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Die Erfindung betrifft eine Radomwandung für Kommunikation im Frequenzband von 17 bis 31 GHz zur Nutzung an Flugzeugen, insbesondere Passagierflugzeugen, sowie ein Radom mit entsprechender Radomwandung.
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Für Datenübertragung per Satellit wird in der Regel eine Funkübertragung im Frequenzbereich von 17 bis 31 GHz genutzt, wobei für die Übertragung von einem Satelliten zu einem erdnahen Transceiver, dem sog. Downlink, in der Regel der Frequenzbereich von 17,7 bis 21,2 GHz, und für eine Übertragung von einem erdnahen Transceiver zu einem Satelliten (Uplink), regelmäßig der Frequenzbereich von 27,5-31 GHz genutzt wird. Bspw. an Bord von Passagierflugzeugen wird eine entsprechende Datenübertragung genutzt, um den Passagieren während des Fluges eine Internetverbindung anbieten zu können.
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Um eine entsprechende Datenverbindung zu ermöglich, müssen die dafür vorgesehenen Antennen an der Außenseite des Flugzeugrumpfes angeordnet sein. Zum Schutz von Antennen zur Abstrahlung oder/oder zum Empfang von elektromagnetischer Strahlung vor äußeren mechanischen oder chemischen Einflüssen, wie bspw. Wind und Regen, sind diese durch sog. „Radome“ geschützt. 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 bspw. von 17 bis 31 GHz - sind.
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Bei Radomen, insbesondere für Flugzeuge, bei denen sich die räumliche Anordnung von Satelliten und an der Außenseite des Flugzeugs angeordneten Antennen ständig ändert, gleichzeitig die Formgebung des Radoms aus aerodynamischen Gründen jedoch nicht beliebig frei gewählt werden kann, für eine gute Datenübertragung ein gutes Transmissionsverhalten der Wandung des Radoms in einem großen Bereich für den Einfallswinkel ausgehend von einem orthogonalen Auftreffen der Strahlung erforderlich. Neben den eigentlichen Transmissionseigenschaften ist dabei auch eine möglichst geringe Depolarisation der Funksignale wünschenswert.
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Im Stand der Technik, wie er bspw. aus
EP 2 747 202 A1 oder
EP 3 533 108 A1 hervorgeht, sind Radome aus symmetrisch aufgebauten 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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Auch wenn insbesondere die Radomwandungen aus
EP 3 533 108 A1 sehr gute Transmissionseigenschaften im Frequenzbereich von 17 bis 31 GHz aufweisen und sich gut für die Verwendung an Flugzeugen eignen, können unter ganz bestimmten Umständen auftretende Depolarisationseffekte erfordern, die durch ein solches Radom geschützten Antennen zeitweise abzuschalten. In diesen seltenen Fällen ist die Datenkommunikation dann unterbrochen.
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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 11. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Demnach betrifft die Erfindung eine Radomwandung für Satellitenkommunikation im Frequenzband von 17 bis 31 GHz, insbesondere im Empfangsband von 17,7 bis 21,2 GHz und im Sendeband von 27,5 bis 31 GHz, zur Nutzung an Flugzeugen umfassend einen Mehrschichtaufbau mit wechselnder Anordnung von kraftaufnehmenden festen Deckschichten und schubsteifen Kernschichten, wobei die Radomwandung einen asymmetrischen Schichtaufbau mit der Schichtfolge außen liegende Kernschicht - innen liegende Deckschicht - innen liegende Kernschicht - außen liegende Deckschicht aufweist, wobei die Schichtdicke der innen liegenden Kernschicht um wenigstens den Faktor fünf größer ist als die Schichtdicke der außen liegenden Kernschicht.
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Die Erfindung betrifft weiterhin ein Radom zur Nutzung an Flugzeugen, dessen Wandung erfindungsgemäß ausgebildet ist.
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Zunächst werden einige im Zuge der vorliegenden Erfindung verwendete Begriffe erläutert:
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Bei den „Deckschichten“ handelt es sich um kraftaufnehmende feste Schichten eines Mehrschichtaufbaus, während „Kernschichten“ lediglich schubfest sind, wobei das spezifische Gewicht der Deckschicht in der Folge häufig höher als das spezifische Gewicht der Kernschichten. Benachbarte Schichten des Mehrschichtsaufbaus sind dabei fest, insbesondere schubfest miteinander verbunden, bspw. miteinander verklebt, wobei im Regelfall zwischen zwei Deckschichten eine dazwischenliegende Kernschicht vorgesehen ist, um die Deckschichten auf Abstand zu halten. Die Sandwichbauweise - wenn auch regelmäßig mit zwei außen liegenden Deckschichten - ist im Stand der Technik, nicht nur in Bezug auf Radome, weit verbreitet und bekannt.
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Eine Schicht eines Mehrschichtaufbaus gilt dabei als „innen liegend“, wenn zu beiden Seiten der fraglichen Schicht weitere Schichten des Mehrschichtaufbaus angeordnet sind. Eine Schicht eines Mehrschichtaufbaus gilt demzufolge als „außen liegend“, wenn auf einer Seite der fraglichen Schicht keine weitere Schicht des Mehrlagenaufbaus angeordnet ist. Bei der Zuordnung einer Schicht als innen- oder außen liegend werden nur weitere strukturelle Schichten des Mehrschichtaufbaus selbst berücksichtigt, nicht aber zur mechanischen Struktur des Mehrschichtaufbaus nicht-beitragende Schichten, wie Lackschichten oder vergleichbare Beschichtungen. Da entsprechende Beschichtungen aber durchaus Einfluss auf die Transmissionseigenschaften der Radomwandung haben können, können Sie bei der Ermittlung der Dicken und/oder der Wahl der Dielektrizitätskonstanten der einzelnen Schichten des Mehrschichtaufbaus berücksichtigt werden.
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Die erfindungsgemäße Radumwandung ist besonders für die Verwendung an Flugzeugen ausgebildet und zeichnet sich durch eine unsymmetrische Schichtfolge aus Kernschicht - Deckschicht - Kernschicht - Deckschicht aus, wobei die außen liegende Deckschicht eine deutlich geringere Dicke als die innen liegende Deckschicht aufweist. In der Folge wird die grundsätzliche strukturelle Integrität der erfindungsgemäßen Radomwandung insbesondere bei größeren mechanischen Belastungen, wie sie aufgrund der Umströmung der Radomwandung während eines Fluges maßgeblich durch die innen liegende Deckschicht sichergestellt. Die außen liegende, deutlich dünnere Deckschicht dient in erster Linie zum Schutz der dazu benachbarten Kernschicht vor kleineren mechanischen Belastungen, wie bspw. Hagel oder das Auftreffen von kleineren, von der Umströmung der Radomwandung mitgeführten Partikeln, wie Sandkörner. Ein entsprechender Schutz vor mechanischer Belastung auf der anderen, den Antennen zugewandten Seite der Radomwandung ist nicht erforderlich und erfindungsgemäß auch nicht vorgesehen. Bei größeren energetischen Schlagbelastungen, wie bspw. aufgrund von Vogelschlag, wird die grundsätzliche strukturelle Integrität der Radomwandung durch die innen liegende Deckschicht sichergestellt.
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Die Erfindung hat erkannt, dass mit einer erfindungsgemäß ausgestalteten Radomwandung mit asymmetrischem Aufbau zur Nutzung an Flugzeugen, bei welcher die innen liegende Deckschicht eine deutlich - nämlich wenigstens um den Faktor fünf - größere Dicke im Vergleich zur außen liegenden Deckschicht aufweist, nicht nur gute Transmissionseigenschaften, sondern auch eine geringe Depolarisation bei gleichzeitig für die vorgesehene Nutzung geeignete mechanische Eigenschaften, insbesondere die erforderliche strukturelle Festigkeit, erreichen lassen.
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Es ist bevorzugt, wenn die Schichtdicke der innen liegenden Deckschicht um wenigstens den Faktor sechs, vorzugsweise um wenigstens den Faktor sieben größer ist als die Schichtdicke der außen liegenden Deckschicht. Es hat sich gezeigt, dass sich die Transmissions- und Depolarisationseigenschaften weiter verbessern lassen, wenn sich das Dickenverhältnis der beiden Deckschichten weiter zugunsten der innen liegenden Deckschicht verschoben wird, wobei im Hinblick auf die vorgesehene Nutzung an der Außenseite von Flugzeugen gleichzeitig sicherzustellen ist, dass die außen liegende Deckschicht ihre Schutzfunktion vor kleineren mechanischen Belastungen erfüllen kann, und das Gesamtgewicht der Radomwandung, welche regelmäßige zu einem nicht unerheblichen Teil durch die Gesamtdicke der beiden Deckschichten beeinflusst wird, möglichst gering bleibt.
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Im Hinblick auf die Transmissions- und Depolarisationseigenschaften hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die Schichtdicke der innen liegenden Kernschicht geringer ist als die Schichtdicke der außen liegenden Kernschicht.
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Vorzugsweise ist die Schichtdicke der innen liegenden Deckschicht zwischen 3,5 mm und 3,9 mm, vorzugsweise zwischen 3,8 mm und 3,9 mm, weiter vorzugsweise 3,85 mm, die Schichtdicke der außen liegenden Deckschicht zwischen 0,5 mm und 0,6 mm, vorzugsweise vorzugsweise 0,55 mm, die Schichtdicke der innen liegenden Kernschicht zwischen 1,8 mm und 2,0 mm, vorzugsweise 1,9 mm, und die Schichtdicke der außen liegenden Kernschicht zwischen 2,5 mm und 2,9 mm, vorzugsweise 2,7 mm. Für die Schichtdicken kann alternativ oder zusätzlich eine Toleranz von ±0,2 mm, vorzugsweise von ±0,1 mm, weiter vorzugsweise ±0,05 mm vorgesehen.
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Neben den Dicken der einzelnen Schichten, können auch die Dielektrizitätskonstanten der einzelnen Schichten die Transmissions- und Depolarisationseigenschaften der Radomwandung beeinflussen. Dabei hat sich als vorteilhaft herausgestellt, wenn die Dielektrizitätskonstante der Deckschichten jeweils größer ist als die jeweilige Dielektrizitätskonstante der Kernschichten. Die Dielektrizitätskonstanten der Deckschichten können dabei jeweils zwischen 2,6 und 2,9, vorzugsweise zwischen 2,7 und 2,9, weiter vorzugsweise bei 2,8, , die Dielektrizitätskonstante der innenliegenden Kernschicht zwischen 1,7 und 1,9, vorzugsweise bei 1,8 und/oder die Dielektrizitätskonstante der außenliegenden Kernschicht zwischen 1,1 und 1,4, vorzugsweise zwischen 1,15 und 1,35, weiter vorzugsweise bei 1,25 liegen.
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Die Dielektrizitätskonstanten können unterschiedlich für jede der Schichten der Radomwandung gewählt sein. Vorzugsweise sind aber die Dielektrizitätskonstanten der beiden Deckschichten zueinander identisch. Entsprechende identische Dielektrizitätskonstanten ergeben sich bereits regelmäßig durch Verwendung identischer Materialien für die Deckschichten, was gleichzeitig auch eine Vereinfachung der Herstellung bedeuten kann. Insbesondere die Dielektrizitätskonstanten der beiden Kernschichten müssen allerdings regelmäßig unterschiedlich sein. Dabei haben sich deutliche Unterschiede in den Dielektrizitätskonstanten der Kernschichten als besonders vorteilhaft erwiesen. Unabhängig von den konkreten Dielektrizitätskonstanten ist bevorzugt, wenn die Dielektrizitätskonstante der innenliegenden Kernschicht um wenigstens den Faktor 1,3, vorzugsweise um wenigstens den Faktor 1,4 größer ist als die Dielektrizitätskonstante der außenliegenden Kernschicht.
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Die Deckschichten können jeweils durch ein oder mehrere Lagen aus Prepreg-Material, vorzugsweise Quarzglasfaser/Epoxy-Prepreg gebildet, sein. Die Kernschichten sind vorzugsweise Schaummaterial, vorzugsweise aus Polyurethan-Hartschaumstoff, gebildet.
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Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Radoms wird auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
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Die Erfindung wird nun anhand einer vorteilhaften Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
- 1: ein schematischer Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Radomwandung; und
- 2a-c: Diagramme zu Transmissions- und Depolarisationseigenschaften der Radomwandung aus 1.
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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 Flugzeugen in einer Schnittansicht dargestellt.
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Die Radomwandung 1 umfasst zwei Deckschichten 11, 12 und zwei Kernschichten 21, 22. Ausgehend von der Seite 2 der Radomwandung 1, welche bei der ordnungsgemäßen Verwendung der vor äußeren Einflüssen zu schützenden Antenne zugewandt ist, ist - der Reihe nach - eine außen liegende Kernschicht 21, eine innen liegende Deckschicht 12, eine innen liegende Kernschicht 22 und eine außen liegende Deckschicht 11 vorgesehen. Auf der im Verwendungszustand von der zu schützenden Antenne abgewandten Seite 3 der Radomwandung 1 kann noch eine Oberflächenbeschichtung 4 zum weitergehenden Schutz vorgesehen sein. Da diese jedoch kein integraler struktureller Bestandteil der Radomwandung 1 ist, wird sie grundsätzlich nur im Hinblick auf die Transmissionseigenschaften der Radomwandung 1 berücksichtigt. Durch die Oberflächenbeschichtung 4 ggf. zu erwartende Beeinträchtigung der Transmissionseigenschaften der Radomwandung 1 können aber bei Bedarf durch geeignete Wahl einer anderen Oberflächenbeschichtung 4 und/oder ggf. Anpassung der Schichtdicken und/oder Dielektrizitätskonstanten der einzelnen Deck- und Kernschichten 11, 12, 21, 22 reduziert oder vermieden werden.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel umfasst die Oberflächenbeschichtung 4 einen mehrschichtigen Materialauftrag, umfassend die Schichten:
| Schicht | Dicke | Dielektrizitätskonstante |
| Anti-Statik-Schicht | 0,02 mm | 0, 05 |
| Grundierung | 0,025 mm | 3,4 |
| Deckanstrich | 0,1 mm | 3,5 |
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Die Deckschichten 11, 12 sind aus Quarzglasfaser/Epoxidharz-Prepreg gebildet, während die Kernschichten 21, 22 aus einem Polyurethan-Hartschaumstoff sind.
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Die Dicke der einzelnen Deck- 11, 12 und Kernschichten 21, 22, sowie deren jeweilige Dielektrizitätskonstanten ergeben sich aus der nachstehenden Tabelle:
| Schicht | Dicke | Dielektrizitätskonstante |
| 21 | 2,70 mm | 2,8 |
| 12 | 3,85 mm | 1,8 |
| 22 | 1,90 mm | 2,8 |
| 11 | 0,55 mm | 1,25 |
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Für die angegebenen Dicken kann eine Toleranz von ±0,2 mm, vorzugsweise ±0,1 mm vorgesehen sein.
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Wie sich aus der vorstehenden Tabelle unmittelbar ergibt, ist die Dicke der innen liegenden Deckschicht 12 um den Faktor sieben größer als die Dicke der außen liegenden Deckschicht 11. Außerdem ist die Dicke der innen liegenden Kernschicht 22 geringer als die Dicke der außen liegenden Kernschicht 21.
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In 2a-c sind die Transmissions- und Depolarisationseigenschaften der Radomwandung 1 gemäß 1 in Abhängigkeit des Einfallswinkels ausgehend von einem orthogonalen Auftreffen der Strahlung dargestellt, d. h., ein Winkel von 0° bedeutet ein orthogonales Auftreffen.
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In 2a sind die Transmissionseigenschaften der Radomwandung 1 im für die Satellitenkommunikation relevanten Sendeband von 27,5 bis 31 GHz in Abhängigkeit des Einfallswinkels dargestellt, und zwar als Transmissionsverlust in [db] sowohl des elektrischen (gestrichelte Linie) als auch des magnetischen (durchgezogene Linie) Anteils der elektromagnetischen Strahlung. Bis zu einem Einfallswinkel von 60° ausgehend von einem orthogonalen Auftreffen der Strahlung beträgt der Transmissionsverlust sowohl für den elektrischen als auch des magnetischen Anteils weniger bzw. kaum mehr als 1 db (gepunktete Linie). Bis zu einem Einfallswinkel 70° sind die Transmissionsverluste derart gering, dass häufig auch bis zu diesem Einfallswinkel eine Satellitenkommunikation - bzw. hier das Senden - noch möglich ist.
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2b ist vergleichbar zu 2a, zeigt aber die Transmissionseigenschaften der Radomwandung 1 im für die Satellitenkommunikation relevanten Empfangsbereich von 17,7 bis 21,2 GHz in Abhängigkeit des Einfallswinkels. Hier betragen die Transmissionsverluste bis zu einem Einfallswinkel von 60° ausgehend von einem orthogonalen Auftreffen der Strahlung sowohl für den elektrischen (gestrichelte Linie) als auch des magnetischen Anteils (durchgezogene Linie) weniger bzw. kaum mehr als 1 db (gepunktete Linie). Bei einem Einfallswinkel von 70° liegt lediglich der Transmissionsverlust für den elektrischen Anteil der elektromagnetischen Strahlung über 1 db; dennoch ist regelmäßig auch bei einem solchen Einfallswinkel eine Satellitenkommunikation - bzw. hier das Empfangen - noch möglich.
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In 2c sind die Depolarisationseigenschaften der Radomwandung 1 sowohl für das bei der Satellitenkommunikation relevanten Sendeband von 27,5 bis 31 GHz (durchgezogene Linie) als auch für das entsprechende Empfangsband von 17,7 bis 21,2 GHz (gestrichelte Linie) im in Abhängigkeit des Einfallswinkels dargestellt in Abhängigkeit des Einfallswinkels dargestellt. Die Depolarisationseigenschaften sind dabei als „crosspolarization discrimination“-Wert (XPD-Wert) abgebildet. Wie aus 2c unmittelbar ersichtlich, sind die Depolarisationseigenschaften sowohl im Sende- als auch im Empfangsband bis zu einem Einfallswinkel von bis zu 65° unterhalb eines kritischen Wertes von -23 db (gepunktete Linie) und somit als hervorragend einzustufen. Auch bei 70° sind die Depolarisationseigenschaften noch als sehr gut zu bezeichnen.
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In Zusammenschau der 2a-c ergibt sich somit, dass die Radomwandung 1 gemäß 1 bis zu einem Einfallswinkel von 60° ausgehend von einem orthogonalen Auftreffen der Strahlung hervorragende, bis zu einem Einfallswinkel von wenigstens 65° bzw. 70° noch sehr gut Transmissions- und Depolarisationseigenschaften aufweist. Gleichzeitig weist die Radomwandung 1 ausreichende strukturelle Eigenschaften auf, die eine Nutzung der Radomwandung an der Außenseite von Flugzeugen, insbesondere Verkehrs- bzw. Passagierflugzeugen gestatten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2747202 A1 [0005]
- EP 3533108 A1 [0005, 0006]
