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GEBIET DER ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft Radarkuppeln.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Radarkuppeln
sind die Gehäuse,
die eine Antennenanordnung auf der Erde, auf einem Schiff oder auf
einem Flugzeug und dergl. gegen die Elemente schützen. Radarkuppeln können aus
vielen verschiedenen Materialien hergestellt werden und sind im
allgemeinen von kugeliger Form, geformt wie eine Glühbirne,
oder von zylindrischer Form. S. z. B. US-Patent Nr.
US 3 358 285 ,
Deutsches Patent Nr. DB 3 358 285 und
Europäisches Patent Nr. 0 154 240 .
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Radarkuppeln
dieser Formen jedoch erfüllen die
Radarquerschnitts-Erfordernisse (RCS (radar cross section)), die
durch Regierungsbehörden
gestellt werden, nicht. D. h., obwohl Radarkuppeln nach dem Stand
der Technik die Antennenanordnung angemessen schützen können, wegen ihrer geometrischen
Form, haben sie einen hohen Radarquerschnitt und können somit
durch feindliches Radar leicht entdeckt werden. Unglücklicherweise
können radarabsorbierende
Materialien nicht allgemein benutzt werden in Verbindung mit Radarkuppeln,
weil diese Materialien das Blockieren der Antennenanordnungen innerhalb
der Radarkuppel verursachen würden.
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Die
US-Regierung selbst schlug eine Radarkuppel mit einer nach außen divergierenden
Wand vor. Aber, obwohl diese Radarkuppelgestalt einen niedrigeren
RCS zu haben schien, war ihre Standfläche unannehmbar groß aufgrund
der nach außen
divergierenden Wand und konnte somit bei vielen Anwendungen (z.
B. an Bord eines Schiffes), wo Raum besonders wertvoll ist, nicht
benutzt werden. Zusätzlich
ist diese Radarkuppelgestalt nicht geeignet, bei vorhandenen Antennenanordnungsinstallationen nachgerüstet zu
werden.
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Dementsprechend
besteht ein Bedürfnis nach
einer Radarkuppel mit einem niedrigen Radarquerschnitt RCS, die
so gestaltet ist, daß sie
die Radarsendeleistung der Antennenanordnung, die durch die Radarkuppel
aufgenommen wird, nicht verschlechtert, und die auch eine Grundfläche ähnlich der
vorhandener Radarkuppeln hat.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINGUNG
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Es
ist daher ein Gegenstand dieser Erfindung, eine Radarkuppel mit
niedrigem Radarquerschnitt (RCS) zu schaffen.
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Es
ist ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung, eine Radarkuppel zu
schaffen, für
die durch Prüfen
bewiesen ist, daß sie
die RCS-Erfordernisse der US-Regierung erfüllt.
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Es
ist ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung, eine Radarkuppel mit
niedrigem Radarquerschnitt zu schaffen, die keine Blockierung der
Antennenanordnung innerhalb der Radarkuppel verursacht.
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Es
ist ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung, eine Radarkuppel mit
niedrigem Radarquerschnitt zu schaffen, die das Senderverhalten
der Antennenanordnung nicht verschlechtert.
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Es
ist ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung, eine Radarkuppel mit
niedrigem Radarquerschnitt zu schaffen, die eine annehmbare Standfläche hat.
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Es
ist ein weiterer Gegenstand dieser Erfindung, eine Radarkuppel mit
niedrigem Radarquerschnitt zu schaffen, die zur Benutzung in Verbindung mit
vorhandenen Antennenanordnungseinrichtungen nachgerüstet werden
kann.
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Die
Erfindung rührt
aus der Erkenntnis her, daß eine
Radarkuppel mit niedrigem Radarquerschnitt, von der bei der Prüfung bewiesen
worden ist, daß sie
die Erfordernisse der US-Regierung erfüllt und die die Signale nicht
vom Erreichen der Antennenanordnung innerhalb der Radarkuppel abblockt, die
eine annehmbare Grundfläche
hat und die nachgerüstet
werden kann zur Verwendung mit vorhanden Antennenanordnungseinrichtungen,
bewirkt wird, indem man die Radarkuppel so gestaltet, daß sie einen
gerundeten oberen Bereich, eine nach außen divergierende Wand, die
sich von dem gerundeten oberen Bereich erstreckt, und eine nach
innen divergierende Wand, die sich von der nach außen divergierenden
Wand hinab zum Basisbereich der Radarkuppel erstreckt, hat.
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Diese
Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Radarkuppel mit niedrigem
Radarquerschnitt, aufweisend einen unteren Kegelbereich mit einer
Basis und einem oberen Umfang, wobei der untere Kegelbereich vom
oberen Umfang zur Basis nach innen divergiert; einen Zwischen-Kegelbereich
mit einem oberen Umfang und einem unteren Umfang, wobei der untere
Umfang den oberen Umfang des unteren Kegelbereiches berührt, und
wobei der Zwischen-Kegelbreich vom oberen Unfang zum unteren Umfang nach
außen
divergiert; und einen gerundeten obersten Bereich auf dem Zwischen-Kegelbereich.
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In
der bevorzugten Ausführungsform
liegt der Divergenzwinkel des unteren Kegelbereichs zwischen 12° und 15° und der
Divergenzwinkel des Zwischen-Kegelbereichs liegt zwischen 25° und 35°. Normalerweise
ist der Divergenzwinkel des Zwischenkegelbereichs 10° größer als
der Divergenzwinkel des unteren Kegelbereichs. Ebenfalls in der bevorzugten
Ausführungsform
ist die äußere Oberfläche der
Radarkuppel glatt und gleichmäßig und der
gerundete oberste Bereich ist von kugeliger Form.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Andere
Gegenstände,
Merkmale und Vorteile werden dem Fachmann aus der folgenden Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
und den beigefügten
Zeichnungen ersichtlich, worin;
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1 ist
eine schematische, dreidimensionale, teilweise weggeschnittene Ansicht
einer typischen Radarkuppel, die eine Antennenanordnung in sich
beherbergt;
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2 ist
eine schematische Ansicht, die eine kugelig geformte Radarkuppel
nach dem Stand der Technik zeigt;
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3 ist
eine schematische Ansicht, die eine glühbirnenförmige Radarkuppel nach dem
Stand der Technik zeigt;
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4 ist
eine schematische Ansicht, die eine Radarkuppel nach dem Stande
der Technik mit einer zylindrischen Form zeigt;
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5 ist
eine schematische Ansicht, die eine Radarkuppel nach dem Stande
der Technik mit einer divergierenden Wand, wie von der US-Regierung vorgeschlagen,
zeigt;
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6 ist
eine schematische Ansicht, die den typischen Weg von Radarenergie
durch eine glühbirnenförmige Radarkuppel
nach dem Stande der Technik zeigt;
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7 ist
eine Aufsicht auf die Radarkuppel der 6, die zeigt,
wie der gemessene Radarquerschnitt hoch war für die glühbirnenförmige Radarkuppelgestaltung
nach dem Stande der Technik aufgrund inneren mehrfachen Zurückwerfens
der Radarenergie;
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8 ist
eine schematische Ansicht, die die vorderen und hinteren Spiegelreflexionen
von den senkrechten Wänden
einer zylindrischen Radarkuppel nach dem Stand der Technik zeigt;
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9 ist
eine schematische Ansicht einer Seite der Radarkuppel mit niedrigem
Radarquerschnitt nach der vorliegenden Erfindung;
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10 ist
eine schematische dreidimensionale teilweise weggeschnittene Ansicht
der Radarkuppel mit niedrigem Radarquerschnitt, die in 9 gezeigt
ist;
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11 ist
eine schematische Ansicht, die die Ablenkung interner Radarreflexionen
in der Radarkuppel der vorliegenden Erfindungen abbildet;
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12 ist
eine schematische Ansicht, die die Verminderung der inneren mehrfachen
Reflexionen in der Radarkuppel der vorliegenden Erfindung abbildet;
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13 ist
eine Grafik, die den berechneten Radarquerschnitt bei 9 GHz für eine glühbirnenförmige Radarkuppel
nach dem Stande der Technik zeigt; und
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14 ist
eine Grafik, die den berechneten Radarquerschnitt bei 9 GHz für die Radarkuppel
bei niedrigem Radarquerschnitt der vorliegenden Erfindung zeigt.
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OFFENBARUNG DER BEVORZUGTEN
AUSFÜHRUNGSFORM
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Wie
in dem „Hintergrund"-Abschnitt oben erörtert, schützt die
Radarkuppel 10, 1, die Antennenanordnung 12 darin
gegen die Elemente. Normalerweise gibt es nur einen ungefähr 2 Zoll
großen
Abstand zwischen dem äußeren Umfang
der Antennenanordnung 12 und der Innenwand der Radarkuppel 10.
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Beim
Stande der Technik war die Radarkuppel 10, 1,
normalerweise von kugeliger Form wie in 2 gezeigt,
glühbirnenförmig wie
in 3 gezeigt, oder, weniger typisch, von zylindrischer
Form wie in 4 gezeigt.
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Diese
Formen wurden jedoch von den hiesigen Erfindern als einen verhältnismäßig großen Radarquerschnitt
(RCS) habend befunden, wie unten erörtert, und konnten als solche
durch feindliche Radarsysteme leicht entdeckt werden.
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Wie
auch im „Hintergrund"-Abschnitt oben erörtert, schlug
die US-Regierung die Radarkuppel 20, 5,
mit auswärts
divergierender Wand 22 vor. Obwohl diese Gestaltung einen
niedrigeren RCS aufwies, ist ihre Standfläche unzuträglich groß und sie kann somit nicht
bei Anwendungen verwendet werden, wo Raum rar ist (z. B. an Bord
eines Schiffes), noch kann sie leicht bei vorhandenen Radarkuppeleinrichtungen
nachgerüstet
werden.
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Wie
in 6–7 gezeigt,
ist der gemessene Radarquerschnitt der glühbirnenförmigen Radarkuppel 30 aufgrund
der äußeren (Vorderwand) Metallreflexionen
wie bei 30 in 7 gezeigt, der inneren (Rückwand)
Metallreflexionen nach dem Hindurchgehen durch die Radarkuppel wie
bei 32 gezeigt, und innerer mehrfacher Reflexionen wie
bei 34 gezeigt, hoch. Die zylindrische Radarkuppel der 4 hat
eine besonders große
vordere und hintere Spiegelreflexion von ihren senkrechten Wänden, wie in 8 gezeigt.
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Die
Verwendung von frequenzselektiven Oberflächen (FSS, (Frequency Selective
Surfaces)) im Zusammenhang mit Radarkuppeln ist auch vorgeschlagen
worden. Die FSS-Radarkuppel läßt nur die Arbeits-Frequenzbänder durch,
aber weist andere Frequenzen zurück.
FSS. ist jedoch sehr teuer und hat eine schlechte Leistung, wenn
die Arbeitsfrequenz nahe den abweisenden Frequenzen ist.
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Die
Radarkuppel 50, 9–12, gemäß dieser
Erfindung hat einzigartig einen niedrigen Radarquerschnitt (RCS)
und auch eine annehmbare Standfläche
und erfordert keine frequenzselektiven Oberflächen und leidet nicht an den
damit verbundenen Nachteilen.
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Die
Radarkuppel 50 hat als einzige die Merkmale des unteren
nach innen divergierenden Kegelbereichs 52, des zwischenliegenden
nach außen
divergierenden Kegelbereichs 54 und des gewölbten oberen
Bereichs 56. Der Divergenzwinkel θ des unteren Kegelbereichs 52 liegt
typisch zwischen 12° und
15°. Der
Divergenzwinkel γ des
zwischenliegenden Kegelbereichs 54 sollte mindestens 10° größer als
der Divergenzwinkel θ des
unteren Kegelbereiches 52 sein, so daß die Winkelhalbierende zwischen den
unteren nach innen divergierenden und den oberen nach außen divergierenden
Wänden
der Radarkuppel nach unten gerichtet ist, um mehrfache Abpraller
von Radar von der Rückwand
der Radarkuppel zu vermindern. In der bevorzugten Ausführungsform
liegt γ typischerweise
zwischen 25° und
35°.
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Wie
in 10 gezeigt sind die Wände und die äußere Oberfläche 60 der
Radarkuppel vorzugsweise glatt und gleichmäßig um den Umfang der Radarkuppel
für jeden
Bereich und der gekrümmte oberste
Bereich 56 ist kugelförmig,
obwohl dies keine notwendigen Beschränkungen der vorliegenden Erfindungen
sind. Auch ist die Wand des nach außen divergierenden konischen
Bereichs 54 vorzugsweise tangential zur Kurve des kugelförmigen oberen
Bereichs 56, wie in 9 gezeigt.
Wiederum ist dies jedoch keine notwendige Beschränkung der vorliegenden Erfindung.
Wie bei 51 gestrichelt gezeigt, würde ein Kegel gebildet werden,
wenn die Wand des unteren nach innen divergierenden Kegelbereichs 52 weiter
erstreckt wäre.
Auch, wie bei 55 gestrichelt gezeigt, wenn die Wand des
nach außen
divergierenden Bereichs 54 weiter erstreckt wäre, würde sie auch
einen Kegel bilden. Dieser bevorzugte Aufbau ist jedoch keine notwendige
Beschränkung
der vorliegenden Erfindung und alternative Gestaltungen mit verschiedenen
nach innen und nach außen
divergierenden Formen können
verwendet werden.
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In
einer speziellen Ausführungsform
hatte die Basis 62 181,864 cm (71,6 Zoll) Durchmesser, der untere
Kegelbereich 52 war 115,824 cm (45,6 Zoll) hoch, θ war 13°, γ war 25°, der Krümmungsradius
des kugelförmigen
oberen Bereichs 56 war 109,474 cm (43,1 Zoll), die Gesamthöhe der Radarkuppel 50 war
213,868 cm (842 Zoll) und die Wanddicke war 0,33 cm (0,13 Zoll).
Die Radarkuppel 50 kann zweckmäßig aus den Materialien gebaut
werden, die benutzt wurden, um herkömmliche Radarkuppeln nach dem
Stand der Technik zu bauen.
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Die
einzigartige Baggergreifer- oder Haubenhalbschalen-Form (clamshell
shape) der Radarkuppel dieser Erfindung weicht etwas von der kugelförmigen Form
des Standes der Technik ab und erweitert nur geringfügig den
Radius der Basis, aber vermindert den Radarquerschnitt, indem sie
die vordere spiegelnde kugelförmige
Oberfläche
zur Verbindung der Haubenhalbschale ändert und somit die innere
Spiegelreflexion weg von der Bedrohungsrichtung wie bei 70 in 11 gezeigt
lenkt, und die mehrfachen inneren Reflexionen weg von der Bedrohungsrichtung
wie bei 72 in 12 gezeigt lenkt. Als solche
vermindert die Radarkuppel 50, 9–12,
den Radarquerschnitt bedeutend durch bloße Abwandlungen in der äußeren Gestalt ohne
eine größere Kostenerhöhung. Insbesondere lenkt
diese neue Gestalt mehrfache Abprallrückkehrer ab, ein Merkmal, das
bei herkömmlichen
Formen, wie in 7 gezeigt, nicht gefunden wird.
Die einzigartige Haubenhalbschalen-Gestalt der Erfindungen lenkt
auch spiegelnde Rückkehrer
ab. Die Auswirkung auf die Leistungsfähigkeit der Antenne ist äußerst gering
und die Standfläche
bleibt annehmbar.
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Eine
Untersuchung, die durch die Erfinder dieser Erfindung durchgeführt wurde,
zeigt, daß der Fundamentwinkel
(mat angle) θ 9 (der
Winkel zwischen der unteren Halbschalenwand und einer senkrechten
Linie) gekippt werden sollte derart, daß die Normale auf die Wand
einige Grade oberhalb des unteren Winkels des Bedrohungs-Höhenrichtbereichsfensters
ist. Andererseits sollte θ klein
genug gehalten werden, um einen doppelten Rückprall von der inneren Rückwand der
Radarkuppel zu verhindern. Der Bereich von θ liegt normalerweise zwischen
12°–15°. Der Bereich
des Winkels γ (der
Winkel zwischen der oberen Haubenhalbschalenwand und der senkrechten
Linie) ist normalerweise zwischen 25°–35°. Der Winkel γ sollte so
nah wie möglich
bei 25° sein,
um die Sendeverschlechterung aufgrund der Einsetzphasenabweichung,
die durch die Verbindung zwischen den oberen und unteren Wänden der
Haubenhalbschalen-Gestalt verursacht wird, gering zu halten. Der
Winkel γ sollte
mindestens 10° größer als
der Winkel θ sein,
so daß die
Winkelhalbierende zwischen den oberen und unteren Wänden der
Haubenhalbschalengestalt nach unten gerichtet ist, und mehrfache
Abpraller von der Rückwand
der Radarkuppel möglichst
gering gehalten werden. Es ist jedoch möglich, diese Winkel an jede
Bedrohungsrichtung anzupassen. In der bevorzugten Gestaltung, die
in 9 gezeigt ist, ist die Bedrohungsrichtung normalerweise
längs des
Horizontes.
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Die
Radarkuppel der vorliegenden Erfindungen wurde zum Prüfen gebaut
und es wurde erwiesen, daß sie
einen sehr geringen Radarquerschnitt hat, wenn sie mit Radarkuppeln
nach dem Stand der Technik verglichen wird. 13 und 14 vergleichen
den Radarquerschnitt bei 9 GHz für
eine glühbirnenförmige Radarkuppel
(13) nach dem Stande der Technik mit der Radarkuppel
mit niedrigem Radarquerschnitt der vorliegenden Erfindung, gezeigt
im 9–12.
In jeder Figur ist die waagerechte Achse der Richthöhenwinkel
und die senkrechte Achse ist in dB. Der Hauptbereich des Interesses
liegt bei einem Richthöhenwinkel
von zwischen –5° und 10°. Wie in 13 gezeigt,
bot die glühbirnenförmige Radarkuppel
nach dem Stande der Technik Radarquerschnittwerte deutlich oberhalb
20 dB, in erster Linie aufgrund von inneren Mehrfachabprallern wie
im Hinblick auf 6 und 7 oben erörtert. Die
haubenhalbschalenförmige
Radarkuppel der 9–12 zeigte
geringere Radarkuppel-Querschnittwerte, wie in 14 gezeigt,
weil mehrfache innere Reflexionen wie in 12 gezeigt
möglichst gering
gehalten sind.
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Als
solche hat die Radarkuppel 50, 9, einen
niedrigen Radarquerschnitt, von dem durch Prüfung bewiesen ist, daß er die
Erfordernisse der US-Regierung erfüllt. Radarkuppel 50 blockiert
Radarsignale, die von einem Ziel zurückkehren, nicht vom Erreichen
der Antennenanordnung, die innerhalb der Radarkuppel sitzt, und,
darüber
hinaus, hat die Radarkuppel 50 eine kleine Grundfläche, die
sie geeignet macht, zur Verwendung zusammen mit vorhandenen Antennenanordnungseinrichtungen
nachgerüstet
zu werden. Indem die Radarkuppel 50 so gestaltet wird,
daß sie
einen gerundeten Oberbereich 56, eine nach außen divergierende
Wand 54, die sich vom gerundeten Oberbereich 56 erstreckt,
und eine nach innen divergierende Wand 52, die sich von
der nach außen
divergierenden Wand 54 nach unten zum Grundbereich 62 der
Radarkuppel erstreckt, hat, ist der Radarquerschnitt der Radarkuppel 50 niedriger
als der Radarquerschnitt, der zu den Radarkuppelformen, die in 2–4 gezeigt
sind, gehören, und
dennoch hat die Radarkuppel 50 gleichzeitig eine kleinere
Standfläche
als die in 5 gezeigte Radarkuppel.