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EP1538698A1 - Aussenstruktur-konforme Antenne in einer Trägerstruktur eines Fahrzeugs - Google Patents

Aussenstruktur-konforme Antenne in einer Trägerstruktur eines Fahrzeugs Download PDF

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EP1538698A1
EP1538698A1 EP04028642A EP04028642A EP1538698A1 EP 1538698 A1 EP1538698 A1 EP 1538698A1 EP 04028642 A EP04028642 A EP 04028642A EP 04028642 A EP04028642 A EP 04028642A EP 1538698 A1 EP1538698 A1 EP 1538698A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
antenna
carrier system
cover plate
aircraft
system primary
Prior art date
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Granted
Application number
EP04028642A
Other languages
English (en)
French (fr)
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EP1538698B1 (de
Inventor
Detlev Dr. Blaschke
Clemens Dr. Brand
Kay Dittrich
Oliver Dr. Nagy
Jan Ritter
Robert Sekora
Herbert Zippold
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Airbus Defence and Space GmbH
Original Assignee
EADS Deutschland GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/28—Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons
    • H01Q1/286—Adaptation for use in or on aircraft, missiles, satellites, or balloons substantially flush mounted with the skin of the craft
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/27—Adaptation for use in or on movable bodies
    • H01Q1/32—Adaptation for use in or on road or rail vehicles

Definitions

  • the invention relates to an outer structure-compliant antenna and in particular a flat broadband antenna in a support structure of a Vehicle and in particular an aircraft, wherein the support structure especially a carrier system primary structure.
  • aircraft refers to all imaginable devices, with any Drives can be moved through the air, such as airplanes, helicopters, Airships, drones, rockets and the like.
  • the rockets are an example that the invention can also affect aircraft or missiles that are suitable to fly both in the air and in a vacuum.
  • the professional world is more and more of it to build or use antennas in the form of rods, spirals, Horn parts or other structures of the structure or the outer skin of Take off vehicles and / or aircraft.
  • antennas in the form of rods, spirals, Horn parts or other structures of the structure or the outer skin of Take off vehicles and / or aircraft.
  • the invention is based on the object, outer structure-compliant antennas such in the carrier structures and in particular in carrier system primary structures of vehicles and / or aircraft integrate that any aerodynamic disadvantages are avoided and the structural strength in the Integration areas is largely retained, while at the same time Ensuring the antenna functionality.
  • an outer structure-compliant antenna in the form of a flat trained EM-functional core in a corresponding recess of a Carrier primary structure positively and / or non-positively embedded such that the upper or outer cover of the antenna outer structure compliant by a Cover plate is realized, which in turn in their peripheral areas also positively and / or non-positively connected to the carrier system primary structure.
  • the frictional connection can be realized by an adhesive layer.
  • a positive connection can according to the invention by screws or else be realized by riveting.
  • the above-mentioned cover plate is for antenna-technical reasons advantageously designed as a so-called front dielectric.
  • the invention thus offers over conventional antenna designs Significant weight and volume savings that are particularly beneficial impact on aircraft. Aerodynamic disadvantages can be found in the context of Invention does not occur at all, since the shape of the outer skin of the structures completely unchanged. Have practical examinations meanwhile show that the structural strength of the invention at best in negligibly small extent is affected.
  • structure-integrated antennas according to the invention offer above all in aircraft the possibility of arrangement in areas previously for conventional antennas were unacceptable or even unsuitable.
  • antennas are installed and also in refueled structures, if corresponding with respect to the high-frequency lines Precautions are taken.
  • the structural integration according to the invention leads to Antenna to a considerable potential with regard to the reduction of Radar signature compared to conventional antenna designs. Offer this
  • the antennas according to the invention are also suitable for use Stealth aircraft (stealth aircraft) on.
  • FIG. 1a illustrates very clearly the advantages of an antenna according to the Invention compared to a conventional antenna according to Figure 1 b.
  • FIG. 1a is a completely outer structure-compliant antenna subsystem, For example, for a broadband data link in the microwave range, shown.
  • the integration of the antenna according to the invention into the aircraft structure avoids any aerodynamic drawbacks that could be caused by an antenna with the greatest possible preservation of the structural strength.
  • the antenna according to the invention Seen electronically, the antenna according to the invention, based on a low reflection factor, over a large relative high frequency bandwidth.
  • the invention thus offers a real alternative to the conventional ones Antennas, in particular to the reflector antennas shown in Figure 1b, especially in the context of the invention comparable electronic properties can be achieved at the same time significantly lower installation volume and lower masses.
  • the invention offers especially at Aircraft structures additional arrangement areas for antennas used for conventional antennas are inaccessible for a variety of reasons.
  • FIG. 2 shows an example of the structure of an antenna, for example in planar Design according to the invention in its essential parts.
  • the basis for the Attachment of the antenna forms a carrier system primary structure 1 here Aircraft that in many cases consists of CFRP.
  • the actual electromagnetic (hereinafter referred to briefly as EM) functional core 2 of Antenna is via a suitable adhesive layer 3 with the carrier system primary structure 1 connected.
  • the essential upper or outer Structurally matched termination of the antenna forms a cover plate in shape a so-called front dielectric 4, which also has a Adhesive layer 3 is connected to the electromagnetic functional core 2.
  • the upper surface radiators of the antenna mounted on the front dielectric 4 are bearing the reference number 5.
  • the cover plate is preferably made of quartz glass / epoxy, E-glass / epoxy or made of Q-glass / polyester.
  • the congruent rows of holes 6 and 7 are Breakthroughs for the electrical wiring of the invention outer structure-compliant antenna.
  • the total thickness of the antenna according to the invention is preferably a few Millimeters, so that their integration into an aircraft structure no or at best only a negligible structural influence means.
  • Figure 3 shows a possibility of optimal incorporation or integration an antenna in the carrier system primary structure 1, for example at a Plane.
  • the carrier system primary structure 1 has a trough 8 or a regional depression, which by acute-angled bending of the areas of the 9th and 10 the carrier system primary structure 1 is brought about.
  • the angle ⁇ should remain acute-angled, because of its size, the size of the adhesive area in the range of 10 Carrier system primary structure 1 for the corresponding beveled part 11 of Front dielectric 4 depends; the smaller, that is, the more acute the angle ⁇ is, the larger the adhesive surface in the region 10 of the carrier system primary structure 1.
  • the area 9 provides space for housing the EM function core in a radial view 2, while bending the carrier system primary structure 1 in Area 10 the load-bearing, outer contour-preserving gluing a Cover plate in the form of a front dielectric 4 allows.

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Abstract

Außenstruktur-konforme Antenne in einer Trägerstruktur eines Fahrzeugs und insbesondere eines Fluggeräts, wobei die Antenne in Form eines flach ausgebildeten EM-Funktionskernes (2) in eine Mulde (8) einer Trägersystem-Primärstruktur (1) form- und/oder kraftschlüssig eingebettet ist, derart, dass die obere bzw. äußere Abdeckung des EM-Funktionskernes (2) außenstrukturkonform durch eine Abdeckplatte (4) realisiert ist, welche ihrerseits in ihren Randbereichen (11) ebenfalls form- und/oder kraftschlüssig mit der Trägersystem-Primärstruktur (1) verbunden ist. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine außenstruktur-konforme Antenne und insbesondere eine flache Breitbandantenne in einer Trägerstruktur eines Fahrzeugs und insbesondere eines Fluggeräts, wobei die Trägerstruktur insbesondere eine Trägersystem-Primärstruktur ist.
Der Begriff "Fluggeräte" betrifft alle nur denkbaren Geräte, die mit beliebigen Antrieben durch die Luft bewegt werden können, wie Flugzeuge, Hubschrauber, Luftschiffe, Drohnen, Raketen und dergleichen. Die Raketen sind ein Beispiel dafür, dass die Erfindung auch Fluggeräte bzw. Flugkörper betreffen kann, die geeignet sind, sowohl in der Luft als auch im luftleeren Raum zu fliegen.
Die zunehmende Anzahl von Avionikfunktionen bei Fluggeräten, im besonderen bei Flugzeugen lässt auch die erforderliche Anzahl von Antennen entsprechend ansteigen; bis zu sechzig Antennensysteme und mehr sind bereits heute keine Seltenheit mehr. Diese Problematik erfordert neue Wege für den Einbau bzw. die Unterbringung von Antennen beispielsweise bei Flugzeugen. Eine mögliche Lösung dieses Problems ist die Integration der Antennen in die Trägerstrukturen von Fahrzeugen und/oder Fluggeräten.
Bei der Lösung der aufgezeigten Problematik ist auch zu bedenken, dass der Einsatz künftiger luftgestützter Datenübertragungssysteme wegen immenser Datenmengen eine große HF-Bandbreite erfordert. Aus diesem Grund kommen immer höhere Frequenzen zur Anwendung. Der Markt bietet derzeit überwiegend Systeme im X- oder Ku-Band an.
Neben der Forderung nach einer großen Bandbreite wird naturgemäß eine große Reichweite für die Datenübertragung gefordert. Dies kann nur durch Antennen mit entsprechend großer Apertur oder mit Arrays erreicht werden, die aus mehreren Einzelstrahlern bestehen. Luftgestützte schwenkbare Reflektorantennen sind derzeit als kommerzielle Produkte erhältlich. Deren Unterbringung ist jedoch meistens ein Problem. Es wurde daher auch schon überlegt, anstatt einer relativ großen Reflektorantenne Teile der beispielsweise Flugzeugoberfläche als strahlende Apertur zu nutzen.
Bislang hatte zum Beispiel eine Flugzeugstruktur ausschließlich die Funktion, lasttragende und aerodynamische Aufgaben zu übernehmen. Die strukturelle Oberfläche musste dementsprechend verschiedene mechanische Belastungen aushalten.
Mit der Funktionserweiterung der Strukturoberfläche von Fluggeräten auch als Antenne wirksam zu werden ergeben sich zusätzliche Probleme hinsichtlich der Stabilität der Strukturen. Elektronisch bedingt müssen für die Antennen geeignete Materialien eingesetzt werden; dabei darf aber die lasttragende Funktion der Struktur nicht negativ beeinflusst werden.
Aus den eingangs genannten Gründen geht die Fachwelt mehr und mehr davon ab, Antennen zu bauen bzw. anzuwenden, die sich in Form von Stäben, Spiralen, Hornteilen oder anderen Gebilden von der Struktur bzw. der Außenhaut von Fahrzeugen und/oder Fluggeräten abheben. Dadurch können Strömungswiderstände verringert und die Gefahr von rein mechanischen Beschädigungen der Antennen zumindest das reduziert werden.
Die zitierte Problematik hat dazu geführt, außenstruktur-konforme Antennen zu entwickeln und diese weitmöglich bzw. optimal, das heißt identisch der vorgegebenen Form von Strukturen bei Fahrzeugen und/oder Fluggeräten anzupassen.
Zum diesbezüglich bekannten Stand der Technik sei verwiesen auf eine Publikation von Dipl.-Ing. Robert Sekora u.a. unter dem Titel: "Conformal Airborne Array Antenna for Broad Band Data Link Applications in the X-Band". Diese Abhandlung zeigt im wesentlichen die Unterschiede auf zwischen herkömmlichen und aktuelleren außenstruktur-konformen Antennensystemen, die eng an die Struktur - in diesem Falle von Flugzeugen - angepasst sind.
Eine weitere einschlägige Vorveröffentlichung ist ein Aufsatz, ebenfalls von Dipl.-Ing. Robert Sekora, unter dem Titel: "Strukturintegrierte Flugzeugantenne für Breitbandanwendungen im X-Band". Der Autor erklärt in dieser Publikation die strukturelle Integrierbarkeit einer Array-Antenne. Des weiteren wird der strukturelle Aufbau hinsichtlich seiner elektromagnetischen Funktion bestätigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, außenstruktur-konforme Antennen derart in die Trägerstrukturen und insbesondere in Trägersystem-Primärstrukturen von Fahrzeugen und/oder Fluggeräten zu integrieren, dass jegliche aerodynamischen Nachteile vermieden werden und die Strukturfestigkeit in den Integrationsbereichen weitestgehend erhalten bleibt, bei gleichzeitiger Gewährleistung der Antennen-Funktionalität.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere Ausführungsformen sind in den auf diese rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.
Erfindungsgemäß ist eine außenstruktur-konforme Antenne in Form eines flach ausgebildeten EM-Funktionskerns in eine entsprechende Einbuchtung einer Trägersystemprimärstruktur form- und/oder kraftschlüssig derart eingebettet, dass die obere bzw. äußere Abdeckung der Antenne außenstruktur-konform durch eine Abdeckplatte realisiert ist, welche ihrerseits in ihren Randbereichen ebenfalls form-und/oder kraftschlüssig mit der Trägersystemprimärstruktur verbunden ist.
Die kraftschlüssige Verbindung kann durch eine Kleberschicht realisiert sein. Eine formschlüssige Verbindung kann erfindungsgemäß durch Schrauben oder auch durch Nieten realisiert werden.
Die oben erwähnte Abdeckplatte ist aus antennen-technischen Gründen vorteilhaft als sogenanntes Frontdielektrikum ausgebildet.
Die Erfindung bietet damit gegenüber konventionellen Antennenkonstruktionen signifikante Gewichts- und Volumeneinsparungen, die sich besonders vorteilhaft bei Flugzeugen auswirken. Aerodynamische Nachteile können im Rahmen der Erfindung überhaupt nicht auftreten, da die Form der Außenhaut der Strukturen vollends unverändert erhalten bleibt. Praktische Untersuchungen haben inzwischen ergeben, dass die Strukturfestigkeit durch die Erfindung allenfalls in vernachlässigbar geringem Umfang beeinflusst wird.
Des weiteren bieten strukturintegrierte Antennen gemäss der Erfindung vor allem bei Fluggeräten die Möglichkeit der Anordnung in Bereichen, die bislang für herkömmliche Antennen nicht vertretbar oder gar ungeeignet waren. Darüber hinaus können durch die Erfindung beim Flugzeug in Ruder- oder Klappenstrukturen Antennen eingebaut werden und auch in betankte Strukturen, wenn hinsichtlich der Hochfrequenzleitungen entsprechende Vorsichtsmassnahmen getroffen werden.
In elektronischer Hinsicht führt die erfindungsgemäße Strukturintegration der Antenne zu einem beachtlichen Potential hinsichtlich der Reduktion der Radarsignatur gegenüber herkömmlichen Antennenbauweisen. Hierdurch bieten sich die erfindungsgemäßen Antennen auch für den Einsatz bei Tarnkappenflugzeugen (Stealth-Fluggeräte) an.
Grundsätzlich kann nicht zuletzt auch festgestellt werden, dass die elektronischen respektive die elektromagnetischen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Antennenkonstruktion den an sie gestellten Erwartungen bzw. Anforderungen vollends gerecht werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen sowie aus der Abbildungsbeschreibung.
In den Abbildungen ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels zeichnerisch erläutert.
Es zeigen:
  • Figur 1a eine Draufsicht auf eine strukturintegrierte, außenstruktur-konforme Antenne;
  • Figur 1b ein Beispiel für ausschließlich kommerziell verfügbare, unförmige, mechanisch schwenkbare, zentralgespeiste Reflektor-Antenne;
  • Figur 2 ein Struktur-Design für eine außenstruktur-konforme Antenne, wie sie erfindungsgemäß verwendet kann;
  • Figur 3 die erfindungsgemäße Integration einer außenstruktur-konformen Antenne gemäss Figur 2 in eine Flugzeugträgersystem-Primärstruktur.
Figur 1a verdeutlicht sehr anschaulich die Vorteile einer Antenne nach der Erfindung gegenüber einer herkömmlichen Antenne gemäss der Abbildung 1 b. In der Figur 1a ist ein vollends außenstruktur-konformes Antennensubsystem, beispielsweise für einen Breitband-Datenlink im Mikrowellenbereich, dargestellt. Die erfindungsgemäße Integration der Antenne in die Flugzeugstruktur vermeidet jegliche aerodynamischen Nachteile, die durch eine Antenne entstehen könnten bei weitestgehender Erhaltung der Strukturfestigkeit.
Elektronisch gesehen verfügt die erfindungsgemäße Antenne, bezogen auf einen geringen Reflexionsfaktor, über eine große relative Hochfrequenzbandbreite.
Die Erfindung bietet damit eine echte Alternative zu den herkömmlichen Antennen, vor allem auch zu den in Abbildung 1b gezeigten Reflektorantennen, zumal im Rahmen der Erfindung vergleichbare elektronische Eigenschaften erreicht werden bei gleichzeitig erheblich geringerem Einbauvolumen und geringeren Massen. Darüber hinaus bietet die Erfindung vor allem bei Flugzeugstrukturen zusätzliche Anordnungsbereiche für Antennen, die für herkömmliche Antennen aus verschiedenen Gründen unzugänglich sind.
Figur 2 zeigt ein Beispiel für den Aufbau einer Antenne, beispielsweise in planarer Bauform nach der Erfindung in ihren wesentlichen Einzelteilen. Die Basis für die Befestigung der Antenne bildet hier eine Trägersystem-Primärstruktur 1 eines Fluggeräts, die in vielen Anwendungsfällen aus CFK besteht. Der eigentliche elektromagnetische (im folgenden kurz mit EM bezeichnet) Funktionskern 2 der Antenne wird über eine geeignete Kleberschicht 3 mit der Trägersystem-Primärstruktur 1 verbunden. Den wesentlichen oberen respektive äußeren strukturangepassten Abschluss der Antenne bildet eine Abdeckplatte in Form eines sogenannten Frontdielektrikums 4, welches ebenfalls über eine Kleberschicht 3 mit dem elektromagnetischen Funktionskern 2 verbunden wird. Die oberen Flächenstrahler der Antenne, die auf dem Frontdielektrikum 4 befestigt sind, tragen das Bezugszeichen 5.
Die Abdeckplatte ist vorzugsweise aus Quarzglas/Epoxy, aus E-Glas/Epoxy oder aus Q-Glas/Polyester gebildet.
Bei den deckungsgleichen Bohrungsreihen 6 und 7 handelt es sich um Durchbrüche für die elektrische Verkabelung der erfindungsgemäßen außenstruktur-konformen Antenne.
Die Gesamtdicke der erfindungsgemäßen Antenne beträgt vorzugsweise einige Millimeter, so dass deren Integration in eine Flugzeugstruktur keine oder allenfalls nur eine vernachlässigbar geringe Strukturbeeinflussung bedeutet.
Die Abbildung 3 zeigt eine Möglichkeit der optimalen Einbringung bzw. Integration einer Antenne in die Trägersystemprimärstruktur 1, beispielsweise bei einem Flugzeug. Hierzu besitzt die Trägersystem-Primärstruktur 1 eine Mulde 8 oder eine bereichsweise Vertiefung, die durch spitzwinkliges Einbiegen der Bereiche 9 und 10 der Trägersystem-Primärstruktur 1 herbeigeführt wird. Alternativ dazu sind gegebenenfalls auch stumpfwinklige bzw. stufenweise Übergänge realisierbar; so könnte bei einem Winkel β = 90° der Bereich 9 der Trägersystem-Primärstruktur 1 im Extremfall vertikal nach unten abgebogen sein, so dass der EM-Funktionskern 2 in seinen Kantenbereichen ebenfalls rechteckig ausgebildet sein könnte.
Demgegenüber sollte im Rahmen der Erfindung der Winkel α spitzwinklig bleiben, da von seiner Bemessung die Größe der Klebefläche im Bereich 10 der Trägersystem-Primärstruktur 1 für den entsprechend abgeschrägten Teil 11 des Frontdielektrikums 4 abhängt; je kleiner, das heißt je spitzwinkliger der Winkel α ist, umso größer wird die Klebefläche im Bereich 10 der Trägersystem-Primärstruktur 1.
Der Bereich 9 liefert in radialer Sicht Raum für die Unterbringung des EM-Funktionskerns 2, während das Einbiegen der Trägersystem-Primärstruktur 1 im Bereich 10 das lasttragende, außenkontur-erhaltende Einkleben einer Abdeckplatte in Form eines Frontdielektrikums 4 ermöglicht.

Claims (6)

  1. Außenstruktur-konforme Antenne in einer Trägerstruktur eines Fahrzeugs und insbesondere eines Fluggeräts, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne in Form eines flach ausgebildeten EM-Funktionskernes (2) in eine Mulde (8) einer Trägersystem-Primärstruktur (1) form- und/oder kraftschlüssig eingebettet ist, derart, dass die obere bzw. äußere Abdeckung des EM-Funktionskernes (2) außenstruktur-konform durch eine Abdeckplatte (4) realisiert ist, welche ihrerseits in ihren Randbereichen (11) ebenfalls form- und/oder kraftschlüssig mit der Trägersystem-Primärstruktur (1) verbunden ist.
  2. Außenstruktur-konforme Antenne in einer Trägerstruktur eines Fahrzeugs nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckplatte (4) aus einem dielektrischen Material gebildet ist.
  3. Außenstruktur-konforme Antenne in einer Trägerstruktur eines Fahrzeugs nach dem Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckplatte (4) aus Quarzglas/Epoxy, aus E-Glas/Epoxy oder aus Q-Glas/Polyester gebildet ist.
  4. Außenstruktur-konforme Antenne in einer Trägerstruktur eines Fahrzeugs nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der EM-Funktionskern (2) wie auch die Abdeckplatte bzw. das Frontdielektrikum (4) über eine Kleberschicht (3) mit der Trägersystem-Primärstruktur (1) verbunden sind.
  5. Außenstruktur-konforme Antenne in einer Trägerstruktur eines Fahrzeugs nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die miteinander zu verbindenden Flächen zwischen der Trägersystem-Primärstruktur (1) und der Abdeckplatte (4) parallel zueinander verlaufen, so dass Anlageflächen zur Verklebung von Trägersystem-Primärstruktur (1) und Abdeckplatte (4) gebildet werden.
  6. Außenstruktur-konforme Antenne in einer Trägerstruktur eines Fahrzeugs nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mulde (8) der Trägersystem-Primärstruktur (1) durch Einwinkeln der Randbereiche (9 und 10) entsprechend den Winkeln (α und β) gebildet ist.
EP04028642.9A 2003-12-03 2004-12-03 Aussenstruktur-konforme Antenne in einer Trägerstruktur eines Fahrzeugs Expired - Lifetime EP1538698B1 (de)

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EP1538698A1 true EP1538698A1 (de) 2005-06-08
EP1538698B1 EP1538698B1 (de) 2018-02-07

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