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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne bzw. Antennenstruktur insbesondere für ein Hyperschallflugobjekt. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Flugobjekt mit einer solchen Antenne.
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Die Zahl der Flugobjekte, die sich für längere Zeiträume im Hyperschallbereich mit Geschwindigkeiten von größer 5 Mach (1715 m/s) über große Strecken in der Atmosphäre bewegen, nimmt ständig zu. Durch die resultierende lange Dauer der Anströmung im Atmosphärenbereich unterliegen die an der Außenhaut montierten Antennensysteme an den Flugobjekten einem extremen Wärmeeintrag. Für eine zuverlässige Datenübertragung sind daher entsprechend hochtemperaturgeeignete Antennensysteme notwendig. Die bisher eingesetzten Antennentypen erlauben Flugzeiten von bis zu 55 sec. unter diesen Flugbedingungen, bevor sie überhitzen.
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Eine solche Antenne ist beispielsweise aus
DE 10 2006 024 129 bekannt, welche einen keilförmigen Vorkörper aufweist, der die Antenne aerodynamisch machen soll und den HF-Anschluss der Antenne hinter dem Vorkörper vor einer Anströmung schützen sollen. Hierbei hat sich herausgestellt, dass aufgrund des Aufbaus die Antenne für eine mehrminutige Anströmung unter Berücksichtigung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften nicht verwendbar ist. Durch ihren erhöhten Aufbau unterliegt die Antenne einer größeren Interaktion mit heißer Luft bei sehr hoher Staupunktgeschwindigkeit, womit sich ein erhöhter Wärmeeintrag ergibt.
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Somit sind Vorhandene und bekannte Antennen bei einer größeren zeitlichen Temperaturbelastung nicht mehr funktionsfähig. Entsprechende Spezialanfertigungen sind bedingt durch Kosten, Lieferzeit und Genehmigungsverfahren nicht oder nur schwer herstellbar. Diese Antennen erzeugen unter Umständen auch nicht das geforderte Antennendiagramm.
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Eine S-Band Antenne für eine lange thermische Belastung steht derzeit nicht zur Verfügung.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Antenne bereitzustellen, welche den thermischen Belastungen bei einem Hyperschallflug eines Flugobjekts standhält.
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Die Aufgabe wird erfüllt durch eine Antenne gemäß Anspruch 1 sowie ein Flug- objekt gemäß Anspruch 14.
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Die erfindungsgemäße Antenne insbesondere für ein Hyperschallflugobjekt weist eine Bodenplatte sowie ein kegelförmigen Vorkörper auf. Weiterhin weist die Antenne eine Verlängerung des Vorkörpers auf. Unter die Verlängerung ist ein HF-Anschluss angeordnet mit Außenisolierung. Dabei ist der Vorkörper in der Weisen kegelförmig ausgebildet, dass dessen Öffnungswinkel zwischen 25° und 28° liegt und im rückwärtigen Bereich, d.h. in einem der Kegelspitze abgewandten Bereich insbesondere am Kegelboden, in eine schmale Verlängerung übergeht. Dabei ist die Verlängerung insbesondere schmaler als der kegelförmige Vorkörper. Weiterhin hat der Vorkörper einen Erhebungswinkel von 15° bis 17° zwischen der Bodenplatte und einer Mantelfläche des Vorkörpers.
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Aufgenommene Wärme kann dabei über die Bodenplatte auf die darunter liegende wärmeleitende Struktur des Flugobjekts weitergeleitet werden.
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Vorzugweise handelt es sich um eine S-Band Antenne.
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Vorzugsweise beträgt der Öffnungswinkel 26,7°.
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Vorzugsweise beträgt Erhebungswinkel 16,4°.
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Vorzugsweise beträgt die Dicke der Bodenplatte 3 mm.
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Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen der Bodenplatte und der Verlängerung 2 mm bis 4 mm und insbesondere 3 mm.
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Vorzugsweise ist im eingebauten Zustand die Oberfläche der Bodenplatte plan mit einer Oberfläche des Flugobjekts. Die Bodenplatte der Antenne ist somit plan ausgeführt und wird vertieft in die Oberfläche des Flugobjekts verschraubt. Hierdurch wird einerseits ein guter Wärmeübergang von der Antenne auf das Flugobjekt erreicht. Gleichzeitig sind keine Kanten der Bodenplatte der Strömung unmittelbar ausgesetzt, wodurch ein Wärmeeintrag auf der Antenne reduziert wird.
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Vorzugsweise weist eine Oberkante des Vorkörpers und/oder eine Oberkante der Verlängerung ausgehend von der Bodenplatte eine Höhe von weniger als 10 mm und insbesondere 8 mm oder weniger auf. Im eingebauten Zustand steht somit die Antenne weniger als 10 mm und insbesondere 8 mm von der Außenfläche des Flugobjekts ab. Somit wird eine Antenne geschaffen mit einer nur geringen Aufbauhöhe, sodass die Exponiertheit der Antennenstruktur in der Strömung reduziert wird, wodurch auch gleichzeitig die Wärmeerzeugung an der Antenne reduziert werden kann. Somit wird durch einen möglichst flachen Aufbau die Interaktion mit der Anströmung weitestgehend gering gehalten.
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Vorzugsweise ist die Spitze des Vorkörpers bündig mit der Oberfläche der Bodenplatte. So ist die Spitze des Kegels des Vorkörpers auf der Oberfläche der Bodenplatte angeordnet bzw. schließt mit dieser ab.
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Vorzugsweise ist der Vorkörper rotationssymmetrisch insbesondere um die Kegelachse des Vorkörpers.
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Vorzugsweise weist die Antenne eine Resonanzfrequenz zwischen 2200MHz und 2400MHz.
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Vorzugsweise weist die Antenne eine Reflexionsdämpfung von 20dB oder mehr und insbesondere 28dB.
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Vorzugsweise weist die Antenne eine Bandbreite von 100MHz oder mehr auf.
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Vorzugsweise ist eines oder mehreres der Bodenplatte, des Vorkörpers und der Verlängerung aus einer Kupfer-Beryllium Legierung hergestellt, insbesondere CuNi2Be oder CuCo2Be.
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Vorzugsweise sind die Bodenplatte, der Vorkörper und die Verlängerung aus demselben Material hergestellt.
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Vorzugsweise sind die Bodenplatte, der Vorkörper und die Verlängerung einstückig ausgebildet.
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Vorzugsweise ist zur thermischen Isolierung des HF-Anschluss die Außenisolierung aus einer temperaturbeständigen Keramik hergestellt. Vorzugsweise handelt es sich bei der temperaturbeständigen Keramik aus einer Glaskeramik.
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Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Flugobjekt wie beispielsweise einer Rakete oder einen Wiedereintrittskörper einer Rakete, wobei das Flugobjekt mindestens eine Antenne aufweist wie vorstehend beschrieben.
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Vorzugsweise weist das Flugobjekt mindestens vier Antennen auf, welche insbesondere entlang des Umfangs des Flugobjekts angeordnet sind in einem Abstand von im Wesentlichen 90°.
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Vorzugsweise weist das Flugobjekt eine Ausnehmung auf, wobei die Tiefe der Ausnehmung der Dicke der Bodenplatte entspricht, wobei die Antenne in der Ausnehmung angeordnet ist.
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Vorzugsweise weist das Flugobjekt Wärmesenken auf, welche insbesondere angeordnet sind in der Ausnehmung, wobei die Antenne auf der Wärmesenke angeordnet ist. Hierbei kann an der Antenne entstehende Wärme auf die Wärmesenken weitergeleitet werden, wodurch die thermische Belastung der Antenne reduziert werden kann.
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Nachfolgend wir die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
- 1 eine schematische Schnittansicht einer Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung,
- 2 eine schematische Draufsicht einer Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung und
- 3 eine perspektivische nicht maßstäbliche Darstellung einer Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Antenne 10 weist eine Bodenplatte 12 auf, welche über entsprechende Bohrungen 14 mittels einer oder mehreren Schrauben, insbesondere einer Senkkopfschaube, mit einem Flugobjekt 16 (schematisch dargestellt in 1) verbunden werden kann. Weiterhin weist die Bodenplatte 12 Bohrungen 18 auf zur Verbindung mit einem HF-Anschluss. Mit der Bodenplatte 12 einstückig verbunden ist ein kegelförmiger Vorkörper 20. Dabei weist der kegelförmige Vorkörper 20 einen Öffnungswinkel α auf von 25° bis 28° und insbesondere 26,7°. Weiterhin weist der kegelförmige Vorkörper 20 einen Erhebungswinkel β auf von 15° bis 17° und insbesondere 16,4°. Die Oberkante des kegelförmigen Vorkörpers 20 steht dabei weniger als 10mm und insbesondere 8 mm über die Oberfläche 22 der Bodenplatte 12 hervor. Rückwärtig an den kegelförmigen Vorkörper 20 schließt sich eine schmale Verlängerung 24 an, welche in einem Abstand von der Bodenplatte angeordnet ist. Dieser Abstand beträgt 3 mm bis 5 mm und insbesondere 3 mm. Die Länge der Verlängerung 24 beträgt 25 mm bis 30 mm und insbesondere 27,9 mm. Unterhalb der Verlängerung 24 ist ein HF-Anschluss 26 angeordnet, welcher eine insbesondere aus Keramik hergestellte Außenisolierung aufweist, welche den HF-Anschluss umgibt. Dabei ist die Verlängerung 24 schmaler ausgebildet als der kegelförmige Vorkörper 20, sodass der unterhalb der Verlängerung 24 angeordnete HF-Anschluss 26 im Windschatten bzw. im Totwasserbereich des Vorkörpers befindet und hierdurch ein Wärmeeintrag auf den HF-Anschluss geringgehalten werden kann.
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Wie aus der 1 ersichtlich ist die Antenne in einer Vertiefung 28 des Flugobjekts 16 angeordnet, sodass die Oberfläche 22 der Bodenplatte 12 bündig ist mit einer Oberfläche 30 des Flugobjekts 16. Hierdurch wird eine Anströmung der Bodenplatte vermieden. Gleichzeitig kann hierdurch die Aufbauhöhe der Antenne reduziert werden. Somit beträgt die Aufbauhöhe der Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung also der Abstand zwischen der Oberfläche 30 des Flugobjekts 16 zur Oberkante der Verlängerung 24 bzw. des kegelförmigen Vorkörpers 20 weniger als 10 mm und insbesondere 8 mm oder weniger.
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Gleichzeitig kann die Bodenplatte auf einem (nicht-dargestellten) Wärmekörper des Flugobjekts 16 angeordnet sein, sodass in die Antenne 10 eingetragene Wärme weitergeleitet werden kann auf den Wärmekörper.
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Der kegelförmige, axialsymmetrisch ausgebildete Vorkörper sorgt für eine minimierte Stoßerzeugung durch seinen Erhebungswinkel von 15° bis 17° mit einem Öffnungswinkel des Kegels von 25° bis 27°. Damit wird die Staupunktgeschwindigkeit geringgehalten. Im weiteren Bereich schließt sich an den Vorkörper 20 der Kernbereich der Antenne, ausgebildet durch die Verlängerung 24 an.
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Im ersten Drittel der Verlängerung 24 ist ein HF Anschluss 26 vorgesehen, der sich durch den Vorkörper 20 im Totwasserbereich befindet.
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Die Kombination aus versenkter Montage und geringerer Bauhöhe sowie veränderter Formgebung führt zu einem insgesamt verringerten Wärmeeintrag bei gleicher Anströmung, einer verbesserten Ableitung an die kühlere umgebenden und unterliegende Struktur sowie durch die im vorderen Bereich erhöhte thermische Masse zu einem geringeren Wärmeeintrag in den eigentlichen Abstrahlkörper des Hochfrequenzbereichs der Antenne. Vergleichende Windkanaltests haben bei gleicher Charakteristik der Anströmung eine ca. 40% längere mögliche Expositionsdauer ergeben. Durch aktive Kühlung kann diese Zeit weiter verlängert werden.
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Die mechanische Grundstruktur liegt im Antennentyp selbst begründet und ist nicht beliebig änderbar. Jede Veränderung der Formgebung hat direkte Auswirkungen auf die Funktion der Antenne und ihren Frequenzbereich. Gleichzeitig hat die Gestaltung der Antenne Auswirkungen auf die Wechselwirkung mit der Hochgeschwindigkeitsströmung und den daraus resultierenden Wärmeeintrag. Dieser beeinflusst die Veränderung der elektrischen und hochfrequenten Charakteristika der Antenne. Simulationen basierend auf der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen eine Optimierung zwischen minimalen Aufbau und Einhaltung der hochfrequenten Eigenschaften. Somit ist eine Antenne geschaffen, deren hochfrequenten Eigenschaften mit dem Antennenabstrahl-Diagramm, Antennenanpassung und resonanten Bandbreitenverhalten vorgegeben erfüllt werden können.
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Die S-Band Antenne ist für den Einsatz auf Flugobjekten wie Höhenforschungs-Raketen, die einer erhöhte Temperaturbelastungen unterliegen, entwickelt.
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Ihre Funktion ist es beispielsweise ein von einem Telemetrie-Sender erzeugtes S-Band Hochfrequenzsignal abzustrahlen. Der hier verwendete Frequenzbereich erstreckt sich von 2200 MHz bis 2400 MHz. Dieser Bereich wird für die Telemetrie-Datenübertragung vom Flugobjekt zum Boden verwendet. Die Antenne erzeugt ein hemisphärisches Antennen-Diagramm mit zwei unterschiedlichen Polarisationen. Beide Polarisationen zusammen ergeben die hemisphärische Abstrahlungs-Charakteristik. Vier solcher einzelner S-Band Antennen erzeugen ein kugelähnliches Antennendiagramm, welches im Besonderen für geringe Einbrüche der Feldstärken in Flugrichtung im hinteren Bereich des Flugobjekts sorgt, was für einen von der Fluglage unabhängigen Empfang der Telemetrie Bodenempfangs-Station wichtig ist. Hierbei weist die Kegelspitze des Vorkörpers 20 in Bewegungsrichtung des Flugobjekts.
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Weitere Frequenzbereiche von 1,5 GHz und 5,1GHz sind unter gleichen mechanischen Anpassungen möglich. Der aerodynamische Grundaufbau wird beibehalten, lediglich Strahlerlängen und Antennenanschluss ändern sich.
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Das zu Grunde liegende Antennenprinzip ist mit einem klassischen Lambda/4 Wellenlängen Strahler vergleichbar. Dieser ist aus aerodynamischen Gründen umgeklappt und liegt flach über dessen reflektierender Fläche. Ihre notwendige leitende Grundfläche gebildet durch die Bodenplatte 12, worauf sie montiert wird, besitzt einen Durchmesser mindesten größer Lambda/2. Das Strahlerelement gebildet durch die Verlängerung 24 ist im vorderen Teil mit der Grundfläche über den Vorkörper 20 verbunden, um entsprechende elektrostatische Aufladungen abzuleiten. Zur verlustfreien Einspeisung des HF S-Bandsignals ist eine Fußpunkt-Impedanz von 50 Ohm, mit wenig komplexen Anteilen, mittels einer Simulation ermittelt worden. Dieser optimierte Punkt an dem Antennen-Strahlerelement liegt im vorderen Drittel. Die gemessene Antennenanpassung (Eingangsreflexionsfaktor= S11) im Resonanzfall ist größer 20 dB, was bedeutet, dass größer ein Hundertstel der eingespeisten Leistung reflektiert wird. Das erzeugte Antennendiagramm enthält zwei Polarisations-Charakteristiken mit einer horizontalen und vertikalen Feldverteilung. Sie sind lageabhängig. Das gesamte Bild beider Polarisationen deckt eine Hemisphäre ab.
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Der einzelne Antennenkörper selbst besteht aus einer Hochtemperatur festen Kupfer--Beryllium Legierung wie beispielsweise CuNi2Be, dessen Schmelzbereich zwischen 1030 und 1100° C liegt.
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Der axialsymmetrische Antennen-Vorkörper 20 in einer halben Kegelform mit 16° Erhebungswinkel sorgt für geringe Temperaturspitzen durch Verdrängung der Anströmung bei geringer Verdichtungsstoßstärke. Die Aufbauhöhe von nur 8 mm verringert die Interaktion mit der Anströmung durch geringes verdrängtes Volumen und verbleiben des größten Teils der Antenne in der langsamen Strömungsgrenzschicht. Damit ist die wirksame Staupunktgeschwindigkeit und damit der Wärmeeintrag minimiert. Im hinteren Bereich entsteht ein Totwasserbereich, der den Strahler sowie den HF Anschluss vor der Strömung schützt. Der aus Kupfer-Beryllium bestehende Vorkörper leitet den entstehenden Wärmeeintrag an die Antennen Bodenplatte ab.
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Die 3 mm hohe Bodenplatte aus gleichem Material hat eine plane Unterseite, die einen geringen Wärmeübergangswiderstand zur montierten Grundplatte des Flugobjekts hat. Sie ist plan in die Struktur des Flugobjekts eingelassen, die aus einem gut wärmeleitenden Material besteht. Diese Struktur nimmt den Wärmeeintrag auf und vergrößert die Wärmesenke. Durch diese Maßnahme wird ihre zeitliche thermische Belastbarkeit wesentlich verlängert. M4 Senkkopfschrauben fixieren die Antenne an der Raketenstruktur. Die Schraube direkt unter dem Vorkörper sorgt für einen geringen Wärmeübergangswiderstand und leitet diese wärmste Stelle in die Wärmesenke. Die Bodenplatte fixiert mit vier M2,5 Schrauben den HF Anschluss in der Bauform einer SMA Flanschbuchse aus Stahl.
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Verfügbare Antennenmodelle sind wesentlich höher in ihrem Aufbau, ohne gute Wärmeableitung in die Struktur, oder aufgrund des komplexen Aufbaus einer Patchantenne erheblich teurer in der Anschaffung.
