DE4336841C1 - Abdeckung für Radarantennen - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abdeckung für Radarantennen, insbesondere für Flat-Plate- und Array- Antennen von Flugzeugen und Flugkörpern, die Teil des die Antenne umgebenden Radoms ist.

Moderne Kampfflugzeuge sind in zunehmenden Maße unempfindlich gegen sie beleuchtende, d. h. eine gegnerische, Radarstrahlung, wie es insbesondere vom amerikanischen Tarnkappenbomber bekannt ist. Ein Schwachpunkt bei der Abschirmung gegen beleuchtende Radarstrahlen ist noch die eigene Radarantenne des Flugkörpers, da wegen der regelmäßigen Anordnung von Rückstreuzentren, d. h. Schlitzen oder Abstrahlelementen, die Antenne selbst aus jeder Richtung bei geeigneter Frequenzanpassung radar-sichtbar ist. Ein wirksamer Schutz gegen die Rückstreuung gegnerischer Radarstrahlung bedingt also eine wirksame Abdeckung der fluggeräteeigenen Radarantenne.

Bei Bord-Radaren sowohl von Lenkflugkörpern als auch von Kampfflugzeugen werden aus vielerlei Gründen vorwiegend Antennen in Flat-Plate-Bauweise verwendet. Bei dieser Antennenart wird die abzustrahlende Radarwelle aus einer Vielzahl von Einzelwellen zusammengesetzt, die von einer regelmäßigen Anordnung von Einzelstrahlern phasen- und amplitudengerecht erzeugt werden. Bei der Flat-Plate-Antenne sind die Phasenwinkel der Einzelstrahler nicht verstellbar. Dagegen können diese Werte bei der Phased-Array-Antenne so geändert werden, daß sich damit die Abstrahlrichtung in einem großen Winkelbereich steuern läßt.

Wird nun eine Flat-Plate- oder eine Phased-Array-Antenne von einem gegnerischen Radar beleuchtet, dann wird die einfallende Welle von jedem Einzelstrahler des Arrays zurückgestrahlt. Die Resultierenden dieser einzelnen Rückstreufelder erhält man durch vektorielle Addition der Feldstärken in der komplexen Zahlenebene. Bei einer regelmäßigen räumlichen Anordnung der Einzelstrahler gibt es für jede Blickrichtung eine bestimmte Radarfrequenz, bei der sich die Reflexionsfelder der Einzelstrahler zu einem Gesamtfeld aufaddieren, das hinsichtlich seiner Intensität mit dem Rückstreufeld der senkrecht beleuchteten, d. h. angestrahlten, Platte vergleichbar ist. Dieses für Tarnkappen-(Stealth)-Flugzeuge kritische Problem kann auch durch eine unregelmäßige Anordnung der Einzelstrahler nicht entscheidend entschärft werden; die eigene Radarantenne bildet somit die Achillesferse des Stealth-Flugzeuges.

Deckt man die Radarantenne mit einem für Radarstrahlung schmalbandig transparenten Radom ab, so ist sie nur noch in einem kleinen Frequenzbereich sichtbar. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Radarantenne mit einer aufrollbaren metallischen Folie abzudecken, deren elektrisch leitender Teil vor der Aktivierung des Radargeräts weggerollt wird. Bei beiden Lösungen ist eine hinsichtlich der Frequenz bzw. der Betriebszeit vollständige Abschirmung der Array- Antenne nicht möglich, wobei die Restsichtbarkeit im ersten Fall von der Breite des Nutzbandes und der Filtergüte des Radoms und bei der zweiten Lösung von der relativen Abstrahldauer des Radars und der Rollgeschwindigkeit der Abdeckfolie abhängt.

Die US-PS 45 70 166 beschreibt eine Abdeckung für Radarantennen von Flugzeugen und Flugkörpern, die Teil des die Antenne umgebenden Radoms ist. Das Dämpfungsverhalten der Abdeckung ist dabei zeitlich nicht veränderlich. Die Dämpfung ist lediglich vom Einfallswinkel der elektromagnetischen Strahlung abhängig.

Die DE 39 20 110 C2 beschreibt ein elektromagnetisches Fenster für Flugzeuge und Flugkörper, mit einer Lichtquelle und einer fotosensitiven Schicht, die bei Beleuchtung mit der Lichtquelle reversibel vom elektromagnetisch transparenten Zustand in einen reflektierenden Zustand übergeht. Dabei wird die Änderung der Leitfähigkeit der fotosensitiven Schicht bei Beleuchtung ausgenutzt.

Aus der DE 40 07 986 C1 ist eine Struktur insbesondere für Luftfahrzeuge bekannt, die bei einer Radarortung Radarwellen ausgesetzt ist und die einen oder mehrere Hohlräume aufweist, die wahlweise mit Radarwellen reflektierenden oder Radarwellen absorbierenden Material gefüllt sind. Die Hohlräume können an Flügel- oder Leitwerksvorderkanten eingebaut oder auch in die Beplankungsstruktur eingearbeitet sein. Damit kann das Radarbild des Fluggerätes wahlweise verändert werden, wobei in diesem Fall die Änderung des abdeckenden Materials mit dem damit geänderten Leitfähigkeitswerten, Dielektrizitätskonstanten und anderen physikalischen Größen auf das Absorptionsverhalten und die Transparenz Einfluß nimmt.

Die DE 41 40 944 A1 beschreibt eine Absorberstruktur mit variabler Absorptionscharakteristik für elektromagnetische Strahlung, die aus einer mit eingelagerten ferroelektrischen Dipolmolekülen versehenen Trägerschicht sowie beidseitig der Trägerschicht angeordneten Steuerelektroden besteht, von denen zumindest die strahlungseinfallseitige Steuerelektrode strahlungstransparent ausgebildet ist. Durch Anlegen einer Steuerspannung an die Steuerelektroden werden die Dipolmoleküle nach Maßgabe des zwischen den Steuerelektroden wirksamen elektrischen Feldes ausgerichtet, wodurch sich das Absorptionsprofil des Absorbers innerhalb bestimmter Grenzen verändern läßt.

Aus der älteren, nicht vorveröffentlichten EP 0 568 511 A1 ist es bekannt, eine Antenne dadurch abzudecken und letztlich ihren Einfluß auf den Gesamtradarrückstrahlungsquerschnitt zu beeinflussen, daß, wie eingangs erwähnt, eine verschiebbare Metallschicht vor der Antenne angeordnet wird, die bei Bedarf geöffnet werden kann.

Schließlich beschreibt die EP 0 554 847 A1 ein schaltbares Resonanzfilter für optische Strahlung, durch das die effektive Dielektrizitätskonstante in der Umgebung eines Sensors gezielt beeinflußt werden kann. Die Änderung der Dielektrizitätskonstanten erfolgt durch Änderung des Abstandes zwischen dem Sensor und einer darunterliegenden Elektrode.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abdeckung für Radarantennen von Flugkörpern zu schaffen, die innerhalb von wenigen Mikrosekunden einschaltbar und ausschaltbar ist und die im eingeschalteten Zustand einen Schutz der eigenen Radarantenne bietet, die dem Schutz des übrigen Flugzeuges in nichts nachsteht.

Ausgehend von einer Abdeckung der eingangs näher genannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Abdeckung besteht darin, daß der Elektronenstrom von der Kathode zur Anode und damit die Reflexionswirkung der Abdeckung für die flugkörpereigene Abschirmung durch Absenken bzw. Anheben der Anodenspannung innerhalb weniger Mikrosekunden aus- und eingeschaltet werden kann; die an die Bedürfnisse des Fluggerätes angepaßte Gasentladungsröhre dient damit als ultraschneller ebener Verschluß für die Radarantenne. Dabei wird der Elektrodenstrom praktisch während der gesamten Mission des Flugkörpers aufrechterhalten, und nur in den extrem kurzen Zeiträumen, in denen ein Radarpuls abgestrahlt oder empfangen werden soll, die Abdeckung kurzzeitig geöffnet.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Abdeckung und

Fig. 2 eine Schnitt durch die erfindungsgemäße Abdeckung entlang der Ebene A-A von Fig. 1.

In den Figuren, in denen gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, bezeichnet 9 das Radom eines Flugkörpers, beispielsweise eines Kampfflugzeuges, das mit einer Array-Antenne 5 versehen ist, die innerhalb des Radoms 9 und parallel zu diesem angeordnet ist. Um diese Array- Antenne 5 vor der Reflexion auftreffender, das Flugzeug beleuchtender gegnerischer Radarstrahlung zu schützen, ist erfindungsgemäß eine Abdeckung vorgesehen in Form einer modifizierten Gasentladungsröhre, wobei die Abdeckung aus zwei, im Abstand vor der Array-Antenne 5 angeordneten, planen, für Radarstrahlung transparenten Platten 3 und 4 besteht, deren Abmessungen gleich und größer als die Abmessungen der Array-Antenne 5 sind. Die beiden Platten 3,4 schließen einen Hohlraum zwischen sich ein, der mit einem Edelgas geringen Molekulargewichts (beispielsweise Helium) oder mit Wasserstoff gefüllt ist. Entlang zweier sich gegenüberliegender Ränder sind im Hohlraum zwischen den Platten 3 und 4 eine mit einer elektrischen Heizung verbundene und mit einer oxidbeschichteten Kathode 1 bzw. eine mit einer positiven Spannungsquelle verbundene Anode 2 angeordnet. Bei entsprechender Beaufschlagung von Kathode und Anode werden von der Kathode 1 Elektronen erzeugt, die zur positiv geladenen Anode 2 wandern und auf ihrem Weg dorthin mit einem Teil der Atome des Füllgases kollidieren und diese dabei ionisieren, so daß ein elektrisch leitendes Plasma entsteht, das den Hohlraum zwischen den beiden planen Platten 3 und 4 gleichmäßig ausfüllt. Trifft nun eine monochromatische gegnerische Radarwelle von außen auf die ebene Plasmaschicht 7, dann versetzt das elektrische Feld dieser Welle die Elektronen des Plasmas in eine Sinusschwingung, die sich der thermischen Bewegung der Elektronen überlagert.

Die schwingenden Elektronen erzeugen ihrerseits wiederum ein Streufeld, das sich dem Feld der einfallenden Radarwellen überlagert. In jeder zu den Platten 3, 4 parallelen Schicht des Plasmas zwischen den Platten 3, 4 ist die Amplitude der Elektronenschwingung konstant, während sich die Phase entlang der Schicht linear ändert. Somit erzeugt jede Schicht ein in Spiegelungsrichtung stark gebündeltes Streufeld, wobei bei geeigneter Elektronendichte und ausreichender Plasmadicke die einfallende Radarwelle vollständig reflektiert wird, die Rückstrahlung in Richtung des beleuchtenden Radars jedoch relativ gering ist. Die Elektronendichte hängt dabei in erster Linie vom Anodenstrom und von der Dichte, d. h., dem Druck des Füllgases ab.

Aus der Phasenbeziehung zwischen der einfallenden Radarwelle und der an der Plasmaschicht 7 reflektierten Welle kann eine effektive Reflexionsebene 8 definiert werden. Eine an Stelle der Gasentladungsröhre in dieser Ebene angebrachte elektrisch leitende Folie würde das gleiche Reflexionsfeld erzeugen wie das Plasma.

Die erfindungsgemäße Abdeckung ist in der ebenen Struktur des Radoms 9 derart angeordnet, daß die Ebene der elektrisch leitenden Oberfläche dieses Radoms mit der effektiven Reflexionsebene des Plasmas zusammenfällt. Dadurch wird die Radarrückstrahlung der elektrisch abgedeckten Array-Antenne minimiert.

Die für eine vollständige Reflexion erforderliche Dichte der Elektronen in der Plasmaschicht und die Mindestdicke des Plasma sind leicht experimentell feststellbar, ebenso wie die erforderlichen Flächen von Kathode und Anode sowie die elektrische Leistung für den Anschluß der Gasentladungsröhre. Die Mindestanforderung an die Elektronendichte E_D erfordert, daß diese die folgende Beziehung erfüllt:

E_D f² εm/e²,

wobei m die Masse des Elektrons, e die Ladung des Elektrons, ε die Vakuum-Dielektrizitätskonstante und f die größte Frequenz der zu reflektierenden Radarwellen bezeichnet. Bei 18 GHz beträgt die Mindestelektronendichte 4 × 10¹² cm^-3. Bei Verwendung von Helium als Füllgas wird dieser Wert bei 1033 Pa, einer Stromdichte von 0,2 A/cm² und einer Feldstärke von 1 V/cm erreicht. Die Elektronendichte muß außerdem so hoch sein, daß die Eindringtiefe der einfallenden Radarwelle nur einen Bruchteil dieser Radarwellenlänge beträgt.

Die Dicke der beiden Platten 3 und 4 ist so zu wählen, daß die aus der Druckdifferenz zwischen Atmosphäre und Plasma resultierende Last sicher getragen werden kann. Die wenigen, in Fig. 1 eingezeichneten Stützen 6 dienen dazu, die Dicke der Platten möglichst gering zu halten. Der Abstand zwischen den Platten 3 und 4 muß ferner so gewählt werden, daß die Transparenz für die von der eigenen Antenne abgestrahlten Radarwellen möglichst hoch ist; je nach der Dicke der Platten und dem Austritts- bzw. Einfallswinkel liegt der optimale Abstand zwischen 20% und 30% der Radarwellenlänge.

Claims (6)

1. Abdeckung für Radarantennen, insbesondere Flat-Plate- und Array-Antennen (5) von Flugzeugen und Flugkörpern, die Teil des die Antenne (5) umgebenden Radoms (9) ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Abstand vor der Antenne (5) und parallel zu ihr zwei für Radarstrahlung transparente plane Platten (3, 4) angeordnet sind, deren Abmessungen (3, 4) mindestens gleich den Abmessungen der Antenne (5) sind, daß der Hohlraum zwischen den Platten (3, 4) mit einem ionisierbaren Gas gefüllt ist und daß im Hohlraum entlang zweier sich gegenüberliegender Ränder eine Kathode (1) bzw. eine Anode (2) angeordnet sind.

2. Abdeckung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten (3, 4) einen Abstand voneinander aufweisen, der zwischen 20% und 30% der von der Antenne (5) abgestrahlten Radarwellenlänge liegt.

3. Abdeckung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum zwischen den Platten (3, 4) mehrere Stützen (6) angeordnet sind.

4. Abdeckung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum mit einem Edelgas geringen Molekulargewichts gefüllt ist.

5. Abdeckung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum mit Wasserstoff gefüllt ist.

6. Abdeckung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (1) mit einem Oxid beschichtet und mit einer negativen elektrischen Spannungsquelle verbunden ist, daß die Anode (2) mit einer positiven elektrischen Spannungsquelle verbunden ist und daß die Parameter der Kathoden- und Anodenabmessungen, der Gasdichte, des Plattenabstandes und der elektrischen Leistungen für die Kathode (1) und die Anode (2) so bemessen sind, daß die folgende Beziehung erfüllt ist: E_D f² εm/e²,wobei E_D die Elektronendichte, m die Elektronenmasse, e die Elektronenladung, ε die Vakuum- Dielektrizitätskonstante und f die größte Frequenz der zu reflektierenden Radarwellen bezeichnet.