsweise ±0,4 mm, weiter vorzugsweise ±0,3 mm, weiter vorzugsweise ±0,2 mm. Entsprechende Toleranzen lassen sich bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen Radomwandung erreichen, ohne dass hierfür aufwendige und kostenintensive Fertigungsverfahren erforderlich sind.
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In einer bevorzugten Ausführungsform sind vier Deckschichten und drei Kernschichten vorgesehen, deren Materialstärken der Reihe nach vorzugsweise 0,42 mm (Deckschicht), 2,00 mm (Kernschicht), 0,21 mm (Deckschicht), 1,00 mm (Kernschicht), 0,21 mm (Deckschicht), 2,00 mm (Kernschicht), 0,42 mm (Deckschicht) betragen. Diese Materialstärken können selbstverständlich mit den vorstehend erwähnten Toleranzen versehen sein.
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In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform sind fünf Deckschichten und vier Kernschichten vorgesehen, deren Materialstärken der Reihe nach vorzugsweise 0,63 mm (Deckschicht), 2,50 mm (Kernschicht), 0,84 mm (Deckschicht), 2,00 mm (Kernschicht), 1,06 mm (Deckschicht), 2,00 mm (Kernschicht), 0,84 mm (Deckschicht), 2,50 mm (Kernschicht), 0,63 mm (Deckschicht) betragen. Auch hier können die vorstehend genannten Toleranzen vorgesehen sein.
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Beide bevorzugten Ausführungsformen zeigen sehr gute Transmissionseigenschaften für einen Einfallwinkelbereich 0° bis 65°, wobei der Frequenzbereich für die guten Transmissionseigenschaften maßgeblich über die Dielektrizitätskonstanten des verwendeten Materials für die Deck- und die Kernschicht festgelegt werden kann. Die Bestimmung der erforderlichen Dielektrizitätskonstanten zur Erreichung des gewünschten Frequenzbereiches ist dem Fachmann ohne weiteres möglich. Es ist dabei bevorzugt, wenn die Dielektrizitätskonstante der Deckschichten größer ist als die Dielektrizitätskonstante der Kernschichten.
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Für einen Frequenzbereich von 17 GHz bis 31°GHz liegt die Dielektrizitätskonstante der Deckschichten vorzugsweise zwischen 2,8 und 4,0, weiter vorzugsweise zwischen 3,0 und 3,6. Die Dielektrizitätskonstante der Kernschichten liegt vorzugsweise zwischen 1,0 und 1,4, weiter vorzugsweise zwischen 1,0 und 1,2.
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Die Deckschichten sind vorzugsweise jeweils durch eine oder mehrere Lagen aus Prepreg-Material, vorzugsweise Quarzglasfaser/Epoxidharz-Prepreg gebildet. Es kann sich insbesondere um mit Harz vorimprägniertes Quarzfasergewebe handeln, wobei das Harz vorzugweise duroplastisch, weiter vorzugsweise ein Epoxidharz ist. Die Verwendung von Polyesterharz ist ebenfalls möglich. Die Dicke eines einzelnen Prepregs beträgt dabei vorzugsweise 0,21 mm. Mit einem entsprechenden Prepreg lassen sich die Dicken der einzelnen Deckschichten der bevorzugten Ausführungsformen ohne weiteres erreichen.
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Die Kernschichten sind vorzugsweise jeweils durch Schaummaterial, vorzugsweise aus einem Polyimid-Hartschaumstoff, gebildet. Dadurch wird ein besonders geringes spezifisches Gewicht der Radomwandung möglich. Durch geeignete Wahl des Schaummaterials kann die erforderliche Formstabilität und die dielektrische Durchlässigkeit gewährleistet werden. Bevorzugt lässt sich mit dem Schaummaterial eine homogene Oberfläche herstellen, die eine großflächige Verbindung zur aufliegenden Deckschicht ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße Radom unterscheidet sich von aus dem Stand der Technik bekannten Radomen lediglich in der Ausgestaltung der Radomwandung. Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Radoms wird daher auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
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Die Erfindung wird nun anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
- 1: ein schematischer Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Radomwandung; und
- 2: ein schematischer Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Radomwandung.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Radomwandung 1 für Kommunikation, insbesondere Datenübertragung, im Frequenzband von 17 bis 31 GHz zur Nutzung an Verkehrsflugzeugen in einer Schnittansicht dargestellt.
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Die Radomwandung 1 umfasst vier Deckschichten 11, 12, 12', 11' und drei Kernschichten 21, 22, 21'. Die Deckschichten 11 und 11' bilden dabei jeweils eine Außenseite der Radomwandung 1, während die Kernschichten 21, 22, 21' jeweils zwischen zwei Deckschichten 11, 12, 12', 11' angeordnet sind.
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Die Deckschichten 11, 12, 12', 11' sind aus Quarzglasfaser/Epoxidharz-Prepreg gebildet, wobei die Dicke einer einzelnen Prepreglage 0,21 mm beträgt und die Dicken der Deckschichten 11, 12, 12', 11' jeweils ausschließlich ein Vielfaches hiervon sind.
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Die Kernschichten 21, 22, 21' sind aus Schaummaterial, nämlich aus einem Polyimid-Hartschaumstoff.
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Die Radomwandung 1 ist flächensymmetrisch zur Mittelebene 2 aufgebaut, wobei die beiden der Außenseiten der Radomwandung 1 nächstliegenden Kernschichten 21, 21' dicker sind als die in der Mittelebene 2 der Radomwandung 1 liegende Kernschicht 22.
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Die Dicke der einzelnen Deck-
11,
12,
12',
11' und Kernschichten
21,
22,
21', sowie deren jeweilige Dielektrizitätskonstanten ergeben sich aus der nachstehenden Tabelle:
| Schicht | Dicke | Dielektrizitätskonstante |
| 11 | 0,42mm | 3,3 |
| 21 | 2,00mm | 1,2 |
| 12 | 0,21mm | 3,3 |
| 22 | 1,00mm | 1,2 |
| 12 | 0,21mm | 3,3 |
| 21' | 2,00mm | 1,2 |
| 11' | 0,42mm | 3,3 |
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Für die genannten Dicken der Deckschichten 11, 12, 12', 11' ist eine Toleranz von ±20% vorgesehen. Für die Dicken der Kernschichten 21, 22, 21' beträgt die Toleranz ±0,2 mm.
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Die dargestellte Radomwandung 1 weist trotz der vergleichsweise großen Toleranzen für einen Frequenzbereich von 17 bis 31 GHz bei einem beliebigen Einfallwinkel α zwischen 0° bis 65°sehr gute Transmissionseigenschaften auf.
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2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Radomwandung 1, die ebenfalls für Kommunikation bzw. Datenübertragung im Frequenzband von 17 bis 31 GHz zur Nutzung an Verkehrsflugzeugen ausgebildet ist.
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Die Radomwandung 1 umfasst fünf Deckschichten 11, 12, 13, 12', 11' und in der Folge vier Kernschichten 21, 22, 22', 21'. Die Deckschichten 11 und 11' bilden dabei wieder jeweils eine Außenseite der Radomwandung 1. Die Anordnung der übrigen Schichten 12, 13, 12', 21, 22, 22', 21' ergibt sich aus 2. Die Deck- 11, 12, 13, 12', 11' und Kernschichten 21, 22, 22', 21' sind analog zum Ausführungsbeispiel gemäß 1 aufgebaut.
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Auch die Radomwandung 1 gemäß 2 ist flächensymmetrisch zur Mittelebene 2 aufgebaut, wobei die beiden der Außenseiten der Radomwandung 1 nächstliegenden Kernschichten 21, 21' dicker sind als die benachbart zur Mittelebene 2 der Radomwandung 1 liegenden Kernschichten 22, 22'.
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Die Dicke der einzelnen Deck-
11,
12,
13,
12',
11' und Kernschichten
21,
22,
22',
21', sowie die jeweilige Dielektrizitätskonstante ergeben sich aus der nachstehenden Tabelle:
| Schicht | Dicke | Dielektrizitätskonstante |
| 11 | 0,63mm | 3,3 |
| 21 | 2,50mm | 1,2 |
| 12 | 0,84mm | 3,3 |
| 22 | 2,00mm | 1,2 |
| 13 | 1,06mm | 3,3 |
| 22' | 2,00mm | 1,2 |
| 12' | 0,84mm | 3,3 |
| 21' | 2,50mm | 1,2 |
| 11' | 0,63mm | 3,3 |
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Für die genannten Dicken der Deckschichten 11, 12, 12', 11' ist eine Toleranz von ±20% vorgesehen. Für die Dicken der Kernschichten 21, 22, 22', 21' sowie für die Dicke der Deckschicht 13 beträgt die Toleranz ±0,2 mm.
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Auch die in 2 dargestellte Radomwandung 1 weist für einen Frequenzbereich von 17 bis 31 GHz bei einem beliebigen Einfallwinkel α zwischen 0° bis 65°sehr gute Transmissionseigenschaften auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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