DE602005000137T2

DE602005000137T2 - Antennenanordnung für Flugzeugfensteröffnung

Info

Publication number: DE602005000137T2
Application number: DE602005000137T
Authority: DE
Inventors: Bruce Richard Crain; Richard Wayne Botsford; David W Lee; Edward Lee Kirchner
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 2004-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2025-03-10
Also published as: IL166775A; EP1575128B1; BRPI0500565A; ATE340419T1; JP2005260931A; EP1575128A1; ES2273315T3; US7397429B2; KR20060043527A; US20050200526A1; DE602005000137D1; CA2498990A1; IL166775A0

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Antennenanordnungen und insbesondere Antennenanordnungen zur Verwendung in Luftfahrzeugen bzw. Flugzeugen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Moderne Luftfahrzeuge haben einen Bedarf, Funkkommunikation über eine Vielfalt von Frequenzbereichen und Kommunikationsmodi bereitzustellen. Zum Beispiel kann die Funkkommunikation im UHF-Band oder im L-Band erfolgen. Um effektiv zu kommunizieren, muss das Luftfahrzeug mehrere Antennen aufweisen, die an verschiedenen Stellen an dem Luftfahrzeug platziert sind. Normalerweise kann das Luftfahrzeug Antennen, die hinter der funkdurchlässigen Hülle des Luftfahrzeugs angebracht sind, und/oder äußere Blattantennen, die auf der Hülle des Luftfahrzeugs angebracht sind, aufweisen. Blattantennen sind kleine aus der Hülle des Luftfahrzeugs herausragende Flossen, die als Strahlungselement verwendet werden. Die Blattantennen sind durch Impedanzanpassungsnetzwerke an die Sende- und Empfangstechnik elektrisch angepasst.
Blattantennen sind aerodynamisch ineffizient, weil sie aus der Hülle des Luftfahrzeugs herausragen. Normalerweise werden an dem Luftfahrzeug mehrere Blattantennen verwendet, um mehrere Kommunikationsbänder unterzubringen (das heißt UHF, VHF/FM, VHF/AM). Blattantennen sind so aufgebaut, dass sie den Kräften widerstehen, die auf die Antenne einwirken. Dennoch sind Blattantennen immer noch anfällig für Stoßbeschädigung. Obendrein fügen Blattantennen dem Luftfahrzeug keinerlei strukturelle Festigkeit hinzu und können die aerodynamische Effizienz des Luftfahrzeugs beeinträchtigen.
Antennen-Strahlungselemente können auch in die Hülle des Luftfahrzeugs eingebettet werden. Solche Strahlungselemente stellen eine Antennenstruktur für das Luftfahrzeug bereit, die strukturell in seine Hülle integriert sind. Jedoch sind diese eingebetteten Antennenstrukturen normalerweise schwierig herzustellen und einzubauen. Außerdem kann es sein, dass eingebettete Antennenstrukturen keine ideale Gewinncharakteristik aufweisen.
Ein erhebliches Problem, vor dem manche Luftfahrzeuge stehen, ist ein Mangel an Platz auf den oberen und unteren Oberflächen des Rumpfes, um Antennen anzubringen. Wenn es möglich wäre, vorhandene Blattantennen zu verlagern, würde zusätzliche Außenfläche am Flugzeugrumpf für neue Antennen verfügbar. Obendrein könnte die Gleichstandort-Störung mit vorhandenen Blattantennen verringert werden.
US-Patent Nr. 4132995 offenbart eine hohlraumbefestigte Schlitzstrahlantenne gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
US-Patent Nr. 6198445 offenbart eine tragende Konformantennenstruktur, die ein Konstruktionselement eines Luftfahrzeugs ist, das an dessen Außenhülle befestigt ist.
Die vorliegende Erfindung behandelt die oben erwähnten Mängel der bekannten Luftfahrzeugantennengestaltung durch Bereitstellung einer Antennenanordnung, die in vorhandene Öffnungen in einem Luftfahrzeug passt, und zwar in Abschnitten des Rumpfes, die bisher nicht zum Anbringen von Antennen verwendet wurden.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaute tragende Konformantennenanordnung ist in Anspruch 1 definiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine bildliche Darstellung der erfindungsgemäßen Antennenstrukturen, die in Fensteröffnungen eines Luftfahrzeugs eingebaut sind.
2 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer Antennenanordnung, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist.
3 ist eine Draufsicht des Antennenelements der Antennenanordnung von 2.
4 ist eine Schnittansicht des Antennenelements von 3, bezogen auf die Linie 4-4.
5 ist eine Draufsicht einer weiteren Antennenanordnung, die gemäß der Erfindung aufgebaut ist.
6 ist eine Schnittansicht des Antennenelements der Antennenanordnung von 5.
7 ist eine perspektivische Ansicht einer Schale, die in den Antennenanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
8 ist eine Draufsicht eines alternativen Antennen-Strahlungselementes, der in den Antennenanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
9 ist eine Draufsicht eines alternativen Antennen-Strahlungselementes, der in den Antennenanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann.
10 ist eine Draufsicht eines Abschnitts einer Antennenanordnung, die in einer Fensteröffnung in einem Luftfahrzeugrumpf angebracht ist.
11 ist eine Detailansicht, die Montagebeschläge zeigt, die verwendet werden, um die Schale der Antennenanordnung mit der Fensteröffnung des Luftfahrzeugs zu verbinden.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM DER ERFINDUNG
Mit Bezug auf die Zeichnungen ist 1 eine bildliche Darstellung von drei erfindungsgemäßen Antennenanordnungen 10, 12 und 14, die in Fensteröffnungen eines Luftfahrzeugrumpfs 16 eingebaut sind. Die Antennenanordnungen weisen Fenstereinsätze und durch die Fenstereinsätze gehaltene Antennenelemente auf. Das moderne Luftfahrzeug ist ein abgedichteter Druckkörper, der annähernd einen Luftdruck wie in Meeresspiegelhöhe aufweist. Der Fenstereinsatz muss so ausgelegt sein, dass er den Enddruck des Luftfahrzeugs absolut betriebssicher einhält. Die Fenstereinsätze müssen außerdem schnellem Druckabfall der Kabine standhalten.
2 ist eine auseinandergezogene Ansicht einer UHF-Antennenanordnung 10, die gemäß einer Ausführungsform der Erfindung aufgebaut ist, und zeigt, wie sich die Antenne in eine Lufrfahrzeug-Fensteröffnung einfügt. Die Antennenanordnung 10 weist eine Schale 18 auf, die für Struktursteifigkeit sorgt. Eine Antenne 20 ist innerhalb der Schale positioniert und weist eine metallische Streifenleitung 22, die durch eine Isoliermaterialbahn 24 getragen wird, und eine Vielzahl von Strahlungselementen 26, 28, 30 und 32, die mit der Streifenleitung elektrisch gekoppelt sind, auf. Die Schale bildet einen Hohlraum, der hinter der Antenne positioniert ist, wodurch eine Antenne mit rückwärtigem Hohlraum gebildet wird. Ein leitfähiger Dichtring 36 ist zwischen der Antenne und dem Fensterrahmen des Luftfahrzeugs 34 positioniert. Die Antenne ist so geformt, dass sie in eine Fensteröffnung im Rumpf eines Luftfahrzeugs 34 passt.
3 ist eine schematische Draufsicht des Antennenelements der Antennenanordnung von 2, und 4 ist eine Schnittansicht des Antennenelements von 3, bezogen auf die Linie 4-4. Die Streifenleitung 22 ist in die Isoliermaterialbahn 24 eingebettet dargestellt. Eine Metallschicht oder -bahn 38 ist anliegend an der Rückseite der Isoliermaterialbahn 24 positioniert. Eine Metallschicht oder -bahn 37 ist anliegend an der Vorderseite der Isoliermaterialbahn 24 positioniert. Eine Speiseleitung 40 ist mit der Streifenleitung 22 und der Metallschicht 38 elektrisch verbunden. Die Metallschicht 37 bedeckt die gesamte obere Oberfläche des Antennenelements außer dort, wo die Schlitze ausgespart sind. Die Metallschicht 38 auf der Unterseite der Antenne bildet eine Masseebene. Kupferband wird verwendet, um die obere Metallschicht 37 und die untere Metallschicht 38 um den Umfang des Antennenelements herum zu verbinden. Die untere Metallschicht 38 wird während der Montage unter Verwendung eines leitfähigen Klebstoffs mit der Schale elektrisch verbunden.
5 ist eine Draufsicht einer weiteren Antennenstruktur 50, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist. Die Antennenstruktur 50 weist eine Antenne 52 auf, die in einer Schale 54 angeordnet ist. Die Schale ist so geformt, dass sie in eine Fensteröffnung in einem Luftfahrzeugrumpf passt. Die Antenne weist eine in das isolierende Substrat eingebettete Streifenleitung 56 und eine Strahlungsapertur 58 auf, die mit der Streifenleitung gekoppelt ist. Die Apertur 58 ist aus einer Metallbahn 60 herausgeätzt, die die Vorderseite der Antenne bedeckt. Ein Verbinder 61 ist in der Schale angeordnet und dient dazu, der Streifenleitung ein Signal zuzuführen.
6 ist eine Schnittansicht der in 5 gezeigten Antenne 50. In 6 bedeckt eine Metallschicht 64 die Rückseite der Isoliermaterialbahn und ist mit der Schale 54 elektrisch verbunden. Eine zweite Metallschicht 60 ist auf der Vorderseite der Isolierbahn positioniert. Für eine Schlitzantenne können in der an den Strahlungselementen 56 angrenzenden zweiten Metallschicht ein oder mehrere Schlitze ausgebildet sein. Der Verbinder dient dazu, eine zusätzliche elektrische Verbindung zu dieser Metallschicht herzustellen.
7 ist eine perspektivische Ansicht der Rückseite der Schale 54 der Struktur von 5. Die Schale 54 weist einen vertieften Abschnitt 68 auf, der aus der Vorderseite der Schale ausgefräst ist, wobei ein Volumen entsteht, in dem ein Antennenelement und die RF-Verkabelung installiert werden können. Ein Flansch 70 ist entlang des Randes der Schale ausgebildet. Wenn die Schale in der Fensteröffnung eines Luftfahrzeugs angeordnet ist, ist ein leitfähiger Dichtungsring anliegend am Flansch und in elektrischem Kontakt mit einem Abschnitt des Luftfahrzeugrumpfs positioniert.
8 ist eine schematische Draufsicht einer L-Band-Antenne 80, die in den Antennenanordnungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Antenne 80 weist eine Streifenleitung 82 und eine Strahlungsapertur 84, die mit der Streifenleitung elektrisch verbunden ist, auf. Eine Isoliermaterialbahn 86 trägt die Streifenleitung. Eine leitfähige Rückwand ist in Form einer Metallschicht ausgebildet, die anliegend an der Rückseite der Isoliermaterialbahn positioniert ist. Eine zweite Metallschicht 88 ist auf der Vorderseite der Isolierbahn positioniert, und die Strahlungsapertur 84 ist in diese Schicht eingeätzt. Eine Speiseleitung kann mit der Streifenleitung und der Metallschicht elektrisch verbunden sein, wie in den vorher beschriebenen Ausführungsformen gezeigt.
9 ist eine Draufsicht einer alternativen Antenne 90, die in den Antennenanordnungen der vorliegenden Erfindung verwendet werden kann. Die Antenne weist eine keilförmige Streifenleitung 92 und eine Strahlungsapertur 94, die mit der keilförmigen Streifenleitung elektrisch verbunden ist, auf. Eine Isoliermaterialbahn 96 trägt die Streifenleitung. Eine zweite Metallschicht 98 ist auf der Vorderseite der Isolierbahn positioniert, und die Strahlungsapertur 94 ist in diese Schicht eingeätzt. Eine Speiseleitung kann mit der Streifenleitung und der Metallschicht elektrisch verbunden sein, wie in den vorher beschriebenen Ausführungsformen gezeigt.
Die in den Anordnungen der vorliegenden Erfindung verwendeten Antennen können unter Verwendung einer Vielzahl von Isolier- und Klebefolienmaterialschichten hergestellt sein. Bestimmte Schichten des isolierenden Laminatmaterials können mit einem Metall wie etwa Kupfer beschichtet sein, das geätzt werden kann, um die Streifenleitungen und Strahlungselemente der Antenne auszubilden. Tabelle 1 zeigt beispielhafte Antennenstrukturen.
Tabelle 1: Schichtfolge eines Muster-Antennenelements
Die vorliegende Erfindung stellt eine tragende Konformantennenstruktur (CLAS) bereit, die dafür ausgelegt ist, einen vorhandenen Fenstereinsatz eines Luftfahrzeugs zu ersetzen und den Kabinendruck des Luftfahrzeugs aufrechtzuerhalten. Die CLAS-Technologie kann eine Häufung von Antennen vermindern, indem sie ermöglicht, dass vorhandene Antennen an gegenwärtig nicht genutzten Rumpfstellen installiert werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, bisher verwendete UHF- und L-Band-Blattantennen durch Konformantennen zu ersetzen, die genauso wie vorhandene Fenstereinsätze in die Rumpfseitenfenster passen. Für die Zwecke dieser Beschreibung umfassen die L-Band-Antennen den Frequenzbereich von 969 MHz–1.215 MHz ab, und UHF-Antennen decken den Frequenzbereich von 225 MHz–400 MHz.
Die Antennen gemäß der vorliegenden Erfindung können als direkter Ersatz für die Fenstereinsätze verwendet werden, die bisher verwendet wurden, um Luftfahrzeugfenster zu ersetzen. Diese Fenstereinsatz-Antennenanordnungen sind so ausgelegt, dass sie die innere Struktur des Luftfahrzeugs nicht mehr als akzeptabel verletzen. Die beschriebenen Ausführungsformen verwenden eine Streifen-Speiseleitung, die Schlitz-Strahlungselemente anregt. Die CLAS-Antennen sind dafür vorgesehen, paarweise installiert zu werden, auf der linken und der rechten Seite des Rumpfes in annähernd der gleichen Rumpfsektion angeordnet und unter Verwendung eines Kopplers gemeinsam mit einem Funkgerät verbunden zu werden.
Das L-Band-Antennenelement kann unter Verwendung des Materials Duroid^TM von Rogers montiert werden. Die Streifenleitung und der Schlitz können in die Kupferbeschichtung der Duroid^TM-Bahn unter Verwendung standardmäßiger Ätzmethoden für gedruckte Leiterplatten eingeätzt werden.
Die Antennenanordnungen können in drei Schritten hergestellt werden: Herstellung des Antennenelements, Herstellung der Antennenschale und Endmontage. Die UHF- und L-Band-Antennenelemente sind Unterbaugruppen, die die passende(n) Streifen-Speiseleitung und Strahlungsschlitze umfassen. Die Antennenschale kann ein gemeinsames Gehäuse für beide Typen von Antennen aufweisen. Die Endmontage weist die folgenden Schritte auf: festes Anordnen des Antennenelements in der Antennenschale und Anschließen eines kurzen RF-Steckbrückenkabels zwischen dem Antennenelement und der Antennenschale.
Die Streifenleitungs- und Schlitzschichten können unter Verwendung standardmäßiger Fotolack-Ätzmethoden für gedruckte Leiterplatten geätzt werden. Kundenspezifische "End-launch"-Verbinder können aus standardmäßigen SMA-Schottverbindern und -Messingplatten hergestellt werden. Nach dem Zuschneiden können die Ränder unter Verwendung von Kupferband, das mit den vorderen und hinteren Masseebenen der Antennenelemente verlötet ist, einer Hochfrequenzversiegelung unterzogen werden. Das Kupferband kann zum Beispiel eine Breite von einem Zoll (2,54 cm) haben.
Die Antennenschale fungiert als Gehäuse für das Antennenelement, als Fassung für den RF-Verbinder zum Sender/Empfänger-Koaxialkabel und als Druckdichtung über der Rumpf-Fensteröffnung. Die Fensterschale wurde als Druckstopfen ausgelegt, wobei die äußere Seite das Antennenelement und einen in die Schale montierten elektrischen Schottverbinder enthält. Das Antennenelement selbst spielt für die mechanische Stabilität der Antenne oder für die Bildung der Druckdichtung keine Rolle. Die gleiche Antennenschalenkonstruktion kann sowohl für UHF- als auch für L-Band-Fenstereinsatzantennen verwenden werden.
10 ist eine Draufsicht eines Abschnitts einer Antennenanordnung 100, die in einer Fensteröffnung 102 in einem Luftfahrzeugrumpf 104 angeordnet ist. Ein Verbindungsband 106 ist zwischen der Antenne und der Luftfahrzeugstruktur angeschlossen, um Blitzströme abzuleiten. Zehn Befestigungsklemmen 115 alten die Fenstereinsatzantenne am Rumpf fest. 11 ist eine Detailansicht, die eine der Befestigungsklemmen zeigt, die dazu dienen, die Schale mit der Fensteröffnung des Luftfahrzeugs zu verbinden. Die Befestigungsklemme besteht aus einer Schelle 108, die mittels eines Befestigungselements 112 am Fensterrahmen 104 befestigt wird und unter Verwendung des Befestigungselements 114 gegen die Antennenanordnung drückt. Eine EMI-Dichtung 116 ist zwischen dem äußeren Rand der Antennenanordnung 100 und dem Rumpf 104 angeordnet und ermöglicht die elektrische Verbindung sowie eine Druckdichtung.
Die Antennenschale muss eine Druckdichtung um den Umfang der Antenne aufrechterhalten, nämlich wo sie mit dem Luftfahrzeugrumpf in Eingriff tritt. Die Druckdichtung muss außerdem elektrisch leitfähig sein. Es ist erforderlich, dass die Masseebene des Antennenelements um ihren Umfang herum elektrisch mit der Luftfahrzeug-Struktur verbunden ist, um das erwünschte Leistungsvermögen der Antenne zu erreichen und um die elektromagnetische Strahlung in die Kabine des Luftfahrzeugs hinein zu verringern. Eine feste Dichtung sollte zwischen den Antennenanordnungen und dem Rahmen des Rumpf-Fenstereinsatzes aufrechterhalten werden. Ein Dichtungsring aus einem leitfähigen Silikon-Elastomer kann um den Umfang der Antennen herum platziert werden. Abgesehen davon, dass der Dichtungsring ausgetauscht wird, ist die Fenstereinsatzantenne unter Verwendung der gleichen Beschläge wie der ursprüngliche Fenstereinsatz mit dem Rumpf in Eingriff Die Antennenschalen können unter Verwendung einer numerisch gesteuerten Fräsmaschine aus massiven Aluminiumblöcken gefertigt und endbeschichtet werden.
Ein RF-Schottverbinder Typ N mit einer halbstarren Steckbrücke, die in einem RF-Verbinder Typ SMA endet, kann in der Antennenschale installiert werden, wobei der RF-Schottverbinder Typ N aus der Rückseite der Antennenschale herausragt. Der SMA-Verbinder am anderen Ende der Steckbrücke greift in den Verbinder am Antennenelement ein. Das Antennenelement wird dann unter Verwendung von leitfähigem Klebstoff mit der Antennenschale fest verbunden. Der Spalt zwischen dem Antennenelement und der Innenseite der Antennenschale kann unter Verwendung von nichtleitfähigem Klebstoff um den Umfang herum kehlnahtversiegelt werden. Eine Deckplatte könnte aufgenommen werden, wenn der Hohlraum für das Steckbrückenkabel tiefer ausgeführt würde oder wenn das Steckbrückenkabel den Schottverbinder in einem rechten Winkel verlassen würde.
Die gemessene Funkfrequenztrennung weist darauf hin, dass benachbarte L-Band-Antennen, die gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut sind, annähernd 10 dB mehr Trennung als ähnlich beabstandete L-Band-Blattantennen aufgewiesen haben.
Die Antennenanordnungen gemäß der vorliegenden Erfindung weisen eine Schale auf, die eine Ersatzkonstruktion für vorhandene Fenstereinsätze ist. Ein Abschnitt der Schale ist ausgefräst, so dass jedes beliebige Antennenelement und mit einem Verbinder an der Rückseite der Schale fest verbunden werden und in Eingriff sein kann. Wenngleich UHF- und L-Band-Antennen beschrieben worden sind, könnte die gleiche Schale Antennenelemente aufnehmen, die für praktisch jede Frequenz ausgelegt sind und nur den Beschränkungen der Abmessungen des verfügbaren Volumens in der Schale unterliegen.
Wengleich die Erfindung in bezug darauf beschrieben worden ist, was zur Zeit ihre bevorzugten Ausführungsformen sind, wird für den Fachmann erkennbar, dass an den bevorzugten Ausführungsformen verschiedene Änderungen möglich sind, ohne vom Schutzbereich der Erfindung abzuweichen, der durch die Ansprüche definiert ist.

Claims

Tragende Konformantennenanordnung (10) mit: einer Schale (18), die so geformt ist, dass sie einen Hohlraum bildet; einem Antennenelement (26), das innerhalb der Schale angeordnet ist; und einer Verbindung (61) zum Einkoppeln eines Signals in das Antennenelement, dadurch gekennzeichnet, dass die Schale dafür konfiguriert ist, in einer in Verwendung befindlichen Flugzeug-Fensteröffnung (102) angeordnet zu werden, so dass die Schale mit der Flugzeug-Fensteröffnung eine Druckdichtung bildet.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, wobei das Antennenelement eine Streifenleitung (22), die von einer dielektrischen Scheibe (24) getragen wird, und mindestens einen mit der Streifenleitung gekoppeltes Strahlungselement umfasst.
Antennenanordnung nach Anspruch 2, wobei das Antennenelement ferner eine auf einer ersten Seite der dielektrischen Scheibe positionierte Vordere Masseebene (37) und eine auf einer zweiten Seite der dielektrischen Scheibe positionierte Hintere Masseebene (38) umfasst, wobei die Vordere Masseebene einen oder mehrere Schlitze bildet, die an das Strahlungselement angrenzen.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, ferner mit einem angrenzend an den Perimeter des Antennenelements angeordneten leitfähigen Dichtungsring (36), der die Antenne mit einem Flugzeugrumpf elektrisch verbindet und die Druckdichtung darstellt.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, ferner mit einem Verbindungsband (106) zum Ableiten von Blitzströmen von der Antennenstruktur zu einem Rumpf (16) des Flugzeugs.
Antennenanordnung nach Anspruch 3, wobei die Vordere Masseebene und die Hintere Masseebene elektrisch miteinander verbunden sind.
Antennenanordnung nach Anspruch 3, wobei die Hintere Masseebene elektrisch mit der Schale verbunden ist.
Antennenanordnung nach Anspruch 1, wobei das Antennenelement eine zugespitzte Streifenleitung (92) umfasst.
Fensteröffnung (102) in einem Flugzeugrumpf und Antennenanordnung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Schale in der Flugzeug-Fensteröffnung (102) angeordnet ist, um die Druckdichtung zu bilden.