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Technisches Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Schutzanordnung für atmosphärische Entladung
in einer Antenne, insbesondere einer in einem Flugzeug beförderten
Radarantenne, z. B. angeordnet auf einem Flugzeug.
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Hintergrund der Erfindung
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Die
Hauptanforderung für
einen Blitzschutz eines in einem Flugzeug beförderten Radars oder anderer
Antennen ist, einen vollen Schutz derart bereitzustellen, dass die
Flugsicherheit des Flugzeuges nicht durch einen mechanischen Schaden
oder verlorene Teile gefährdet
wird, die die Maschine und/oder Steuerteile des Flugzeuges beschädigen können. Zur
gleichen Zeit muss der Schutz der teuren Elektronik innerhalb oder
verbunden mit der Antenne gewährleistet
werden.
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Darüber hinaus
muss zur ordnungsgemäßen Funktion
des Radars dieses mit „Fenstern" bereitgestellt werden,
die für
die Strahlung (Mikrowellenstrahlung) transparent sind, was bedeutet,
dass das gesamte Gehäuse
des Radars nicht aus leitendem Material oder Plastik hergestellt
werden kann, das mit leitendem Metall verstärkt ist, um Beschädigungen zu
verhindern, die durch den Einschlag des Blitzes verursacht werden.
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Beschreibung des verwandten
Standes der Technik
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Mehrere
Typen von Blitzschutzvorrichtungen für Flugzeuge und von einem Flugzeug
beförderte Antennen
sind bekannt.
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WO 98/58398 beschreibt
zum Beispiel ein Blitzschutzelement, das in den Antennenempfänger eingeschlossen
sein kann und ein Signalverteilungssystem eines Flugzeuges. Das Blitzschutzelement weist
schädliche
Energie ab, die mit Blitzeinschlägen verknüpft ist,
während
elektronische Signale ohne bedeutende Störung mit jenen Signalen passieren. Das
Blitzschutzelement umfasst ein optisches Faserelement. Die optische
Faser weist beschädigende Energie
ab, die mit Blitzeinschlägen
verknüpft
ist, während
Kommunikationssignale passieren, die auf dem Signalverteilungssystem übertragen
werden.
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Aus
US 5,542,624 ist eine Blitzschlag-Schutzvorrichtung
für ein
Flugzeug oder einen Teil eines Flugzeuges bekannt, die durch ein Montieren
von Metall-(Aluminium)-Stäben
bereitgestellt wird, die benachbart, jedoch räumlich getrennt von der inneren
Oberfläche
der Flugzeugwand sind. Die Stäbe
sind mit Ballverbindungen bereitgestellt, aus denen Erweiterungen
durch die Wand stolz aus der äußeren Oberfläche des
Flugzeuges hervorstehen und innerhalb des Materials statischer Entlader. Die
Stäbe sind
mit einer Sammelschiene gekoppelt, die entlang der Länge des
Flugzeuges läuft
und sind wiederum mit Blitzschlagentladern gekoppelt, erneut in
der Form von Metallstäben,
die auf der Wand eines Flugzeuges getragen werden, jedoch räumlich von dieser
getrennt sind und die Erweiterungen aufweisen, die durch die Wand
des Flugzeuges passieren. Die Anwendung des Blitzschlagschutzsystems
auf Radome, Antennen, mit Pitot-Rohre,
Kohlenstofffaser-verstärkte
Plastikstrukturen wird erläutert,
wobei in den ersteren zwei Fällen
Metallstäbe
bereitgestellt werden, um sich in das Null-Feld eines Gerätes innerhalb
des Radoms oder der Antenne zu erstrecken. Die Montage der leitenden
Stäbe,
die von der Wand des Flugzeuges getrennt sind, bedeutet, dass diese
sicher Stromstösse
einer elektromotorischen Kraft aufnehmen können, die von Blitzschlägen verursacht
wird, ohne die Struktur der Flugzeugwand zu beschädigen.
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US 5,353,038 offenbart eine
Oberflächen-übereinstimmende
Abtastantenne, die in der Oberflächenhaut
eines Flugzeuges integriert ist, durch Entfernen eines rechteckigen,
schleifenförmigen
Streifens einer metallisierten äußeren Komposit-Oberflächenhaut.
Der verbleibende innere metallische Teil, der von dem äußeren metallischen
Abschnitt isoliert ist, bildet ein Antennenabtastelement. Der innere
metallische Teil ist mit einem ADF-Funkempfänger verbunden, um als eine
Abtastantenne in Verbindung mit einer Schleifenantenne zu funktionieren.
Die Lücke
zwischen dem metallischen inneren Teil des äußeren metallischen Abschnittes
erlaubt es, dass Blitzenergie darüber entladen wird. Die Modifikation
verursacht keinen Gewichtsnachteil oder Luftwiderstandsnachteil
und vermindert keinen Blitzschutz für das Verbundflugzeug.
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US 4,132,995 betrifft eine
Funkfrequenzantenne mit: einer dielektrischen Unterstützungsstruktur;
einem leitenden Blatt mit einem darin gebildeten aufgeweiteten,
diskontinuierlichen Schlitz, wobei ein derartiger Schlitz auf einer
Oberfläche
der Unterstützungsstruktur
angeordnet ist; eine Zuführer
zum Koppeln von Funkfrequenzenergie über einen engen Teil des aufgeweiteten
Schlitzes; und einem Gehäuse.
Das Gehäuse
umfasst: einen Hohlraum mit darin gebildeten leitenden Wänden, wobei
die dielektrische Unterstützungsstruktur
auf das Gehäuse
montiert ist, um eine Abdeckung für einen derartigen Hohlraum bereitzustellen;
und eine Umlenkplatte die eine Wand eines derartigen Hohlraumes
bildet, wobei die Umlenkplatte bei einem spitzen Winkel in Bezug
auf die dielektrische Unterstützungsstruktur
und unter einem weiten Teil des Schlitzes angeordnet ist. Die Antenne dient
zur Installation innerhalb eines Rumpfes eines Flugzeuges.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Eines
der Ziele der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache und noch
eine effiziente Blitzschutzanordnung bereitzustellen, die eine Antenne schützt, insbesondere
eine in einem Flugzeug beförderte
Radarantenne, sowohl intern als auch extern.
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Ein
anderes Ziel der Erfindung ist es, eine Schutzanordnung bereitzustellen,
die neben dem mechanischen Schutz der Antenne ebenso einen effizienten
Schutz der Elektronik und elektrischen Teile bereitstellt, die mit
der Antenne verbunden sind.
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Aus
diesen Gründen
umfasst die anfänglich erwähnte Antenne
ein Gehäuse,
das zumindest aus einer ersten Seite, einer zweiten Seite, einer
dritten Seite und einer vierten Seite besteht, wobei zumindest eine
der dritten und vierten Seite zumindest transparent für elektromagnetische
Wellen ist. Die Schutzanordnung ist eine interne Schutzanordnung mit
der ersten Seite, die elektrisch mit der zweiten Seite durch zumindest
ein Antennenelement gekoppelt ist. Die erste und zweite Seite bestehen
aus einem leitenden Material. Die zweite Seite ist weiter mit dem
Rumpf des Flugzeuges verbunden.
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Die
Anordnung umfasst weiter einen externen Schutz in Form von leitenden
Drähten,
die zumindest an der dritten oder vierten Seite angeordnet sind.
In einer Ausführungsform
ist die zweite Seite ein Teil des Rumpfes.
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Um Überschläge zu vermeiden,
ist das Antennenelement zumindest eine Antennenplatte. Darüber hinaus
werden die ersten und zweiten Seiten elektrisch zusammen mit einem
niedrigen Widerstand über
das Antennenelement entlang der Gesamtlänge der Antenne gekoppelt.
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Vorzugsweise
werden die ersten und zweiten Seiten von einem leitenden Material
bedeckt oder von diesem hergestellt.
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Darüber hinaus
ist als Teil des externen Schutzes der leitende Draht angeordnet,
die atmosphärische
Entladung zu zumindest einer der ersten und zweiten Seiten zu entladen.
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Darüber hinaus
kann die Antenne eine fünfte und
sechste leitende Seite umfassen.
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Gemäß einem
Verfahren der Erfindung um intern eine Antennenanordnung gegen atmosphärische Entladungen
zu schützen,
ist die Antenne in Kommunikation mit einem Rumpf eines Flugzeuges bereitgestellt,
wobei die Antenne ein Gehäuse
umfasst, das zumindest aus einer ersten Seite, einer zweiten Seite,
einer dritten Seite und einer vierten Seite besteht. Zumindest eine
der dritten und vierten Seite ist zumindest transparent für elektromagnetische
Wellen, wobei die ersten und zweiten Seiten aus einem leitenden
Material bestehen. Das Verfahren umfasst die Schritte eines elektrischen
Koppelns der ersten Seite mit der zweiten Seite durch zumindest
ein Antennenelement und eines Verbindens der zweiten Seite mit dem
Rumpf des Flugzeuges. Das Verfahren umfasst weiter den Schritt eines
Anordnens der dritten und vierten Seite mit leitenden Drähten, die
einen Entladungsstrom zu der ersten zu der zweiten Seite leiten.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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In
dem Folgenden wird die Erfindung weiter in einer nichtbegrenzenden
Weise unter Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben,
in denen:
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1 eine
schematische Darstellung einer in einem Flugzeug beförderten
Radarantenne ist, die mit einem Blitzschutz gemäß der vorliegenden Erfindung
bereitgestellt ist, wobei einige äußere Teile entfernt sind;
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2 einen
Querschnitt entlang Linie II-II in 1 darstellt;
und
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3 ein
Blockdiagramm ist, das das Prinzip der Erfindung darstellt.
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Detaillierte Beschreibung
von Ausführungsformen
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In
dem Folgenden wird ein Beispiel, das ein Radarsystem, ERIEYE, ein
Erzeugnis des Herstellers, zeigt, in Verbindung mit einer Beschreibung
der Aspekte der Erfindung gezeigt. ERIEYE ist ein Hochleistungs-,
Weitstrecken-, auf einem Flugzeug befördertes Frühwarn- und Steuersystem (AEW&C – Airborne
Early Warning and Control-System), das auf einem AESA-Dopplerradar
basiert. Jedoch sind andere Arten von Mobil- oder Stationärantennen,
Radarantennen oder elektrischen Ausrüstungen, die aus einem leitendem
Material hergestellt sind, das atmosphärischen Entladungen ausgesetzt
ist, innerhalb des Umfangs der Erfindung eingeschlossen.
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1 und 2 zeigen
ein Radar (ERIEYE), das auf dem Rumpf eines Flugzeuges 11 (zum
Teil gezeigt) angeordnet ist. Die Radarantenne 10 umfasst
ein Gehäuse 12,
das durch Vorder- und Rückstreben 13 unterstützt wird.
Das Gehäuse
umfasst einen oberen Teil oder eine Abdeckung 14, einen
unteren Teil oder einen Boden 15, Seitenwände oder
rechte und linke Radome 16a bzw. 16b, eine Nase 17 und
ein Heck 18. Eine erste Öffnung 19 ist in der
Nase angeordnet, die mit einer zweiten Öffnung 20 über einen
internen Luftkanal 21 verbunden ist. Die Radome 16a, 16b sind
mit Quer- und spärlich angeordneten
leitenden Drähten 23 bedeckt.
Die leitenden Drähte 23,
vorzugsweise Kupferfäden,
sind auf der Außenseite
der Radome angeordnet und können
in Kontakt (jedoch nicht notwendigerweise) mit der Abdeckung 14 oder
dem Boden 15 sein. Scherplatten 22 oder Füller sind
zwischen den internen Teilen der Antenne angeordnet, um die Antenne
mit einem besseren Scherwiderstand und einer Stabilität bereitzustellen.
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In 1 sind
einige Teile der Radome entfernt, die eine Anzahl von longitudinal
angeordneten, linken und rechten Antennenelementen oder Antennenplatten 24 freilegen.
Gemäß dem Querschnitt
aus 2 ist eine interne, unterstützende H-Struktur 25 innerhalb
der Antenne angeordnet, die unter Anderem elektrische Leiter 26 trägt, die
Antennenplatten 24 und andere Teile unterstützt, die
für die
Erfindung nicht von Bedeutung sind. Die H-Struktur ist zum Beispiel
aus Karbonfaser hergestellt.
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Die
Antennenplatten 24 werden durch die zuführenden Verbindungen 24 gespeist,
die mit Mikrowellenquellen/-Empfängern (nicht
gezeigt) verbunden sind. Jede Antennenplatte wird von dem H-Rahmen 25 an
ihrem oberen und unteren Teil mittels der Montierungen 28 bzw. 29 unterbrochen
und unterstützt.
Die Abdeckung, der Boden und die Seiten werden mittels von Haltern 32 verbunden.
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Die
Drähte 30 verbinden
galvanisch die Abdeckung 14 mit den Antennenplatten 24 an
jeder Seite. Die Abdeckung ist mit einem leitenden Material bedeckt
oder aus diesem hergestellt, vorzugsweise ein ausgedehntes Metall.
Die Antennenplatten 24 sind ebenso galvanisch mit dem Boden 15 des
Gehäuses über Drähte 31 verbunden,
die durch gestrichelte Linien dargestellt sind. Der Boden ist ebenso mit
einem leitenden Material bedeckt oder aus diesem hergestellt, vorzugsweise
einem ausgedehnten Metall. Daher ist die Abdeckung 14 mit
einem niedrigen Widerstand mit dem Boden durch die Antennenplatten 24 verbunden.
Der Boden ist galvanisch mit den Streben 13 verbunden.
Ebenso können
die Nase 17 und das Heck 18 mit einem leitenden
Material bedeckt sein, oder aus diesem hergestellt sein, z. B. einem
ausgedehnten Metall.
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Um
das Verständnis
der Erfindung zu vereinfachen, wird die Antenne mittels des Blockdiagramms
aus 3 dargestellt. In dem Blockdiagramm ist die Abdeckung 14 durch
C dargestellt, die Antennenplatte 24 durch AP, der Boden 15 durch
B, der leitende Draht 23 durch W, die Nase 17 durch
N und das Heck 18 durch T. R1 bezieht
sich auf den Widerstand zwischen der Abdeckung und der Antennenplatte
und ebenso zwischen der Antennenplatte und dem Boden; R2 bezieht
sich auf den Widerstand zwischen der Abdeckung und dem leitenden
Draht bzw. ebenso zwischen dem Boden und dem leitenden Draht, wobei
R2 >> R1.
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Demgemäß ist die
Blitzschutzvorrichtung gemäß der Erfindung
in zwei Teilen bereitgestellt: einer externen Schutzvorrichtung
und einer internen Schutzvorrichtung.
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Die
externe Schutzvorrichtung umfasst die Radome, die mit spärlich angeordneten
leitenden Drähten
W bereitgestellt sind, deren Funktion es ist, den Blitzstrom zu
der Abdeckung und/oder dem Boden zu leiten. Die Drähte sind
im Wesentlichen derart dünn,
dass diese nicht die Leistungsfähigkeit
des Radars beeinflussen.
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Die
zweite Schutzvorrichtung umfasst die Abdeckung C und den Boden B
und vorzugsweise ebenso die Nase N und das Heck T, die mit einem leitfähigen Material
bedeckt sind oder aus diesem hergestellt sind. Sowohl die Nase als
auch das Heck können
mit der Abdeckung und/oder dem Boden verbunden sein. Der Boden ist
geerdet, d. h. mit dem Rumpf des Flugzeuges durch eine Verbindung
(nicht gezeigt) oder Streben 13 verbunden. Um Hochspannung
zu vermeiden, die einen Überschlag,
Zusammenbruch und Schäden
verursachen können,
die für die
Flugsicherheit schädlich
sind, werden die Abdeckung und der Boden elektrisch zusammen mit
einem niedrigen Widerstand R1 entlang der Gesamtlänge der
Radarantenne gekoppelt. Dieses Koppeln mit niedrigem Widerstand
kann nicht durch die Radome erzielt werden, da die leitenden Drähte W die
Abdeckung und den Boden nicht berühren (sehr großer R2).
Daher wird das Koppeln mit niedrigem Widerstand durch die Verbindung
mit den Antennenplatten erreicht, die einen Teil des Blitzleiters
bilden.
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Wenn
ein Blitz in die Antenne einschlägt,
vorzugsweise bei einem aus der Abdeckung C, der Nase N, dem Heck
T und/oder den Seitenradomen, leiten die leitenden Drähte W den
erzeugten Strom zu der Abdeckung C und/oder zu dem Boden B. Der
Strom, der zu dem Boden B geleitet wird, wird weiter zu dem Rumpf
(der Erde) des Flugzeuges geleitet. Der Strom, der zu der Abdeckung
C geleitet wird, wird durch die Kabel 30, die Antennenplatte
AP, die Kabel 31 und den Boden B zu dem Flugzeugrumpf (der
Erde) geleitet. Falls es daher keine Verbindungen mit niedrigem
Widerstand zwischen der Abdeckung und dem Boden gäbe, könnte der
Strom, der von der Abdeckung zu dem Boden geleitet wird, Überschläge verursachen.
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Es
ist natürlich
möglich,
andere leitende Elemente (z. B. hinter den Antennenplatten) bereitzustellen,
um den Blitzschlagstrom zu leiten. Jedoch muss diese Art einer Verbindung
eine Verbindung mit einer niedrigen Impedanz derart gewährleisten,
dass kein Überschlag
zwischen dem Element und den Antennenplatten oder anderen Teilen
erzeugt wird.
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Natürlich ist
es möglich,
die Abdeckung oder den Boden zu beseitigen, durch Verwenden des Rumpfes
des Flugzeuges als einem dieser Teile. Darüber hinaus bezeichnen die Begriffe „Abdeckung" und „Boden" konstruktionsmäßige Seiten
und können
Seitenabschnitte in z. B. einer würfelförmigen Antennenanordnung sein.