WO2002089254A1 - Antennenelemente für einen flugkörper - Google Patents
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- F41G7/306—Details for transmitting guidance signals
Definitions
- the invention relates to antenna elements for the UHF and VHF range for broadband antennas radiating in the direction of flight of a missile with tail elements.
- spiral antennas are currently used for reconnaissance and direction finding in the VHF frequency range. At low frequencies ( ⁇ 1 GHz) and the smallest possible construction volume, these antennas have a greatly reduced antenna gain, or their dimensions are not suitable for integration into the missile.
- planar structures e.g. patch antennas
- this type of antenna used in the two sources mentioned cannot be arranged on the missiles available for use in such a way that radiation in the direction of flight is achieved.
- Antennas with an externally similar structure are also used in the field of communication technology (e.g. aerodynamically shaped, blade antennas' for rail vehicles).
- the main difference to these structures is the physical separation of the radome and antenna and the fact that these antennas emit in a non-directional manner.
- the tail of the missile is thus used to integrate antenna structures which act broadly in the direction of flight in this area without interfering with the mechanical functionality of the tail area.
- the figure shows a possible embodiment of the "fin antenna” according to the invention. It consists of a dielectric tail unit L, in which the antenna structure A with the feed E is embedded or applied to its surface. Due to the low frequencies, the dielectric used has only a minor effect on the properties of the antenna elements. There is therefore a structural integration of antenna and rudder (positive and non-positive connection), with further protective measures for the antenna in the form of a radome being omitted.
- the antenna element A used is based on an expanding slot radiator which is halved along its axis of symmetry.
- This type of antenna is also described in the literature as a Vivaldi element. What is new in this context is the idea of halving the antenna element and using the missile as an electrical mirror despite its small dimensions compared to the wavelength.
- the structure of the missile F thus becomes part of the antenna in the concept of the invention.
- the novel arrangement of the antenna elements A in the area of the rudders L maximizes both the aperture and the distance between the phase centers of the individual elements, but no additional volume is required for the antennas. If the received signals are evaluated using the classic amplitude or phase monopulse methods, the proposed arrangement keeps the requirements on the detection channels low. This makes it possible to expand the frequency range for direction finding and reconnaissance at lower frequencies (currently 100 MHz). In order to enable bearing in azimuth and elevation for all polarizations, a total of 4 antenna elements are necessary, each of which is orthogonally polarized in pairs. Such an arrangement is described in principle in DE 1168513. In contrast, the antenna system according to the invention is oriented at an angle of 45 °. This orientation is essential for the intended application, since this is the only way to achieve the required polarization agility, namely linear horizontal and linear vertical polarization and circular left and right-hand polarization during the bearing.
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Abstract
Es werden Antennenelemente für den UHF- und VHF-Bereich für Antennen eines Flugkörpers mit Leitwerkelementen vorgeschlagen, die in aus dielektrischem Material bestehende Leitwerkelemente (L) integriert und derart ausgebildet sind, dass sie breitbandig gerichtet in Flugrichtung abstrahlen. Die Leitwerkelemente bestehen beispielsweise aus Keramik und die Antennenelemente sind darin eingebettet oder auf deren Oberfläche aufgebracht. Die Antennenelemente (A) sind vorzugsweise sich erweiternde Schlitzstrahler vom Vivaldi-Typ, die entlang ihrer Symmetrieachse halbiert sind und den Flugkörper (F) als elektrischen Spiegel verwenden. Durch die Anordnung der Antennenelemente im Bereich der Ruder wird sowohl die Apertur als auch der Abstand der Phasenzentren der Einzelelemente maximiert, wobei aber kein zusätzliches Volumen für die Antennen benötigt wird.
Description
Antennenelemente für einen Flugkörper
Die Erfindung betrifft Antennenelemente für den UHF- und VHF-Bereich für breitbandig in Flugrichtung abstrahlende Antennen eines Flugkörpers mit Leitwerkelementen.
Zur Aufklärung und Peilung im VHF-Frequenzbereich werden derzeit auf Grund ihres relativ kompakten Aufbaus Spiralantennen verwendet. Bei tiefen Frequenzen (< 1 GHz) und möglichst geringen Bauvolumen weisen diese Antennen jedoch einen stark reduzierten Antennengewinn auf, oder sind von ihren Abmessungen her nicht zur Integration in den Flugkörper geeignet.
Bei Flugkörpern mit einer Längenabmessung in der Größenordnung der verwendeten Wellenlänge tritt also innerhalb der tiefen Frequenzbereiche (< 1 GHz) das Problem auf, daß gerichtet abstrahlende A tennen auf Grund ihrer Aperturanforderungen nicht mehr innerhalb der Flugkörperstruktur anzuordnen sind, bzw. kein gerichtetes Antennenverhalten erzielt werden kann.
Aus DE 195 43 321 ist ein Flugkörper mit in dielektrische Tragflächenelemente integrierten Antennenelementen für Kommunikationszwecke bekannt. Beispielsweise aus Funkschau 6, 1998, Antennen, Teil 10 ist es ferner bekannt, planare Antennen auf dielektrischen Keramik-Substraten anzuordnen.
Die resultierenden planaren Strukturen (z.B. Patch-Antennen) besitzen aber nicht die für eine Peilung notwendige Richtwirkung. Hinzu kommt, daß dieser in den beiden genannten Fundstellen verwendete Antennentyp auf den für die Anwendung zur Verfügung stehenden Flugkörpern nicht so angeordnet werden kann, daß eine Abstrahlung in Flugrichtung erreicht wird. Auch die Anordnung in einem Array - falls die benötigte Fläche zur Verfügung stehen würde, - wie in der erstgenannten Fundstelle beschrieben, ändert an dieser Tatsache nichts, da bei einer Strahlauslenkung mehr als 60° von der Flächennormale eine deutliche Gewinn Reduzierung auftritt.
Ein weiterer Punkt, der Patch-Elemente als ungeeignet für die Anwendung gemäß der Erfindung erscheinen lässt, ist die geforderte Breitbandigkeit, die
mit 1 :20 mit den beschriebenen Antennen nicht zu erreichen ist. Dieser Antennentyp ist damit prinzipiell für die geplante Peilung in Flugrichtung ungeeignet.
Antennen mit einem äußerlich ähnlichem Aufbau werden auch im Bereich der Kommunikationstechnik (z.B. aerodynamisch geformte ,BladeAntennen' bei Schienenfahrzeugen) verwendet. Der wesentliche Unterschied zu diesen Strukturen besteht in der physikalischen Trennung von Radom und Antenne und in der Tatsache, daß diese Antennen ungerichtet abstrahlen.
Es ist das Ziel der Erfindung, eine Antennenanordnung zu schaffen, bei der die Antennenelemente trotz der räumlichen und mechanischen Einschränkungen durch den Flugkörper das erforderliche Verhalten aufweisen, also insbesondere in Flugrichtung gerichtet breitbandig abstrahlen.
Gemäß der Erfindung wird dies durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale erreicht.
Es wird also das Leitwerk des Flugkörpers verwendet, um in diesem Bereich breitbandig in Flugrichtung gerichtet wirkende Antennenstrukturen zu integrieren, ohne die mechanische Funktionalität des Leitwerksbereiches zu stören.
Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, in der anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel erörtert wird.
Die Figur zeigt eine mögliche Ausführung der erfindungsgemäßen "Fin- Antenne". Sie besteht aus einem dielektrischen Leitwerk L, in das die Antennenstruktur A mit der Einspeisung E eingebettet oder auf ihrer Oberfläche aufgebracht ist. Aufgrund der niedrigen Frequenzen wirkt sich das verwendete Dielektrikum nur in geringem Maße auf die Eigenschaften der Antennenelemente aus. Es liegt also eine strukturelle Integration von Antenne und Ruder vor (Form- und Kraftschluß), wobei weitere Schutzmaßnahmen für die Antenne in Form eines Radoms entfallen.
Das verwendete Antennenelement A basiert auf einem sich erweiternden Schlitzstrahler, der entlang seiner Symmetrieachse halbiert ist. Dabei wird der
gesamte Flugkörper F mit in das Antennenkonzept einbezogen. Dieser Antennentyp wird in der Literatur auch als Vivaldi-Element beschrieben. Neu ist in diesem Zusammenhang die Idee, das Antennenelement zu halbieren und den Flugkörper trotz seinen im Vergleich zur Wellenlänge geringen Abmessungen als elektrischen Spiegel zu verwenden.
Anders als bei traditionellen Antennenkonzepten, bei denen der Träger groß im Verhältnis zur Wellenlänge ist und damit als metallische Ebene betrachtet werden kann, wird bei dem Konzept der erfindungsgemäßen also die Struktur des Flugkörpers F Bestandteil der Antenne.
Durch die neuartige Anordnung der Antennenelemente A im Bereich der Ruder L wird sowohl die Apertur als auch der Abstand der Phasenzentren der Einzelelemente maximiert, wobei aber kein zusätzliches Volumen für die Antennen benötigt wird. Erfolgt die Auswertung der Empfangssignale mit den klassischen Amplituden- oder Phasenmonopulsverfahren, werden durch die vorgeschlagene Anordnung die Anforderungen an die Detektionskanäle niedrig gehalten. Damit ist eine Erweiterung des Frequenzbereiches zur Peilung und Aufklärung zu tieferen Frequenzen (z.Z. 100 MHz) möglich. Um eine Peilung in Azimut und Elevation für alle Polarisationen zu ermöglichen sind insgesamt 4 Antennenelemente notwendig, die jeweils paarweise orthogonal polarisiert sind. Eine derartige Anordnung ist prinzipiell bereift in DE 1168513 beschrieben. Demgegenüber ist das Antennensystem gemäß der Erfindung unter einem Winkel von 45° ausgerichtet. Diese Ausrichtung ist wesentlich für die vorgesehene Anwendung, da nur so die benötigte Polarisationsagilität, nämlich linear horizontale und linear vertikale Polarisation sowie zirkulär links- und rechtsdrehende Polarisation bei der Peilung erzielt werden kann.
Zusammengefaßt ergeben sich also durch die erfindungsgemäße Struktur folgende Vorteile:
- Peilung und Aufklärung in Flugrichtung,
- eine Erweiterung des Frequenzbereiches zur Peilung und Aufklärung zu tieferen Frequenzen (z.Z. 100 MHz),
- eine Reduzierung des von den Antennen benötigten Volumens,
eine maximale Antennenapertur bei maximalem Abstand der Phasenzentren, und
die strukturelle Integration der Antenne in den Flugköφer (Form- und Kraftschluß).
Claims
1. Antennenelemente für den UHF- und VHF-Bereich für Antennen eines Flugkörpers mit Leitwerkelementen, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitwerkelemente (L) aus dielektrischem Material sind und dass die Antennenelemente (A) in diese Leitwerkelemente (L) integriert und derart ausgebildet sind, dass sie breitbandig gerichtet in Flugrichtung abstrahlen.
2. Antennenelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitwerkelemente (L) aus Keramik bestehen und daß die Antennenelemente (A) in diese eingebettet sind.
3. Antennenelemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitwerkelemente (L) aus Keramik bestehen und daß die Antennenelemente (A) auf deren Oberfläche aufgebracht sind.
4. Antennenelemente nach einem der vorhergehenden Ansprüche,dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente (A) sich erweiternde Schlitzstrahler sind, die entlang ihrer Symmetrieachse halbiert sind und den Flugköφer (F) als elektrischen Spiegel verwenden.
5. Antennenelemente nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Flugköφer mit vier Leitwerkelementen insgesamt vier Antennenelemente (A) auf bzw. in jeweils einem Leitwerkelement angeordnet sind, die jeweils paarweise orthogonal polarisiert sind, wobei das Antennensystem in einem Winkel von 45° ausgerichtet ist.
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