EP1143556B1 - Projektil mit Antenne für einen Satelliten-Navigationsempfänger - Google Patents

Projektil mit Antenne für einen Satelliten-Navigationsempfänger Download PDF

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EP1143556B1 EP01108566A EP01108566A EP1143556B1 EP 1143556 B1 EP1143556 B1 EP 1143556B1 EP 01108566 A EP01108566 A EP 01108566A EP 01108566 A EP01108566 A EP 01108566A EP 1143556 B1 EP1143556 B1 EP 1143556B1
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/0407—Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna

Definitions

  • the invention is based on a combination antenna according to the preamble of Claim 1.
  • DE 35 44 092 A1 describes GHz multi-range antennas for small seekers in Projectiles known to be distributed concentrically evenly around a central axis at least three broadband spiral antennas for receiving radar signals are arranged for intercepting radar-fighting missiles; being in Center of the spiral antennas several millimeter wave antennas behind a dielectric Lens with constant dielectric constant are additionally provided, to realize a dual-mode seeker head.
  • From US 3 943 520 A is for installation in a conically tapered environment suitable dielectric wedge antenna with capacitive tuning of the feed opposite at its apex known.
  • the present invention is based on the technical problem, a proximity fuse for an artillery projectile in terms of its antenna structure interpret that they can also be used for satellite navigation tasks and at the imported artillery ammunition can be easily retrofitted.
  • the tip of a modern artillery projectile usually contains in the direction of flight behind one concentrically arranged programming coil a circuit module with at least one Signal processor for the evaluation electronics, and behind it fuse and ignition devices. Since the tip is screwed to the fuselage of the projectile, it is only used when it is in use to apply, it is also easily exchangeable. It turns out that in the the interior of the tip tapering towards the front is still free space immediately in front of the coil for additional installation of the carrier plate for the antenna structure of the navigation receiver is the receiver itself, i.e. the signal processing for winning and The satellite navigation information can be evaluated in the module located behind the coil be included.
  • the antenna structure i.e. the geometry of the electrically conductive surfaces on the two Sides of the dielectric carrier disc, is preferably in relation to the axis of rotation of the Projectile designed in such a way that a point-symmetrical antenna pattern is set to rotation-dependent interferences such as, in particular, amplitude modulations of the received signals to avoid if possible.
  • the flat cylindrical disc-shaped one Antenna structure serves as both systems (navigation receiver and range radar) Antenna system.
  • GPS reception is all in one Radar proximity detonator enables without the need for space for separate antennas So in a confined space with the same antenna, the navigation information and the radar echo winnable.
  • FIG. 1 The sketched in Fig. 1 in broken view and partially in axial longitudinal section Tip 11 of an artillery projectile 12 carries a ballistic in front of its metallic housing 13
  • Hood 14 in the form of a high-frequency permeable plastic radome made of thermoplastic Material like Teflon.
  • the level of the joint between housing 13 and The hood 14 is used by the circuit module 15 for various signal processing tasks protrudes through a large area in the projectile flight direction in front of it under the radome hood 14
  • Programming coil 16 for the ignition function of the circuit mode 15 carries.
  • the interior of the hood 14 in front of the programming coil 16 is in itself the dipole or helix structure the transmit / receive antenna 17 of a distance radar 18 (FIG. 2) is arranged.
  • This radar antenna 17 is now concentric in front of the programming coil as a dual-mode planar antenna 16 trained because they are also the receiving antenna 19 of a satellite navigation receiver 20 serves.
  • the radar antenna 17 and the navigation antenna 19 are thus to a combination antenna 21 on an approximately 2.5 mm thick disc (at approximately ten times Diameter), the lamination of which resonates at between the 4th GHz and 5 GHz radar frequency in the C-band is tuned.
  • the combination antenna 21 simultaneously for both operation of the radar 18 and also for the operation of the navigation receiver 20 is optimized.
  • the combination antenna 21 is constructed as a dielectric flat antenna, based on the two mutually opposite surfaces of, for example, a circular disk-shaped dielectric Carrier disc 22 (exaggeratedly thick in the drawing for illustration) carries electrically conductive surface structures, for example from an original extensive lamination are etched out.
  • the window lamination consists of a front surface 24.1 and one in all directions beyond its boundary back surface 24.2.
  • Antenna characteristic is the carrier disc 22 concentrically transverse to the axis 23 in front of the Programming coil 16 held.
  • a changeover switch 25 which, in the interest of the least possible signal loss is preferably implemented as a PIN diode switch.
  • This switchover takes place from a control stage 26 in accordance with the inductance at the coil 16 predetermined programming of the use of the radar operation only in the final phase of Mission, i.e. after a predefinable minimum flight time.
  • the navigation receiver 20 is connected to the combination antenna 21 connected to record the current trajectory using satellite navigation or to be able to correct it if necessary.
  • the projectile 12 equipped according to the invention thus has a replaceable tip 11 under its ballistic radome hood 14 is an easily integrated combination antenna 21 with a hemispherical view in the direction of flight ahead, matching both the fundamental frequency the radar 17 of a distance igniter as well as the third harmonic of the carrier frequency corresponds to a satellite navigation receiver 20, so that a combination antenna 21 both systems can be operated in a confined space.
  • the distance radar 18 is only put into operation when the navigation receiver 20 is switched off because the projectile 12 is corrected on it Trajectory has reached the target area.

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Description

Die Erfindung geht aus von einer Kombinationsantenne gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Eine Antenne für den Einbau in das konische oder zylindrische Gehäuseteil eines Projektiles oder eines Wiedereintrittsflugkörpers ist in der US 4 305 078 A beschrieben. Se beruht auf einer dielektrischen Scheibe, deren Resonanzfrequenz mittels achsparalleler Kurzschlüsse zwischen ihren beiderseitigen elektrisch leitenden Kaschierungen induktiv beeinflußbar ist. Für mehrere Resonanzfrequenzen werden entsprechend viele solcher Scheiben, individuell abgestimmt, zu einem Sandwich gestapelt und elektrisch in Reihe geschaltet. Bei jeder der Scheiben handelt es sich um eine individuelle, rundum radial abstrahlende Schlitzantenne, weshalb auch eine solche mehrfache Antennengruppierung für einen auf die Bodenannäherung voraus ansprechenden Abstandszünder nicht verwendbar ist. Auch darf bezweifelt werden, daß es mit den wie dargestellt übereinstimmenden Abmessungen der Scheiben überhaupt möglich ist, größenordnungsmäßig so unterschiedliche Antennenfrequenzen wie für Navigationszwecke und für Zündradarzwecke zu realisieren.
Aus der DE 35 44 092 A1 sind GHz-Mehrbereichsantennen für kleine Suchköpfe in Projektilen bekannt, bei denen konzentrisch um eine Mittenachse gleichmäßig verteilt mindestens drei breitbandige Spiralantennen zum Empfang von Radarsignalen für das Abfangen von Radarbekämpfungs-Flugkörpern angeordnet sind; wobei im Zentrum der Spiralantennen mehrere Milimeterwellen-Antennen hinter einer dielektrischen Linse mit konstanter Dielektrizitätskonstante zusätzlich vorgesehen sind, um damit einen Dual-Mode-Suchkopf zu realisieren.
Aus der DE 24 08 578 C2 ist es als solches bekannt, aus einer quadratischen ebenen Leiterfläche und einer dazu parallelen leitenden Grundfläche eine Antennenstruktur für Abstrahlung oder Empfang elektromagnetischer Wellen im Mikrowellenspektrum zu erstellen, mit Anpassung auf eine mittlere Betriebswellenlänge mittels eines mittigen Einschnittes in mindestens eine der beiden Leiterflächenkanten in Richtung auf deren Mittelpunkt zu; wobei die Bandbreite dieser Antennenstruktur durch einen Einschnitt in mindestens eine Ecke der quadratischen Leiterflächen in Richtung ebenfalls zum Quadratmittelpunkt hin vergrößerbar ist.
Aus der US 3 943 520 A ist eine zum Einbau in eine konisch sich verjüngende Umgebung geeignete dielektrische Keilantenne mit kapazitiver Abstimmung der Einspeisung gegenüberliegend an ihrem Scheitelbereich bekannt.
Zur Leistungssteigerung einer Artillerierakete ist es aus der EP 0 840 393 A bekannt, auf der Außenmantelfläche des Raketenrumpfes ein dielektrisches Trägersubstrat für auf dessen Außenfläche gegeneinander versetzte und miteinander verkoppelte elektrisch leitende Flächen vorzusehen, die als Antennenstruktur für die Trägerfrequenz eines Navigationssatelliten ausgelegt sind.
So sehr sich eine derartige Mantelflächen-Antenne für die Aufnahme von Satelliten-Ortungsinformationen auch schon bewährt hat, weist sie doch den Nachteil auf, in Hinblick auf die mechanische Beanspruchung bei der Verbringung aus einem Rohr nicht problemlos ohne weiteres - insbesondere auch nachträglich noch - auf dem Projektil appliziert werden zu können.
Vorliegender Erfindung liegt die technische Problemstellung zugrunde, einen Annäherungszünder für ein Artillerieprojektil hinsichtlich seiner Antennenstruktur derart auszulegen, dass sie auch für Aufgaben der Satellitennavigation nutzbar und an der eingeführten Artilleriemunition problemlos nachrüstbar ist.
Diese Aufgabe ist ausweislich der Merkmalskombination des Hauptanspruches im wesentlichen dadurch gelöst, daß die unter der Ogive des Annäherungszünders gelegene Antenne in als solcher bekannter Weise als dielektrische Scheibe ausgebildet und auf eine Radarfrequenz abgestimmt ist, die zugleich der dritten Oberwelle des Trägers eines Systems von Navigationssatelliten ist.
Die Spitze eines modernen Artillerieprojektils enthält gewöhnlich in Flugrichtung hinter einer konzentrisch angeordneten Programmierspule einen Schaltungsmodul mit wenigstens einem Signalprozessor für die Auswerteelektronik, und dahinter Sicherungs- und Zündeinrichtungen. Da die Spitze mit dem Rumpf des Projektils verschraubt ist, um sie erst im Einsatzfall aufzubringen, ist sie auch unproblematisch austauschbar. Es erweist sich, daß in dem sich nach vorne hin verjüngenden Innenraum der Spitze ist unmittelbar vor der Spule noch Freiraum zum zusätzlichen Einbau der Trägerscheibe für die Antennenstruktur des Navigationsempfängers ist Der Empfänger selbst, also die Signalverarbeitung zum Gewinnen und Auswerten der Satelliten-Navigationsinformation kann in den hinter der Spule gelegenen Modul einbezogen werden.
Die Antennenstruktur, also die Geometrie der elektrisch leitenden Flächen auf den beiden Seiten der dielektrischen Trägerscheibe, ist vorzugsweise in Bezug auf die Rotationsachse des Projektils so ausgelegt, daß sich ein punktsymmetrisches Antennendiagramm einstellt, um rotationsabhängige Störeinflüsse wie insbesondere Amplitudenmodulationen der Empfangssignale möglichst zu vermeiden.
Problematisch kann die Absicht einer Verlagerung der Navigations-Empfangsantenne von der Mantelfläche des Projektils ins Innere der Projektilspitze allerdings insofern werden, als die Spitze bei einem modernen Artilleriezünder wie im Falle des eingeführten Multifunktionszünders DM74 vor der Programmierspule schon mit einer koaxial stehenden Dipol- oder Helix-Radarantenne für das Abstands-Zündkriterium ausgestattet ist, was räumliche und elektrische Einschränkungen in den Antennenfunktionen zu Folge hat. Gemäß einer Weiterbildung vorliegender Erfindung wird dieses Problem aber dadurch beherrscht, daß die Navigationsantenne für die dritte Oberwelle der Satelliten-Trägerfrequenz und damit für die Größenordnung der Trägerfrequenz eines üblichen Radar-Entfernungsmessers ausgelegt wird. Dann erübrigt sich die zusätzliche Radar-Dipolantenne, und die flachzylindrisch-scheibenförmige Antennenstruktur dient beiden Systemen (Navigationsempfänger und Entfernungsradar) als Antennensystem. Nun ist es allerdings zweckmäßig, zur Vermeidung wechselseitiger Störungen eine Entkoppelung vorzunehmen, die am einfachsten dadurch erfolgt, daß der Navigationsempfänger und das Radar nicht gleichzeitig betrieben werden. Das ist unproblematisch realisierbar, weil die Satellitennavigation lediglich für die Bahnvermessung (zur Bahnkorrektur) benötigt wird, während das Radar erst anschließend, nach Ankunft über dem Zielgebiet beim Abstieg zur Abstandsauslösung über Grund arbeiten muß.
So ist bei hohem Integrationsgrad über eine Frequenzkopplung der GPS-Empfang in einem Radarannäherungszünder ermöglicht, ohne daß Raum für getrennte Antennen benötigt wird, also auf engstem Raum mit derselben Antenne die Navigationsinformation und das Radarecho gewinnbar.
Zusätzliche Weiterbildungen und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen und aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Funktionswesentliche nicht ganz maßstabsgerecht skizzierten prinzipiellen Realisierungsbeispiels für die erfindungsgemäße Lösung. In der Zeichnung zeigt:
Fig.1
den Einbau einer kombinierten Navigations- und Radar-Antenne vor der Programmierspule eines modernen Artilleriezünders und
Fig. 2
im vereinfachten Blockschaltbild das Prinzip der erfindungsgemäßen Entkopplung zwischen Navigationsempfänger und Abstandsradar durch versetzten gegenseitigen Betrieb.
Die in Fig. 1 in abgebrochener Darstellung und teilweise im Achsial-Längsschnitt skizzierte Spitze 11 eines Artillerie-Projektiles 12 trägt vor ihrem metallischen Gehäuse 13 eine ballistische Haube 14 in Form eines für Hochfrequenz durchlässigen Kunststoff-Radom aus thermoplastischem Werkstoff wie Teflon. Die Ebene der Teilungsfuge zwischen Gehäuse 13 und Haube 14 wird vom Schaltungsmodul 15 für verschiedene Signalverarbeitungsaufgaben durchragt, der in Projektil-Flugrichtung vor sich unter der Radom-Haube 14 eine großflächige Programmierspule 16 für die Zündfunktion des Schaltungsmodus 15 trägt. Im hohlkegelförmigen Innenraum der Haube 14 vor der Programmierspule 16 ist an sich die Dipol- oder Helixstruktur der Sende-Empfangs-Antenne 17 eines Abstands-Radar 18 (Fig. 2) angeordnet. Diese Radarantenne 17 ist nun aber als Dualmode-Planarantenne konzentrisch vor der Programmierspule 16 ausgebildet, da sie zugleich als Empfangsantenne 19 eines Satelliten-Navigationsempfängers 20 dient. Die Radar-Antenne 17 und die Navigations-Antenne 19 sind also zu einer Kombinationsantenne 21 auf einer etwa 2,5 mm dicken Scheibe (bei etwa zehnfachem Durchmesser) zusammengefaßt, deren Kaschierung auf Resonanz bei der zwischen 4 GHz und 5 GHz liegenden Radarfrequenz im C-Band abgestimmt ist. Damit ist sie zugleich auf die dritte Harmonische der bei 1,5 MHz liegenden L1-Trägerfrequenz der Satellitennavigation abgestimmt, so daß die Kombinationsantenne 21 gleichzeitig sowohl für den Betrieb des Radars 18 sowie auch für den Betrieb des Navigationsempfängers 20 optimiert ist.
Die Kombinationsantenne 21 ist als dielektrische Flachantenne aufgebaut, die auf den beiden einander gegenüberliegenden Oberflächen einer beispielsweise kreisscheibenförmigen dielektrischen Trägerscheibe 22 (in der Zeichnung zur Veranschaulichung übertrieben dick skizziert) elektrisch leitende Flächenstrukturen trägt, die beispielsweise aus einer ursprünglich flächendeckenden Kaschierung herausgeätzt sind. Die Scheiben-Kaschierung besteht aus einer vorderseitigen Fläche 24.1 und einer in allen Richtungen über ihre Begrenzung hinausgehenden rückseitigen Fläche 24.2. Für die Ausbildung einer zur Geschoßachse 23 symmetrischen Antennencharakteristik ist die Trägerscheibe 22 konzentrisch quer zur Achse 23 vor der Programmierspule 16 gehaltert.
Um den Betrieb des Abstandsradars 18 für die Zündauslösung und des Navigationsempfängers 20 für die Bahnkorrektur von einander zu entkoppeln, speist die Kombinationsantenne 21 entweder das Radar 18 oder den Navigationsempfänger 20, aber nicht beide gleichzeitig, was in Fig.2 durch einen Umschalter 25 symbolisiert ist, der im Interesse möglichst geringen Signalverlustes vorzugsweise als PIN-Diodenschalter realisiert ist. Diese Umschaltung erfolgt aus einer Steuerstufe 26 nach Maßgabe der über die induktive Schnittstelle an der Spule 16 vorgegebenen Programmierung des Einsatzes des Radarbetriebes erst in der Schlußphase der Mission, also nach vorgebbarer Mindestflugzeit. Bis zum Einsatz des Radarbetriebes, also auf der Verbringungsflugbahn, wird dagegen der Navigationsempfänger 20 an die Kombinationsantenne 21 angeschlossen, um die aktuelle Flugbahn mit Hilfe der Satellitennavigation aufnehmen oder erforderlichenfalls korrigieren zu können.
Das erfindungsgemäß ausgestattete Projektil 12 trägt also in seiner austauschbaren Spitze 11 unter ihrer ballistischen Radom-Haube 14 eine einfach integrierbare Kombinationsantenne 21 mit hemisphärischer Sicht in Flugrichtung voraus, deren Abstimmung sowohl der Grundfrequenz des Radars 17 eines Abstandszünders wie auch der dritten Oberwelle der Trägerfrequenz eines Satelliten-Navigationsempfängers 20 entspricht, so daß über diese eine Kombinationsantenne 21 beide Systeme auf engstem Raum betrieben werden können. Zur Entkopplung ist vorgesehen, daß das Abstandsradar 18 erst in Betrieb genommen wird, wenn der Navigationsempfänger 20 abgeschaltet ist, weil das Projektil 12 auf seiner korrigierten Flugbahn über dem Zielgebiet angekommen ist.

Claims (5)

  1. Artillerieprojektil-Zünder mit einer Radar-Antenne (17) für eine Abstands-Zündauslösung unter seiner Radom-Haube (14),
    dadurch gekennzeichnet, daß er mit einer Kombinationsantenne (21) aus Radar-Antenne (17) und Navigations-Antenne (19) in Form einer konzentrisch und quer zu seiner Längsachse (23) angeordneten dielektrischen Trägerscheibe (22) ausgestattet ist, die beidseitig mit elektrisch leitenden Flächen (24) belegt ist, wobei für hemisphärische Sicht der zur Achse (23) symmetrischen Antennencharakteristik in Flugrichtung voraus die rückseitige Fläche (24.2) in allen Richtungen über die Begrenzung der vorderseitigen Fläche (24.1) hinaus geht und die Flächen (24) auf eine Radarfrequenz abgestimmt sind, die bei der dritten Harmonischen einer Trägerfrequenz der Satellitennavigation liegt, mit Anschluß dieser Kombinationsantenne (21) sowohl an einen Navigationsempfänger (20) für eine Bahnkorrektur wie auch an ein Abstandsradar (18) für eine Zündauslösung über Grund beim Abstieg ins Zielgebiet.
  2. Zünder nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass seine Kombinationsantenne (21) über einen Umschalter (25) wahlweise an den Navigationsempfänger (20) oder aber an das Abstandsradar (18) anschaltbar ist.
  3. Zünder nach Anspruch 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass seine Kombinationsantenne (21) erst in der Schlussphase der Mission vom Navigationsempfänger (20) auf das Abstandsradar (18) umgeschaltet wird.
  4. Zünder nach einem der vorangehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass seine Kombinationsantenne (21) in Flugrichtung vor einer Zünder-Programmierspule (16) angeordnet ist.
  5. Zünder nach Anspruch 4,
    dadurch gekennzeichnet, dass ein Umschalter (25), für den Betrieb seiner Kombinationsantenne (21) zunächst am Navigationsempfänger (20) und schließlich am Abstandsradar (18), einer Steuerstufe (26) nachgeschaltet ist, die über die Programmierspule (16) auf unterschiedlichen Zeitpunkt des Einsatzes des Radarbetriebes programmierbar ist.
EP01108566A 2000-04-07 2001-04-05 Projektil mit Antenne für einen Satelliten-Navigationsempfänger Expired - Lifetime EP1143556B1 (de)

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