DE3812029A1 - Wandung für Antennenkuppel und mit dieser hergestellte Antennenkuppeln - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Wandungen, die zur Herstellung von Antennenkuppeln verwendet werden, insbesondere bei Flugzeu­ gen, sowie mit derartigen Wandungen ausgestattete Antennen­ kuppeln oder Radome.

Radarantennen sind oft rotierende Antennen, die Störeinflüs­ sen aus der Umgebung ausgesetzt sind, insbesondere Wind, Re­ gen, Temperatureinflüssen und dergleichen. Bei bestimmten An­ wendungen haben diese atmosphärischen Störungen gravierende Auswirkungen auf die technische Leistungsfähigkeit der Radar­ systeme. Beispielsweise kann der Wind die Winkelgeschwindig­ keit der Antennendrehung erheblich verändern, wodurch feh­ lerhafte Winkelmessungen verursacht werden, die mit der ge­ forderten Genauigkeit unverträglich sind. Auch das über die Antennenoberfläche laufende Regenwasser kann die radioelek­ trischen Eigenschaften in solchem Ausmaß verändern, daß die Leistungsfähigkeit des Radars beeinträchtigt wird. Bei der­ artigen Anwendungen wird daher die Antenne gewöhnlich durch eine Schutzhaube oder Antennenkuppel geschützt, die auch als "Radom" bezeichnet wird und für die Radarwellen durchlässig ist, welche das der Antenne zugeordnete Radar aussendet und empfängt.

Ein solcher Schutz für eine rotierende Radarantenne in Form einer Antennenkuppel ist bei Fahrzeugen, die sich mit hoher Geschwindigkeit bewegen, unerläßlich. Dies gilt bei Radaran­ tennen für Flugzeuge, in welchen sie oft am vorderen Ende in Hohlräumen untergebracht sind, die kegelförmig oder spitzbo­ genförmig und rotationssymmetrisch geformt sind. Für diese Zwecke müssen Antennenkuppeln verwendet werden, die hohen mechanischen und thermischen Beanspruchungen ohne Beeinträch­ tigung ihrer radioelektrischen Eigenschaften standhalten müssen. Diese radioelektrischen Eigenschaften sind im we­ sentlichen folgende:

• - gute Durchlässigkeit für Funkwellen, um Verluste der ge­ sendeten und der empfangenen Signale beim Durchqueren der Wandung der Antennenkuppel zu begrenzen;
• - eine geringe Deformierung des Antennenbündels, wobei diese Deformierung von einer Antennenkuppel zur anderen reprodu­ zierbar sein muß; und
• - ein geringer Reflexionsgrad für die auftreffende Welle.

Es ist leicht, die im wesentlichen durch eine Abweichung der Bündelachse gekennzeichnete Deformierung des Bündels zu kom­ pensieren, indem die Achse am Radargerät selbst versetzt wird, unter der Bedingung, daß diese Achsenabweichung von einer Antennenkuppel zur anderen dieselbe ist. Für eine An­ tennenkuppelwandung von gegebener Struktur hängt die Repro­ duzierbarkeit von der Herstellungsqualität der Wand und nicht von der Zusammensetzung ihrer Struktur ab.

Für die beiden anderen wesentlichen Eigenschaften, nämlich die Durchlässigkeit für Radarwellen und die Reflexion der auftreffenden Welle, ist die Struktur der Wandung von großer Bedeutung.

Für die vom Flugzeug mitgeführten Antennenkuppeln werden oft sogenannte monolithische Strukturen verwendet. Sie sind aus einer Schicht eines dielektrischen Materials zusammengesetzt. Die Dicke dieser Schicht beträgt für eine gute Funktion an­ nähernd ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge im Dielektrikum. Derartige Strukturen sind aber mit dem Hauptmangel behaftet, daß die entsprechenden Antennenkuppeln eine Frequenzbandbreite in der Größenordnung von nur 3 bis 5% aufweisen, während für moderne Radaranwendungen eine Band­ breite von mehr als 10% gefordert wird.

Eine Struktur aus mehreren Schichten eines dielektrischen Materials ermöglicht bekanntlich eine Ausdehnung des Be­ triebsfrequenzbandes der Wandung. Beispielsweise besteht eine Struktur mit fünf dielektrischen Schichten aus einer mittleren Schicht oder "Seele", zwei Zwischenschichten, de­ ren dielektrische Funktion in einer Spreizung besteht, und zwei äußersten Hautschichten, von denen die eine auf der In­ nenseite und die andere auf der Außenseite der Kuppel ange­ ordnet ist. Die Brechungsindizes der mittleren Schichten und der Hautschichten sind größer als die der Zwischenschichten, während die Dicke der mittleren Schichten und Zwischenschich­ ten größer ist als die der äußeren Schichten. Derartige fünf­ schichtige Strukturen können aber nur unter Schwierigkeiten genau und reproduzierbar über die gesamte Oberfläche der Kuppel hergestellt werden, einerseits wegen der Anzahl von Schichten und andererseits wegen der Genauigkeit, mit der die schaumstoffartigen oder wabenzellenförmigen Zwischen­ schichten bearbeitet, geformt und zusammengesetzt werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neuartige Wandungsstruktur zur Verfügung zu stellen, die es ermöglicht, eine Antennenkuppel herzustellen, deren Frequenzband zwei- bis dreimal größer als bei bekannten Strukturen ist. Diese neuartige Struktur soll die Herstellung einer Antennenkuppel sowohl hinsichtlich der Bearbeitung der Schichten als auch hinsichtlich ihres Zusammenbaus erleichtern.

Durch die Erfindung wird eine Wandung für Antennenkuppeln geschaffen, die zwei äußerste Schichten aus dielektrischem Material umfaßt, von denen die eine eine Innenschicht und die andere eine Außenschicht ist, wobei diese Schichten von­ einander durch eine zentrale Seele getrennt sind, die aus einer Mehrzahl von einzelnen Elementen aus dielektrischem Material gebildet ist.

Insbesondere umfaßt jedes einzelne Element einen zentralen Teil aus einem ersten dielektrischen Material mit einer re­ lativen Dielektrizitätskonstante, die im wesentlichen gleich der des dielektrischen Materials der äußersten Schichten ist, und zwei seitliche Teile aus einem zweiten dielektri­ schen Material, dessen relative bzw. äquivalente Dielektri­ zitätskonstante klein gegenüber der des dielektrischen Mate­ rials der äußersten Schichten ist.

Gemäß der Erfindung sind das erste und das zweite dielektri­ sche Material einander gleich, wobei die verschiedenen Werte der Dielektrizitätskonstanten durch verschiedene Volumina erzielt werden, die durch Ausnehmungen in den seitlichen Teilen entstehen.

Der zentrale Teil jedes einzelnen Elementes ist allgemein von der Form eines Quaders, dessen zwei Hauptseiten die seitlichen Teile tragen und dessen vier Seitenflächen ebene Oberflächen sind, deren Schnittlinien geradlinige Kanten bilden.

Zur Erleichterung des Zusammenbaus der einzelnen Elemente auf der Oberfläche einer Antennenkuppel von Kegel- oder Spitzbo­ genform ist vorgesehen, daß die vier Seitenflächen des zen­ tralen Teils gekrümmte Oberflächen sind, deren Schnittlinien mit den ebenen Oberflächen der Hauptflächen, welche die Sei­ tenteile des einzelnen Elementes tragen, gekrümmte Kanten sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der seitlichen Teile des einzelnen Elementes sind diese kaminförmig und ruhen auf den Hauptflächen des zentralen Teils. Die Querschnitte der Kaminform können von unterschiedlicher Gestalt sein.

Die Dicke des zentralen Teils sowie die Dicke der seitlichen Teile, welche den Abstand zwischen den äußersten Schichten bestimmen, ändert sich mit der Lage des einzelnen Elementes des auf der Oberfläche der Antennenkuppel bezüglich der Ober­ fläche der Radarantenne, welcher die Antennenkuppel zugeord­ net ist.

Zum Erleichtern der Anwendung der einzelnen Elemente bei einer Antennenkuppel ist jeder zentrale Teil mit einem Loch versehen, in das ein Draht eingeführt wird, um die einzelnen Elemente zu verketten und sie an der Antennenkuppel entlang aufeinanderfolgenden Schraubenwindungen anzuordnen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung mehrerer Ausführungsformen und aus der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeich­ nung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer ebenen Wandung für eine Antennenkuppel nach der Erfin­ dung, teilweise weggeschnitten;

Fig. 2 eine Perspektivansicht eines einzelnen Elementes der mittleren Seele der Wandung für eine Antennen­ kuppel;

Fig. 3 eine Schnittansicht längs Linie III-III in Fig. 2 bei einem einzelnen Element der zentralen Seele der Wandung für eine Antennenkuppel;

Fig. 4 eine Schnittansicht längs Linie IV-IV in Fig. 2 bei einem Element der zentralen Seele der Wandung für Antennenkuppeln;

Fig. 5 eine Schnittansicht eines Elements der zentralen Seele der Wandung für eine Antennenkuppel in Schnittansicht entsprechend einer möglichen weite­ ren Form eines seitlichen Teils der zentralen See­ le;

Fig. 6 eine Perspektivansicht einer allgemein kegelförmi­ gen Antennenkuppel mit einer Wandung nach der Er­ findung; und

Fig. 7 eine vergrößerte Schnittansicht einer Schrauben­ windung aus einzelnen Elementen der Antennenkuppel nach Fig. 6, die eine Wandung nach der Erfindung aufweist.

Eine Wandung für Antennenkuppeln nach der Erfindung weist gemäß Fig. 1 zwei Schichten auf, eine Innenschicht 1 und eine Außenschicht 2, jeweils aus einem dielektrischen Mate­ rial und in herkömmlicher Weise als Schichtpreßstoff mit eventuell anschließender Bearbeitung hergestellt. Die zwei äußersten Schichten 1 und 2 sind voneinander durch eine zen­ trale Seele 3 getrennt, die gleichfalls aus einem dielektri­ schen Material besteht und aus einer Mehrzahl von einzelnen Elementen 4 aufgebaut ist, welche dominostein-förmig ausge­ bildet und nebeneinander angeordnet sind.

Jedes einzelne Element 4 umfaßt (Fig. 2 und 3) einen zentra­ len Teil 5 zwischen zwei seitlichen Teilen 6 und 7. Der zen­ trale Teil 5, der im allgemeinen eben ausgebildet ist, be­ sitzt die Form eines Quaders, dessen Hauptflächen 13 und 14 die seitlichen Teile 6 und 7 tragen und dessen Seitenflächen 8, 9, 10 und 11 gekrümmt und gewölbt sein können. Dieser zentrale Teil 5 besteht aus einem dielektrischen Material, dessen Dielektrizitätskonstante einen Wert aufweist, der dem des dielektrischen Materials der äußersten Schichten 1 und 2 nahekommt. Wenn der zentrale Teil 5 nicht aus Vollmaterial besteht, insbesondere wenn er mit einem Loch 12 versehen ist, dessen Zweck später beschrieben wird, muß die Dielektrizi­ tätskonstante unter Berücksichtigung der Anwesenheit dieses Lochs berechnet werden, um einen Äquivalenzwert der Dielek­ trizitätskonstante zu erhalten.

Jeder seitliche Teil 6, 7, der auf einer der Hauptseiten 13, 14 des zentralen Teils 5 angeordnet ist, bildet in Wirklich­ keit eine Fortsetzung dieses zentralen Teils, worin dielek­ trisches Material entfernt wurde, um einen Äquivalenzwert der Dielektrizitätskonstante zu erzielen, der kleiner ist als die Werte des zentralen Teils 5 und der äußersten Schich­ ten 1 und 2. Nach Entfernung des dielektrischen Materials können die seitlichen Teile 6, 7 verschiedene Formen aufwei­ sen, insbesondere die Form, die in Fig. 5 nur im Querschnitt gezeigt ist. In beiden Fällen sind die Teile allgemein ka­ minförmig, mit einer zylindrischen Innenwandung 17 von kreis­ rundem Querschnitt und einer Außenwandung 18, die quadrati­ sche oder rechtwinklige Querschnittsform aufweist (Fig. 2, 3 und 4) oder kreisförmigen Querschnitt aufweist (Fig. 5).

In den Fig. 2 und 3 sind die einzelnen Elemente 4 quader­ förmig mit Seitenflächen 8 bis 11, die gekrümmt und gewölbt sind, jedoch ist es ersichtlich, daß diese Seitenflächen auch gerade verlaufen können (Fig. 1), konkav sein können oder eine Mischform dieser Gestaltungen aufweisen können, um beispielsweise die Beanspruchungen und Spannungen zu berück­ sichtigen, die bei ihrem Zusammenbau auf der Oberfläche einer Antennenkuppel entstehen; eine solche Antennenkuppel kann von Kegelform, Spitzbogenform oder einer anderen Form sein. Die verschiedenen Hauptseiten und seitlichen Flächen des zentralen Teils 5 sind im allgemeinen, wenn von der Krümmung und der Wölbung abgesehen wird, Quadrate oder Recht­ ecke, jedoch können diese Formen auch geringfügig je nach Position des einzelnen Elementes auf der Oberfläche der An­ tennenkuppel verändert werden.

Die Schnittlinien der Hauptflächen 13, 14 einerseits und der Seitenflächen 8 bis 11 andererseits sind allgemein Kanten, wobei alle Kanten geradlinig oder alle Kanten gekrümmt oder auch bestimmte Kanten geradlinig und andere gekrümmt sein können.

Die Abmessungen jedes einzelnen Elementes, insbesondere sei­ ne Dicke entlang der Achse Z′Z, hängen von mehreren Faktoren ab, insbesondere der Wellenlänge, auf welcher das Radar sen­ det, der Dielektrizitätskonstante des verwendeten Materials und dem mittleren Auffallswinkel auf dem Element für die vom Radar gesendete Welle, wobei dieser mittlere Auffallswinkel natürlich von der Lage ,des einzelnen Elementes auf der An­ tennenkuppel bezüglich der Radarantenne abhängt. Es ist also ersichtlich, daß die Dicke des einzelnen Elementes entlang der Achse Z′Z in Fig. 2 je nach Position des Elementes be­ züglich der Radarantenne verschieden ist.

Die Abmessung des einzelnen Elementes entlang der Achse des Loches 12, d. h. der Achse Y′Y, sowie entlang der dazu senk­ rechten Achse X′X muß notwendigerweise in der Größenordnung der halben Wellenlänge entsprechend der maximalen Anwendungs­ frequenz des Radars liegen, um die Art des Zusammenbaus der einzelnen Elemente zu berücksichtigen, welche unter Bezugnah­ me auf die Fig. 6 und 7 beschrieben wird.

Jedes einzelne Element kann einzeln mit den erforderlichen Formen, Abmessungen und Toleranzen durch Formverfahren, Thermoformung oder Bearbeitung hergestellt werden. Zur Er­ leichterung ihres Einsetzens im Verlauf der Herstellung der Antennenkuppel wird weiterhin vorgeschlagen, sie auf einem Draht aufzureihen, welcher das Loch 12 durchsetzt, diese Kette anschließend in aufeinanderfolgenden Schraubenwindun­ gen 16 (Fig. 6) auf der Innenschicht 1 der Antennenkuppel 15 aufzulegen und sie anschließend mit der äußeren Schicht 2 abzudecken, wobei auf die erforderliche Dicke gepreßt wird.

Wie Fig. 7 zeigt, bei der es sich um eine Schnittansicht der Antennenkuppel 15 in Fig. 6 in der Ebene einer Schraubenwin­ dung der Kette von einzelnen Elementen handelt, bilden diese einzelnen Elemente ein Gitter, auf das eine radioelektrische Strahlung trifft und dessen Periodizität gleich den Abmes­ sungen des einzelnen Elementes entlang den Achsen XX′ und YY′ ist. Zur Vermeidung der radioelektrischen Effekte, die auf einem solchen Gitter beruhen, müssen die Abmessungen des einzelnen Elementes entlang den Achsen X′X und Y′Y in der Größenordnung der halben Wellenlänge entsprechend der maxi­ malen Betriebsfrequenz des Radarsystems sein, für welches die Antennenkuppel verwendet wird.

Wie oben angegeben wurde, sind es die Abmessungen der ein­ zelnen Elemente 4, insbesondere ihre Dicke entlang der Achse Z′Z, welche die radioelektrischen Kennwerte der Antennenkup­ pel 15 bestimmen, wobei diese Abmessungen mit hoher Genauig­ keit erzielt werden können, wodurch eine Antennenkuppel ge­ schaffen werden kann, deren örtliche Materialdicke gut be­ herrscht werden kann. In diesem Zusammenhang wird angemerkt, daß zur Herstellung von Antennenkuppeln aus mehreren dielek­ trischen Schichten nach dem Stand der Technik angestrebt wurde, die Toleranzen für die Dickenwerte über die Formtole­ ranzen der Antennenkuppel selbst einzuhalten, also der Form- und Bearbeitungstoleranzen großer Volumen, was sehr schwer zu verwirklichen ist. Gemäß der Erfindung sind die einzuhal­ tenden Toleranzen diejenigen, welche die einzelnen Elemente von kleinen Abmessungen betreffen, die somit leichter einzu­ halten sind. Infolgedessen wird eine gute Reproduzierbarkeit der Kenndaten der Antennenkuppel ohne größere Schwierigkeit erzielt, was bei der Formung von großen Volumen nicht der Fall ist.

Die Erfindung wurde anhand einer besonderen Ausführungsform beschrieben, die in den verschiedenen Figuren gezeigt ist. Insbesondere bezüglich des zentralen Teils 5 und der seitli­ chen Teile 6, 7 sowie der einzelnen Teile 4 der zentralen Seele 3 der Wandung sind aber zahlreiche Abweichungen mög­ lich. Gleiches gilt für die verschiedenen Lösungen, um die einzelnen Elemente 4 miteinander und mit der Innenschicht 1 sowie der Außenschicht 2 zusammenzubauen, ebenso wie für ih­ ren eventuellen Einfluß auf die Struktur und Form der ein­ zelnen Elemente 4, besonders die Form der seitlichen Flächen 8 bis 11 und der zentralen Teile 6 und 7 sowie das Vorhan­ densein oder Fehlen von Löchern wie das mit 12 bezeichnete Loch.

Eine weitere Ausführungsform besteht darin, mehrere einzelne Elemente zu vereinigen, um einen Quader von höherer Ordnung zu bilden. Eine solche Gruppierung erlaubt es, die Anzahl von Elementen zu vermindern, die hergestellt und nebeneinan­ dergesetzt werden müssen, um die Wandung zu erstellen. Diese Lösung ist zweckmäßig, wenn der Durchmesser der Schrauben­ windung aus einzelnen Elementen der Antennenkuppel, die in Fig. 7 gezeigt ist, entlang der Mantellinie der Antennenkup­ pel langsam verändert wird.

Claims (14)

1. Wandung für eine Antennenkuppel, dadurch gekennzeich­ net, daß sie zwei äußerste Schichten (1, 2) aus dielektri­ schem Material umfaßt, welche durch eine zentrale Seele (3) getrennt sind, die aus einer Mehrzahl von einzelnen Elemen­ ten (4) aus dielektrischem Material gebildet ist.

2. Wandung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes einzelne Element (4) der zentralen Seele (3) einen zentralen Teil (5) aus einem ersten dielektrischen Material mit einer äquivalenten Dielektrizitätskonstante umfaßt, die im wesentlichen gleich der des dielektrischen Materials der äußersten Schichten (1, 2) ist, und zwei seitliche Teile (6, 7) aus einem zweiten dielektrischen Material umfaßt, dessen äquivalente Dielektrizitätskonstante klein gegenüber der des dielektrischen Materials der äußersten Schichten (1, 2) ist.

3. Wandung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das erste und das zweite dielektrische Material, woraus der zentrale Teil (5) bzw. die seitlichen Teile (6, 7) der zen­ tralen Seele (3) gebildet sind, einander gleich sind, wobei die verschiedenen Werte der äquivalenten Dielektrizitätskon­ stanten durch verschiedene Volumina des einzigen dielektri­ schen Materials erzielt sind.

4. Wandung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Teil (5) aus Vollmaterial besteht und die seit­ lichen Teile (6, 7) mit Ausnehmungen versehen sind, so daß sie ein geringeres Volumen an dielektrischem Material als der zentrale Teil (5) besitzen.

5. Wandung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Teil (5) teilweise hohl ist und daß die seitli­ chen Teile (6, 7) Ausnehmungen aufweisen, so daß sie ein Vo­ lumen an dielektrischem Material aufweisen, das kleiner ist als das des zentralen Teils (5).

6. Wandung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zentrale Teil (5) die Form eines Qua­ ders aufweist, dessen Hauptflächen (13, 14), welche die seitlichen Teile (6, 7) tragen, und vier Seitenflächen (9 bis 11) ebene Oberflächen sind, deren Schnittlinien gerad­ linige Kanten sind.

7. Wandung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der zentrale Teil (5) die Form eines Qua­ ders aufweist, dessen zwei Hauptflächen (13, 14), welche die seitlichen Teile (6, 7) tragen, ebene Oberflächen sind und dessen vier Seitenflächen (9 bis 11) gekrümmte Oberflächen sind, wobei die Schnittlinien dieser verschiedenen Oberflä­ chen (9 bis 11, 13, 14) gekrümmte Kanten sind.

8. Wandung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die seitlichen Teile (6, 7) der zentralen Seele (3) kaminförmig sind.

9. Wandung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwandung der Kaminform eine zylindrische Oberfläche ist, deren Leitlinie bzw. Querschnittsform ein Kreis ist.

10. Wandung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenwandung (18) der Kaminform eine zylindrische Oberfläche ist, deren Leitlinie bzw. Querschnittsform ein Quadrat, ein Rechteck oder ein Kreis ist.

11. Wandung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der zentralen Seele (3) je nach Lage des einzelnen Elementes (4) auf der Oberfläche der An­ tennenkuppel (15) gegenüber der der Radarantenne, zu welcher die Antennenkuppel gehört, unterschiedlich ist.

12. Antennenkuppel, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine Wandung nach einem der vorstehenden Ansprüche umfaßt.

13. Antennenkuppel nach Anspruch 12, bei welcher der zen­ trale Teil (5) gemäß Anspruch 5 teilweise ausgehöhlt ist, dadurch gekennzeichnet, daß dieser zentrale Teil (5) mit einem Loch (12) versehen ist, durch welches ein Draht (19) gezogen ist, wobei die einzelnen Elemente (4) kettenförmig aufgereiht sind, um sie auf der Innenschicht (1) der Anten­ nenkuppel in aufeinanderfolgenden Schraubenwindungen (16) aufzulegen.

14. Antennenkuppel nach Anspruch 13, dadurch gekennzeich­ net, daß die Länge des Loches (12) sowie die Abmessung des einzelnen Elementes entlang der zu dem Loch (12) orthogona­ len Achse (X′X) in der Größenordnung der halben Wellenlänge entsprechend der maximalen Betriebsfrequenz des Radars ist, für das die Antennenkuppel bestimmt ist.