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I. Anwendungsgebiet
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Die
Erfindung betrifft im Allgemeinen ein Antennenmodul mit mehreren
Funktionen für die Verwendung in mehreren Frequenzbereichen.
Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung ein Antennenmodul
mit einem halbkugelförmigen Dipolstrahler und einer Spiral-Antenne.
Der Hauptanwendungsbereich des erfindungsgemäßen
Systems sind hierbei U-Boot-Antennensysteme.
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II. Technischer Hintergrund
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Bei
der Verwendung von λ/2-Dipolantennen werden die Ausmaße
der Antenne durch die dem jeweiligen Frequenzbereich zugehörigen
Wellenlängen bestimmt. Bei der Verwendung von zwei Strahlern,
also einer Gesamtlänge von λ/2, wird daher beispielsweise
im Ultrakurzwellenbereich bei einer Frequenz von 100 MHz ein 1,5
m langer Antennenkörper benötigt, um eine resonante
Abstrahlung zu erreichen. Durch geeignete Maßnahmen ist
es zwar möglich, diese Längen zu verkürzen,
jedoch meist nur in einem geringen Umfang.
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Da
darüber hinaus selbst bei der Verwendung von Breitbandantennen
der jeweils zur Verfügung stehende Frequenzbereich der
Antenne limitiert ist, wird üblicherweise für
verschiedene Frequenzbereiche eine der Anzahl der Frequenzbereiche
entsprechende Anzahl von Antennen benutzt.
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Dies
kann jedoch in Fällen, bei denen zwar verschiedene Frequenzbereiche
benötigt werden, gleichzeitig jedoch die Abmessungen des
Antennensystems durch den zur Verfügung stehenden Raum
begrenzt sind, zu Problemen führen.
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Ein
Beispiel hierfür bildet ein Antennensystem eines U-Bootes.
Hier werden zur Kommunikation bzw. Positionsortung oder Ähnlichem
Antennen in verschiedenen Frequenzbereichen benötigt, beispielsweise
in:
| VHFLOW | 30–88
MHz |
| VHF | 100–164
MHz |
| UHF | 220–400
MHz |
| IFF
(identification friend foe) | 1030/1090
MHZ |
| GPS | 1575,41/1227,6
MHz |
| Inmarsat
RX | 1530–1545
MHz |
| Inmarsat
TX | 1626,5–1646,5
MHz |
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Neben
dem bereits erwähnten nur beschränkt zur Verfügung
stehenden Raumangebot, besteht für ein von U-Booten benutztes
Antennensystem eine weitere Anforderung darin, dass der gesamte
Aufbau der Antenne aufgrund der Positionierung an der Außenhaut
des U-Bootrumpfes und der damit verbundenen Belastungen durch das
umströmende Wasser möglichst kompakt sein muss.
Gleichzeitig ist auch eine möglichst große Stabilität
des Antennensystems gegenüber mechanischen Belastungen
zu gewährleisten, da durch Schockwellen im Wasser kurzzeitige
Horizontalbelastungen bis zu 400 G sowie Vertikalbelastungen bis
in den Bereich von 150 G auftreten können.
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Verschiedene
Lösungsansätze zu diesem Problem benutzen üblicherweise
das Prinzip eines modulartig aufgebauten Antennensystems („stack
antenna"), bei der die verschiedenen Strahler der jeweiligen Antennen
auf ein längliches Bauteil, den Antennenträger,
aufgebracht werden.
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Aufgrund
der Abmessungen der Strahler der verwendeten Einzelantennen weist
ein derartiges Antennensystem üblicherweise eine entsprechende
Länge auf, was sich hinsichtlich der mechanischen Stabilität
und dem Verhalten gegenüber Wasserdruck und Wasserumströmung
negativ auswirkt.
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Ein
Lösungsansatz der Anmelderin, der sich als äußerst
erfolgreich herausgestellt hat, besteht darin, bei einem entsprechenden
Antennensystem wenigstens einen der Strahler für mehr als
einen Frequenzbereich zu nutzen. Die Entkopplung der Antennen erfolgt
hierbei über eine spezielle Geometrie mit entsprechend angepassten
Kurzschlussleitungen. Dieses System ist in der
DE 10239874 A1 beschrieben.
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Jedoch
können auch mit diesem System nicht alle Anforderungen
hinsichtlich der gewünschten Funktionalität eines
entsprechenden Antennensystems erfüllt werden.
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Insbesondere
Funktionen wie eine Anbindung bzw. Kommunikation von U-Booten im „Link
16"-Standard erfordern hier speziell angepasste Lösungen
für entsprechend ausgelegte Antennenmodule. Link 16 bezeichnet
hierbei einen militärischen Datenaustauschstandard der
NATO und ist als der digitale Datendienst des Kommunikationsverfahrens
MIDS im NATO-Standardization Agreement STANAG 5516 definiert. Mittels
Link 16 können Flugzeuge, Schiffe und Heereseinheiten eines
Verbandes ihre Lageinformationen in nahezu Echtzeit übertragen.
Weiterhin wird Link 16 für die Befehlsgebung, sowie den
koordinierten Waffeneinsatz genutzt, ebenfalls stehen Datenformate
für die Fliegerleitung von Luftfahrzeugen zur Verfügung.
In jüngster Zeit finden Entwicklungen statt, Link 16 vermehrt
auch für den Informationsverbund von zur ballistischen
Raketenabwehr geeigneten Waffensystemen zu nutzen.
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III. Darstellung der Erfindung
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a) Technische Aufgabe
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Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, ein neues Modul,
vorzugsweise für eine stack antenna zu verwirklichen, das
einen Einsatz für wenigstens zwei zusätzliche
verschiedene Kommunikationsdienste ermöglicht und sich
dabei durch eine besondere Kompaktheit und mechanische Belastbarkeit
bei gleichzeitig möglichst idealer Entkopplung der verschiedenen
Kommunikationsdienste auszeichnet.
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b) Lösung der Aufgabe
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Diese
Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1
gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Ein
entsprechendes Antennenmodul umfasst wenigstens zwei voneinander
unabhängig betreibbare Strahlerelemente, wobei die beiden
Strahlerelemente hintereinander auf einer gemeinsamen Achse angeordnet
sind und die Speisung der beiden Strahlerelemente jeweils durch
koaxiale Speiseleitungen erfolgt. Erfindungsgemäß ist
hierbei zumindest im Bereich des bezüglich der Einspeisung
proximal auf der gemeinsamen Achse angeordneten Strahlerelements
die Speiseleitung des distal angeordneten Strahlerelements innerhalb des
Innenleiters der Speiseleitung des proximalen Strahlerelements angeordnet.
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Eine
entsprechende Anordnung der Speiseleitungen ermöglicht
es, das Antennenmodul kompakt aufzubauen und gleichzeitig die beiden
Strahlerelemente durch die äußerst symmetrische
Anordnung ihrer Speiseleistungen weitestgehend zu entkoppeln bzw.
eine gegenseitige Beeinflussung der beiden Strahlerelemente zu minimieren.
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Als
Speiseleitung für das proximale Strahlerelement kann hier
zumindest im Bereich des proximalen Strahlerelements vorteilhafterweise
eine Kombination von koaxial verlaufenden Metallrohren unterschiedlichen
Durchmessers verwendet werden.
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Bei
der Speiseleitung des distalen Strahlerelements, die in diesem Fall
erfindungsgemäß innerhalb des inneren Metallrohrs
der Speiseleitung des proximalen Strahlerelements verläuft,
kann es sich um ein herkömmliches Koaxialkabel handeln,
das durch die starre Geometrie des inneren Metallrohrs ortsfest
stabil gelagert wird. Vorteilhafterweise handelt es sich bei der
Speiseleitung des distalen Strahlerelements um ein semi-rigides
Koaxialkabel.
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Als
Metall für die Metallrohre der Speiseleitung des proximalen
Strahlerelements kommen beliebige Materialien in Frage, sofern die
Anforderungen an die Leitfähigkeit, spezifischen Widerstand,
physikalische Steifigkeit etc. erfüllt werden. In einer
bevorzugten Ausführungsform der Erfindung handelt es sich
um Messingrohre.
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Als
Strahlerelemente kommen entsprechend der jeweils gewünschten
Anforderungen sämtliche Antennenformen in Frage, wobei
auch unterschiedlichste Polarisationen (linear, rechtszirkular,
linkszirkular) der abzustrahlenden Wellen verwendet werden können.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform handelt es sich bei dem
proximalen Strahlerelement des erfindungsgemäßen
Antennenmoduls um eine Dipol-Antenne für linear polarisierte
elektromagnetische Wellen, während es sich bei dem distalen
Strahlerelement um eine patch-Antenne in Form einer auf eine ebene
Fläche aufgebrachten Spiralantenne handelt.
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Die
Dipol-Antenne besteht bei dieser Ausführungsform vorzugsweise
aus zwei metallischen Halbkugeln, die entgegengesetzt zueinander
angeordnet sind. Die Anordnung ist hierbei so gewählt,
dass die jeweiligen Öffnungen der Halbkugeln voneinander
wegzeigen.
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Je
nach Ausrichtung dieses Dipol-Strahlers können horizontal
oder vertikal polarisierte Wellen erzeugt bzw. empfangen werden.
Vorteilhafterweise ist der Halbkugeldipol so bezüglich
der gemeinsamen Achse der beiden Strahlerelemente angeordnet, dass
seine Hauptstrahlrichtung parallel zu dieser gemeinsamen Achse verläuft.
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Der
Halbkugeldipol ist in einer bevorzugten Ausführungsform
für den Frequenzbereich von 500–3000 MHz, insbesondere
von 850–2000 MHz ausgelegt.
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Bei
der zuvor beschriebenen speziellen Ausführungsform ist
die das distale Strahlerelement bildende patch-Antenne als Spiralantenne
auf einer senkrecht zur gemeinsamen Achse angeordneten kreisförmigen Leiterplatte
angeordnet. Sie besteht vorzugsweise aus einer von der Mitte der
Leiterplatte ausgehenden zweiarmigen metallischen Spirale und kann
beispielsweise für rechtsdrehende zirkular polarisierte
Wellen im den Frequenzbereich von 1000 MHz–2000 MHz, insbesondere
von 1200–1800 MHz ausgelegt sein. Die Strahlrichtung der
Spiralantenne ist hierbei vorzugsweise senkrecht zur ebenen Oberfläche – üblicherweise
sphärisch – der Spiralantenne gerichtet und verläuft
somit parallel zur gemeinsamen Achse der Strahlerelemente.
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Vorzugsweise
sind die beiden Strahlerelemente räumlich durch elektrisch
nicht leitende Abstandshalterelemente voneinander getrennt und somit
entkoppelt, um eine möglichst geringe gegenseitige Beeinflussung
zu gewährleisten. Insbesondere sind hierbei die beiden
Speiseleitungen zumindest in dem Bereich, in dem die Speiseleitung
des distalen Strahlerelements innerhalb des Innenleiters der Speiseleitung
des proximalen Strahlerelements verläuft, gegeneinander
isoliert.
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Zur
Symmetrierung und Anpassung der beiden Strahlerelemente an ein 50 Ω-System
können sämtliche denkbaren Symmetrierelemente
wie Sperrtöpfe, Kurzschlussleitungen o. ä. verwendet
werden. Vorzugsweise ist hierzu jedoch wenigstens zur Symmetrierung/Anpassung
eines Strahlerelements der Außenleiter der koaxialen Speiseleitung
dieses Strahlerelements mit wenigstens einer schlitzarti gen Öffnung
versehen. Die Länge der schlitzartigen Öffnung
ist hierbei an den jeweiligen Frequenzbereich des Strahlerelements
angepasst.
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Besonders
bevorzugt weist der Außenleiter der koaxialen Speiseleitung
in diesem Fall wenigstens zwei schlitzartige Öffnungen
auf, die symmetrisch zueinander liegend angeordnet sind. Insbesondere
können hierbei zwei schlitzartige Öffnungen vorhanden
sein, die diametral gegenüberliegend angeordnet sind.
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Vorzugsweise
haben die mehreren schlitzartigen Öffnungen dieselbe Länge
und/oder erstrecken sich umfangseitig jeweils über denselben
Winkelbereich der Mantelfläche des Außenleiters.
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Bei
der oben beschriebenen bevorzugten Ausführungsform einer
Dipol-Antenne im Frequenzbereich von 500–3000 MHz als proximales
Strahlerelement weist der Außenleiter der Speiseleitung
der Dipol-Antenne vorzugsweise eine schlitzartige Öffnung
mit einer Länge von ca. 65 mm bis 75 mm und somit von ca.
70–90% der gesamten Länge des im Bereich des proximalen
Strahlerelements den Außenleiter der Speiseleitung bildenden
Metallrohrs auf. Die Öffnung erstreckt sich hierbei vorzugsweise über
einen Winkelbereich von 15–60 Grad der Zylindermantelfläche
des Metallrohrs.
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Vorzugsweise
weist bei dem oben dargestellten Ausführungsbeispiel auch
die Speiseleitung des distalen Strahlerelements, also der Spiralantenne
im Frequenzbereich von 1000 MHz–2000 MHz, zur Symmetrierung/Anpassung
eine an den Frequenzbereich angepasste schlitzartige Öffnung
auf. Diese hat eine Länge von ca. 40 mm bis 50 mm und somit
von ca. 20–30% der gesamten Länge des im Bereich
des proximalen Strahlerelements die Speiseleitung bildenden Koaxialkabels.
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Neben
der räumlichen Entkopplung der beiden Strahlerelemente
durch elektrisch nicht leitende Abstandshalter kann zusätzlich
eine Entkopplung mittels einer entsprechenden Elektronikschaltung,
insbesondere durch eine auf HF-Trennung aufbauende Filterselektion
erfolgen.
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c) Ausführungsbeispiele
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Eine
Ausführungsform der Erfindung ist im folgenden anhand der
Figuren beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
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1:
eine Seitenansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Antennenmoduls bei einer Verwendung mit einer stack antenna, die
zum Einsatz an einem U-Boot in eine im Schnitt gezeigte Kunststoffhaube
eingebracht ist;
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2 einen
vergrößerter Ausschnitt aus 1,
der das erfindungsgemäße Antennenmodul in Seitenansicht
darstellt;
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3 das
erfindungsgemäße Antennenmodul aus 1 und 2 in
Seitenansicht isoliert darstellt;
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4 eine
Aufsicht auf die Spiralantenne der in den vorangehenden Figuren
dargestellten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Antennenmoduls.
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In
1 ist
das erfindungsgemäßen Antennenmodul
1 bei
einer Verwendung in einem U-Boot-Antennensystem
100 dargestellt.
Das System
100 umfasst neben dem Modul
1 noch
weitere Strahlerelemente, wie z. B. das aus der
DE 10239874 bekannte Dipolsystem
101.
Aus Symmetriegründen sind alle Strahler des Antennensystems
koaxial zur Längsachse A angeordnet. Zum Schutz gegen die
im Einsatz vorherrschenden Umweltbedingungen ist das gesamte System
100 in
einer Kunststoffhaube
102 untergebracht.
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In
der dargestellten Ausführungsform ist das erfindungsgemäße
Modul 11 am distalen Ende des Gesamtsystems 100 angeordnet
und umfasst die proximal angeordnete Dipol-Antenne 11 sowie
die distal am Ende des gemeinsamen Antennenträgers angeordnete
Patch-Antenne bzw. Spiralantenne 12.
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Wie
in den 2 und 3 dargestellt, umfasst die Dipol-Antenne 11 zwei
halbkugelförmige Strahler 13a und 13b,
die bezüglich der Längsachse A des gesamten Antennensystems 100 derart
angeordnet sind, dass die Öffnungen der Halbkugeln 13a, 13b voneinander
wegzeigen.
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Zwischen
den beiden Halbkugeln 13a und 13b ist ein elektrisch
isolierendes Abstandshalterelement 16 angeordnet. Die Dipol-Antenne 11 ist
mechanisch mit dem Rest des Antennensystems 100 über
eine Schraubverbindung 210 verbunden. Die Schraubverbindung 210 verbindet
hierbei eine Basisplatte 22b der Dipol-Antenne 11 mit
einem Strahler 101a des weiteren Dipolsystems 101.
Durch eine Verwendung entsprechender Materialien für die
Basisplatte 22b ist eine elektrische Entkopplung der beiden
Antennen 11 und 101 gewährleistet.
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Die
beiden Halbkugeln 13a und 13b der Dipol-Antenne 11 sind
zwischen der Basisplatte 22b und einer weiteren Platte 22a angeordnet,
wobei die Platten 22a und 22b über isolierende
Abstandshalterelemente/Schraubverbindungen 19 miteinander
verbunden sind.
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Die
Speisung der Dipol-Antenne 11 erfolgt über ein
proximal zur Basisplatte 22b angeordnetes Einspeisenetzwerk 21.
Im Bereich der Dipol-Antenne 11 besteht die koaxiale Speiseleitung
der Dipol-Antenne 11 aus einem inneren Messingrohr 15 und
einem äußeren Messingrohr 14. Das Rohr 15 ist
innerhalb des Rohres 14 angeordnet und bildet den Innenleiter
der Speiseleitung, während das Rohr 14 den Außenleiter
bildet.
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Das
Messingrohr 14 verläuft durch eine zentrale Öffnung
der proximalen Halbkugel 13b der Dipol-Antenne 11 und
schließt mit dieser auf der Außenseite der Halbkugel 13b im
wesentlichen bündig ab. Durch die Kontaktfläche
zwischen der Außenseite des Messingrohrs 14 und
der Innenseite der Öffnung in der Halbkugel 13b ist
das Messingrohr 15 gut leitend mit der Halbkugel 13b verbunden.
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Das
Messingrohr 15 verläuft durch eine zentrale Öffnung
der distalen Halbkugel 13a der Dipol-Antenne 11 und
schließt mit dieser auf der Innenseite der Halbkugel 13a im
wesentlichen bündig ab. Durch die Kontaktfläche
zwischen der Außenseite des Messingrohrs 15 und
der Innenseite der Öffnung in der Halbkugel 13a ist
das Messingrohr 15 gut leitend mit der Halbkugel 13a verbunden.
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Die
Dipol-Antenne 11 ist für linear polarisierte elektromagnetische
Wellen im Frequenzbereich von 850–2000 MHz ausgelegt und
weist eine Hauptstrahlrichtung auf, die parallel zur Längsachse
des Antennensystems 100 verläuft.
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Zur
Anpassung und Symmetrierung der Dipol-Antenne 11 an ein
50 Ω-System weist das äußere Messingrohr 14 zwei
diametral angeordnete und symmetrisch ausgebildete schlitzartige Öffnungen 14a auf,
die sich von der auf der Außenseite der Halbkugel 13b befindlichen
Mündung des Rohres 14 aus geradlinig in Längsrichtung
des Rohres 14 erstrecken. Diese Nuten 14a weisen
jeweils eine Länge auf, die in etwa 75% der Gesamtlänge
des Rohrs 14 entspricht und erstrecken sich jeweils über
einen Winkelbereich von ca. 30° über die Zylindermantelfläche
des Rohrs 14.
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Distal
zur Dipol-Antenne 11 ist die Spiralantenne 12 angeordnet,
die in einer Aufsicht in 4 dargestellt ist. Die Spiralantenne 12 besteht
aus einer von der Mitte einer Leiterplatte 17 ausgehenden
zweiarmigen metallischen Spirale mit den Armen 23a, 23b.
Die Arme 23a, 23b sind hierbei vorzugsweise auf
der Leiterplatte 17 aufgedampft.
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Mechanisch
ist die Leiterplatte 17 über isolierende Abstandshalterelemente/Schraubverbindungen 20 mit
der Platte 22a der Dipol-Antenne 11 verbunden,
wobei durch eine geeignete Materialwahl eine möglichst gute
Entkopplung der beiden Antennen gewährleistet wird.
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Die
Speisung der Spiralantenne 11 erfolgt über ebenfalls über
das proximal zur Basisplatte 22b angeordnete Einspeisenetzwerk 21.
Im Bereich des Antennenmoduls 1 besteht die koaxiale Speiseleitung 18 der Spiralantenne 11 aus
einem herkömmlichen semi-rigiden Koaxialkabel, das im Bereich
der Dipol-Antenne 11 erfindungsgemäß innerhalb
des inneren Messingrohrs 15 verläuft.
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Wie
in 3 zu erkennen ist, weist das Koaxialkabel 18 eine
zusätzliche außenliegende Isolierung 18b auf,
die sich auch noch nach dem Durchtreten des Koaxialkabels 18 durch
die Halbkugel 13a über eine bestimmte Länge
L bzgl. der Innenseite der Halbkugel 13a weiter erstreckt,
um eine entsprechende elektrische Entkopplung der Speiseleitung 18 der
Spiralantenne 12 von der Halbkugel 13a zu gewährleisten.
Innerhalb des Messingrohrs 15 ist das Koaxialkabel 18 durch
die Isolierung 18b von der Innenwand des Messingrohrs 15 getrennt.
Bei dieser zusätzlichen Isolierung 18b kann es
sich beispielsweise um einen herkömmlichen Schrumpfschlauch
handeln, der vor dem Anordnen innerhalb des Messingrohrs 15 auf
das Koaxialkabel 18 aufgebracht wurde.
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Die
Spiralantenne 12 ist für einen Betrieb mit rechtsdrehenden
zirkular polarisierten elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich
von 1200–1800 MHz ausgelegt.
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Zur
Anpassung und Symmetrierung der Spiralantenne 12 an ein
50 Ω-System weist der Außenleiter des Koaxialkabels 18 zwei
diametral gegenüberliegend angeordnete schlitzartige Öffnungen 18a auf,
die sich vom der Leiterplatte 17 zugewandten Ende des Koaxialkabels 18 aus
geradlinig in Längsrichtung des Koaxialkabels 18 erstrecken.
Diese Nuten 18a weisen jeweils eine Länge von
ca. 45 mm auf, was in etwa 25% der Gesamtlänge des Koaxialkabels
im Bereich der Dipol-Antenne 11 und der Spiralantenne 12 entspricht.
Aufgrund der Nuten 18a besteht der Außenleiter
des Koaxialkabels 18 an seinem der Leiterplatte 17 zugewandten Ende
aus zwei diametral gegenüberliegenden kreisabschnittförmigen
Laschen 18c.
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Das
Koaxialkabel 18 durchtritt die Leiterplatte 17,
wobei eine der beiden den Außenleiter bildenden Laschen 18c mit
einem der Arme 23a, 23b der Spiralantenne 12 und
die andere der beiden Laschen 18c mit dem anderen der Arme 23a, 23b der
Spiralantenne 12 verbunden ist. Der Innenleiter des Koaxialkabels 18 ist hierbei über
eine Verbindung 18d ebenfalls mit einem der beiden Arme
der Spiralantenne 12, hier mit dem Arm 23a verbunden.
Natürlich kann anstelle einer geson derten Verbindung 18d einfach
der Innenleiter selbst umgebogen und mit dem Arm 23a verbunden
werden, wobei der Innenleiter dann entsprechend länger
dimensioniert ist.
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Das
Einspeisenetzwerk 21 sowie die auf der U-Boot-Seite vorhandene
(nicht dargestellte) Steuerelektronik für das Antennensystem 100 verfügen über
HF-Filterelemente, um die beiden Strahlerelemente 11, 12 des
erfindungsgemäßen Antennenmoduls auch auf diese
Weise zu entkoppeln.
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- 1
- Antennenmodul
- 11
- Dipol-Antenne
- 12
- Spiralantenne
- 13a,
b
- Halbkugeln
- 14
- äußeres
Messingrohr
- 14a
- Schlitze
in 14
- 15
- inneres
Messingrohr
- 16
- Abstandshalter
- 17
- Leiterplatter
- 18
- Koaxialkabel
- 18a
- Schlitze
in 18
- 18b
- Isolierung 18
- 18c
- Laschen
von 18
- 18d
- Verbindung
an 23a
- 19
- Abstandshalter
- 20
- Abstandshalter
- 21
- Speisenetzwerk
- 22a
- Platte
- 22b
- Basisplatte
- 23a,
b
- Spiralarme
- 100
- Antennensystem
- 101
- Dipolstrahler
- 101a
- Strahler
von 101
- 102
- Kunststoffhaube
- 210
- Schraubverbindung
- A
- Achse
von 100
- L
- überstehende
Länge der Isolierung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10239874
A1 [0009]
- - DE 10239874 [0037]