EP4627674A1 - Reflektorpaneel einer parabolantenne - Google Patents

Reflektorpaneel einer parabolantenne

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Publication number
EP4627674A1
EP4627674A1 EP24700231.4A EP24700231A EP4627674A1 EP 4627674 A1 EP4627674 A1 EP 4627674A1 EP 24700231 A EP24700231 A EP 24700231A EP 4627674 A1 EP4627674 A1 EP 4627674A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
reflector
reflector panel
rib structure
panel
reinforcing webs
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP24700231.4A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Lutz Stenvers
Karl-Heinz Stenvers
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.)
Mtex Antenna Technology GmbH
Original Assignee
Mtex Antenna Technology GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from DE102023100441.7A external-priority patent/DE102023100441A1/de
Priority claimed from DE202023100179.3U external-priority patent/DE202023100179U1/de
Application filed by Mtex Antenna Technology GmbH filed Critical Mtex Antenna Technology GmbH
Publication of EP4627674A1 publication Critical patent/EP4627674A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • H01Q15/16—Reflecting surfaces; Equivalent structures curved in two dimensions [2D], e.g. paraboloidal
    • H01Q15/165—Reflecting surfaces; Equivalent structures curved in two dimensions [2D], e.g. paraboloidal composed of a plurality of rigid panels

Definitions

  • a parabolic antenna within the scope of the invention comprises a main reflector with a diameter of approximately 5 to 100 m.
  • a large number of reflector panels are assigned to a support frame, whereby there should be as few gaps or other interruptions to the desired geometry of the main reflector as possible between the individual reflector panels.
  • Reflector panels made of aluminum sheet metal have become established in practice. For production, an aluminum sheet is stretched over a steel mold, whereby the parabolic shape of a reflector panel is formed by plastic deformation of the aluminum sheet. The pre-formed aluminum sheet is then glued to the steel mold with stiffening aluminum ribs. This construction method allows the production of reflector panels for antennas up to a reception and Transmission accuracy of approximately 30 GHz. Over the last 30 years, such parabolic antennas have been built in large numbers for satellite communications.
  • CFRP carbon fiber composite materials
  • the decisive parameters for the performance of a parabolic antenna are the preservation of the shape of the reflecting paraboloid and the accuracy of its surface under all conceivable load cases to which the parabolic antenna is exposed during operation, in particular deadweight loads at different reflector positions, wind loads, thermal loads such as temperature gradients in the structure and etc. must be taken into account.
  • the shape accuracy is represented by the so-called "rms value” (root mean square). This is the mean square error of the deviations of the loaded real reflector surface of a parabolic antenna from the ideal or best-fitted paraboloid, measured at many points.
  • the permissible rms error must not exceed approximately 1/20 of the smallest wavelength of the electromagnetic radiation that can be measured with the respective parabolic antenna. Errors greater than 1/15 of the smallest wavelength significantly reduce the quality of the parabolic antenna and no longer allow unrestricted use.
  • the following table contains the relevant parameters frequency, wavelength and surface accuracy for different accuracy levels of a parabolic antenna:
  • a parabolic antenna comprises a reflector panel which is milled in one piece, for example from aluminum, with a reflective, smooth surface on a Top side and transverse and longitudinal ribs that are formed on a bottom side. Furthermore, several reflector panels are assigned to an additional reflector segment carrier, whereby each reflector panel is connected to the surface of the reflector segment carrier via several adjusting elements in order to align it in the desired direction. This does not provide any additional stiffening of the actual reflector panel.
  • the invention is based on the object of creating a reflector panel and a parabolic antenna with a plurality of such reflector panels of the type mentioned at the beginning, which meets the requirements of precision parabolic antennas and can be produced in large quantities.
  • a parabolic antenna comprises at least one reflector panel as described above, which is associated with a support frame.
  • the reflector surface and the rib structure are manufactured by machining from an aluminum blank, which in particular has a length between 0.5 and
  • the height or thickness of the aluminum block to be processed depends essentially on the geometry of the reflector surface to be produced and the maximum height of the ribs of the rib structure.
  • the rib structure on the back is first machined.
  • the height of the ribs depends in particular on the geometry of the rib structure, i.e. in particular the length of the ribs between two nodes, and on the height of the rib. It is well known that the height of the rib makes a significant contribution to its flexural rigidity, but vibrations can cause problems during machining, particularly milling, which is why the rib height is limited.
  • a reinforcement structure is permanently assigned to the rib structure. The reflector surface is then manufactured by machining, particularly milling. Overall, the rib structure and the associated reinforcement structure therefore provide relatively high resistance to deformation of the reflector surface.
  • a parabolic antenna with a plurality of reflector panels according to the invention which are assigned to a support frame for alignment, meets the Requirements for a precision parabolic antenna with a reception and transmission range of approx. 10 to 1000 GHz, preferably 20 to 500 GHz, preferably 30 to 300 GHz.
  • the machining of the reflector panel and the fitting of the reinforcement structure enables the production of relatively large quantities of reflector panels with the same or different curvature of the reflector surface with an associated reinforcement structure with a reasonable machining effort.
  • the reinforcing structure expediently comprises reinforcing webs that extend between coupling elements.
  • the reinforcing webs reduce deflection of the reflector panel.
  • the coupling elements can be column-like elements to which the reinforcing webs, whose long sides are assigned to the rib structure, are fixed with their end faces.
  • the coupling elements are firmly connected to the rib structure, in particular at nodes where several ribs meet.
  • the coupling elements can be cylindrical or polygonal in cross-section, for example also tubular to reduce weight.
  • the reinforcing structure can in particular also be made from a metal alloy, in particular from a light metal.
  • the coupling elements are fixed at least at peripheral corner points of the rib structure.
  • a quasi star-shaped reinforcement structure can be achieved by attaching a coupling element in the center of the rib structure according to a further embodiment.
  • the reinforcement webs therefore extend from the corner points of the outer frame into the center of the rib structure or the reflector panel.
  • the coupling elements are screwed and/or glued and/or pressed to the rib structure.
  • corresponding threaded holes or fitting holes are set into the aluminum at the nodes of the rib structure where there is a material accumulation, and the coupling elements have a corresponding design of their outer diameter to be inserted into the threaded holes or fitting holes.
  • the coupling elements preferably have longitudinal slots for the directed reception of associated reinforcing webs.
  • the coupling elements arranged at corner points are provided with three longitudinal slots in order to be able to hold two reinforcing webs forming the peripheral edge and one reinforcing web pointing towards the center in an appropriately aligned manner.
  • the coupling element fastened in the center of the rib structure can have four to eight longitudinal slots for holding a corresponding number of reinforcing webs that are aligned in a cross shape or star shape.
  • the reinforcement bars are made from strip, flat bar or sheet material.
  • the reinforcement bars have an angle on at least one free long side.
  • beads must be embossed into the radius formed at the bend.
  • the reinforcing webs preferably extend at least circumferentially to the rib structure, with associated longitudinal sides of the reinforcing webs being supported on free longitudinal sides of the ribs. Overall, the rib structure and the associated reinforcing structure thus provide a relatively high resistance to deformation of the reflector surface.
  • the reinforcing webs are glued to the parallel ribs of the rib structure.
  • the reinforcing webs can also be glued to the coupling elements.
  • Fig. 1 is a perspective view of a reflector panel according to the invention
  • Fig. 2 is a perspective view of the reflector panel according to Fig. 1 with a non-machined reflector surface
  • Fig. 3 is a partial perspective view of the rear side of the reflector panel according to Fig. 2
  • Fig. 4 is a further enlarged partial view of the reflector panel according to Fig. 3,
  • Fig. 5 is a third enlarged view of the reflector panel according to Fig. 2,
  • Fig. 6 is an enlarged view of detail VI of Fig. 4,
  • Fig. 7 is an enlarged view of detail VII of Fig.
  • Fig. 8 is a schematic representation of a parabolic antenna with reflector panels
  • Fig. 9 shows another schematic representation of a parabolic antenna with reflector panels.
  • a rib structure 3 with a large number of individual ribs 6 can be seen according to Fig. 3.
  • the rib structure 3 is manufactured by machining, in particular by milling, a cuboid-shaped aluminum blank, so that the reflector surface 2, which is also machined in a further manufacturing step, in particular by milling, and the rib structure 3 are monolithic, i.e. formed in one piece.
  • the rib structure 3 forms an edge structure 7 with the peripheral edge 5 of the reflector surface 2, wherein the ribs 6 are interrupted in a grid-like manner by nodes 8.
  • the nodes 8 represent accumulations of material into which holes 9 are let.
  • the holes 9 can, for example, be provided with internal threads.
  • Ribs 6 extend diagonally in the rib structure 3 between two opposite nodes 8 of the edge structure 7, with the diagonally aligned ribs 6 also being interrupted in their course by nodes 8, so that nodes 8 arranged and aligned in a grid-like manner are included within the rib structure 3.
  • further ribs 10 which can have a lower height, are aligned and arranged in such a way that these further ribs 10 halve the length of the circumferential ribs 6 and the at least one diagonally running rib 6.
  • coupling elements 11 of a reinforcing structure 12 are inserted, preferably screwed, pressed or glued, into the holes 9 of the nodes 8 at the corners of the edge structure 7 and in the side bisectors of the nodes 8 and the central node 8, so that in any case a firm connection of the coupling elements 11 with the rib structure 3 is established.
  • the coupling elements 11 have longitudinal slots 13 extending along the lengthwise side. whose number and orientation corresponds to the reinforcement webs 14 of the reinforcement structure 12.
  • the reinforcing webs 14 of the reinforcing structure 12 are arranged and aligned parallel to the ribs 6 of the edge structure 7 and in a star shape in the direction of the central coupling element 11 and are inserted with their end faces into the longitudinal slots 13 of the associated coupling elements 11.
  • the long sides 15 of the reinforcing webs 14 of the reinforcing structure 12 are supported on the associated ribs 6 or their rib long sides and are glued to them in order to create a firm connection.
  • the reinforcing webs 14 of at least one free longitudinal side 15, which is opposite the longitudinal side 15 assigned to the ribs 6, has an angled portion 17, into the radius 18 of which beads 19 are pressed for further stabilization.
  • Fig. 9 shows an offset antenna 20 with a shaped surface that defines an undisturbed optic and has no shadows.
  • the metallic reflector panels 1, preferably made of aluminum, this offset antenna 20 is rectangular with approximately the same dimensions. However, each individual reflector panel 1 has a slightly different curvature; they are not parabolic reflector panels 1 in contrast to the panels from the state of the art. The special thing about these reflector panels 1 is their size of 2.5 mx 2.1 m with an area of 5.25 m 2 per reflector panel 1 and a precision that enables the reception of electromagnetic radiation with a frequency of up to 360 GHz.
  • the offset antenna 20 has a main reflector measuring 21 mx 18 m and carries 68 rectangular reflector panels 1 and eight triangular reflector panels 1 a.
  • the shape of the reflector surface 2 was determined, for example, using an “aperture vector optimization”.
  • the reflector panels 1 or their respective surfaces are not parabolic in contrast to the above-mentioned prior art.
  • This offset antenna 20 is therefore currently the most powerful radio telescope in the frequency range mentioned.
  • a fine rib structure 3 is milled on one side of the block, which at the end of the production process gives the remaining sheet thickness of 2 mm the necessary stability in conjunction with the rib structure 3 created.
  • this step is only carried out at the very end of the production process, because up until then the remaining rigidity is needed for production. This means that the essential part of the panel rigidity can now be added.
  • the aluminum milled part which is only 70 mm thick, is now ribbed with 1.5 mm thin and 130 mm high aluminum sheets as a reinforcement structure 12.
  • These reinforcement webs 14 are held by a total of nine aluminum cylinders that serve as coupling elements 11 and are firmly screwed to the milled part.
  • the reinforcement bars 14 are glued directly to the pre-milled fine rib structure 3.
  • aluminum covers are riveted and screwed onto the coupling elements 11 of a reflector panel 1, so that the high reinforcement bars 14 are rigidly and load-bearingly connected to the milled part and the height of the reflector panel 1 is increased from 70 mm to 200 mm.
  • the reflector panel 1, composed of the reflector surface 2 with the one-piece rib structure 3 and the additional reinforcement structure 12, is no longer formed as a single piece. With this increased stiffness, the final reflector surface 2 of the reflector panel 1 can now be milled and, as measurements have shown, such a large reflector panel 1 is obtained with a surface accuracy of 16 pm rms.
  • Panel A has a surface area of 4.87 m 2 , four corner adjusters and one center adjuster for alignment.
  • Panel B is manufactured in standard aluminum sheet construction and is dimensioned to optimize its performance, such as the height of the ribs (6), sheet thicknesses, and number of stiffening ribs. Panel B has a surface area of 4.33 m 2 , four corner adjusters and one center adjuster for alignment.
  • the load-dependent surface errors are distributed using the example of a parabolic antenna 4 for 100 GHz transmission/reception power with a main reflector 16 with a diameter of approximately 20 m as follows (values in pm rms value):
  • Panel A has an exceptionally low surface defect of 44 pm RSS.
  • Panel B with a value of 122 pm RSS, is worse than panel A by a factor of 2.8. This difference is driven by the high but typical manufacturing error of 90 pm rms for panel B.

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Abstract

Ein Reflektorpaneel (1) einer Parabolantenne (4) weist eine vorderseitige Reflektoroberfläche (2) und eine damit verbundene rückseitige Rippenstruktur (3) auf, wobei die Reflektoroberfläche (2) monolithisch mit der der Rippenstruktur (3) ausgebildet und der Rippenstruktur (3) eine Verstärkungsstruktur (12) fest zugeordnet ist.

Description

Reflektorpaneel einer Parabolantenne
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Reflektorpaneel einer Parabolantenne mit einer vorderseitigen Reflektoroberfläche und einer damit verbundenen rückseitigen Rippenstruktur und auf eine Parabolantenne mit mindestens einem Reflektorpaneel.
Eine Parabolantenne im Rahmen der Erfindung umfasst einen Hauptreflektor mit einem Durchmesser von ca. 5 bis 100 m. Für solche große Parabolantennen werden eine Vielzahl Reflektorpaneele einem Trägergestell zugeordnet, wobei zwischen den einzelnen Reflektorpaneelen möglichst keine Spalte oder sonstigen Unterbrechungen von der angestrebten Geometrie des Hauptreflektors vorhanden sein sollten.
Reflektorpaneele in Aluminiumblech-Bauweise haben sich in der Praxis durchgesetzt. Zur Fertigung wird ein Aluminiumblech über eine Stahlform streckgezogen, wobei sich die parabolische Form eines Reflektorpaneels durch plastische Verformung des Aluminiumblechs bildet. Anschließend wird das vorverformte Aluminiumblech auf der Stahlform liegend mit versteifenden Aluminium-Rippen verklebt. Diese Bauweise erlaubt die Herstellung von Reflektorpaneelen für Antennen bis zu einer Empfangs- und Sendegenauigkeit von ca. 30 GHz. In den letzten 30 Jahren wurden solche Parabolantennen in großen Stückzahlen für die Satellitenkommunikation gebaut.
Diese Fertigungstechnologie ist für den genannten Einsatzbereich ausgereift, aber nicht für präzise Parabolantennen im höheren Frequenzbereich einsetzbar. Das Verkleben des Reflektorpaneels mit den Rippen erzeugt nach der Entformung einen bestimmten Restfehler in der Oberflächengenauigkeit. Das gilt insbesondere für große Reflektorpaneele in einem Bereich von ca. 0,5 bis 5 m. Außerdem ist die Genauigkeit des Reflektorpaneels direkt von der Stahlform abhängig und stets geringer als die Genauigkeit der Stahlform. Üblich ist eine Stahlform mit einer Oberflächengenauigkeit von ca. 50 pm, was zu einer Oberflächengenauigkeit des Reflektorpaneels von ca. 90 pm führt.
Für besondere Präzisions-Parabolantennen mit einem Empfangs- und Sendebereich von ca. 500 bis 1000 GHz sind Reflektorpaneele aus Kohlefaser-Verbundwerkstoffen (CFK) eingesetzt worden, die allerdings in Abhängigkeit der Genauigkeit der Parabolantenne sehr kostenintensiv zu fertigen sind, da hochgenaue Formen aus Stahl, CFK oder einem speziellen Glas und intensive Handarbeit im Fertigungsprozess mit Autoklaven-Tech- nik erforderlich sind. Aufgrund der aufwändigen Fertigung sind diese CFK- Reflektorpaneele für eine Herstellung von Präzisions-Parabolantennen, die von der Erfindung umfasst sind, in größerer Stückzahl nicht geeignet.
Die entscheidenden Parameter für die Leistungsfähigkeit einer Parabolantenne sind die Erhaltung der Form des reflektierenden Paraboloids und die Genauigkeit seiner Oberfläche unter allen denkbaren Lastfällen, denen die Parabolantenne im Betrieb ausgesetzt ist, wobei insbesondere Eigengewichtslasten bei unterschiedlichen Reflektorstellungen, Windlasten, thermische Belastungen wie Temperaturgradienten in der Struktur und dergleichen zu berücksichtigen sind. Dargestellt wird die Formtreue durch den sogenannten „rms-Wert“ (root mean square). Das ist der mittlere quadratische Fehler der an vielen Stellen gemessenen Abweichungen der belasteten realen Reflektorfläche einer Parabolantenne vom idealen bzw. von einem bestangepassten Paraboloid. Der zulässige rms-Fehler darf dabei näherungsweise 1/20 der mit der jeweiligen Parabolantenne zu messenden kleinsten Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung nicht überschreiten. Größere Fehler als 1/15 der kleinsten Wellenlänge mindern die Qualität der Parabolantenne bereits deutlich und lassen keine uneingeschränkte Verwendbarkeit mehr zu.
Die folgende Tabelle enthält für verschiedene Genauigkeitsstufen einer Parabolantenne die relevanten Parameter Frequenz, Wellenlänge und Oberflächengenauigkeit:
Frequenz Wellenlänge Oberflächengenauigkeit
(GHz) (mm) (rms-Wert in pm)
20 15,0 750
40 7,5 375
60 5,0 250
100 3,0 150
200 1 ,5 75
300 1 ,0 50
(Tabelle 1 )
Hierzu ist es aus der DE 10 2015 215 336 A1 bekannt, dass eine Parabolantenne ein Reflektorpaneel umfasst, das einstückig beispielsweise aus Aluminium gefräst ist mit einer reflektierenden, glatten Fläche auf einer Oberseite und Quer- und Längsrippen, die auf einer Unterseite ausgebildet sind. Weiterhin sind einem zusätzlichen Reflektorsegmentträger mehrere Reflektorpaneele zugeordnet, wobei jedes Reflektorpaneel über mehrere Stellelemente mit der Oberfläche des Reflektorsegmentträgers verbunden ist, um diese in gewünschter Richtung auszurichten. Eine zusätzliche Versteifung des eigentlichen Reflektorpaneels ist dadurch nicht gegeben.
Weiterhin offenbart die DE 2 407 021 A einen Antennenreflektor mit einem Segment zur Bildung einer Parabolantenne, wobei an den Segmenten an ihren Rückseiten eine Rippenanordnung der Waffelart gegossen ist. Eine weitere oder zusätzliche Verstärkung oder Versteifung des Segments ist nicht angesprochen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Reflektorpaneel und eine Parabolantenne mit einer Vielzahl solcher Reflektorpaneele der eingangs genannten Art zu schaffen, das bzw. die die Anforderungen der Präzisions-Parabolantennen erfüllt und dabei in großen Stückzahlen herstellbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst.
Ein Reflektorpaneel einer Parabolantenne umfasst eine vorderseitige Reflektoroberfläche und eine damit verbundene rückseitige Rippenstruktur, wobei die Reflektoroberfläche monolithisch mit der Rippenstruktur ausgebildet und der Rippenstruktur eine Verstärkungsstruktur fest zugeordnet ist.
Eine Parabolantenne umfasst mindestens ein zuvor beschriebenes Reflektorpaneel, das einem Trägergestell zugeordnet ist. Für eine solche Präzisions-Parabolantenne werden die Reflektoroberfläche und die Rippenstruktur durch spanende Bearbeitung aus einem Aluminiumrohling gefertigt, der insbesondere eine Länge zwischen 0,5 und
3.5 m, bevorzugt zwischen 1 ,5 und 3m, besonders bevorzugt zwischen 2 und 2,5 m, vorzugsweise von 2,3m, und eine Breite zwischen 0,5 und 3,5 m, bevorzugt zwischen 1 ,5 und 3m, besonders bevorzugt zwischen 2 und
2.5 m, vorzugsweise von 2,1 m und eine Höhe zwischen 0,02 und 0,5m, bevorzugt zwischen 0,04 und 0,1 m und vorzugsweise von ca. 0,07 m aufweist. Die Höhe resp. die Dicke des zu bearbeitenden Aluminiumblocks ist im Wesentlichen von der zu fertigenden Geometrie der Reflektorfläche sowie der maximalen Höhe der Rippen der Rippenstruktur abhängig.
Bei der Herstellung des Reflektorpaneels wird zunächst die rückseitige Rippenstruktur spanend gefertigt. Die Höhe der Rippen ist insbesondere durch die Geometrie der Rippenstruktur, also insbesondere auch der Länge der Rippen zwischen zwei Knotenpunkten sowie von der Höhe der Rippe abhängig, wobei bekanntermaßen die Höhe der Rippe einen wesentlichen Beitrag zu deren Biegesteifigkeit leistet, sich aber bei der spanenden Bearbeitung, insbesondere durch Fräsen, durch Schwingungen problematisch auswirkt, weshalb die Rippenhöhe beschränkt ist. Da aber zur Erzielung eines möglichst geringen rms-Werts der Parabolantenne eine möglichst große Steifigkeit des Reflektorpaneels unabdingbar ist, wird der Rippenstruktur eine Verstärkungsstruktur fest zugeordnet. Anschließend wird die Reflektoroberfläche durch Zerspanung, insbesondere durch Fräsen, gefertigt. Somit wird insgesamt durch die Rippenstruktur und die zugeordnete Verstärkungsstruktur ein relativ großer Widerstand gegen eine Verformung der Reflektoroberfläche bereitgestellt.
Eine Parabolantenne mit einer Vielzahl erfindungsgemäßer Reflektorpaneele, die einem Trägergestell zur Ausrichtung zugeordnet sind, erfüllt die Anforderungen an eine Präzisions-Parabolantenne mit einem Empfangsund Sendebereich von ca. 10 bis 1000 GHz vorzugsweise 20 bis 500GHz, bevorzugt 30 bis 300 GHz.
Die zerspanende Bearbeitung des Reflektorpaneels und die Bestückung mit der Verstärkungsstruktur ermöglich die Herstellung in relativ großer Stückzahl von Reflektorpaneelen gleicher oder unterschiedlicher Krümmung der Reflektoroberfläche mit zugeordneter Verstärkungsstruktur mit einem vertretbaren Bearbeitungsaufwand.
Die Unteransprüche stellen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung dar.
Zweckmäßigerweise umfasst die Verstärkungsstruktur Verstärkungsstege, die sich zwischen Kopplungselementen erstrecken. Die Verstärkungsstege reduzieren eine Durchbiegung des Reflektorpaneels. Bei den Kopplungselementen kann es sich um säulenartige Elemente handeln, an denen die Verstärkungsstege, die mit ihren Längsseiten der Rippenstruktur zugeordnet sind, mit ihren Stirnseiten festgelegt sind. Die Kopplungselemente sind fest mit der Rippenstruktur, insbesondere an Knotenpunkten, an denen mehrere Rippen Zusammentreffen, verbunden. Die Kopplungselemente können im Querschnitt zylindrisch oder mehrkantförmig ausgestaltet sein, zur Gewichtsreduzierung beispielsweise auch rohrförmig. Die Verstärkungsstruktur kann insbesondere auch aus einer Metalllegierung, insbesondere aus einem Leichtmetall, gefertigt sein.
Um zumindest eine Art äußeren Rahmen mit der Verstärkungsstruktur aufzuspannen, sind in Ausgestaltung die Kopplungselemente zumindest an peripheren Eckpunkten der Rippenstruktur festgelegt. Eine quasi sternförmige Verstärkungsstruktur ist dadurch zu erzielen, dass nach einer weiteren Ausgestaltung ein Kopplungselement im Zentrum der Rippenstruktur befestigt ist. Sonach erstrecken sich die Verstärkungsstege von den Eckpunkten des äußeren Rahmens auch in das Zentrum der Rippenstruktur respektive des Reflektorpaneels.
Zur Reduzierung der Längen der Verstärkungsstege ist nach einer Weiterbildung mindestens ein Kopplungselement zwischen zwei peripheren Eckpunkten der Rippenstruktur angeordnet.
Vorzugsweise sind die Kopplungselemente mit der Rippenstruktur verschraubt und/oder verklebt und/oder verpresst. Hierzu sind entsprechende Gewindebohrungen oder Passbohrungen an den Knotenpunkten der Rippenstruktur, an denen einen Materialanhäufung vorliegt, in das Aluminium eingelassen und die Kopplungselemente weisen eine korrespondierende Gestaltung ihres in die Gewindebohrungen oder Passbohrungen einzusetzenden Außendurchmessers auf.
Bevorzugt weisen die Kopplungselemente Längsschlitze zur gerichteten Aufnahme zugeordneter Verstärkungsstege auf. Beispielsweise sind die an Eckpunkten angeordneten Kopplungselemente mit drei Längsschlitzen versehen, um zwei den peripheren Rand bildende Verstärkungsstege und einen in Richtung des Zentrums weisenden Verstärkungssteg entsprechend ausgerichtet haltern zu können. Das im Zentrum der Rippenstruktur befestigte Kopplungselement kann vier bis acht Längsschlitze zur Halterung einer entsprechenden Anzahl von Verstärkungsstegen, die kreuzförmig oder sternförmig ausgerichtet sind.
Zur Erhöhung der Stabilität der aus einem Band-, Flachstab- oder Blechmaterial gefertigten Verstärkungsstege weisen die Verstärkungsstege an zumindest einer freien Längsseite eine Abwinklung auf. Hierbei können zur weitergehenden Stabilisierung der Verstärkungsstege in den an der Abwinklung gebildeten Radius Sicken eingeprägt sein.
Vorzugsweise erstrecken sich die die Verstärkungsstege zumindest umfangsseitig zur Rippenstruktur, wobei sich auf freien Rippenlängsseiten zugeordnete Längsseiten der Verstärkungsstege abstützen. Somit wird insgesamt durch die Rippenstruktur und die zugeordnete Verstärkungsstruktur ein relativ großer Widerstand gegen eine Verformung der Reflektoroberfläche bereitgestellt. Die Verstärkungsstege werden mit den parallel verlaufenden Rippen der Rippenstruktur verklebt. Im Weiteren kann auch eine Verklebung der Verstärkungsstege mit den Kopplungselementen erfolgen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen verwendbar sind. Der Rahmen der Erfindung ist nur durch die Ansprüche definiert.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die zugehörige Zeichnung näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Reflektorpaneels nach der Erfindung,
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Reflektorpaneels nach Fig. 1 mit einer nicht spanend bearbeiteten Reflektoroberfläche, Fig. 3 eine perspektivische Teildarstellung der Rückseite des Reflektorpaneels nach Fig. 2,
Fig. 4 eine weitere vergrößerte Teildarstellung des Reflektorpaneels nach Fig. 3,
Fig. 5 eine dritte vergrößerte Darstellung des Reflektorpaneels nach Fig. 2,
Fig. 6 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit VI nach Fig. 4,
Fig. 7 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheit VII nach Fig.
5,
Fig. 8 eine schematische Darstellung einer Parabolantenne mit Reflektorpaneelen und
Fig. 9 eine weitere schematische Darstellung einer Parabolantenne mit Reflektorpaneelen.
Das in seiner Grundfläche viereckige Reflektorpaneel 1 nach Fig. 1 weist gegenüber dem Reflektorpaneel 1 nach Fig. 2 eine spanend bearbeitete Reflektoroberfläche 2 mit einer bestimmungsgemäßen Krümmung auf. Aufgrund der Bearbeitung beträgt die Höhe des Rands 5 der bearbeiteten Reflektoroberfläche 2 nach Fig. 1 nur ein Bruchteil der Höhe des Rands 5 der unbearbeiteten Reflektoroberfläche 2. Beispielsweise ist die bearbeiteten Reflektoroberfläche 2 etwa 1 bis 3 mm vorzugsweise ca. 2 mm und die unbearbeitete Reflektoroberfläche 2 ca. 13 bis 22 mm, vorzugsweise zwischen 15 und 18 mm dick, wobei die Roh- und Fertigmaße insbesondere von der zu fräsenden Krümmung und der für die nachfolgenden Arbeitsgänge erforderlichen Stabilität abhängig sind. Auf der der Reflektoroberfläche 2 abgewandten Seite des Reflektorpaneels 1 ist nach Fig. 3 eine Rippenstruktur 3 mit einer Vielzahl einzelner Rippen 6 zu erkennen. Die Rippenstruktur 3 wird durch spanende Bearbeitung, insbesondere durch Fräsen, eines quaderförmigen Aluminiumrohlings gefertigt, so dass die ebenfalls in einem weiteren Fertigungsschritt spanend, insbesondere mittels Fräsen, zu bearbeitende Reflektoroberfläche 2 und die Rippenstruktur 3 monolithisch, also einstückig ausgebildet sind. Hierbei bildet die Rippenstruktur 3 zu dem umlaufenden Rand 5 der Reflektoroberfläche 2 eine Randstruktur 7, wobei die Rippen 6 durch Knotenpunkte 8 rasterartig unterbrochen sind. Die Knotenpunkte 8 stellen Materialanhäufungen dar, in die Bohrungen 9 eingelassen sind. Die Bohrungen 9 können beispielsweise mit Innengewinden versehen sein. Zwischen zwei gegenüberliegenden Knotenpunkten 8 der Randstruktur 7 erstecken sich Rippen 6 diagonal in der Rippenstruktur 3, wobei auch die diagonal ausgerichteten Rippen 6 durch Knotenpunkte 8 in ihrem Verlauf unterbrochen sind, so dass innerhalb der Rippenstruktur 3 rasterartig angeordnete und ausgerichtete Knotenpunkte 8 umfasst sind. In einem durch vier Knotenpunkte 8 aufgespannten Viereck mit umlaufenden Rippen 6 und mindestens einer diagonal verlaufenden Rippe 6 sind weitere Rippen 10, die eine geringere Höhe aufweisen können, derart ausgerichtet und angeordnet , dass diese weiteren Rippen 10 die Länge der umlaufenden Rippen 6 und der mindestens einen diagonal verlaufenden Rippe 6 halbieren.
Nach den Fig. 4 und 6 sind in die Bohrungen 9 der Knotenpunkte 8 an den Ecken der Randstruktur 7 sowie in deren Seitenhalbierenden Knotenpunkte 8 und dem zentralen Knotenpunkt 8 Kopplungselemente 11 einer Verstärkungsstruktur 12 eingesetzt, vorzugsweise eingeschraubt, oder eingepresst oder verklebt, so dass jedenfalls eine feste Verbindung der Kopplungselemente 11 mit der Rippenstruktur 3 hergestellt ist. Die Kopplungselemente 11 weisen sich längsseitig ersteckende Längsschlitze 13 auf, deren Anzahl und Ausrichtung zu aufzunehmenden Verstärkungsstegen 14 der Verstärkungsstruktur 12 korrespondiert.
Gemäß den Fig. 5 und 7 sind die Verstärkungsstege 14 der Verstärkungsstruktur 12 zum einen parallel zu den Rippen 6 der Randstruktur 7 und zum anderen sternförmig in Richtung des zentralen Kopplungselements 11 angeordnet und ausgerichtet und mit ihren Stirnseiten in die Längs- schlitze 13 der zugeordneten Kopplungselemente 11 eingesetzt. Die Längsseiten 15 der Verstärkungsstege 14 der Verstärkungsstruktur 12 stützen sich auf den zugeordneten Rippen 6 bzw. deren Rippenlängsseiten ab und sind mit diesen verklebt, um eine feste Verbindung zu schaffen.
Die Verstärkungsstege 14 zumindest einer freien Längsseite 15, die der den Rippen 6 zugeordneten Längsseite 15 gegenüberliegt, weist eine Ab- winklung 17 auf, in deren Radius 18 zur weitergehenden Stabilisierung Sicken 19 eingedrückt sind.
Ein Hauptreflektor 16 der Parabolantenne 4 nach Fig. 8 weist beispielsweise einen Durchmesser zwischen 5 und 100 m, vorzugsweise zwischen 10 und 80 m, bevorzugt zwischen 15 und 70 m auf. Ein Hauptreflektor 16, insbesondere einer Parabolantenne auf dem Gebiet der Radioastronomie weist eine Vielzahl Reflektorpaneele 1 auf. Die mehreren Hauptreflektoren 16 eines Arrays aus bis zu mehreren hundert Parabolantennen 4 werden derart ausgerichtet, dass sich die Empfangsleistung und insbesondere die Trennschärfe bei einer Signalauswertung wesentlich erhöht und somit insbesondere eine wesentlich vergrößerte Fläche einer sozusagen virtuellen einzigen Parabolantenne 4 erzielen lässt.
Schließlich ist in Fig. 9 eine Offset-Antenne 20 dargestellt mit einer geshapten Oberfläche, die eine ungestörte Optik definiert und keinerlei Abschattungen aufweist. Die metallischen Reflektorpaneele 1 , bevorzugt aus Aluminium gefertigt, sind bei dieser Offset-Antenne 20 rechteckig mit jeweils näherungsweise gleichen Abmessungen. Jedes einzelne Reflektorpaneel 1 hat allerdings eine gering unterschiedliche Krümmung, es sind keine parabolischen Reflektorpaneele 1 im Gegensatz zu den Paneelen aus dem Stand der Technik. Das Besondere an diesen Reflektorpaneelen 1 ist die Baugröße von 2,5 m x 2,1 m mit einer Fläche von 5,25 m2 pro Reflektorpaneel 1 und einer Präzision, die den Empfang von elektromagnetischer Strahlung mit einer Frequenz von bis zu 360 GHz ermöglicht. Die Offset-Antenne 20 hat einen Hauptreflektor von 21 m x 18 m und trägt 68 rechteckige Reflektorpaneele 1 und acht dreieckige Reflektorpaneele 1 a. Die Formgebung der Reflektoroberfläche 2 ist beispielsweise mittels einer „aperture vector optimization“ ermittelt worden. Die Reflektorpaneele 1 beziehungsweise deren sind nicht parabolisch ausgebildet im Gegensatz zum vorstehend genannten Stand der Technik. Damit bildet diese Offset-Antenne 20 das zurzeit leistungsfähigste Radioteleskop in dem genannten Frequenzbereich.
Ganz wesentlichen Anteil dazu trägt die spezielle Bauweise des einzelnen Reflektorpaneels.
Ausgehend von einem wärmebehandelten Aluminium-Block von 2,6 m x 2,2 m x 0,07 m (Länge, Breite, Höhe) wird auf der einen Seite des Blocks eine feine Rippenstruktur 3 gefräst, die am Ende des Fertigungsprozesses einer noch verbleibenden Blechstärke von 2mm die notwendige Stabilität in Verbindung mit der erzeugten Rippenstruktur 3 verleiht. Aber dieser Schritt wird erst ganz zum Schluss des Fertigungsprozesses durchgeführt, weil bis dahin die noch vorhandene Steifigkeit für die Fertigung gebraucht wird. Damit kann jetzt der wesentliche Teil der Paneelsteifigkeit ergänzt werden. Das nur 70 mm dicke Aluminium-Frästeil wird nun mit 1 ,5 mm dünnen und 130 mm hohen Aluminium-Blechen verrippt als Verstärkungsstruktur 12. Gehalten werden diese Verstärkungsstege 14 von insgesamt neun Aluminium-Zylindern, die als Kopplungselement 11 dienen und die fest mit dem Frästeil verschraubt werden. Die Verstärkungsstege 14 werden direkt mit der vorgefrästen feinen Rippenstruktur 3 verklebt. Abschließend werden auf den Kopplungselementen 11 eines Reflektorpaneels 1 Aluminium-Deckel genietet und verschraubt, so dass insgesamt die hohen Verstärkungsstege 14 steif und tragend mit dem Frästeil verbunden sind und die Höhe des Reflektorpaneels 1 von 70 mm auf 200 mm vergrößert ist. Das aus der Reflektoroberfläche 2 mit der einstückigen Rippenstruktur 3 und der zusätzlichen Verstärkungsstruktur 12 zusammengesetzte Reflektorpaneel 1 ist dabei insgesamt nicht mehr einstückig ausgebildet. Mit dieser erhöhten Steifigkeit kann jetzt die finale Reflektoroberfläche 2des Reflektorpaneels 1 gefräst werden und wie Messungen gezeigt haben, wird ein derart großes Reflektorpaneel 1 mit einer Oberflächengenauigkeit von 16 pm rms-Wert erhalten.
Um den Einfluss der Oberflächengenauigkeit der Reflektorpaneele 1 auf die Leistungsfähigkeit der Parabolantenne 4 aufzuzeigen, erfolgt ein rechnerischer Vergleich einer mit den Reflektorpaneelen 1 , nachfolgend als Paneel A bezeichnet, bestückten Parabolantenne 4 deren Reflektoroberfläche 2 monolithisch mit der der Rippenstruktur 3 ausgebildet ist, wobei der Rippenstruktur 3 eine zuvor erläuterte Verstärkungsstruktur 12 fest zugeordnet ist, mit einer mit aus dem Stand der Technik bekannten Reflektorpaneel 1 , nachfolgend als Paneel bezeichnet, bestückten Parabolantenne 4 verglichen.
Paneel A weist eine Oberfläche von 4,87 m2, vier Ecksteller und einen Mittensteller zur Ausrichtung auf.
Paneel B ist in Standard Aluminium-Blechbauweise hergestellt und hinsichtlich seiner Performance bestmöglich dimensioniert wie bezüglich der Bauhöhe der Rippen 6, Blechstärken, Anzahl der versteifenden Rippenß. Paneel B weist eine Oberfläche von 4,33 m2, vier Ecksteller und einen Mittensteller zur Ausrichtung auf.
Im Einzelnen verteilen sich die lastabhängigen Oberflächenfehler am Beispiel einer Parabolantenne 4 für 100 GHz Sende-/ Empfangsleistung mit einem einen Durchmesser von ca. 20 m aufweisenden Hauptreflektor 16 wie folgt (Werte in pm rms-Wert):
Paneel A B
Fertigung 20 90
Max. Eigengewicht 9 17
Wind 7m/s 6 10
Änderung der Umgebungstemperatur um 25°C 3 11
Solare Sonnenstrahlung 1360 W/m2 22 74
Justage 30 30
Gesamtfehler RSS* 44 122
Hauptreflektor-Tragstruktur
Max. Eigengewicht 80 80
Wind 7m/s 16 16
Änderung der Umgebungstemperatur um 25°C 45 45 Max. Temperatur-Gradient 5°C in x-, y-, z-Richtung 44 44 Gesamtfehler RSS* 103 103
Gesamtfehler RSS*
Paneel und Hauptreflektor-Tragstruktur 112 160
Anforderung für 100GHz gemäß Tabelle 1 150 150
Margin +38 -10
(RSS* ist der quadratisch addierte Gesamtfehler einer Antenne)
Fazit:
Paneel A hat mit 44 pm RSS einen herausragend niedrigen Oberflächenfehler. Paneel B ist mit einem Wert von 122 pm RSS um den Faktor 2,8 schlechter als Paneel A. Dieser Unterschied ist getrieben von dem hohen, aber typischen Fertigungsfehler von 90 pm rms-Wert für Paneel B. Bei gleicher Hauptreflektor-Tragstruktur mit einem Gesamtfehler von 103 pm RSS erhalten wir ein Margin für die Parabolantenne 4 mit Paneel A von +38 pm rms-Wert, wogegen die Parabolantenne 4 mit Paneel B mit -10 pm rms-Wert abschließt und somit die Spezifikation für eine 100 GHz Antenne gemäß Tabelle 1 nicht erfüllt. Bezugszeichen

Claims

Patentansprüche
1 . Reflektorpaneel (1 ) einer Parabolantenne (4) mit einer vorderseitigen Reflektoroberfläche (2) und einer damit verbundenen rückseitigen Rippenstruktur (3), wobei die Reflektoroberfläche (2) monolithisch mit der der Rippenstruktur (3) ausgebildet und der Rippenstruktur (3) eine Verstärkungsstruktur (12) fest zugeordnet ist.
2. Reflektorpaneel (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstruktur (12) Verstärkungsstege (14) umfasst, die sich zwischen Kopplungselementen (11 ) erstrecken.
3. Reflektorpaneel (1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungselemente (11 ) zumindest an peripheren Eckpunkten der Rippenstruktur (3) festgelegt sind.
4. Reflektorpaneel (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kopplungselement (11 ) im Zentrum der Rippenstruktur (3) befestigt ist.
5. Reflektorpaneel (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Kopplungselement (11 ) zwischen zwei peripheren Eckpunkten der Rippenstruktur (3) angeordnet ist.
6. Reflektorpaneel (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungselemente (11 ) mit der Rippenstruktur (3) verschraubt und oder verklebt und oder verpresst sind.
7. Reflektorpaneel (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungselemente (11 ) Längsschlitze (13) zur gerichteten Aufnahme zugeordneter Verstärkungsstege (14) aufweisen.
8. Reflektorpaneel (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstege (14) an zumindest einer freien Längsseite (15) eine Abwinklung (17) aufweisen.
9. Reflektorpaneel n(1 ) ach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die die Verstärkungsstege (14) zumindest umfangsseitig zur Rippenstruktur (3) erstrecken, wobei sich auf freien Rippenlängsseiten zugeordnete Längsseiten (15) der Verstärkungsstege (14) abstützen.
10. Reflektorpaneel (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich die die Verstärkungsstege (14) sternförmig von den eckseitigen Kopplungselementen (11 ) zu dem zentralen Kopplungselement (11 ) erstrecken, wobei sich auf freien Rippenlängsseiten zugeordnete Längsseiten (15) der Verstärkungsstege (14) abstützen.
11. Reflektorpaneel (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstärkungsstege (14) mit zugeordneten Rippen (6) der Rippenstruktur (3) verklebt sind.
12. Reflektorpaneel (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Rippenstruktur (14) Rippen (6, 10) unterschiedlicher Höhe umfasst, wobei Rippen (10), denen keine Verstärkungsstege (14) zugeordnet sind, zumindest teilweise eine geringere Höhe als Rippen (6) aufweisen, denen Verstärkungsstege (14) zugeordnet sind.
13. Reflektorpaneel (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoroberfläche (2) eine konkave Geometrie aufweist.
14. Reflektorpaneel (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektoroberfläche (2) und die Rippenstruktur (3) durch Fräsen aus einem monolithischen Aluminiumblock gefertigt sind.
15. Parabolantenne (4) mit mindestens einem Reflektorpaneel (1) nach Anspruch 1 , das einem Trägergestell zugeordnet ist.
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