DE3738506A1 - Antennenstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine tragende Struktur einer Antenne für Luft- und Raumfahrtanwendungen, insbesondere für eine aktive Mikrowellenantenne aus faserverstärktem Kunststoff.

Für Luft- und Raumfahrtanwendungen kommt dem Faktor des Gewichts eine entscheidende Bedeutung zu. Für beide An­ wendungen ist daneben stets eine hohe Dimensionsstabilität gefordert. Das heißt, die Antenne muß gegenüber den Lasten (aerodynamische Lasten, Beschleunigung beim Start), gegen­ über niederfrequenten Schwingungen oder den thermischen Be­ lastungen, wie sie im Weltall auftreten, verformungsstabil sein.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine faserverstärkte tragende Struktur zu schaffen, die es erlaubt, eine dimen­ sionsstabile Antenne, insbesondere eine aktive Antenne, noch leichter zu bauen als bisher.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Inte­ gration von wärmeleitenden und/oder elektromagnetische Wellen leitenden Elementen in die tragende Struktur.

Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteran­ sprüchen.

Die Integration wärmeleitender Schichten in die tragende Struktur kann dadurch erfolgen, daß wärmeleitende Schich­ ten, die ebenfalls aus faserverstärkten Materialien wie CFK bestehen, in die tragende Struktur integriert werden oder diese bilden. Die bisher üblichen wärmeabführenden Elemente, wie Wärmerohre, Dopplerbleche oder Strahlungs­ flächen entfallen, wodurch Gewicht gespart wird. Durch breite Versteifungsstege und durchgehende Fasern wird die Wärmeleitung erhöht. Eine Verteilung "heißer" Bauteile über die ganze Antennenfläche fördert die Abstrahlung bei rela­ tiv gleichmäßiger Temperatur. Durch Beschichtung mit Ther­ mallack kann der Wärmeaustausch durch Strahlung innerhalb der hohlen Räume zwischen den Stegen vergrößert werden.

Die Integration von Elementen, die elektromagnetische Wellen leiten, kann sich zum Beispiel auf das Gebiet der niederfrequenten Ströme beziehen. Ein Beispiel dafür sind Speiseleitungen. Diese werden realisiert durch Einbettung von leitfähigen Drähten oder von leitfähigen Streifen in oder auf die aus nichtleitendem Kunststoff bestehenden Strukturen. Als Vorteil ist der Wegfall von Zusatzgewich­ ten durch Isolation und Verbindungselemente zu nennen. Die Integration kann auch so weit geführt werden, daß ganze Teile der tragenden Struktur als Elektronikplatinen ausge­ führt werden.

Dies kann zum Beispiel dadurch erfolgen, daß die relevanten Strukturteile aus nichtleitenden Hochleistungsfasern wie zum Beispiel SiC, Aramid oder PE hergestellt werden. Die Leiterbahnen und Befestigungen der Bauelemente können mit üblichen verfügbaren Techniken erfolgen. Der Vorteil ist wiederum die Gewichtsersparnis durch den Wegfall zusätz­ licher Platinen.

Ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Integration ist der Einbau von hochfrequenz-leitenden Strukturen in die tragende Struktur. So können zum Beispiel Signalleitungen durch Einbettung der Leitung samt einer isolierenden Um­ hüllung in eine CFK-Struktur erfolgen. Die Isolierung wird zum Beispiel als mittragendes Element mit einer Verstärkung aus nichtleitenden Fasern ausgelegt. Der Aufbau kann zum Beispiel wie ein Koaxkabel oder wie ein Hohlleiter sein. Falls die Abschirmwirkung des CFK nicht ausreicht, kann die Isolierung zum Beispiel mit metallisierten Fasern hoher Hochfrequenzleitfähigkeit erfolgen, wobei diese Fasern auch wieder mittragend ausgelegt werden können.

Ein weiteres Beispiel für die Integration ist zum Beispiel der Einbau eines gehäuselosen Gerätes, wie eines Senders oder Empfängers, in ein durch die Struktur gebildetes abge­ schlossenes Fach, dessen Innenseite mit einer dünnen Be­ schichtung (zum Beispiel 10 µm) mit einem hochleitfähigem Metall (zum Beispiel Gold) versehen ist. Als Vorteil ergibt sich wiederum eine Gewichtsersparnis.

Die Integration von elektromagnetische Wellen leitenden Elementen kann sich auch auf den optischen Wellenbereich beziehen. In diesem Fall werden eigene Glasfaserkabel als optische Signalleitungen überflüssig. Erfindungsgemäß er­ folgt dies durch Einbettung der signalführenden Glasfaser in die Struktur, die aus faserverstärkten Kunststoffen be­ steht. Die Durchführung kann zum Beispiel dadurch erleich­ tert werden, daß die Glasfaser in Rovings oder Gewebe aus den tragenden Fasern eingearbeitet ist. Vorteilhaft fällt hier wiederum Zusatzgewicht durch die Umhüllungen des Glas­ faserkabels weg.

Die Integration kann auch soweit gehen, daß ganze Hoch­ frequenzkomponenten in die tragende Struktur integriert werden. Als Beispiel wird eine ganze Mikrostripantenne in Mesa- oder Wannenbauweise in die Struktur integriert. In dieser Ausführung kann das Mikrostrip- oder Antennendielek­ trikum in faserverstärktem Kunststoff hoher Festigkeit und Steifigkeit ausgeführt sein (zum Beispiel aus polyethylen­ faserverstärktem Polyethylen) und selbst eine Außenseite des, sich dann selber tragenden, Hohlkastens bilden.

Die Erfindung wird anhand von zwei Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine Ausführung einer Antenne für ein Synthe­ tik-Apertur-Radar (SAR) mit ihrem Träger. Die Antenne be­ steht hier aus der Antennenaußenschicht 1 mit Strahlerele­ menten (patches), einem elektrisch isolierenden Substrat 2 (mit ε _r≈1), in das Zuleitungen (Mikrostrips) integriert sind und einer elektrisch leitenden Grundplatte 3. Die elek­ trische Verbindung zwischen dem Strahlerelement und der Zu­ leitung kann zum Beispiel durch lokale Erhöhung von ε _r im Substrat 2 im Bereich zwischen diesen beiden Elementen er­ folgen. Die tragende Struktur 4 ist hier in Kastenbauweise mit den Hohlräumen 5 realisiert. In den Hohlräumen 5 können elektrische Module 6 und Elektronikplatinen 7 enthalten sein. Die tragende Struktur 4 ist hier aus kohlefaserver­ stärktem Kunststoff ausgeführt, der an seiner Oberseite zur elektrischen Abschirmung metallisiert ist. Die wärmeabgeben­ den Bauteile wie die elektrischen Module 6 und die Elektro­ nikplatinen 7 sind bevorzugt über die gesamte Antennenfläche verteilt und an den Trägern, die zur Antennenvorderseite führen, wärmeleitend angeschlossen. Die in der Struktur 4 gezeigten Pfeile zeigen den Fluß der Wärme durch das aus wärmeleitendem Kunststoff hergestellte Trägermaterial 4.

Fig. 2 zeigt eine Ausführung mit Integration von elektro­ magnetische Wellen leitenden Elementen in der Struktur 4, die hier aus CFK bestehen kann, das an seiner Oberseite metallisiert ist. Auf der Außenseite der Struktur 4 befindet sich die Antenne 8, die zum Beispiel Substratdicken im Be­ reich eines mm und Erhebungen im mm-Bereich aufweist. Inner­ halb der Struktur 4 sind elektronische Module 6 und Elektro­ nikplatinen 7 angeordnet. Integriert in die tragende Struk­ tur 4 ist auch ein Phasenschiebernetzwerk 9, das direkt unter jedem einzelnen Strahlerelement (patch) der Gruppen­ antenne 8 angeordnet ist. Integriert ist ebenso die Zulei­ tung (microstrip) 10 zu jedem einzelnen Strahlerelement (patch) oder die elektrische Zuleitung 12 zu den Bauteilen 6 und 7. Gezeichnet ist weiter die Glasfaser 11, die das elektrische Modul 6 als Signalleitung mit einer nicht ge­ zeigten Zentralelektronik verbindet. Leitung 11 ist hier ein kurzes Stück diskret gezeigt und verläuft dann als Glasfaser in der Struktur 4 integriert (durch den dickeren Strich angedeutet). Die Pfeile in der Struktur 4 deuten die Wärmeleitung an.

Claims (6)

1. Tragende Struktur (4) einer aktiven Antenne (8) für Luft- oder Raumfahrtanwendungen aus faserverstärktem Kunststoff, gekennzeichnet durch eine Integration von wärmeleitenden Elementen und/oder elektromagnetische Wellen leitenden Elementen (9, 10, 11, 12) in die tragende Struktur (4).

2. Struktur (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden Elemente aus Metall oder aus Kohlefaserverbundwerkstoff, zum Beispiel P100 bestehen und zwischen wärmeabgebenden Bauteilen - die bevorzugt über die Antennenfläche verteilt angeordnet sind - und der Außenseite der Antenne liegen oder daß die gesamte Struktur aus wärmeleitendem Material besteht.

3. Struktur (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Wellen leitenden Elemente NF-Ströme leiten, wie Drähte, Streifen, Mikrostrips, Fasern, Kabel oder Zuleitungen (10) und in oder auf Strukturelementen aus nichtleiten­ dem Material angeordnet sind, die als Isolationen, Platinen (7) oder Gehäuse ausgebildet sein können.

4. Struktur (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Wellen leitenden Elemente HF-Ströme leiten, wie Koax­ kabel oder Hohlleiter und von HF-abschirmenden Struktur­ teilen, wie Abschirmungen oder Gehäusen, umgeben sein können.

5. Struktur (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Wellen leitenden Elemente lichtleitende Fasern (11) sind, die als Signalleitungen zwischen optischen oder opto-elektronischen Bauteilen angeordnet sind.

6. Struktur (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Wellen leitenden Elemente und die isolierenden Elemente der Struktur bereits als strahlende Antennenfläche einer Gruppenantenne ausgebildet sind.