EP4544642A1 - Flugantenne für hohe temperaturbelastung - Google Patents

Flugantenne für hohe temperaturbelastung

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Publication number
EP4544642A1
EP4544642A1 EP23721668.4A EP23721668A EP4544642A1 EP 4544642 A1 EP4544642 A1 EP 4544642A1 EP 23721668 A EP23721668 A EP 23721668A EP 4544642 A1 EP4544642 A1 EP 4544642A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
antenna
base plate
antenna according
flying object
extension
Prior art date
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Pending
Application number
EP23721668.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Frank Hassenpflug
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Original Assignee
Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
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Filing date
Publication date
Application filed by Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV filed Critical Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Publication of EP4544642A1 publication Critical patent/EP4544642A1/de
Pending legal-status Critical Current

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/02—Arrangements for de-icing; Arrangements for drying-out ; Arrangements for cooling; Arrangements for preventing corrosion
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/28—Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons
    • H01Q1/286—Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons substantially flush mounted with the skin of the craft
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/42—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole with folded element, the folded parts being spaced apart a small fraction of the operating wavelength

Definitions

  • the present invention relates to an antenna or antenna structure, in particular for a hypersonic flying object.
  • the present invention further relates to a flying object with such an antenna.
  • the number of flying objects that move over long distances in the atmosphere in the hypersonic range at speeds of greater than 5 Mach (1715 m/s) is constantly increasing. Due to the resulting long duration of the flow in the atmosphere, the antenna systems mounted on the outer skin of the flying objects are subject to extreme heat input. For reliable data transmission, antenna systems suitable for high temperatures are therefore necessary. The antenna types used so far allow flight times of up to 55 seas. under these flight conditions before they overheat.
  • Such an antenna is known, for example, from DE 10 2006 024 129, which has a wedge-shaped pre-body, which is intended to make the antenna aerodynamic and is intended to protect the RF connection of the antenna behind the pre-body from inflow. It turned out that due to the structure, the antenna cannot be used for a flow of several minutes, taking into account the electrical and mechanical properties. Due to its elevated structure, the antenna is subject to greater interaction with hot air at very high stagnation point speeds, which results in increased heat input.
  • the object of the present invention is to provide an antenna which can withstand the thermal loads during a hypersonic flight of a flying object.
  • the task is fulfilled by an antenna according to claim 1 and a flying object according to claim 15.
  • the antenna according to the invention in particular for a hypersonic flying object, has a base plate and a cone-shaped preliminary body. Furthermore, the antenna has an extension of the pre-body. An HF connection with external insulation is arranged under the extension.
  • the pre-body is conical in such a way that its opening angle is between 25° and 28° and merges into a narrow extension in the rear area, i.e. in an area facing away from the tip of the cone, especially at the bottom of the cone.
  • the extension is in particular narrower than the conical preliminary body.
  • the pre-body has an elevation angle of 15° to 17° between the base plate and a lateral surface of the pre-body.
  • Heat absorbed can be transferred via the base plate to the underlying heat-conducting structure of the flying object.
  • the opening angle is preferably 26.7°.
  • elevation angle is 16.4°.
  • the surface of the base plate is preferably flat with a surface of the flying object.
  • the base plate of the antenna is therefore flat and is screwed recessed into the surface of the flying object. On the one hand, this ensures good heat transfer from the antenna to the flying object. At the same time, no edges of the base plate are directly exposed to the flow, which reduces heat input to the antenna.
  • an upper edge of the pre-body and/or an upper edge of the extension starting from the base plate has a height of less than 10 mm and in particular 8 mm or less.
  • the antenna protrudes less than 10 mm and in particular 8 mm from the outer surface of the flying object.
  • the pre-body is rotationally symmetrical, in particular about the conical axis of the pre-body.
  • one or more of the base plate, the preform and the extension are made of a copper-beryllium alloy, in particular CuNi2Be or CuCo2Be.
  • the base plate, the pre-body and the extension are made from the same material.
  • the base plate, the pre-body and the extension are formed in one piece.
  • the external insulation is preferably made of a temperature-resistant ceramic.
  • the temperature-resistant ceramic is preferably made of a glass ceramic.
  • the flying object preferably has at least four antennas, which are arranged in particular along the circumference of the flying object at a distance of essentially 90°.
  • the flying object preferably has a recess, the depth of the recess corresponding to the thickness of the base plate, the antenna being arranged in the recess.
  • the flying object preferably has heat sinks, which are in particular arranged in the recess, with the antenna being arranged on the heat sink.
  • heat generated at the antenna can be passed on to the heat sinks, whereby the thermal load on the antenna can be reduced.
  • Figure 2 is a schematic top view of an antenna according to the present invention.
  • FIG. 3 is a perspective, not to scale, representation of an antenna according to the present invention.
  • the antenna 10 has a base plate 12, which can be connected to a flying object 16 (shown schematically in Figure 1) via corresponding bores 14 by means of one or more screws, in particular a countersunk screw. Furthermore, the base plate 12 has holes 18 for connection to an HF connection.
  • a conical pre-body 20 is connected in one piece to the base plate 12. The conical pre-body 20 has an opening angle o of 25° to 28° and in particular 26.7°. Furthermore, the conical pre-body 20 has an elevation angle ⁇ of 15° to 17° and in particular 16.4°. The upper edge of the conical pre-body 20 is less than 10mm and in particular 8 mm above the surface 22 of the base plate 12.
  • a narrow extension 24 which is arranged at a distance from the base plate. This distance is 3 mm to 5 mm and in particular 3 mm. The length of the extension 24 is 25 mm to 30 mm and in particular 27.9 mm.
  • An HF connection 26 is arranged below the extension 24, which has an external insulation made in particular from ceramic, which surrounds the HF connection.
  • the extension 24 is designed to be narrower than the conical pre-body 20, so that the HF connection 26 arranged below the extension 24 is in the slipstream or in the dead water area of the pre-body and as a result heat input to the HF connection can be kept to a minimum.
  • the antenna is arranged in a recess 28 of the flying object 16, so that the surface 22 of the base plate 12 is flush with a surface 30 of the flying object 16. This prevents flow against the base plate.
  • the installation height of the antenna can be reduced.
  • the installation height of the antenna according to the present invention is the distance between the surface 30 of the flying object 16 and the upper edge of the extension 24 or the conical pre-body 20 less than 10 mm and in particular 8 mm or less.
  • the base plate can be arranged on a heat body (not shown) of the flying object 16, so that heat introduced into the antenna 10 can be passed on to the heat body.
  • the cone-shaped, axially symmetrical pre-body ensures that shock generation is minimized thanks to its elevation angle of 15° to 17° with an opening angle of the cone of 25° to 27°. This keeps the stagnation point speed low.
  • the core area of the antenna, formed by the extension 24, adjoins the pre-body 20.
  • an HF connection 26 is provided, which is located in the dead water area through the preliminary body 20.
  • the basic mechanical structure is based on the antenna type itself and cannot be changed at will. Any change in shape has a direct impact on the function of the antenna and its frequency range. At the same time, the design of the antenna has an impact on the interaction with the high-speed flow and the resulting heat input. This influences the change in the electrical and high-frequency characteristics of the antenna. Simulations based on the embodiment of the present invention show an optimization between minimal structure and compliance with high-frequency properties. This creates an antenna whose high-frequency properties can be met as specified by the antenna radiation diagram, antenna matching and resonant bandwidth behavior.
  • the S-band antenna is developed for use on flying objects such as sounding rockets that are subject to increased temperature loads.
  • the antenna creates a hemispherical antenna diagram with two different polarizations. Both polarizations together result in the hemispheric radiation characteristic.
  • Four such individual S-band antennas create a spherical antenna pattern, which in particular ensures small drops in field strengths in the direction of flight in the rear area of the flying object, which is important for reception of the telemetry ground reception station independent of the flight attitude.
  • the tip of the cone of the preliminary body 20 points in the direction of movement of the flying object.
  • the underlying antenna principle is comparable to a classic lambda/4 wavelength radiator. For aerodynamic reasons, this is folded over and lies flat over its reflective surface. Its necessary conductive base area, formed by the base plate 12, on which it is mounted, has a diameter at least larger than lambda/2.
  • the radiator element formed by the extension 24 is connected in the front part to the base surface via the pre-body 20 in order to dissipate corresponding electrostatic charges. In order to feed in the HF S-band signal without loss, a base impedance of 50 ohms, with few complex components, was determined using a simulation. This optimized point on the antenna radiator element is in the front third.
  • the measured antenna adaptation in the case of resonance is greater than 20 dB, which means that more than one hundredth of the fed-in power is reflected.
  • the generated antenna diagram contains two polarization characteristics with a horizontal and vertical field distribution. They are location dependent. The entire image of both polarizations covers one hemisphere.
  • the individual antenna body itself consists of a high-temperature solid copper-beryllium alloy such as CuNizBe, whose melting range is between 1030 and 1100° C.
  • the axially symmetrical antenna pre-body 20 in a half-cone shape with a 16° elevation angle ensures low temperature peaks by displacing the inflow with low compression shock strength.
  • the construction height of only 8 mm reduces the interaction with the inflow due to the small displaced volume and the majority of the antenna remains in the slow flow boundary layer. This minimizes the effective stagnation point speed and thus the heat input.
  • a dead water area is created in the rear area, which protects the radiator and the HF connection from the flow.
  • the pre-body made of copper-beryllium conducts the resulting heat input to the antenna base plate.
  • the 3 mm high base plate made of the same material has a flat underside, which has a low heat transfer resistance to the mounted base plate of the flying object. It is embedded flat in the structure of the flying object, which is made of a material that conducts heat well. This structure absorbs the heat input and increases the heat sink. This measure significantly extends their thermal resilience over time.
  • M4 countersunk screws fix the antenna to the rocket structure. The screw directly under the pre-body ensures low heat transfer resistance and directs this warmest point into the heat sink.
  • the base plate fixes the HF connection in the form of an SMA flange socket made of steel with four M2, 5 screws.

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Abstract

Antenne insbesondere für ein Hyperschall-Flugobjekt mit einer Bodenplatte, einem kegelförmigen Vorkörper und einem unter einer Verlängerung des Vorkörpers angeordneten HF-Anschluss mit Außenisolierung, wobei der Vorkörper in der Weise kegelförmig ausgebildet ist, dass dessen Öffnungswinkel zwischen 25° und 28° liegt und im rückwärtigen Bereich in die schmalere Verlängerung übergeht, und wobei der Vorkörper einen Erhebungswinkel von 15° bis 17° aufweist zwischen der Bodenplatte und einer Mantelfläche des Vorkörpers.

Description

Fluqantenne für hohe Temperaturbelastunq
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne bzw. Antennenstruktur insbesondere für ein Hyperschallflugobjekt. Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Flugobjekt mit einer solchen Antenne.
Die Zahl der Flugobjekte, die sich für längere Zeiträume im Hyperschallbereich mit Geschwindigkeiten von größer 5 Mach (1715 m/s) über große Strecken in der Atmosphäre bewegen, nimmt ständig zu. Durch die resultierende lange Dauer der Anströmung im Atmosphärenbereich unterliegen die an der Außenhaut montierten Antennensysteme an den Flugobjekten einem extremen Wärmeeintrag. Für eine zuverlässige Datenübertragung sind daher entsprechend hochtemperaturgeeignete Antennensysteme notwendig. Die bisher eingesetzten Antennentypen erlauben Flugzeiten von bis zu 55 see. unter diesen Flugbedingungen, bevor sie überhitzen.
Eine solche Antenne ist beispielsweise aus DE 10 2006 024 129 bekannt, welche einen keilförmigen Vorkörper aufweist, der die Antenne aerodynamisch machen soll und den HF-Anschluss der Antenne hinter dem Vorkörper vor einer Anströmung schützen sollen. Hierbei hat sich herausgestellt, dass aufgrund des Aufbaus die Antenne für eine mehrminutige Anströmung unter Berücksichtigung der elektrischen und mechanischen Eigenschaften nicht verwendbar ist. Durch ihren erhöhten Aufbau unterliegt die Antenne einer größeren Interaktion mit heißer Luft bei sehr hoher Staupunktgeschwindigkeit, womit sich ein erhöhter Wärmeeintrag ergibt.
Somit sind Vorhandene und bekannte Antennen bei einer größeren zeitlichen Temperaturbelastung nicht mehr funktionsfähig. Entsprechende Spezialanfertigungen sind bedingt durch Kosten, Lieferzeit und Genehmigungsverfahren nicht oder nur schwer herstellbar. Diese Antennen erzeugen unter Umständen auch nicht das geforderte Antennendiagramm. Eine S-Band Antenne für eine lange thermische Belastung steht derzeit nicht zur Verfügung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es eine Antenne bereitzustellen, welche den thermischen Belastungen bei einem Hyperschallflug eines Flugobjekts standhält.
Die Aufgabe wird erfüllt durch eine Antenne gemäß Anspruch 1 sowie ein Flugobjekt gemäß Anspruch 15.
Die erfindungsgemäße Antenne insbesondere für ein Hyperschallflugobjekt weist eine Bodenplatte sowie ein kegelförmigen Vorkörper auf. Weiterhin weist die Antenne eine Verlängerung des Vorkörpers auf. Unter die Verlängerung ist ein HF-Anschluss angeordnet mit Außenisolierung. Dabei ist der Vorkörper in der Weisen kegelförmig ausgebildet, dass dessen Öffnungswinkel zwischen 25° und 28° liegt und im rückwärtigen Bereich, d.h. in einem der Kegelspitze abgewandten Bereich insbesondere am Kegelboden, in eine schmale Verlängerung übergeht. Dabei ist die Verlängerung insbesondere schmaler als der kegelförmige Vorkörper. Weiterhin hat der Vorkörper einen Erhebungswinkel von 15° bis 17° zwischen der Bodenplatte und einer Mantelfläche des Vorkörpers.
Aufgenommene Wärme kann dabei über die Bodenplatte auf die darunter liegende wärmeleitende Struktur des Flugobjekts weitergeleitet werden.
Vorzugweise handelt es sich um eine S-Band Antenne.
Vorzugsweise beträgt der Öffnungswinkel 26,7°.
Vorzugsweise beträgt Erhebungswinkel 16,4°.
Vorzugsweise beträgt die Dicke der Bodenplatte 3 mm. Vorzugsweise beträgt der Abstand zwischen der Bodenplatte und der Verlängerung 2 mm bis 4 mm und insbesondere 3 mm.
Vorzugsweise ist im eingebauten Zustand die Oberfläche der Bodenplatte plan mit einer Oberfläche des Flugobjekts. Die Bodenplatte der Antenne ist somit plan ausgeführt und wird vertieft in die Oberfläche des Flugobjekts verschraubt. Hierdurch wird einerseits ein guter Wärmeübergang von der Antenne auf das Flugobjekt erreicht. Gleichzeitig sind keine Kanten der Bodenplatte der Strömung unmittelbar ausgesetzt, wodurch ein Wärmeeintrag auf der Antenne reduziert wird.
Vorzugsweise weist eine Oberkante des Vorkörpers und/oder eine Oberkante der Verlängerung ausgehend von der Bodenplatte eine Höhe von weniger als 10 mm und insbesondere 8 mm oder weniger auf. Im eingebauten Zustand steht somit die Antenne weniger als 10 mm und insbesondere 8 mm von der Außenfläche des Flugobjekts ab. Somit wird eine Antenne geschaffen mit einer nur geringen Aufbauhöhe, sodass die Exponiertheit der Antennenstruktur in der Strömung reduziert wird, wodurch auch gleichzeitig die Wärmeerzeugung an der Antenne reduziert werden kann. Somit wird durch einen möglichst flachen Aufbau die Interaktion mit der Anströmung weitestgehend gering gehalten.
Vorzugsweise ist die Spitze des Vorkörpers bündig mit der Oberfläche der Bodenplatte. So ist die Spitze des Kegels des Vorkörpers auf der Oberfläche der Bodenplatte angeordnet bzw. schließt mit dieser ab.
Vorzugsweise ist der Vorkörper rotationssymmetrisch insbesondere um die Kegelachse des Vorkörpers.
Vorzugsweise weist die Antenne eine Resonanzfrequenz zwischen 2200MHz und 2400MHz. Vorzugsweise weist die Antenne eine Reflexionsdämpfung von 20dß oder mehr und insbesondere 28dB.
Vorzugsweise weist die Antenne eine Bandbreite von 100MHz oder mehr auf.
Vorzugsweise ist eines oder mehreres der Bodenplatte, des Vorkörpers und der Verlängerung aus einer Kupfer-Beryll ium Legierung hergestellt, insbesondere CuNi2Be oder CuCo2Be.
Vorzugsweise sind die Bodenplatte, der Vorkörper und die Verlängerung aus demselben Material hergestellt.
Vorzugsweise sind die Bodenplatte, der Vorkörper und die Verlängerung einstückig ausgebildet.
Vorzugsweise ist zur thermischen Isolierung des HF-Anschluss die Außenisolierung aus einer temperaturbeständigen Keramik hergestellt. Vorzugsweise handelt es sich bei der temperaturbeständigen Keramik aus einer Glaskeramik.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Flugobjekt wie beispielsweise einer Rakete oder einen Wiedereintrittskörper einer Rakete, wobei das Flugobjekt mindestens eine Antenne aufweist wie vorstehend beschrieben.
Vorzugsweise weist das Flugobjekt mindestens vier Antennen auf, welche insbesondere entlang des Umfangs des Flugobjekts angeordnet sind in einem Abstand von im Wesentlichen 90°.
Vorzugsweise weist das Flugobjekt eine Ausnehmung auf, wobei die Tiefe der Ausnehmung der Dicke der Bodenplatte entspricht, wobei die Antenne in der Ausnehmung angeordnet ist. Vorzugsweise weist das Flugobjekt Wärmesenken auf, welche insbesondere angeordnet sind in der Ausnehmung, wobei die Antenne auf der Wärmesenke angeordnet ist. Hierbei kann an der Antenne entstehende Wärme auf die Wärmesenken weitergeleitet werden, wodurch die thermische Belastung der Antenne reduziert werden kann.
Nachfolgend wir die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 eine schematische Schnittansicht einer Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung,
Figur 2 eine schematische Draufsicht einer Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung und
Figur 3 eine perspektivische nicht maßstäbliche Darstellung einer Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die erfindungsgemäße Antenne 10 weist eine Bodenplatte 12 auf, welche über entsprechende Bohrungen 14 mittels einer oder mehreren Schrauben, insbesondere einer Senkkopfschaube, mit einem Flugobjekt 16 (schematisch dargestellt in Figur 1) verbunden werden kann. Weiterhin weist die Bodenplatte 12 Bohrungen 18 auf zur Verbindung mit einem HF-Anschluss. Mit der Bodenplatte 12 einstückig verbunden ist ein kegelförmiger Vorkörper 20. Dabei weist der kegelförmige Vorkörper 20 einen Öffnungswinkel o auf von 25° bis 28° und insbesondere 26,7°. Weiterhin weist der kegelförmige Vorkörper 20 einen Erhebungswinkel ß auf von 15° bis 17° und insbesondere 16,4°. Die Oberkante des kegelförmigen Vorkörpers 20 steht dabei weniger als 10mm und insbesondere 8 mm über die Oberfläche 22 der Bodenplatte 12 hervor. Rückwärtig an den kegelförmigen Vorkörper 20 schließt sich eine schmale Verlängerung 24 an, welche in einem Abstand von der Bodenplatte angeordnet ist. Dieser Abstand beträgt 3 mm bis 5 mm und insbesondere 3 mm. Die Länge der Verlängerung 24 beträgt 25 mm bis 30 mm und insbesondere 27,9 mm. Unterhalb der Verlängerung 24 ist ein HF-Anschluss 26 angeordnet, welcher eine insbesondere aus Keramik hergestellte Außenisolierung aufweist, welche den HF-Anschluss umgibt. Dabei ist die Verlängerung 24 schmaler ausgebildet als der kegelförmige Vorkörper 20, sodass der unterhalb der Verlängerung 24 angeordnete HF- Anschluss 26 im Windschatten bzw. im Totwasserbereich des Vorkörpers befindet und hierdurch ein Wärmeeintrag auf den HF-Anschluss geringgehalten werden kann.
Wie aus der Figur 1 ersichtlich ist die Antenne in einer Vertiefung 28 des Flugobjekts 16 angeordnet, sodass die Oberfläche 22 der Bodenplatte 12 bündig ist mit einer Oberfläche 30 des Flugobjekts 16. Hierdurch wird eine Anströmung der Bodenplatte vermieden. Gleichzeitig kann hierdurch die Aufbauhöhe der Antenne reduziert werden. Somit beträgt die Aufbauhöhe der Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung also der Abstand zwischen der Oberfläche 30 des Flugobjekts 16 zur Oberkante der Verlängerung 24 bzw. des kegelförmigen Vorkörpers 20 weniger als 10 mm und insbesondere 8 mm oder weniger.
Gleichzeitig kann die Bodenplatte auf einem (nicht-dargestellten) Wärmekörper des Flugobjekts 16 angeordnet sein, sodass in die Antenne 10 eingetragene Wärme weitergeleitet werden kann auf den Wärmekörper.
Der kegelförmige, axialsymmetrisch ausgebildete Vorkörper sorgt für eine minimierte Stoßerzeugung durch seinen Erhebungswinkel von 15° bis 17° mit einem Öffnungswinkel des Kegels von 25° bis 27°. Damit wird die Staupunktgeschwindigkeit geringgehalten. Im weiteren Bereich schließt sich an den Vorkörper 20 der Kernbereich der Antenne, ausgebildet durch die Verlängerung 24 an. Im ersten Drittel der Verlängerung 24 ist ein HF Anschluss 26 vorgesehen, der sich durch den Vorkörper 20 im Totwasserbereich befindet.
Die Kombination aus versenkter Montage und geringerer Bauhöhe sowie veränderter Formgebung führt zu einem insgesamt verringerten Wärmeeintrag bei gleicher Anströmung, einer verbesserten Ableitung an die kühlere umgebenden und unterliegende Struktur sowie durch die im vorderen Bereich erhöhte thermische Masse zu einem geringeren Wärmeeintrag in den eigentlichen Abstrahlkörper des Hochfrequenzbereichs der Antenne. Vergleichende Windkanaltests haben bei gleicher Charakteristik der Anströmung eine ca. 40% längere mögliche Expositionsdauer ergeben. Durch aktive Kühlung kann diese Zeit weiter verlängert werden.
Die mechanische Grundstruktur liegt im Antennentyp selbst begründet und ist nicht beliebig änderbar. Jede Veränderung der Formgebung hat direkte Auswirkungen auf die Funktion der Antenne und ihren Frequenzbereich. Gleichzeitig hat die Gestaltung der Antenne Auswirkungen auf die Wechselwirkung mit der Hochgeschwindigkeitsströmung und den daraus resultierenden Wärmeeintrag. Dieser beeinflusst die Veränderung der elektrischen und hochfrequenten Charakteristika der Antenne. Simulationen basierend auf der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigen eine Optimierung zwischen minimalen Aufbau und Einhaltung der hochfrequenten Eigenschaften. Somit ist eine Antenne geschaffen, deren hochfrequenten Eigenschaften mit dem Antennenabstrahl-Dia- gramm, Antennenanpassung und resonanten Bandbreitenverhalten vorgegeben erfüllt werden können.
Die S-Band Antenne ist für den Einsatz auf Flugobjekten wie Höhenforschungs- Raketen, die einer erhöhte Temperaturbelastungen unterliegen, entwickelt.
Ihre Funktion ist es beispielsweise ein von einem Telemetrie-Sender erzeugtes S-Band Hochfrequenzsignal abzustrahlen. Der hier verwendete Frequenzbereich erstreckt sich von 2200 MHz bis 2400 MHz. Dieser Bereich wird für die Telemetrie-Datenübertragung vom Flugobjekt zum Boden verwendet. Die Antenne erzeugt ein hemisphärisches Antennen-Diagramm mit zwei unterschiedlichen Polarisationen. Beide Polarisationen zusammen ergeben die hemisphärische Abstrahlungs-Charakteristik. Vier solcher einzelner S-Band Antennen erzeugen ein kugelähnliches Antennendiagramm, welches im Besonderen für geringe Einbrüche der Feldstärken in Flugrichtung im hinteren Bereich des Flugobjekts sorgt, was für einen von der Fluglage unabhängigen Empfang der Telemetrie Bodenempfangs-Station wichtig ist. Hierbei weist die Kegelspitze des Vorkörpers 20 in Bewegungsrichtung des Flugobjekts.
Weitere Frequenzbereiche von 1,5 GHz und 5,1GHz sind unter gleichen mechanischen Anpassungen möglich. Der aerodynamische Grundaufbau wird beibehalten, lediglich Strahlerlängen und Antennenanschluss ändern sich.
Das zu Grunde liegende Antennenprinzip ist mit einem klassischen Lambda/4 Wellenlängen Strahler vergleichbar. Dieser ist aus aerodynamischen Gründen umgeklappt und liegt flach über dessen reflektierender Fläche. Ihre notwendige leitende Grundfläche gebildet durch die Bodenplatte 12, worauf sie montiert wird, besitzt einen Durchmesser mindesten größer Lambda/2. Das Strahlerelement gebildet durch die Verlängerung 24 ist im vorderen Teil mit der Grundfläche über den Vorkörper 20 verbunden, um entsprechende elektrostatische Aufladungen abzuleiten. Zur verlustfreien Einspeisung des HF S-Bandsignals ist eine Fußpunkt-Impedanz von 50 Ohm, mit wenig komplexen Anteilen, mittels einer Simulation ermittelt worden. Dieser optimierte Punkt an dem Antennen- Strahlerelement liegt im vorderen Drittel. Die gemessene Antennenanpassung (Eingangsreflexionsfaktor= Sil) im Resonanzfall ist größer 20 dB, was bedeutet, dass größer ein Hundertstel der eingespeisten Leistung reflektiert wird. Das erzeugte Antennendiagramm enthält zwei Polarisations-Charakteristiken mit einer horizontalen und vertikalen Feldverteilung. Sie sind lageabhängig. Das gesamte Bild beider Polarisationen deckt eine Hemisphäre ab. Der einzelne Antennenkörper selbst besteht aus einer Hochtemperatur festen Kupfer--Beryllium Legierung wie beispielsweise CuNizBe, dessen Schmelzbereich zwischen 1030 und 1100° C liegt.
Der axialsymmetrische Antennen-Vorkörper 20 in einer halben Kegelform mit 16° Erhebungswinkel sorgt für geringe Temperaturspitzen durch Verdrängung der Anströmung bei geringer Verdichtungsstoßstärke. Die Aufbauhöhe von nur 8 mm verringert die Interaktion mit der Anströmung durch geringes verdrängtes Volumen und verbleiben des größten Teils der Antenne in der langsamen Strömungsgrenzschicht. Damit ist die wirksame Staupunktgeschwindigkeit und damit der Wärmeeintrag minimiert. Im hinteren Bereich entsteht ein Totwasserbereich, der den Strahler sowie den HF Anschluss vor der Strömung schützt. Der aus Kupfer- Beryllium bestehende Vorkörper leitet den entstehenden Wärmeeintrag an die Antennen Bodenplatte ab.
Die 3 mm hohe Bodenplatte aus gleichem Material hat eine plane Unterseite, die einen geringen Wärmeübergangswiderstand zur montierten Grundplatte des Flugobjekts hat. Sie ist plan in die Struktur des Flugobjekts eingelassen, die aus einem gut wärmeleitenden Material besteht. Diese Struktur nimmt den Wärmeeintrag auf und vergrößert die Wärmesenke. Durch diese Maßnahme wird ihre zeitliche thermische Belastbarkeit wesentlich verlängert. M4 Senkkopfschrauben fixieren die Antenne an der Raketenstruktur. Die Schraube direkt unter dem Vorkörper sorgt für einen geringen Wärmeübergangswiderstand und leitet diese wärmste Stelle in die Wärmesenke. Die Bodenplatte fixiert mit vier M2, 5 Schrauben den HF Anschluss in der Bauform einer SMA Flanschbuchse aus Stahl.
Verfügbare Antennenmodelle sind wesentlich höher in ihrem Aufbau, ohne gute Wärmeableitung in die Struktur, oder aufgrund des komplexen Aufbaus einer Patchantenne erheblich teurer in der Anschaffung.

Claims

Patentansprüche Antenne insbesondere für ein Hyperschallflugobjekt mit einer Bodenplatte, einem kegelförmigen Vorkörper und einem unter einer Verlängerung des Vorkörpers angeordneten HF- Anschluss mit Außenisolierung, wobei der Vorkörper in der Weise kegelförmig ausgebildet ist, dass dessen Öffnungswinkel zwischen 25° und 28° liegt und im rückwärtigen Bereich in die schmalere Verlängerung übergeht, und wobei der Vorkörper einen Erhebungswinkel von 15° bis 17° aufweist zwischen der Bodenplatte und einer Mantelfläche des Vorkörpers. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich um eine S-Band Antenne handelt. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Öffnungswinkel 26.7° beträgt. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Erhebungswinkel 16.4° beträgt. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte eine Dicke von 2mm - 6mm aufweist und insbesondere 3mm. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im eingebauten Zustand eine Oberfläche der Bodenplatte fluchtet mit einer Oberfläche des Flugobjekts. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dass die Oberkannte des Vorkörpers ausgehend von der Bodenplatte eine Höhe von weniger als 10mm und insbesondere 8mm oder weniger aufweist. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Spitze des Vorkörpers bündig ist mit der Oberfläche der Bodenplatte. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch eine Resonanzfrequenz von zwischen 2200MHZ und 2400MHz. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine Reflexionsdämpfung von 20dB oder mehr und insbesondere 28dB. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, gekennzeichnet durch eine Bandbreite von 100MHz oder mehr. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte, der Vorkörper und die Verlängerung aus einer Ku- per-Beryllium Legierung besteht, insbesondre CuNi2Be oder CuCo2Be. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Bodenplatte, der Vorkörper und die Verlängerung einstückig ausgebildet sind. Flugobjekt, insbesondere Rakete oder Widereintrittskörper einer Rakete, mit mindestens einer Antennen nach einem der Ansprüche 1 bis 13. Flugobjekt nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch mindestens 4 Antennen, welche insbesondere entlang des Umfangs des Flugobjekts angeordnet sind. Flugobjekt nach Anspruch 14 oder 15, gekennzeichnet durch Ausnehmung, wobei die Tiefe der Ausnehmung der Dicke der Bodenplatte entspricht. Flugobjekt nach einem der Ansprüche 14 bis 16, gekennzeichnet durch Wärmesenken insbesondere angeordnet in den Ausnehmungen, wobei die Antenne auf der Wärmesenke angeordnet ist.
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