WO2018202495A1 - Unterwasserkörper mit einem hydrodynamischen element zum senden und/oder empfangen eines signals - Google Patents

Unterwasserkörper mit einem hydrodynamischen element zum senden und/oder empfangen eines signals Download PDF

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WO2018202495A1
WO2018202495A1 PCT/EP2018/060570 EP2018060570W WO2018202495A1 WO 2018202495 A1 WO2018202495 A1 WO 2018202495A1 EP 2018060570 W EP2018060570 W EP 2018060570W WO 2018202495 A1 WO2018202495 A1 WO 2018202495A1
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hydrodynamic element
underwater body
underwater
hydrodynamic
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Ulf JOHANNSEN
Robert Engel
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Atlas Elektronik Gmbh
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    • B63G8/38—Arrangement of visual or electronic watch equipment, e.g. of periscopes, of radar
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    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H01Q9/30—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/42—Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole with folded element, the folded parts being spaced apart a small fraction of the operating wavelength

Definitions

  • Underwater body having a hydrodynamic element for transmitting and / or receiving a signal
  • the invention relates to an underwater body having a hydrodynamic element for transmitting and / or receiving a signal, wherein when operated in the water, the hydrodynamic element acts on a running property, in particular on a directional stability, of the water body.
  • An underwater vehicle antenna typically must be deployed above the water surface to receive and / or transmit signals. The deployment of the antenna into the atmosphere is particularly necessary when large amounts of data are exchanged.
  • extendable or foldable antennas are known to use the underwater vehicle must position just below the water surface and then the antenna is extended or unfolded so that it is located to send and / or receive above the water surface.
  • a disadvantage of extendable or deployable antennas is their high susceptibility to waves and wind. These have the disadvantage over fixed antennas of higher complexity due to moving parts and thus a reduced reliability. In addition, especially thin extendable or fold-out antennas through in the water and / or floating objects on the water surface are easily damaged or destroyed.
  • CN 102001424 A an underwater vehicle with a vertically arranged fin 1 is described.
  • a radio antenna 6 and a GPS receiver 4 are installed.
  • the vertical fin 1 and a cover 3 for the GPS receiver 4 are made of non-metallic glass fiber to improve the acoustic transmittance.
  • antenna cables 7 are still performed for the radio antenna 6 therethrough.
  • WO 0131739 AI describes a compact antenna that can be carried by a human and can determine the current geoposition of humans.
  • a radiating element 11 has the shape of a flat rectangular object, is made of electrically conductive material, such as copper, and is applied to a base plate 12. As a result, a dielectric group 1 is produced, through which several through holes 24 are guided.
  • the object of the invention is to improve the state of the art.
  • an underwater body having a hydrodynamic element for transmitting and / or receiving a signal, wherein when operating in the water, the hydrodynamic element acts on a running property, in particular on a directional stability of the underwater body, and the hydrodynamic Element forms a radio antenna, wherein the hydrodynamic element has an antenna surface, a short-circuit connection to a ground plane and a feed line, so that by means of the hydrodynamic element, the signal is receivable and / or sendable.
  • the radio antenna is better adapted to the surrounding flow conditions and loads. Thus, the reliability and durability of the antenna are increased.
  • the hydrodynamic element is used both for influencing the running property of the underwater body and for transmitting and / or receiving signals.
  • two functions can be combined in the same component of the underwater body, achieved a compact design and weight can be saved.
  • the shape of the hydrodynamic element can be optimized so that the running of the underwater body is favorably influenced.
  • the hydrodynamic element itself forms the radio antenna and provides the antenna surface and the short circuit connection, it is not necessary to project the antenna surface into the interior of the antenna to introduce hydrodynamic element. This facilitates the manufacture of the hydrodynamic element.
  • An essential idea of the invention is based on the fact that via a hydrodynamic element both an action on the running property of an underwater body as well as the transmission and / or reception of a signal occurs when the hydrodynamic element is at least partially brought to the water surface.
  • An "underwater body” is, in particular, a body having a hydrodynamic element adapted for underwater use, and an underwater body may be a submarine, an unmanned autonomous unmanned vehicle (AUV) remote controlled vehicle (ROV, remotely operated vehicle), an underwater robot, underwater glider and / or underwater body
  • UAV unmanned autonomous unmanned vehicle
  • ROV remotely operated vehicle
  • Underwater body is in particular a buoy such as a news, diving and / orkulturboje.
  • a hydrodynamic element is in particular a component of the underwater body which influences the movement of the underwater body and the forces acting thereon about the underwater body, in particular a hydrodynamic element which may be a rudder and / or a fin Finn is advantageously arranged on top of an underwater body.
  • a "signal" is in particular an emitted or received electromagnetic wave, which serves by modulation and / or coding for the wireless transmission of messages and / or information.
  • a signal can be in particular a radio signal, a GPS signal and / or act a Wi-Fi signal.
  • a running characteristic may be the direction of travel of an underwater body and / or its position in the water, for example, an oar may, due to its control effect, indicate the direction of the underwater body Influence on the movement of the underwater body while a fin acts on directional stability.
  • a "radio antenna” is in particular a technical device for transmitting and receiving electromagnetic waves.
  • a radio antenna is an open stripline antenna with a flat design.
  • a radio antenna may be an inverted F antenna (also called PIF antenna, planar inverted F-shaped antenna, or IFA antenna, inverted_F antenna) or an inverted L antenna having a geometric F-shaped or L-shaped basic pattern ,
  • the F-shape in a side view is in particular as horizontal F from the feed line, a lateral
  • a radio antenna may also be a slot radiator and / or a slot antenna.
  • the high frequency characteristics and the Resonance frequency of the radio antenna are determined in particular by their geometry and arrangement of the electrical conductors and their distance.
  • the radio antenna can be used for one frequency band and / or for a plurality of frequency bands.
  • the "antenna surface” is in particular the surface of the radio antenna via which the actual transmission and / or reception of a signal takes place.An antenna surface is also called the upper antenna surface of an invented F-antenna or L-antenna a quarter of the wavelength of the electromagnetic waves.
  • a "ground plane” is in particular a surface of the radio antenna, of the hydrodynamic element and / or of another component of the underwater body which has a ground and / or ground potential
  • the height of the ground plane is in particular at least one quarter of the wavelength of the electromagnetic waves
  • a ground plane may be a metal plate or body or a synthetic material plate or body having a solid ground conductor and / or further conductors traversed act to power the radio antenna.
  • a "feed line” is in particular a line for supplying a voltage and / or tapping a Signal.
  • the feed line of the radio antenna may be in particular a coaxial cable.
  • the hydrodynamic element is a fin.
  • the hydrodynamic element is mounted as a fin at the rear and / or on top of the underwater body.
  • the radio antenna can be brought to the water surface simply by the appearance of the underwater body, the height of the fin determining the distance of the underwater body in the water to the water surface during transmission and / or reception.
  • a fin may in particular have a curved and / or straight shape with different height and / or width
  • a fin may be a rear or a side fin, and a fin may in particular comprise metal and / or plastic such as polyester, glass fiber reinforced plastic and / or carbon fibers.
  • the hydrodynamic element has the ground plane of the radio antenna.
  • the entire hydrodynamic element functions as the radio antenna.
  • the hydrodynamic element thus represents both the
  • Ground plane ready. It is possible that a component of the hydrodynamic element, for example a strip, provides the ground plane.
  • the hydrodynamic element as a transmitting and / or receiving antenna has a frequency in the range of 100MHz to 300GHz.
  • GPS, WLAN, "Wireless LAN” and / or license-free radio frequency bands as well as other radio signals can be received and / or transmitted via the radio antenna.
  • GPS signals in a frequency range of 900MHz to 1800MHz, WLAN signals in a frequency range of 2.400MHz to 5.725MHz and radio signals in a frequency range of 0.2GHz to 300GHz can be transmitted and / or received.
  • the radio antenna can be designed such that it has a frequency and / or a frequency band in an entire frequency range of 3Hz to 300GHz transmits and / or receives.
  • the antenna surface has a U-shaped slot and / or an L-shaped slot.
  • this slot is embedded in the hydrodynamic element and separates the antenna surface from the ground plane.
  • the slot is filled with a substance which is not electrically conductive.
  • the substance in the slot has a dielectric constant approximately equal to that of air.
  • This embodiment further improves the transmission and / or reception functionality of the provided radio antenna.
  • the height and the length of this slot can be adapted to or a desired frequency and or to a desired emission characteristic.
  • the height and the length of the slot are designed so that a standing wave can form in the slot.
  • the additional L and / or U shape has two or more feed points and a common shielding to the ground potential.
  • the hydrodynamic element has a further short-circuit connection.
  • the resonance frequencies can also be adjusted by changing or introducing electrical capacitances or inductances.
  • electrical capacitances or inductances In order to protect the radio antenna from mechanical stresses and / or flow loads and to obtain a homogeneously shaped hydrodynamic element, there is or is a free space between the ground plane and the antenna surface and / or the U-shaped slot and / or the L-slot. molded slot with a potting material.
  • this can protect the radio antenna against corrosion by seawater, and the hydrodynamic element influenced flow characteristic of the underwater body is not changed.
  • a "potting material” is in particular an electrically non-conductive plastic material with which the free space between the ground surface and the antenna surface and / or the L and / or U-shaped slot is potted
  • a predetermined shape can be cast with the potting material It is advantageous if the desired shape of the hydrodynamic element is poured with the potting material Enveloping and protection, the electrical insulation and the fixation of parts of the radio antenna.Of course, the entire radio antenna and / or the hydrodynamic element can be poured into a mold.
  • a “free space” is in particular a space which is located between the upper antenna surface and the ground surface formed.
  • the free space is in particular less than or equal to the height of the radio antenna.
  • the term “free space” does not necessarily mean that this space must be free, that is, filled with air or water, but in the free space may be, for example, the circuit board of the electronic device of an inverted F-shaped antenna, which is cast in particular.
  • the underwater body is set up such that the antenna surface of the hydrodynamic element can be deployed above a water surface in order to transmit and / or receive a signal.
  • an actuator moves the entire hydrodynamic element relative to the rest of the underwater body to a position above the water surface.
  • the actuator moves a portion of the hydrodynamic element relative to the remainder of the hydrodynamic element and the remainder of the underwater body over the water surface such that the antenna surface and, in one embodiment, the mass surface are above the water surface.
  • the rest of the underwater body may remain below the water surface.
  • the application of the antenna surface above a water surface can be achieved for example by a corresponding height of the radio antenna and / or the hydrodynamic element, so that the underwater body is below the water surface in the water and the upper antenna surface at the top of hydrodynamic element is positioned in the surrounding air above the water surface.
  • the "water surface” is in particular the interface between water and air.
  • the underwater body has an adjusting device of the hydrodynamic element.
  • An "adjusting device” is in particular a device with which the position of the upper antenna surface and / or the entire radio antenna is adjusted and / or rotatable segments which can be folded in and / or folded in.
  • this adjusting device can displace the hydrodynamic element with the aim of changing the running characteristic of the underwater body, for example by the adjusting device rotating the hydrodynamic element about an axis of rotation perpendicular to the direction of travel of the underwater body
  • the same or a different adjusting device can move the entire hydrodynamic element or a part of the hydrodynamic element in such a way that the distance of the moving part from the longitudinal axis of the underwater body is changed and thus optionally e the hydrodynamic element at least partially emerges from the water or completely below the Water surface remains, while the rest of the underwater body always remains below the water surface.
  • Figure 1 is a highly schematic
  • Figure 2 is a highly schematic
  • Sectional view of an autonomous unmanned underwater vehicle with the inverted F-shaped antenna is shown.
  • a fin 101 has a ground plane 109. On its upper side, the fin 101 is designed as an upper antenna surface 105.
  • the upper antenna surface 105 has a length of 43 mm in the exemplary embodiment.
  • a height of the antenna 119 as a distance from a lower side of the upper antenna surface 105 to the underlying ground surface 109 is 6mm.
  • the upper antenna surface 105 and the ground surface 109 are connected to each other via a short-circuit connection 107. Of the short-circuit connection 107 is located at a distance 117 of 10.43 mm, a feed line 111, which is guided from the ground surface 109 to the upper antenna surface 105.
  • This feed line 111 may be passed through a pin or provided by a pin which passes vertically through the slot and the antenna surface 105 with the ground plane 109 electrically conductively connects. Not shown taps for inner and outer conductors of a coaxial cable are attached to the feed line 111 and an underlying indentation. On an opposite side of the short-circuit connection 107, the upper antenna surface 105 and the underlying ground surface 109 are free from any connection, with a corresponding free space in the height 119 of the antenna being filled with synthetic resin.
  • a slot is inserted, which separates the antenna surface 105 from the ground surface 109.
  • the entire area of the fin 101 may function below the slot, or even only a portion of this area, for example, a bar adjacent to the slot.
  • the height and length of this slot are adapted to the frequency at which the antenna provided should be received and / or transmitted, as well as the desired emission characteristic.
  • the antenna is associated with a geolocation sensor, such as a GPS receiver, and the height and length of the slot are matched to the GPS frequency.
  • a downward pointing bulge with respect to the pin 111 is inserted into the slot. It is possible to take several consecutively arranged bulges in the slot. This improves the ability of the antenna to receive multiple frequencies.
  • the slot is filled with an electrically non-conductive substance, for example with a potting compound Synthetic resin or rubber.
  • an electrically non-conductive substance for example with a potting compound Synthetic resin or rubber.
  • the surfaces of this filling flush with the surfaces of the remaining fin 101, so that the entire fin 101 is configured together with the filled slot as a hydrodynamic element and causes only a few turbulence in the water.
  • the hydrodynamic element is first produced from a metallic substance, for example by casting, without the slot already being present. Subsequently, the slot is inserted, for example, by milling in the hydrodynamic element. The slot is then filled with a potting compound.
  • the upper antenna surface 105 is manufactured separately from the ground surface 109, and the two components 105 and 109 are later electrically connected to each other, for example screwed or welded, so that the slot is formed.
  • An autonomous unmanned underwater vehicle 120 has the fin 101 with the inverted F-shaped antenna 103, a drive and a propeller 125.
  • the autonomous unmanned underwater vehicle 120 moves in the water 121, wherein the fin 101 acts direction stabilizing.
  • the direction of travel is in the figures from left to right.
  • the slot is at the rear end of the fin 101.
  • the autonomous unmanned underwater vehicle 120 moves by means of its propeller 125 in the vicinity of Water surface 123, whereby the upper tip of the fin 101 is placed with the inverted F-shaped antenna 103 above the water surface 123 in the air.
  • a radio signal having a frequency of 1.6 GHz is transmitted to a remote platform, not shown, wherein the antenna 103 also receives signals with control commands from the platform.
  • an autonomous unmanned underwater vehicle in which the fin is used both for directional stabilization when moving underwater as well as for the transmission of signals, without the need for two separate components of the autonomous underwater vehicle.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Unterwasserkörper mit einem hydrodynamischen Element (101) zum Senden und/oder Empfangen eines Signals, wobei bei einem Betrieb im Wasser das hydrodynamische Element (101) auf eine Laufeigenschaft, insbesondere auf eine Richtungsstabilität, des Unterwasserkörpers einwirkt, und das hydrodynamische Element (101) eine Funkantenne ausbildet, wobei das hydrodynamische Element (101) eine Antennenfläche (105), eine Kurzschlussverbindung (107) zu einer Massefläche (109) und eine Anspeiseleitung (111) aufweist, sodass mittels des hydrodynamischen Elementes (101) das Signal empfangbar und/oder sendbar ist.

Description

Unterwasserkörper mit einem hydrodynamischen Element zum Senden und/oder Empfangen eines Signals
[Ol] Die Erfindung betrifft einen Unterwasserkörper mit einem hydrodynamischen Element zum Senden und/oder Empfangen eines Signals, wobei bei einem Betrieb im Wasser das hydrodynamische Element auf eine Laufeigenschaft , insbesondere auf eine Richtungsstabilität, des Wasserkörpers einwirkt.
[02] Eine Antenne eines Unterwasserfahrzeuges muss üblicherweise oberhalb der Wasseroberfläche verbracht werden, um Signale zu empfangen und/oder zu senden. Das Ausbringen der Antenne in die Atmosphäre ist insbesondere dann erforderlich, wenn große Datenmengen ausgetauscht werden. Dazu sind ausfahrbare oder umklappbare Antennen bekannt, zu deren Benutzung sich das Unterwasserfahrzeug kurz unterhalb der Wasseroberfläche positionieren muss und anschließend die Antenne ausgefahren oder ausgeklappt wird, sodass diese sich zum Senden und/oder Empfangen oberhalb der Wasseroberfläche befindet.
[03] Nachteilig bei ausfahrbaren oder ausklappbaren Antennen ist ihre hohe Wellen- und Windanfälligkeit. Diese haben gegenüber feststehenden Antennen den Nachteil einer höheren Komplexität durch bewegliche Teile und dadurch eine reduzierte Zuverlässigkeit. Zudem können insbesondere dünne ausfahrbare oder ausklappbare Antennen durch im Wasser und/oder auf der Wasseroberfläche treibende Gegenstände leicht beschädigt oder zerstört werden.
[04] In CN 102001424 A wird ein Unterwasserfahrzeug mit einer vertikal angeordneten Finne 1 beschrieben. In dieser vertikalen Finne 1 sind eine Radioantenne 6 und ein GPS- Empfänger 4 eingebaut. Die vertikale Finne 1 sowie eine Abdeckung 3 für den GPS-Empfänger 4 sind aus nicht metallischem Glasfaser hergestellt, um die akustische Durchlässigkeit zu verbessern. Durch die Finne 1 sind weiterhin Antennenkabel 7 für die Radioantenne 6 hindurch geführt .
[05] In WO 0131739 AI wird eine kompakte Antenne beschrieben, die von einem Menschen getragen werden kann und die aktuelle Geoposition des Menschen ermitteln kann. Ein radiating element 11 hat die Form eines flachen rechteckigen Gegenstands, ist aus elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise Kupfer, und ist auf eine Grundplatte 12 aufgebracht. Dadurch wird eine dielektrischer Gruppe 1 erzeugt, durch den hindurch mehrere Durchgangsbohrungen 24 geführt sind.
[06] Aufgabe der Erfindung ist es, den Stand der Technik zu verbessern .
[07] Gelöst wird die Aufgabe durch einen Unterwasserkörper mit einem hydrodynamischen Element zum Senden und/oder Empfangen eines Signals, wobei bei einem Betrieb im Wasser das hydrodynamische Element auf eine Laufeigenschaft , insbesondere auf eine Richtungsstabilität, des Unterwasserkörpers einwirkt, und das hydrodynamische Element eine Funkantenne ausbildet, wobei das hydrodynamische Element eine Antennenfläche, eine Kurzschlussverbindung zu einer Massefläche und eine Anspeiseleitung aufweist, sodass mittels des hydrodynamischen Elementes das Signal empfangbar und/oder sendbar ist.
[08] Dadurch, dass das hydrodynamische Element die Funkantenne ausbildet, ist die Funkantenne besser für die umgebenden Strömungsbedingungen und Belastungen ausgestaltet. Somit werden die Betriebssicherheit und Standzeit der Antenne erhöht.
[09] Es ist besonders vorteilhaft, dass das hydrodynamische Element sowohl zum Beeinflussen der Laufeigenschaft des Unterwasserkörpers als auch zum Senden und/oder Empfangen von Signalen genutzt wird. Somit können zwei Funktionen in demselben Bauteil des Unterwasserkörpers vereint, eine kompakte Bauweise erzielt und Gewicht eingespart werden. Die Form des hydrodynamischen Elements lässt sich so optimieren, dass die Laufeigenschaft des Unterwasserkörpers günstig beeinflusst wird.
[10] Zudem ist es dank der Erfindung nicht erforderlich, eine Antenne separat an einen Unterwasserkörper anzubringen. Weiterhin ist es nicht erforderlich, eine separate Antenne in das Innere des hydrodynamischen Elements einzubringen. Weil das hydrodynamische Element selber die Funkantenne ausbildet und die Antennenfläche und die Kurzschlussverbindung bereitstellt, ist es nicht erforderlich, die Antennenfläche in das Innere des hydrodynamischen Elements einzubringen. Dies erleichtert die Fertigung des hydrodynamischen Elements.
[11] Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung beruht darauf, dass über ein hydrodynamisches Element sowohl ein Einwirken auf die Laufeigenschaft eines Unterwasserkörpers als auch das Senden und/oder Empfangen eines Signals erfolgt, wenn das hydrodynamische Element zumindest teilweise an die Wasseroberfläche gebracht wird.
[12] Folgendes begriffliche sei erläutert. [13] Ein „Unterwasserkörper" ist insbesondere ein Körper mit einem hydrodynamischen Element, welcher für den Einsatz unter Wasser eingerichtet ist. Bei einem Unterwasserkörper kann es sich um ein U-Boot, ein unbemanntes autonomes Unterwasserfahrzeug (AUV, autonomous unmanned vehicle) , ein ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug (ROV, remotely operated vehicle) , einen Unterwasserroboter, Unterwassergleiter und/oder Unterwasserlaufkörper handeln. Ein
Unterwasserkörper ist insbesondere auch eine Boje wie beispielsweise eine Nachrichten-, Tauch- und/oder Treibboje.
[14] Ein „hydrodynamisches Element" ist insbesondere ein Bauteil des Unterwasserkörpers, welches die Bewegung des Unterwasserkörpers und die dabei wirkenden Kräfte um den Unterwasserkörper beeinflusst. Bei einem hydrodynamischen Element kann es sich insbesondere um ein Ruder und/oder eine Finne handeln, wobei eine Finne vorteilhaft auf der Oberseite eines Unterwasserkörpers angeordnet ist. [15] Ein „Signal" ist insbesondere eine ausgesandte oder empfangene elektromagnetische Welle, welche durch Modulierung und/oder Kodierung zur drahtlosen Übermittlung von Nachrichten und/oder Informationen dient. Bei einem Signal kann es sich insbesondere um ein Funksignal, ein GPS-Signal und/oder ein WLAN-Signal handeln.
[16] Eine „Laufeigenschaft" ist insbesondere eine Eigenschaft der Bewegung eines Unterwasserkörpers. Bei einer Laufeigenschaft kann es sich insbesondere um die Richtung der Fortbewegung eines Unterwasserkörpers und/oder um seine Lage im Wasser handeln. Beispielsweise kann ein Ruder aufgrund seiner Steuerwirkung die Richtung der Fortbewegung des Unterwasserkörpers beeinflussen, während eine Finne auf die Richtungsstabilität einwirkt. [17] Eine „Funkantenne" ist insbesondere eine technische Vorrichtung zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen. Bei einer Funkantenne handelt es sich insbesondere um eine offene Streifenleiterantenne mit einer flachen Bauform. Eine Funkantenne kann eine invertierte F-Antenne (auch PIF-Antenne, planar inverted F-shaped antenna, oder IFA-Antenne, inverted_F antenna, genannt) oder eine inverted L antenna sein, welche ein geometrisches F- förmiges oder L-förmiges Grundmuster aufweist. Die F-Form in einer Seitenansicht wird insbesondere als liegendes F aus der Anspeiseleitung, einer seitlichen
Kurzschlussverbindung zur Massefläche und einer oberen Antennenfläche gebildet. Bei einer Funkantenne kann es sich auch um einen Schlitzstrahler und/oder eine Schlitzantenne handeln. Die Hochfrequenzeigenschaften und die Resonanzfrequenz der Funkantenne werden insbesondere durch deren Geometrie und Anordnung der elektrischen Leiter sowie deren Abstand bestimmt. Insbesondere ist die Funkantenne für ein Frequenzband und/oder für mehrere Frequenzbänder verwendbar.
[18] Die „Antennenfläche" ist insbesondere die Fläche der Funkantenne, über welche das eigentliche Senden und/oder Empfangen eines Signals erfolgt. Eine Antennenfläche wird auch obere Antennenfläche einer inventierten F-Antenne oder L-Antenne genannt. Die Länge der Antennenfläche beträgt insbesondere ein Viertel der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen.
[19] Eine „Massefläche" ist insbesondere eine Fläche der Funkantenne, des hydrodynamischen Elementes und/oder eines anderen Bauteils des Unterwasserkörpers, welche ein Masse- und/oder Erdpotential aufweist. Die Breite der Massefläche ist insbesondere größer oder gleich der Länge der oberen Antennenfläche. Bei optimaler Bandbreite und Effizienz beträgt die Höhe der Massefläche insbesondere mindestens ein Viertel der Wellenlänge der elektromagnetischen Wellen. Bei einer Massefläche kann es sich um eine Metallplatte oder -körper oder um eine KunstStoffplatte oder -körper mit einem durchzogenen Masseleiter und/oder weiteren durchzogenen Leitern zur Spannungsversorgung der Funkantenne handeln.
[20] Eine „Anspeiseleitung" ist insbesondere eine Leitung zum Zuführen einer Spannung und/oder Abgreifen eines Signals. Bei der Anspeiseleitung der Funkantenne kann es sich insbesondere um ein Koaxialkabel handeln.
[21] In einer weiteren Ausführungsform des
Unterwasserkörpers ist das hydrodynamische Element eine Finne.
[22] Somit ist das hydrodynamische Element als Finne am Heck und/oder auf der Oberseite des Unterwasserkörpers angebracht .
[23] Folglich kann die Funkantenne durch einfaches Auftauchen des Unterwasserkörpers an die Wasseroberfläche gebracht werden, wobei durch die Höhe der Finne der Abstand des sich im Wasser befindenden Unterwasserkörpers zur Wasseroberfläche beim Senden und/oder Empfangen bestimmt wird . [24] Eine „Finne" ist insbesondere ein flächiges, feststehendes Stabilisierungselement, welches zur Wahrung der Richtungsstabilität dient. Eine Finne kann insbesondere eine gebogene und/oder gerade Form in unterschiedlicher Höhe und/oder Breite aufweisen. Eine Finne kann im vorderen Bereich oder im hinteren Bereich (Heck) des Unterwasserkörpers angeordnet sein. Bei einer Finne kann es sich um eine Heck- oder um eine Seitenfinne handeln. Eine Finne kann insbesondere Metall und/oder Kunststoff wie Polyester, glasfaserverstärkten Kunststoff und/oder Kohlenstofffasern aufweisen. [25] Um eine optimale Lage auf Massepotential zu erzielen, weist das hydrodynamische Element die Massefläche der Funkantenne auf.
[26] In einer bevorzugten Ausgestaltung fungiert das gesamte hydrodynamische Element als die Funkantenne. Das hydrodynamische Element stellt somit sowohl die
Antennenfläche, die Massefläche als auch die
Kurzschlussverbindung von der Antennenfläche zu der
Massefläche bereit. Möglich ist, dass ein Bestandteil des hydrodynamischen Elements, beispielsweise eine Leiste, die Massefläche bereitstellt.
[27] In einer weiteren Ausführungsform des
Unterwasserkörpers weist das hydrodynamische Element als Sende- und/oder Empfangsantenne eine Frequenz im Bereich von 100MHz bis 300GHz auf.
[28] Somit können über die Funkantenne GPS-, WLAN-, "Wireless LAN" und/oder lizenzfreie Funkfrequenzbänder sowie andere Funk-Signale empfangen und/oder gesendet werden . [29] Somit können GPS-Signale in einem Frequenzbereich von 900MHz bis 1.800MHz, WLAN-Signale in einem Frequenzbereich von 2.400MHz bis 5.725MHz und Funk-Signale in einem Frequenzbereich von 0,2GHz bis 300GHz gesendet und/oder empfangen werden. [30] Prinzipiell kann die Funkantenne derart ausgeführt sein, dass diese eine Frequenz und/oder ein Frequenzband in einem gesamten Frequenzbereich von 3Hz bis 300GHz sendet und/oder empfängt.
[31] Um zusätzliche Resonanzfrequenzen zu erreichen, weist die Antennenfläche einen U-förmigen Schlitz und/oder einen L-förmigen Schlitz auf. In einer Ausgestaltung ist dieser Schlitz in das hydrodynamische Element eingelassen und trennt die Antennenfläche von der Massefläche. Vorzugsweise ist der Schlitz mit einer Substanz gefüllt, die elektrisch nicht leitend ist. Vorzugsweise weist die Substanz im Schlitz eine Dielektrizitäts-Konstante auf, die etwa gleich der von Luft ist. Diese Ausgestaltung verbessert weiter die Sende- und / oder Empfangs-Funktionalität der bereitgestellten Funkantenne. Gesehen in die Fahrtrichtung des Unterwasserkörpers lassen sich die Höhe und die Länge dieses Schlitzes an die oder eine gewünschte Frequenz und oder an eine gewünschte Abstrahl-Charakteristik anpassen. Vorzugsweise sind die Höhe und die Länge des Schlitzes so ausgestaltet, dass eine stehende Welle sich im Schlitz ausbilden kann. [32] Die zusätzliche L- und/oder U-Form weisen zwei oder mehrere Anspeisepunkte und eine gemeinsame Schirmung auf das Massepotential auf.
[33] In einer weiteren Ausführungsform des
Unterwasserkörpers weist das hydrodynamische Element eine weitere Kurzschlussverbindung auf.
[34] Somit können die Resonanzfrequenzen auch durch Verändern oder Einbringen elektrischer Kapazitäten oder Induktivitäten angepasst werden. [35] Um die Funkantenne vor mechanischen Belastungen und/oder Strömungsbelastungen zu schützen sowie um ein homogen geformtes hydrodynamisches Element zu erhalten, ist oder sind ein Freiraum zwischen der Massefläche und der Antennenfläche und/oder der U-förmige Schlitz und/oder der L-förmige Schlitz mit einem Vergussmaterial vergossen.
[36] Zudem kann dadurch die Funkantenne vor Korrosion durch Meerwasser geschützt werden, und die durch das hydrodynamische Element beeinflusste Laufeigenschaft des Unterwasserkörpers wird nicht verändert.
[37] Ein „Vergussmaterial" ist insbesondere ein elektrisch nichtleitendes Kunststoffmaterial , mit welchem der Freiraum zwischen der Massefläche und der Antennenfläche und/oder der L- und/oder U-förmigen Schlitz vergossen werden. Bei einem Vergussmaterial kann es sich insbesondere um ein Kunstharz handeln, welches flüssig zum Endprodukt verarbeitet wird und als dieses oder dessen Bestandteile erstarrt. Insbesondere kann mit dem Vergussmaterial eine vorgegebene Form gegossen werden. Es ist vorteilhaft, wenn mit dem Vergussmaterial insbesondere die gewünschte Form des hydrodynamischen Elementes gegossen wird. Das Vergussmaterial dient insbesondere dem Umhüllen und Schutz, der elektrischen Isolation sowie der Fixierung von Teilen der Funkantenne. Selbstverständlich kann auch die gesamte Funkantenne und/oder das hydrodynamische Element in eine Form gegossen werden.
[38] Ein „Freiraum" ist insbesondere ein Raum, welcher sich zwischen der oberen Antennenfläche und der Massefläche ausbildet. Der Freiraum ist insbesondere kleiner oder gleich der Höhe der Funkantenne. Der Begriff „Freiraum" bedeutet nicht zwingend, dass dieser Raum frei, also mit Luft oder Wasser gefüllt, sein muss, sondern im Freiraum kann sich beispielsweise auch die Leiterplatte des elektronischen Gerätes einer invertierten F-förmigen Antenne befinden, welche insbesondere vergossen ist.
[39] In einer weiteren Ausführungsform ist der Unterwasserkörper derart eingerichtet, dass zum Senden und/oder Empfangen eines Signals die Antennenfläche des hydrodynamischen Elementes oberhalb einer Wasseroberfläche ausbringbar ist. Beispielsweise bewegt ein Stellglied das gesamte hydrodynamische Element relativ zum Rest des Unterwasserkörpers in eine Position oberhalb der Wasseroberfläche. Oder das Stellglied bewegt einen Bestandteil des hydrodynamischen Elements relativ zum Rest des hydrodynamischen Elements und zum Rest des Unterwasserkörpers dergestalt über die Wasseroberfläche, dass sich die Antennenfläche und in einer Ausgestaltung auch die Masseoberfläche oberhalb der Wasseroberfläche befinden. Der Rest des Unterwasserkörpers kann unterhalb der Wasseroberfläche verbleiben.
[40] Das Ausbringen der Antennenfläche oberhalb einer Wasseroberfläche kann beispielsweise durch eine entsprechende Höhe der Funkantenne und/oder des hydrodynamischen Elementes erreicht werden, sodass sich der Unterwasserkörper unterhalb der Wasseroberfläche im Wasser befindet und die obere Antennenfläche an der Spitze des hydrodynamischen Elementes in der umgebenden Luft oberhalb der Wasseroberfläche positioniert ist.
[41] Die „Wasseroberfläche" ist insbesondere die Grenzfläche zwischen Wasser und Luft. [42] Um eine optimale Positionierung der oberen Antennenfläche und/oder der Funkantenne zu erzielen, weist der Unterwasserkörper eine Versteileinrichtung des hydrodynamischen Elementes auf.
[43] Eine „Versteileinrichtung" ist insbesondere eine Einrichtung, mit der die Position der oberen Antennenfläche und/oder der gesamten Funkantenne eingestellt wird. Bei einer Versteileinrichtung handelt es sich insbesondere um eine Höhen- und/oder Neigungsverstelleinrichtung. Eine Versteileinrichtung besteht beispielsweise aus teleskopierbaren und/oder rotierbaren ein- und/oder ausklappbaren Segmenten. Diese Versteileinrichtung kann einerseits das hydrodynamische Element mit dem Ziel verstellen, die Laufeigenschaft des Unterwasserkörpers zu verändern, beispielsweise indem die Versteileinrichtung das hydrodynamische Element um eine Drehachse dreht, die senkrecht auf der Fahrtrichtung des Unterwasserkörpers steht. Andererseits kann dieselbe oder eine andere Versteileinrichtung das gesamte hydrodynamische Element oder einen Teil des hydrodynamischen Elements so bewegen, dass der Abstand des bewegten Teils zur Längsachse des Unterwasserkörpers verändert wird und dadurch wahlweise das hydrodynamische Element wenigstens teilweise aus dem Wasser auftaucht oder aber vollständig unterhalb der Wasseroberfläche bleibt, während der Rest des Unterwasserkörpers stets unterhalb der Wasseroberfläche verbleibt .
[44] Im Weiteren wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
Figur 1 eine stark schematische
Schnittdarstellung einer Finne mit einer invertierten F-förmigen Antenne und
Figur 2 eine stark schematische
Schnittdarstellung eines autonomen unbemannten Unterwasserfahrzeuges mit der invertierten F-förmigen Antenne.
[45] Eine Finne 101 weist eine Massefläche 109 auf. An ihrer Oberseite ist die Finne 101 als obere Antennenfläche 105 ausgebildet. Die obere Antennenfläche 105 weist im Ausführungsbeispiel eine Länge von 43mm auf. Eine Höhe der Antenne 119 als Abstand von einer unteren Seite der oberen Antennenfläche 105 zur darunterliegenden Massefläche 109 beträgt 6mm. Die obere Antennenfläche 105 und die Massefläche 109 sind über eine Kurzschlussverbindung 107 miteinander verbunden. Von der Kurzschlussverbindung 107 befindet sich in einem Abstand 117 von 10,43mm eine Anspeiseleitung 111, welche von der Massefläche 109 zur oberen Antennenfläche 105 geführt ist. Diese Anspeiseleitung 111 kann durch einen Stift hindurchgeführt sein oder von einem Stift bereitgestellt werden, welcher vertikal durch den Schlitz hindurch führt und die Antennenfläche 105 mit der Massefläche 109 elektrisch leitend verbindet. Nicht gezeigte Abgriffe für Innen- und Außenleiter eines Koaxialkabels sind an der Anspeiseleitung 111 und einer darunterliegenden Einbuchtung angebracht. Auf einer der Kurzschlussverbindung 107 gegenüberliegenden Seite sind die obere Antennenfläche 105 und die darunterliegende Massefläche 109 frei von einer Verbindung, wobei ein entsprechender Freiraum in der Höhe 119 der Antenne mit Kunstharz ausgegossen ist.
[46] In die Finne 101 ist also ein Schlitz eingelassen, der die Antennenfläche 105 von der Massefläche 109 trennt. Als Massefläche 109 kann der gesamte Bereich der Finne 101 unterhalb des Schlitzes fungieren oder auch nur einen Teil dieses Bereiches beispielsweise eine Leiste, die an den Schlitz angrenzt. [47] Die Höhe und die Länge dieses Schlitzes sind an die Frequenz, in welcher die bereitgestellte Antenne empfangen und oder senden soll, sowie die gewünschte Abstrahl- Charakteristik angepasst. In einer Ausgestaltung gehört die Antenne zu einem Geopositions-Sensor, beispielsweise einem GPS-Empfänger, und die Höhe und die Länge des Schlitzes sind an die GPS-Frequenz angepasst. Im Ausführungsbeispiel ist in den Schlitz eine nach unten zeigende Ausbuchtung gegenüber dem Stift 111 eingelassen. Möglich ist, mehrere hintereinander angeordnete Ausbuchtungen in den Schlitz einzulassen. Dies verbessert die Fähigkeit der Antenne, mehrere Frequenzen zu empfangen.
[48] Der Schlitz ist mit einer elektrisch nicht leitenden Substanz gefüllt, beispielsweise mit einer Vergussmasse aus Kunstharz oder aus Gummi. Vorzugsweise schließt die Oberflächen dieser Füllung bündig mit den Oberflächen der restlichen Finne 101 ab, so dass die gesamte Finne 101 mitsamt dem gefüllten Schlitz als hydrodynamisches Element ausgestaltet ist und nur wenige Verwirbelungen im Wasser hervorruft .
[49] In einer Ausführungsform wird zunächst das hydrodynamische Element aus einer metallischen Substanz hergestellt, beispielsweise durch Gießen, ohne dass bereits der Schlitz vorhanden ist. Anschließend wird der Schlitz beispielsweise durch Ausfräsen in das hydrodynamische Element eingefügt. Der Schlitz wird anschließend mit einer Vergussmasse ausgefüllt. In einer anderen Ausführungsform wird die obere Antennenfläche 105 separat von der Massefläche 109 hergestellt, und die beiden Bestandteile 105 und 109 werden später elektrisch leitend miteinander verbunden, beispielsweise verschraubt oder geschweißt, so dass der Schlitz ausgebildet wird.
[50] Ein autonomes unbemanntes Unterwasserfahrzeug 120 weist die Finne 101 mit der invertierten F-förmigen Antenne 103, einen Antrieb und einen Propeller 125 auf. Mittels des Propellers 125 bewegt sich das autonome unbemannte Unterwasserfahrzeug 120 im Wasser 121, wobei die Finne 101 richtungsstabilisierend wirkt. Die Fahrtrichtung ist in den Figuren von links nach rechts. Der Schlitz befindet sich am hinteren Ende der Finne 101.
[51] Das autonome unbemannte Unterwasserfahrzeug 120 fährt mittels seines Propellers 125 in die Nähe der Wasseroberfläche 123, wodurch die obere Spitze der Finne 101 mit der invertierten F-förmigen Antenne 103 oberhalb der Wasseroberfläche 123 in die Luft ausgebracht wird. Mittels der invertierten F-förmigen Antenne 106 wird ein Funksignal mit einer Frequenz von 1,6GHz an eine nicht gezeigte weit entfernt liegende Plattform übermittelt, wobei die Antenne 103 ebenfalls Signale mit Steuerungsbefehlen von der Plattform empfängt.
[52] Somit wird ein autonomes unbemanntes Unterwasserfahrzeug bereitgestellt, bei dem die Finne sowohl zur Richtungsstabilisierung bei der Fortbewegung unter Wasser als auch für das Übertragen von Signalen genutzt wird, ohne dass dafür zwei separate Bauteile des autonomen Unterwasserfahrzeuges notwendig sind. Dadurch, dass die invertierte F-förmige Antenne in der Spitze der Finne integriert ist, ist die Antenne vor mechanischen Belastungen geschützt und wird in einfacher Weise in eine Position oberhalb der Wasseroberfläche gebracht.
Bezugs zeichenliste
101 Finne
103 invertierte F-förmige Antenne
105 obere Antennenfläche
107 Kurzschlussverbindung
109 Massefläche
111 Anspeiseleitung
115 Länge der oberen Antennenfläche
117 Abstand von Anspeiseleitung zu Kurzschlussverbindung
119 Höhe der Antenne
120 autonomes unbemanntes Unterwasserfahrzeug
121 Wasser
123 Wasseroberfläche
125 Propeller

Claims

Patentansprüche :
1. Unterwasserkörper (120) mit einem hydrodynamischen Element (101) zum Senden und/oder Empfangen eines Signals, wobei bei einem Betrieb im Wasser (121) das hydrodynamische Element auf eine Laufeigenschaft , insbesondere auf eine Richtungsstabilität, des Unterwasserkörpers einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrodynamische Element eine Funkantenne (103) ausbildet, wobei das hydrodynamische Element eine Antennenfläche (105), eine Kurzschlussverbindung (107) zu einer Massefläche (109) und eine Anspeiseleitung (111) aufweist, sodass mittels des hydrodynamischen Elementes das Signal empfangbar und/oder sendbar ist.
2. Unterwasserkörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrodynamische Element eine Finne (101) ist.
3. Unterwasserkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrodynamischen Element die Massefläche der Funkantenne aufweist.
4. Unterwasserkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrodynamische Element als Sende- und/oder Empfangsantenne eine Frequenz im Bereich von 100MHz bis 300GHz aufweist.
5. Unterwasserkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenfläche einen U- förmigen Schlitz und/oder einen L-förmigen Schlitz aufweist .
6. Unterwasserkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hydrodynamische Element eine weitere Kurzschlussverbindung aufweist. Unterwasserkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Freiraum zwischen der Massefläche und der Antennenfläche und/oder der U-förmige Schlitz und/oder der L-förmige Schlitz mit einem Vergussmaterial vergossen ist oder sind.
Unterwasserkörper nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterwasserkörper derart eingerichtet ist, dass zum Senden und/oder Empfangen eines Signals die Antennenfläche des hydrodynamischen Elementes oberhalb einer Wasseroberfläche ausbringbar ist .
Unterwasserkörper nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Unterwasserkörper eine Versteileinrichtung des hydrodynamischen Elementes aufweist .
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