DE69201885T2 - Gruppenantenne, insbesondere zur Verwendung im Weltraum. - Google Patents

Gruppenantenne, insbesondere zur Verwendung im Weltraum.

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DE69201885T2
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Description

  • Die Erfindung betrifft eine Netzantenne, insbesondere für den Satellitenfunk.
  • Eine Netzantenne hat die Besonderheit, daß sie eine Öffnung aufweist, die von einer großen Anzahl strahlender Elemente gebildet wird. Die Strahlung der Antenne ist somit die Synthese der Strahlungen jedes strahlenden Elements. Die Entwicklung solcher Antennen erfolgte erst vor kurzem, und sie werden auf so verschiedenen Gebieten verwendet wie:
  • - der Kontrolle des Luftverkehrs,
  • - des Empfangs über Satellit (Fernsehen, Nachrichtendienste, Verbindung mit Mobiltelefonen),
  • - Satellitenantennen: Fernerfassung und Beobachtung der Erde (Radar), Datenrelais, Fernmeldeantennen.
  • Die überdeckten Frequenzen reichen von den UHF- und VHF-Wellen bis zu den Millimeterwellen. Wenn die strahlenden Elemente einzeln amplituden- und/oder phasengesteuert werden, spricht man von einer aktiven Antenne: Es ist nämlich möglich, die Form des Strahlungsdiagramms der Antenne derart zu wählen, daß man zum Beispiel sehr unterschiedliche Überdeckungszonen auswählen (enger, breiter oder geformter Strahl) oder ein elektronisches Überstreichen durchführen kann.
  • Die die Antenne bildenden strahlenden Elemente bedingen die Leistungsfähigkeit, die technischen Merkmale (Masse, Verhalten gegenüber der Umwelt, Zuverlässigkeit) und die Kosten durch die ihnen innewohnenden funkelektrischen Leistungen, ihr Vermögen, in einem Netz zusammengefaßt zu werden, und ihre Technologie.
  • Da eine Antenne aus mehreren zehn bis zu einigen tausend solchen strahlenden Elementen besteht, ist deren Einzelpreis ausschlaggebend für den globalen Preis der Antenne. Die gleiche Betrachtung gilt auch für andere Parameter wie z.B. die Masse. Die Wahl der Technologien ist wichtig, da sie es erlaubt, die Anpassungsprobleme der Antenne an ihre Umgebung zu vereinfachen. Bei Satellitenanwendungen im geostationären Umlauf ist es zum Beispiel wichtig, die Antenne thermisch mit einfachen Mitten zu kontrollieren (Wärmehüllen, Farbe), ohne auf eine Forderung nach Heizleistung zurückzugreifen, die die energetische Bilanz des Systems belasten würde. Unter diesen Bedingungen können Temperaturbereiche von -150ºC bis + 120ºC erreicht werden, indem die thermooptischen Merkmale der Oberflächen berücksichtigt werden. Eine solche Antenne ist außerdem Strömen von beladenen Teilchen ausgesetzt, die weder die Materialien beschädigen noch elektrostatische Entladungen nach Anhäufung auf isolierenden oder schlecht mit Masse verbundenen Zonen hervorrufen dürfen.
  • Eine Antenne muß alle ihren funkelektrischen Qualitäten beibehalten, nachdem sie beim Raketenstart starken mechanischen Beanspruchungen unterworfen war.
  • Um ein Netz zu bilden, müssen die strahlenden Elemente mittels einer Übergangsvorrichtung auf einer Trägerstruktur vereint werden. Diese beiden letzteren Elemente, Trägerstruktur und Übergangsvorrichtung, müssen hinsichtlich der Masse optimiert werden, indem die Starrheit und der mechanische Widerstand, die beim Raketenstart notwendig sind, sowie die Starrheit und die Dimensionsstabilität berücksichtigt werden, die für die funkelektrischen Anforderungen im Fall eines Satelliten in einer Umlaufbahn notwendig sind. Derzeit bekannte Lösungen erreichen eine spezifische Masse von 4,5 bis 7 kg/m².
  • Die Erfindung will diese Probleme lösen.
  • Sie schlägt zu diesem Zweck eine Netzantenne zur Anwendung im Weltraum vor, die aus strahlenden Elementen mit einer geschichteten Struktur besteht, dadurch gekennzeichnet, daß diese Elemente auf einer gelochten Trägerstruktur befestigt sind, die unter den strahlenden Elementen liegt.
  • In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält die Netzantenne mindestens ein aus vier strahlenden Elementen bestehendes Unternetz; jedes strahlende Element besteht aus einem Schlitz zwischen einer zentralen Scheibe und einer oberen Massenebene, wobei eine auf einem unteren Niveau liegende Leitung den Schlitz speist und wobei jedes Unternetz verschiedene Schichten aufweist:
  • - eine untere leitende Massenebene,
  • - eine dielektrische Klebeschicht,
  • - ein erstes dielektrisches Abstandselement, auf dem eine leitende Spur angeordnet ist, die sich in vier Leitungen aufteilt, die je eines der strahlenden Elemente speisen,
  • - ein zweites dielektrisches Abstandselement,
  • - eine dielektrische Klebeschicht,
  • - die obere leitende Massenebene.
  • Die Erfindung ermöglicht es, strahlenden Platten zu erhalten für eine Netzantenne mit sehr geringer spezifischer Masse.
  • Die vorgeschlagene Erfindung hat für eine Weltraumanwendung besonders geeignete technische und wirtschaftliche Eigenschaften, obwohl einfache Veränderungen eventuelle Anwendungen in anderen Bereichen nicht ausschließen.
  • Die Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen außerdem aus der nachfolgenden nicht einschränkend zu verstehenden Beschreibung anhand der beiliegenden Figuren hervor.
  • Figur 1 zeigt eine Vorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
  • Die Figuren 2 und 3 zeigen die erfindungsgemäße Vorrichtung.
  • Figur 4 zeigt eine Variante der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • Das in Figur 1 dargestellte strahlende Element wird allgemein als ringförmiger Schlitz bezeichnet. Ein solches Element ist in dem Aufsatz mit dem Titel "A new circularly polarised planar antenna fed by electromagnetical coupling and its subarray" von M. Haneishi, Y. Hakura, S. Saito und T. Hasegawa ("18th European Microwave Conference Proceeding", 12. bis 15. September 1988, Stockholm) beschrieben. Bei einem solchen strahlenden Element ist ein Schlitz 10 in einer ersten Massenebene 11 angebracht. Er wird durch elektromagnetische Kopplung ausgehend von einer aus drei Platten bestehenden Ausbreitungsleitung 12 gespeist, die sich auf einem unteren Niveau zwischen der ersten Massenebene 11 und einer zweiten Massenebene 13 befindet, wobei diese Leitung 12 von einem dielektrischen Element 14' in Stellung gehalten wird.
  • Das Unternetz 14, das in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist, besteht aus vier strahlenden Elementen 15. Jedes strahlende Element 15 besteht aus einem ringförmigen Schlitz 16 zwischen einer zentralen Scheibe 17 (oder "patch") und einer oberen Massenebene 18, wobei eine auf einem tieferen Niveau befindliche Leitung 19 den Schlitz 16 speist.
  • Dieses Unternetz enthält also verschiedene Schichten:
  • - eine untere Massenebene 20 (leitend),
  • - eine dielektrische Klebeschicht 21,
  • - ein leitendes Abstandselement 22, wenn es aus mechanischen Gründen notwendig ist,
  • - ein erstes dielektrisches Abstandselement 23, auf dem eine leitende Spur 24 angeordnet ist, die in vier Leitungen 19 aufgeteilt ist, welche je eines der strahlenden Elemente speisen,
  • - ein zweites dielektrisches Abstandselement 25,
  • - eine dielektrische Klebeschicht 26,
  • - die obere Massenebene 18 (leitend).
  • Dieses Unternetz 14 wird also durch eine Stapelung von leitenden oder isolierenden Schichten hergestellt, deren Masse recht gering ist und wobei gleichzeitig diesem Unternetz mechanische Mindestcharakteristika für einen guten Betrieb verliehen werden. So bestehen die Massenebenen aus einer Metallfolie oder einer metallisierten dielektrischen Schicht. Die Wahl der Materialien, die die Massenebenen der Unternetze bilden, geschieht derart, daß man mit einer geringeren Masse die mechanischen Mindesteigenschaften für einen guten Betrieb erhält.
  • Der Abstand zwischen den Massenebenen wird durch Materialien sehr geringer Dichte wie Schaum oder "Bienenwaben" (Wabenstruktur) erzielt. Diese Materialien können dielektrisch oder leitend gewählt werden, je nachdem, ob sie an Stellen angeordnet sind, wo das elektromagnetische Feld stark ist oder nicht. Diese Elemente werden aneinander durch Kleben befestigt, um eine geschichtete Struktur in Sandwichform zu bilden.
  • Mehrere Unternetze können in das gleiche durchgehende Sandwich integriert werden, ohne daß dies die Erfindung verändern würde.
  • Diese Unternetze, deren Masse so minimisiert wurde, werden auf einer Trägerstruktur 30 befestigt, die ihrerseits auch optimiert wurde. Wie in Figur 3 zu sehen, ist diese Trägerstruktur 30 derart gelocht, daß sie Übergangszonen 31 bildet, um die Unternetze an ihrem Umfang zu befestigen.
  • Die Trägerstruktur 30, die ein gutes mechanisches Verhalten der gesamten Antenne bewirkt, wird vorteilhafterweise aus Materialien mit guten mechanischen Eigenschaften hergestellt, wie z.B. Verbundmaterialien mit Kohlenstoffverstärkung, Beryllium oder leichte Legierungen, unter Berücksichtigung der mechanischen und wirtschaftlichen Zwänge. Diese Struktur 30 kann ausgehend von einer "sandwich"-Platte der Größe der Antenne erhalten werden, die durch Stanzung mit Löchern versehen wird. Diese Lösung vereinfacht die Probleme der Strukturknoten. Es können jedoch auch andere Lösungen erwähnt werden, wie z.B. der Zusammenbau von Profilrohren 32, wie in Figur 4 dargestellt.
  • Da die Unternetze durch Kleben an der Trägerstruktur 30 an ihrem Umfang 31 befestigt sind, fügt man vorteilhafterweise eine biegsame Schicht, wie z.B. eine Wabenstruktur oder einen Schaum, zwischen die Unternetze und die Trägerstruktur ein, um ihre thermoelastische Entkopplung zu begünstigen.
  • In einem, Ausführungsbeispiel enthält die Antenne, die eine Satellitenantenne zur Verbindung mit den Mobiltelefonen im L-Band ist, eine ebene Tafel von 2,1 m 2,1 m, die an sechs Punkten auf einer Satellitenplattform befestigt ist. Sie besteht aus 36 Unternetzen mit je vier strahlenden ringförmigen Schlitzen 16, die je einen koaxialen Zugang aufweisen.
  • Jedes Unternetz besteht aus sehr dünnen verklebten Folien aus Aluminiumlegierung, die die Massenebenen mit Wabenstruktur aus Aluminium in den Zonen bilden, die keine funkelektrischen Funktionen haben. In den Zonen mit funkelektrischen Funktionen ist die Wabenstruktur aus Aluminium durch eine dielektrische Wabenstruktur ersetzt, die eine Kupferleitung einklemmt, welche es ermöglicht, eine Ausbreitung im TEM-Modus vom koaxialen Zugang her zu erhalten und die vier strahlenden Elemente durch elektromagnetische Kopplung zu speisen. Die Dicke der Aluminiumfolien ist so berechnet, daß man gerade die notwendige Starrheit und den notwendigen Widerstand erhält.
  • Die Trägerstruktur 30 wird durch Bearbeitung einer "Sandwich"-Platte aus Häuten mit Kohlenstoffasern, die einen ultrahohen Modulwert aufweisen (d.h. sehr starr sind), und mit einer Epoxymatrix erhalten, die auf eine Wabenstruktur aus Aluminium geklebt sind. Die Dicke der Häute wird möglichst gering gehalten, um gerade noch die notwendigen mechanischen Eigenschaften für den Halt gegenüber der Abschußumgebung zu erhalten. Die Unternetze werden auf der Trägerstruktur durch Kleben über eine Wabenstrukturschicht befestigt.
  • Da diese Strukturen große Temperaturunterschiede aushalten können, wird nur eine einfache Wärmesteuerung verwendet: weiße Farbe auf der Vorderseite der Antenne, die auf die Unternetze aufgebracht ist, und Mehrschichten-Superisolierung, die über die Rückseite der Trägerstruktur gespannt ist.
  • Da diese verschiedenen Elemente sowie die Speise-Koaxialkabel bei der mechanischen Größenordnung berücksichtigt werden, kann man eine totale spezifische Masse (außer den Koaxialkabeln) geringer als 3 kg/m² erhalten.
  • Indem man noch leistungsfähigere Materialien verwendet, wie z.B. Beryllium, Verbundmaterialien mit metallischer Matrix und UHM-Verbundmaterialien Kohlenstoffasern mit organischer Matrix, die mit Falten geringer Dicke verwendet werden (höchstens 25 um), kann man eine totale spezifische Masse (außer den Koaxialkabeln) von etwa 2,3 kg/m² erhalten.

Claims (12)

1. Netzantenne zur Anwendung im Satellitenfunk, die aus strahlenden Elementen (15) mit einer geschichteten Struktur besteht, die Unternetze (14) bilden und auf der Oberfläche einer Trägerstruktur (30) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß diese Trägerstruktur (30) unter den strahlenden Elementen (15) liegt und gelocht ist sowie Übergangszonen bildet, um die Unternetze an ihrem Umfang zu befestigen.
2. Netzantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Unternetz (14) aus vier strahlenden Elementen (15) besteht und daß jedes strahlende Element (15) aus einem Schlitz (16) zwischen einer zentralen Scheibe (17) und einer oberen Massenebene (18) besteht, während eine auf einem niedrigeren Niveau liegende Leitung (19) den Schlitz (16) speist.
3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Unternetz (14) verschiedene Schichten aufweist:
- eine untere leitende Massenebene (20),
- eine dielektrische Klebeschicht (21),
- ein erstes dielektrisches Abstandselement (23), auf dem eine Leiterbahn (24) angeordnet ist, die sich in vier je eines der strahlenden Elemente speisende Leitungen (19) aufteilt,
- ein zweites dielektrisches Abstandselement (25),
- eine dielektrische Klebeschicht (26),
- die obere leitende Massenebene (18).
4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die leitenden Schichten Metallschichten oder metallisierte dielektrische Schichten oder Schichten aus Verbundmaterialien mit metallischer Matrix sind.
5. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Unternetze (14) an ihrem Umfang auf die Trägerstruktur (30) geklebt sind.
6. Netzantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Unternetze (14) mittels einer Schicht aus Wabenstruktur oder aus einem Schaum auf die Trägerstruktur (30) geklebt sind.
7. Netzantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (30) aus einer durch Stanzung gelochten "Sandwich"-Platte erhalten wird.
8. Netzantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die "Sandwich"-Platte Häute aus Verbundmaterialien mit Kohlenstoffverstärkung und mit organischer oder metallischer Matrix aufweist.
9. Netzantenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die "Sandwich"-Platte metallische Häute aufweist.
10. Netzantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerstruktur (30) durch Zusammenbau von Profilrohren (32) erhalten wird.
11. Netzantenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohre (32) aus Verbundmaterialien mit Kohlenstoffverstärkung und mit organischer oder metallischer Matrix bestehen.
12. Netzantenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilrohre (10) aus Metallen oder Metallegierungen bestehen.
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