WO2011100774A1 - Antenne - Google Patents

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WO2011100774A1
WO2011100774A1 PCT/AT2011/000081 AT2011000081W WO2011100774A1 WO 2011100774 A1 WO2011100774 A1 WO 2011100774A1 AT 2011000081 W AT2011000081 W AT 2011000081W WO 2011100774 A1 WO2011100774 A1 WO 2011100774A1
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carbon
antenna according
conductive
electrically
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PCT/AT2011/000081
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Inventor
Christoph Kienmayer
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Christoph Kienmayer
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    • 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
    • H01Q1/364—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith using a particular conducting material, e.g. superconductor
    • H01Q1/368—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith using a particular conducting material, e.g. superconductor using carbon or carbon composite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/02—Waveguide horns
    • 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

Definitions

  • the invention relates to an antenna with at least one electrically conductive transmitting / receiving body and / or at least one electrically conductive hollow conductor.
  • the invention relates to radio frequency (RF) antennas for frequencies> 1 MHz.
  • RF radio frequency
  • These electrically conductive transmitting and / or receiving bodies or the conductive waveguides of known antennas are formed from suitable metals.
  • Metals are difficult to process, particularly in terms of molding, and welding individual metal parts to the final shape can sometimes become very difficult and costly.
  • the production of complex shapes from metals may u.U. not possible at all.
  • the at least one transmitting / receiving body and / or the at least one waveguide is formed at least partially from electrically conductive, in particular electrically highly conductive, carbon.
  • Carbon as a base material is comparatively expensive to purchase, and also the production of a tool mold, by means of which the parts of the antenna formed from carbon, is expensive.
  • this form is then only needed once and it can be made quickly with only one form a large number of identical antennas, so that in sum, there may be a cheaper production than when using metals.
  • a much simpler shape is possible even for complicated shapes.
  • carbon is a very light material, so that it is possible to create lightweight or ultralight antennas.
  • the weight reduction compared to antennas with identical structure of metal can be up to 90% in extreme cases.
  • the electrical or radiation properties of the antenna By configuring at least parts of the antenna made of conductive or highly conductive carbon, the electrical or radiation properties of the antenna also remain completely intact.
  • Transmitting / receiving body (-strahier) and / or waveguides of the antenna may be formed in a mixed form of metal and carbon, but it will be fundamentally easier to manufacture and also of the electrical properties in the production, the body or waveguide made entirely of carbon.
  • the constituents formed from carbon may further be formed from a mixture of little or no conductive carbon and conductive or highly conductive carbon, as will be explained below with reference to a specific advantageous embodiment below.
  • the antenna is particularly simple to manufacture if the transmitting / receiving body and / or the waveguide is formed entirely from electrically conductive, in particular electrically highly conductive, carbon.
  • the electrical conductivity of the carbon is ⁇ > 10 5 S / m.
  • the existing carbon areas of the transmitting / receiving body and / or the waveguide of three or more carbon layers are formed.
  • the layer structure of the carbon regions on the one hand, the radiation properties of the antenna can be optimized and on the other hand, the antenna can also be optimized in terms of their mechanical / structural properties out to achieve a stable structure.
  • the antenna In a simple embodiment of the antenna exactly three carbon layers are provided. Depending on the component dimension, three layers are the minimum of layers.
  • anisotropy and thus a preferred direction of the current can be deliberately created, which influences the emission characteristic of the antenna.
  • the conductivity or current direction can be realized by means of one or more anisotropic layers, and the structural mechanical requirements are achieved by means of the remaining layers, which are not or only partially relevant for the conductivity.
  • a ply structure as described in this document one has great flexibility.
  • At least that carbon layer or those carbon layers which are / is responsible for the electrophysical properties of the transmitting / receiving body and / or the waveguide electrically conductive, in particular made of electrically highly conductive carbon is / are.
  • At least one outer carbon layer is formed of an electrically conductive, in particular electrically highly conductive carbon.
  • at least that outer carbon layer which forms the inside of the waveguide in the finished state of the waveguide is formed from an electrically conductive, in particular highly conductive, carbon.
  • the two outer layers are formed of a conductive, in particular electrically highly conductive carbon, whereby the physical values or properties of the antenna can be optimally designed.
  • an electrically conductive, in particular highly conductive carbon layer an electrically non-conductive carbon layer or at least electrically less conductive carbon layer than the electrically conductive, in particular highly conductive carbon layer.
  • Whether a component should have an increased strength, an increased rigidity or a high toughness depends on the field of application of the antenna. For example, a Holleiter in an aircraft will hardly need to accommodate dynamic or static strength. In contrast, a parabolic mirror or a radome is exposed to high wind loads and must therefore have a very high strength.
  • a highly conductive fabric, scrim is made from an ultra-high modulus fiber. Although this has an extremely high bending elastic modulus, which at the same time brings very brittle properties (comparable with the properties of glass, which is extremely highly modular, but also extremely brittle). In order to absorb this property, which is undesirable in part and depending on the application, high-tenacity or high-strength fibers (fabrics, scrims) must be processed. This is another important advantage that results from using the composite construction.
  • At least one outer carbon layer is formed from unidirectional carbon fiber rovings (carbon fiber strands), wherein preferably both outer carbon layers are configured in this way.
  • the carbon fabric is, for example, one of the type "twiH", in particular of the type "twill 2/2".
  • a weft thread is carried out in each case over or under two 2 threads (rovings), as in the weaving of fabrics.
  • This alternating structure of unidirectional scrim and fabric layer is particularly suitable for thin-walled components, wherein the one or more central layer (s) preferably consist of the same fiber type.
  • a quasi-isotropic layer structure is generally to be preferred, the layers being formed from unidirectional scrim (rovings) or fabrics of very different weaves.
  • the thickness of a fabric layer is typically about 0.16 mm - 1.5 mm.
  • the carbon layers are made of unidirectional carbon rovings or the at least one outer carbon layer of the quality grade or of the UHM quality class.
  • UHM Ultra High Modulus
  • K13C2U carbon is used.
  • the carbon layers of carbon fabric or those carbon layer (s) are subsequently to an electrically conductive, in particular highly conductive, carbon layer of degree HT.
  • HT high tenacity
  • Carbon type T 300 used.
  • a symmetrical layer structure In order to achieve a symmetrical layer structure, it is further provided that two carbon layers separated by a carbon layer have an identical structure.
  • the symmetrical layer structure is essential to avoid distortion of the component.
  • the carbon is at least partially coated with a metal, such as copper, nickel or silver.
  • a metal such as copper, nickel or silver.
  • the conductive or highly conductive region or those carbon layer (s) which is responsible for electrophysical properties are (are) coated with a corresponding metal.
  • FIG. 1 shows a perspective view of a waveguide of a horn antenna
  • FIG. 2 shows a rod antenna
  • Fig. 3 is a view of a waveguide as shown in Figure 1 with a structure of carbon layers, and
  • Fig. 4 is a schematic representation of an arrangement of three carbon layers.
  • the waveguide 20 shown consists of a tube 90, which consists of a pipe section 91 with rectangular cross section and an adjoining, funnel-shaped widening pipe section 92.
  • the invention is of course not limited to the shape of the waveguide shown here.
  • this tube 90 is formed of a metal.
  • this waveguide 20 is at least partially made of electrically conductive, in particular electrically highly conductive carbon 30 is formed.
  • the tubular body 30 is formed as a main component of the waveguide 20 made of carbon 30.
  • the waveguide 20 may be formed in a mixed form of metal and carbon, or may be formed from such a hybrid tube 90.
  • FIG. 1 also shows an RF plug 95.
  • the parabolic antenna (not shown) of the horn antenna can be made of metal or in the same way as described here and further below in detail also made of carbon.
  • the constituents formed from carbon may further be formed from a mixture of little or no conductive carbon and conductive or highly conductive carbon, as will be explained below with reference to a specific advantageous embodiment below.
  • Figure 2 shows a vertically mounted rod antenna 2 of length ⁇ / 4.
  • ⁇ denotes the wavelength to which the antenna is tuned.
  • the antenna 1 has an electrically conductive transmitting and / or receiving body 2, which according to the invention partially or preferably, as in the variant shown, from electrically conductive, in particular electrically highly conductive carbon 3 is formed.
  • the invention is of course not limited to a ⁇ / 4 radiator and the considerations also apply to e.g. a ⁇ emitter etc.
  • the antenna is powered via a conventional HF plug 4 made of brass, steel, etc., for fastening the transmitting / receiving body 2 with the ground plane 5 is usually a fastening means 6, such. a screw made of brass used.
  • the ground plane 5 itself may be formed of a metal such as aluminum, but it is also possible to make the ground plane of carbon.
  • the ground plane 5 may be formed of a metal, carbon or (highly) conductive carbon.
  • the entire body 2 is made of carbon, either entirely of a (highly) conductive carbon 3 or partly of conductive carbon and partly of less or no conductive carbon, which then preferably has one Layer structure has, as described in Figures 3 and 4.
  • Good radiation or reception properties of the antenna according to FIG. 2 or of the waveguide according to FIG. 1 can be achieved if ⁇ > 10 5 S / m applies to the electrical conductivity of the carbon, in particular if ⁇ > 10 for the electrical conductivity of the carbon 6 S / m applies.
  • an antenna in particular its transmitting / receiving body 2 or the waveguide 20, can be produced particularly well if the carbon has a layer / layer structure, which will be described below with reference to FIG. 3 using the example of a waveguide and in general form Hand of Figure 4 will be discussed in more detail.
  • FIG. 3 shows by way of example a waveguide 20 whose tube 90 is formed from three carbon layers 10, 11, 12.
  • a waveguide 20 whose tube 90 is formed from three carbon layers 10, 11, 12.
  • the radiation properties of the antenna can be optimized and on the other hand, the antenna can also be optimized in terms of their mechanical / structural properties out to achieve a stable structure ,
  • the adjoining central layer 11 is formed from an electrically non-conductive carbon layer 11 or from an at least electrically less conductive carbon layer 11 than the electrically conductive, in particular highly conductive carbon layer 10.
  • the second outer carbon layer 12, which is actually outside in the "finished" state of the waveguide 20, is again formed in this example from electrically conductive, in particular high-conductivity carbon.
  • the two outer carbon layers 10, 12 are formed from unidirectional carbon fiber rovings (carbon fiber strands).
  • the middle layer 11 is formed of carbon fabric.
  • the carbon fabric is, for example, one of the type "twill", in particular of the type “twill 2/2". In this type, which provides a kind of "body binding", a weft thread is carried out in each case over or under two 2 threads (rovings), as in the weaving of fabrics.
  • This alternating structure of unidirectional scrim and fabric layer is particularly suitable for thin-walled components, wherein the one or more central layer (s) preferably consist of the same fiber type.
  • a quasi-isotropic layer structure is generally to be preferred, the layers being formed from unidirectional scrim (rovings) or fabrics of very different weaves.
  • the carbon layers 10, 12 of unidirectional carbon rovings and the outer carbon layer are of the quality grade or the quality class UHM.
  • the middle layer 11 is of the degree HT.
  • ultralight, highly conductive RF antennas can be realized and the applications are of course not limited to the examples presented here.
  • the biggest advantages of using carbon are the low component weight and the dimensional stability due to the near-zero CTE (coefficient of thermal expansion) of the carbon. That is, even with large temperature fluctuations, there is virtually no change in the dimensions of the components.
  • the components achieve the highest values in terms of strength and rigidity and the corresponding antennas are therefore suitable in all areas of lightweight construction, such as aerospace, but also for areas of commercial radio and television broadcasting.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antenne (1) mit zumindest einem elektrisch leitenden Sende/Empfangskörper (2) und/oder zumindest einem elektrisch leitenden Hohleiter (20), wobei der zumindest eine Sende/ Empfangskörper (2) und/oder der zumindest eine Hohlleiter (20) zumindest bereichsweise aus elektrisch leitfähigem, insbesondere aus elektrisch hoch-leitfähigem Carbon (3, 30) gebildet sind.

Description

ANTENNE
Die Erfindung betrifft eine Antenne mit zumindest einem elektrisch leitenden Sende/Empfangskörper und/ oder zumindest einem elektrisch leitenden Hohleiter.
Insbesondere betrifft die Erfindung Hochfrequenz- Antennen (HF- Antennen) für Frequenzen > 1 MHz.
Diese elektrisch leitenden Sende- und/ oder Empfangskörper bzw. die leitenden Hohlleiter bekannter Antennen sind aus geeigneten Metallen gebildet.
Metalle sind insbesondere in Hinblick auf Formgebung schwierig zu verarbeiten, und das Schweißen einzelner Metallteile zu der endgültigen Form kann unter Umständen sehr schwierig und kostenintensiv werden. Die Fertigung komplexer Formen aus Metallen ist u.U. gar nicht möglich.
Ein weiterer Nachteil bei solchen bekannten Antennen ist jener, dass diese über ein nicht zu vernachlässigendes Gewicht verfügen. Dies kann in bestimmten Anwendungsgebieten, wo das Gewichtsthema von besonderer Relevanz ist, z.B. in der Luftfahrt oder beim Einsatz von unbemannten Drohnen, von großem Nachteil sein, da hier danach getrachtet wird, die meisten Bauteile mit möglichst geringem Gewicht zu fertigen.
Es ist eine Aufgabe der Erfindung, eine Antenne zu schaffen, welche einfach und möglichst kostengünstig gefertigt werden kann, die weiters möglichst flexibel in Hinblick auf die Formgebung gestaltet werden kann, und die insbesondere nur über ein geringes Gewicht verfügt.
Diese Aufgabe wird mit einer eingangs erwähnten Antenne gelöst, bei welcher erfindungsgemäß der zumindest eine Sende/ Empfangskörper und/oder der zumindest eine Hohlleiter zumindest bereichsweise aus elektrisch leitfähigem, insbesondere aus elektrisch hoch- leitfähigem Carbon gebildet ist.
Carbon als Basismaterial ist in der Anschaffung zwar vergleichsweise teuer, und auch die Herstellung einer Werkzeug-Form, mittels welcher die aus Carbon gebildeten Teile der Antenne gefertigt werden, ist teuer. Allerdings wird diese Form dann nur einmal benötigt und es kann mit nur einer Form eine große Stückzahl an identischen Antennen rasch hergestellt werden, sodass in Summe sich eine günstigere Fertigung als bei Verwendung von Metallen ergeben kann. Außerdem wird eine viel einfachere Formgebung auch für komplizierte Formen möglich.
Weiters ist Carbon ein sehr leichter Werkstoff, sodass sich leichte bzw. ultraleichte Antennen schaffen lassen.
Die Gewichtsreduktion gegenüber Antennen mit identischem Aufbau aus Metall kann dabei im Extremfall bis zu 90% betragen.
Durch Ausgestaltung von zumindest Teilen der Antenne aus leitfähigem bzw. hochleitfähi- gem Carbon bleiben außerdem die elektrischen bzw. strahlungstechnischen Eigenschaften der Antenne vollständig erhalten.
Sende/ Empfangskörper (-strahier) und/ oder Hohlleiter der Antenne können in einer Mischform aus Metall und Carbon gebildet sein, wobei es aber grundsätzlich von der Fertigung her und auch von den elektrischen Eigenschaften einfacher in der Herstellung sein wird, den Körper bzw. Hohlleiter vollständig aus Carbon herzustellen.
Die aus Carbon gebildeten Bestandteile können weiters aus einer Mischung aus wenig oder gar nicht leitfähigem Carbon und leitfähigem bzw. hochleitfähigem Carbon gebildet sein, wie dies an Hand einer konkreten vorteilhaften Ausgestaltungsform weiter unten noch erläutert wird.
Besonders einfach in der Herstellung wird die Antenne allerdings, wenn der Sende/Empfangskörper und/oder der Hohlleiter vollständig aus elektrisch leitfähigem, insbesondere aus elektrisch hoch-leitfähigem Carbon gebildet ist.
Gute Abstrahlungs- bzw. Empfangseigenschaften der Antenne lassen sich erreichen, wenn für die elektrische Leitfähigkeit des Carbons σ > 105 S/ m gilt.
Sehr gute bzw. optimale Ergebnisse werden erreicht, wenn für die elektrische Leitfähigkeit des Carbons σ > 106 S/m gilt.
Bei einer konkreten, oben schon angesprochenen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antenne sind die aus Carbon bestehenden Bereiche des Sende/ Empfangskörper und/ oder des Hohlleiters aus drei oder mehr Carbonlagen gebildet sind. Durch den Lagenaufbau der Carbonbereiche können einerseits die Strahlungseigenschaften der Antenne optimiert werden und andererseits kann die Antenne auch in Hinblick auf ihre mechanischen/ strukturellen Eigenschaften hin optimiert werden, um einen stabilen Aufbau zu erreichen.
Die Anzahl der Lagen und deren konkrete Ausgestaltung richten sich dabei nach dem Verwendungszweck und den sich daraus ergebenden Anforderungen an Festigkeit und Steifigkeit.
Bei einer einfachen Ausgestaltung der Antenne sind genau drei Carbonlagen vorgesehen. Je nach Bauteildimension sind drei Lagen das Minimum an Lagen. Ein Gewebe, speziell ein unidirektionales Gelege, bietet spezielle Eigenschaften in genau einer Richtung (anisotropes Verhalten). Abhängig von Bauteildimension und statischen und/ oder dynamischen Belastungen muss die Lagenanzahl entsprechend erhöht werden.
Durch eine gezielte Wahl der Verlegerichtung der einzelnen Lagen zueinander (z.B. unter einem Winkel von 0°, 45°, 90° etc.) kann bewusst eine Anisotropie und damit eine Vorzugsrichtung des Stromes geschaffen werden, welche die Abstrahlcharakteristik der Antenne beeinflusst.
Beispielsweise kann die Leitfähigkeit bzw. Stromrichtung mittels einer oder mehrerer anisotroper Lagen realisieren werden, und die strukturmechanischen Anforderungen werden mittels der verbleibenden Lagen, welche nicht oder nur zum Teil für die Leitfähigkeit relevant sind, erreicht. Durch die Verwendung eines Lagenaufbaus wie in diesem Dokument beschrieben verfügt man hier über große Flexibilität.
Um optimale Abstrahl- bzw. Empfangseigenschaften der Antenne bzw. optimale Wellenfortpflanzungseigenschaften im Hohlleiter erzielen zu können, ist vorgesehen, dass zumindest jene Carbonlage oder jene Carbonlagen, welche für die elektrophysikalischen Eigenschaften des Sende/ Empfangskörpers und/ oder des Hohlleiters verantwortlich ist/ sind, aus elektrisch leitfähigem, insbesondere aus elektrisch hoch-leitfähigem Carbon gebildet ist/ sind.
Insbesondere ist in diesem Fall vorgesehen, dass zumindest eine äußere Carbonlage aus einem elektrisch leitfähigen, insbesondere elektrisch hoch-leitfähigem Carbon gebildet ist. Beispielsweise ist bei einem Hohlleiter für eine Hornantenne zumindest jene äußere Carbonlage, welche im fertigen Zustand des Hohlleiters die Innenseite des Hohlleiters bildet, aus einem elektrisch leitfähigen, insbesondere hoch-leitfähigen Carbon gebildet. Vorzugsweise sind die beiden äußeren Lagen aus einem leitfähigen, insbesondere elektrisch hoch-leitfähigem Carbon gebildet, wodurch sich die physikalischen Werte bzw. Eigenschaften der Antenne optimal gestalten lassen.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Antenne folgt anschließend an eine elektrisch leitfähige, insbesondere hoch-leitfähige Carbonlage eine elektrisch nicht leitfähige Carbonlage oder eine zumindest elektrisch weniger leitfähige Carbonlage als die elektrisch leitfähige, insbesondere hoch-leitfähige Carbonlage.
Dies muss nicht zwangsläufig so, d.h. es können prinzipiell auch (hoch-)leitfähige Carbonlagen aufeinander folgen, aber aus strukturmechanischen Gründen wird häufig die beschriebene Variante mit alternierenden Lagen verwendet.
Ob ein Bauteil eher eine erhöhte Festigkeit, eine erhöhte Steifigkeit oder eine hohe Zähigkeit aufweisen soll, hängt vom Einsatzgebiet der Antenne anhängig. Beispielsweise wird ein Holleiter in einem Fluggerät kaum dynamische oder statische Festigkeiten aufnehmen müssen. Hingegen ist ein Parabolspiegel oder ein Radom hohen Windlasten ausgesetzt und muss dementsprechend eine sehr hohe Festigkeit aufweisen.
In der Regel ist ein hochleitfähiges Gewebe, Gelege, aus einer ultrahochmodularen Faser hergestellt. Diese besitzt zwar ein extrem hohes Biege-Elastizitäts-Modul, welches jedoch gleichzeitig sehr spröde Eigenschaften mit sich bringt (vergleichbar etwa mit den Eigenschaften von Glas, welches extrem hochmodular, aber ebenso extrem spröde ist). Um diese zum Teil und je nach Anwendung nicht erwünschte Eigenschaft abzufangen, müssen hochzähe bzw. hochfeste Fasern (Gewebe, Gelege) verarbeitet werden. Dies ist ein weiterer wichtiger Vorteil, der sich durch die verwendete der Composite-Konstruktion ergibt.
Bei einer konkreten Ausgestaltung der Antenne ist zumindest eine äußere Carbonlage aus unidirektionalen Carbonfaserrovings (Carbonfasersträngen) gebildet ist, wobei vorzugsweise beide äußeren Carbonlagen derart ausgestaltet sind.
Weiters ist es von Vorteil, wenn auf eine Carbonlage aus unidirektionalen Carbonfasernro- vings eine Carbonlage aus Carbongewebe folgt.
Bei dem Carbongewebe handelt es sich beispielsweise um ein solches vom Typ„twiH", insbesondere vom Typ„twill 2/2". Bei diesem Typ, der eine Art„Körperbindung" liefert, wird ein Schussfaden wie beim Weben von Stoffen jeweils über bzw. unter zwei 2 Fäden (Rovings) durchgeführt. Dieser alternierende Aufbau aus unidirektionalem Gelege und Gewebelage eignet sich besonders für dünnwandige Bauteile, wobei die eine oder die mehreren Mittellage(n) vorzugsweise aus demselben Fasertyp bestehen.
Bei dickeren Wandstärken ist in der Regel ein quasi-isotroper Lagenaufbau vorzuziehen, wobei die Lagen aus unidirektionalem Gelege (Rovings) oder Geweben verschiedenster Webarten gebildet sind.
Ohne Einschränkung des Erfindungsgedankens liegt typischer Weise die Dicke einer Gewebelage bei ca. 0,16 mm - 1,5 mm. Je dicker ein Bauteil ist, desto einfacher ist dieses Bauteil „quasi-isotrop" auszuführen, d.h. desto einfacher sind richtungsunabhängige Eigenschaften zu erzielen. Ist hingegen das Bauteil relativ dünn, so muss sehr genau auf eine optimale Lagenausrichtung geachtet werden.
In Hinblick auf eine optimale Strukturmechanik ist weiters vorgesehen, dass die Carbonlagen aus unidirektionalen Carbonrovings bzw. die zumindest eine äußere Carbonlage vom Gütegrad bzw. der Güteklasse UHM sind.
Die Abkürzung„UHM" steht für „Ultra High Modulus", mit dieser Güteklasse wird die Eigenschaft der Faser, ultrahochsteif zu sein, beschrieben. Beispielsweise wird Carbon vom Typ K13C2U verwendet.
Weiters ist es günstig, wenn die Carbonlagen aus Carbongewebe bzw. jene Carbonlage(n) anschließend an eine elektrisch leitfähige, insbesondere hoch-leitfähige Carbonlage vom Grad HT sind.
Die Abkürzung„HT" steht für„High Tenacity", hochzäh, und es wird z.B. Carbon vom Typ T 300 verwendet.
Um einen symmetrischen Lagenaufbau zu erreichen, ist weiters vorgesehen, dass zwei durch eine Carbonlage getrennte Carbonlagen einen identischen Aufbau aufweisen. Der symmetrische Lagenaufbau ist wesentlich, um einen Verzug des Bauteils zu vermeiden.
Um die elektrophysikalischen Eigenschaften der Antenne noch zu verbessern, kann weiters vorgesehen sein, dass das Carbon zumindest teilweise mit einem Metall, wie z.B. Kupfer, Nickel oder Silber beschichtet ist. Insbesondere sind dabei die leitfähigen bzw. hochleitfähigen Bereich oder jene Carbon- Lage(n), welche für elektrophysikalische Eigenschaften verantwortlich ist (sind), mit einem entsprechenden Metall beschichtet.
Im Folgenden ist die Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigt Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Hohlleiters einer Hornantenne, Fig. 2 eine Stabantenne,
Fig. 3 die Ansicht eines Hohlleiters wie aus Figur 1 mit einem Aufbau aus Carbonlagen, und
Fig. 4 eine schematische Darstellung einer Anordnung von drei Carbonlagen.
Figur 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines elektrisch leitenden Hohleiters 20 einer nicht dargestellten Hornantenne. Der dargestellte Hohlleiter 20 besteht aus einem Rohr 90, welches aus einem Rohrabschnitt 91 mit recheckigem Querschnitt besteht und einem sich daran anschließenden, sich trichterförmig aufweitenden Rohrabschnitt 92. Die Erfindung ist natürlich nicht auf die hier dargestellte Form des Hohlleiters eingeschränkt.
Üblicherweise ist dieses Rohr 90 aus einem Metall gebildet.
Entsprechend der Erfindung besteht dieser Hohlleiter 20 zumindest bereichsweise aus elektrisch leitfähigem, insbesondere aus elektrisch hoch-leitfähigem Carbon 30 gebildet ist. In erster Linie ist dabei der Rohrkörper 30 als Hauptbestandteil des Hohlleiters 20 aus Carbon 30 gebildet.
Der Hohlleiter 20 kann in einer Mischform aus Metall und Carbon gebildet sein, bzw. kann auch das Rohr 90 aus einer solchen Mischform gebildet sein.
Von der Fertigung her und auch von den elektrischen Eigenschaften einfacher in der Herstellung/Berechnung ist es, wenn zumindest das Rohr 90 oder im Wesentlichen der gesamte Hohlleiter wie in der Figur dargestellt vollständig aus Carbon hergestellt sind. Figur 1 zeigt noch einen HF-Stecker 95. Die nicht dargestellte Parabolantenne der Hornantenne kann aus Metall oder in gleicher Weise wie hier und weiteren unten noch im Detail beschrieben ebenfalls aus Carbon gebildet sein.
Die aus Carbon gebildeten Bestandteile können weiters aus einer Mischung aus wenig oder gar nicht leitfähigem Carbon und leitfähigem bzw. hochleitfähigem Carbon gebildet sein, wie dies an Hand einer konkreten vorteilhaften Ausgestaltungsform weiter unten noch erläutert wird.
Figur 2 zeigt eine senkrecht montierte Stabantenne 2 der Länge λ/ 4. Dabei bezeichnet λ die Wellenlänge, auf die die Antenne abgestimmt ist. Die Antenne 1 verfügt über einen elektrisch leitenden Sende- und/ oder Empfangskörper 2, welcher entsprechend der Erfindung teilweise oder vorzugsweise, wie in der gezeigten Variante, aus elektrisch leitfähigem, insbesondere aus elektrisch hoch-leitfähigem Carbon 3 gebildet ist. Wiederum ist auch hier die Erfindung natürlich nicht auf einen λ/4-Strahler eingeschränkt und die Überlegungen gelten auch für z.B. einen λ-Strahler etc.
Die Anspeisung der Antenne erfolgt über einen üblichen HF-Stecker 4 aus Messing, Stahl, etc., zur Befestigung des Sende/ Empfangskörpers 2 mit der Groundplane 5 wird üblicherweise ein Befestigungsmittel 6, wie z.B. eine Schraube aus Messing verwendet. Die Groundplane 5 selbst kann aus einem Metall wie Aluminium gebildet sein, es ist aber auch möglich, die Groundplane aus Carbon zu gestalten.
Die Groundplane 5 kann aus einem Metall, aus Carbon oder aus (hoch-)leitfähigem Carbon gebildet sein.
Hinsichtlich des Aufbaus der Antenne, insbesondere in Bezug auf den Sende/Empfangskörper gilt im Zusammenhang mit Carbon das oben bereits zu dem Hohlleiter gesagte ebenso wie die folgenden Erläuterungen. So ist bei der gezeigten Variante der Stabantenne 1 nach Figur 2 vorzugsweise der gesamte Körper 2 aus Carbon gebildet, entweder vollständig aus einem (hoch-)leitfähigen Carbon 3 oder teilweise aus leitfähigem und teilweise aus weniger oder gar nicht leitfähigem Carbon, welches dann vorzugsweise einen Lagenaufbau aufweist, wie in Figur 3 und 4 beschrieben.
Gute Abstrahlungs- bzw. Empfangseigenschaften der Antenne nach Figur 2 bzw. des Hohlleiters nach Figur 1 lassen sich erreichen, wenn für die elektrische Leitfähigkeit des Carbons σ > 105 S/m gilt, insbesondere, wenn für die elektrische Leitfähigkeit des Carbons σ > 106 S/m gilt. Wie schon angedeutet, lässt sich eine Antenne, insbesondere deren Sende/ Empfangskörper 2 bzw. der Hohlleiter 20 besonders gut herstellen, wenn das Carbon einen Lagen/Schichtaufbau aufweist, worauf im Folgenden an Hand von Figur 3 am Beispiel eines Hohlleiters und in allgemeiner Form an Hand von Figur 4 noch näher eingegangen werden soll.
Figur 3 zeigt beispielhaft einen Hohlleiters 20, dessen Rohr 90 aus drei Carbonlagen 10, 11, 12 gebildet sind. Natürlich sind in der Praxis je nach Anwendungsgebiet und gewünschten Eigenschaften auch mehrere Lagen möglich
Durch den Lagenaufbau der Carbonbereiche können einerseits die Strahlungseigenschaften der Antenne (bzw. die Eigenschaften des Hohlleiters in Hinblick auf die Wellenfortpflanzung) optimiert werden und andererseits kann die Antenne auch in Hinblick auf ihre mechanischen/ strukturellen Eigenschaften hin optimiert werden, um einen stabilen Aufbau zu erreichen.
Die Anzahl der Lagen und deren konkrete Ausgestaltung richten sich dabei nach dem Verwendungszweck und den sich daraus ergebenden Anforderungen an Festigkeit und Steifigkeit.
Bei dem gezeigten Hohlleiter 20 - siehe dazu auch Figur 4 - mit dem Rohr 90 ist nun die eine äußere Carbonlage 10 , welche im fertigen Zustand des Hohlleiters die Innenseite des Hohlleiters bildet (= innerste Carbonlage 10), und welche für die elektrophysikalischen Eigenschaften des Hohlleiters 20 verantwortlich ist, aus elektrisch leitfähigem, insbesondere aus elektrisch hoch-leitfähigem Carbon gebildet.
Die daran anschließende Mittellage 11 ist aus einer elektrisch nicht leitfähigen Carbonlage 11 oder aus einer zumindest elektrisch weniger leitfähigen Carbonlage 11 als die elektrisch leitfähige, insbesondere hoch-leitfähige Carbonlage 10 gebildet.
Die zweite äußere Carbonlage 12, die im„fertigen" Zustand des Hohlleiters 20 auch tatsächlich außen liegt, ist in diesem Beispiel wiederum aus elektrisch leitfähige, insbesondere hoch- leitfähigem Carbon gebildet.
Die beiden äußeren Carbonlagen 10, 12 sind aus unidirektionalen Carbonfaserrovings (Carbonfasersträngen) gebildet. Die Mittellage 11 ist aus Carbongewebe gebildet. Bei dem Carbongewebe handelt es sich beispielsweise um ein solches vom Typ„twill", insbesondere vom Typ„twill 2/2". Bei diesem Typ, der eine Art„Körperbindung" liefert, wird ein Schussfaden wie beim Weben von Stoffen jeweils über bzw. unter zwei 2 Fäden (Rovings) durchgeführt.
Dieser alternierende Aufbau aus unidirektionalem Gelege und Gewebelage eignet sich besonders für dünnwandige Bauteile, wobei die eine oder die mehreren Mittellage(n) vorzugsweise aus demselben Fasertyp bestehen.
Bei dickeren Wandstärken ist in der Regel ein quasi-isotroper Lagenaufbau vorzuziehen, wobei die Lagen aus unidirektionalem Gelege (Rovings) oder Geweben verschiedenster Webarten gebildet sind.
Die Carbonlagen 10, 12 aus unidirektionalen Carbonrovings bzw. die äußeren Carbonlage sind vom Gütegrad bzw. der Güteklasse UHM sind. Die Mittellage 11 ist vom Grad HT sind.
Mit der vorliegenden Erfindung lassen sich ultraleichte, hochleitfähige HF-Antennen realisieren und die Anwendungsmöglichkeiten sind natürlich nicht auf die hier vorgestellten Beispiele eingeschränkt. Die größten Vorteile durch die Verwendung von Carbon liegen im geringen Bauteilgewicht bei gleichzeitiger Dimensionsstabilität auf Grund des gegen Null tendierenden CTE (Coefficient of Thermal Expansion) des Carbons. D.h., auch bei großen Temperaturschwankungen kommt es praktisch zu keinen Veränderungen der Abmessungen der Bauteile.
Die Bauteile erreichen höchste Werte in Bezug auf Festigkeit und Steifigkeit und die entsprechenden Antennen eignen sich daher in allen Bereichen des Leichtbaus, wie Luft- und Raumfahrt, aber auch für Bereiche der kommerziellen Rundfunk- und Fernsehübertragung.

Claims

ANSPRÜCHE
1. Antenne (1) mit zumindest einem elektrisch leitenden Sende/ Empfangskörper (2) und/ oder zumindest einem elektrisch leitenden Hohleiter (20), dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine Sende/ Empfangskörper (2) und/ oder der zumindest eine Hohlleiter (20) zumindest bereichsweise aus elektrisch leitfähigem, insbesondere aus elektrisch hoch- leitfähigem Carbon (3, 30) gebildet sind.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sende/ Empfangskörper (2) und/ oder der Hohlleiter (20) vollständig aus elektrisch leitfähigem, insbesondere aus elektrisch hoch-leitfähigem Carbon gebildet sind.
3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für die elektrische Leitfähigkeit des Carbons σ > 105 S/m gilt.
4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass für die elektrische Leitfähigkeit des Carbons σ > 106 S/m gilt.
5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aus Carbon bestehenden Bereiche des Sende/ Empfangskörper (2) und/ oder des Hohlleiters (20) aus drei oder mehr Carbonlagen (10, 11, 12) gebildet sind.
6. Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass genau drei Carbonlagen (10, 11, 12) vorgesehen sind.
7. Antenne nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest jene Carbonlage (10) oder jene Carbonlagen (10), welche für die elektrophysikalischen Eigenschaften des Sende/ Empfangskörpers (2) und/oder des Hohlleiters (20) verantwortlich ist/sind, aus elektrisch leitfähigem, insbesondere aus elektrisch hoch-leitfähigem Carbon gebildet ist/ sind.
8. Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine äußere Carbonlage (10, 12) aus einem elektrisch leitfähigen, insbesondere elektrisch hoch- leitfähigem Carbon gebildet ist.
9. Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass anschließend an eine elektrisch leitfähige, insbesondere hoch-leitfähige Carbonlage (10, 12) eine elektrisch nicht leitfähige Carbonlage (11) oder eine zumindest elektrisch weniger leitfähige Carbonlage (11) als die elektrisch leitfähige, insbesondere hoch-leitfähige Carbonlage (10, 12) folgt.
10. Antenne nach einem der Ansprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine äußere Carbonlage (10, 12) aus unidirektionalen Carbonfaserrovings gebildet ist.
11. Antenne nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine Carbonlage aus unidirektionalen Carbonfasernrovings eine Carbonlage aus Carbongewebe folgt.
12. Antenne nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonlagen aus unidirektionalen Carbonrovings bzw. die zumindest eine äußere Carbonlage (10, 12) vom Gütegrad bzw. der Güteklasse UHM sind.
13. Antenne nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Carbonlagen aus Carbongewebe bzw. jene Carbonage(n) anschließend an eine elektrisch leitfähige, insbesondere hoch-leitfähige Carbonlage (10, 12)_vom Grad HT sind.
14. Antenne nach einem der Ansprüche 5 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwei durch eine Carbonlage (11) getrennte Carbonlagen (10, 12) einen identischen Aufbau aufweisen.
15. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Carbon zumindest teilweise mit einem Metall, wie z.B. Kupfer, Nickel oder Silber beschichtet ist.
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