DE2339533A1

DE2339533A1 - Kuenstliches dielektrikum zur steuerung von antennendiagrammen

Info

Publication number: DE2339533A1
Application number: DE19732339533
Authority: DE
Inventors: Spaeter Genannt Werden Wird
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1972-08-04
Filing date: 1973-08-03
Publication date: 1974-02-14
Also published as: CA990402A; GB1400525A; US3886558A; FR2195081A1; FR2195081B1; AU5873973A

Description

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Oipl-lng. K. LAV.P.iECHT Dr.-lng. R. B^ETZJr. 22, 1

293-21.19¹»Ρ(21.195H) 3· 8. 1973

The Secretary of State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, L ο η d ο η, S.W.I., Großbritannien

Künstliches Dielektrikum zur Steuerung von Antennendiagrammen

Die Erfindung betrifft ein verbessertes Dielektrikum für die Steuerung von Antennendiagrammen, denen dadurch außerordentlich hohe Antennengewinne vermittelt werden können, indem künstliche Dielektrika mit Flugzeugkonstruktionswerkstoff kombiniert werden, was bei Aufrechterhaltung ihrer mechanischen Festigkeit die Installation erleichtert und das Gewicht nur geringfügig erhöht.

Flugzeugantennen können innerhalb oder außerhalb des Flugzeugs angebracht sein. Es gibt Fälle, wo das Antennendiagramm gesteuert werden muß, um möglicherweise besonders

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hohe Antennengewinne zu erzielen, indem abgestimmte Elemente, z.B. Yagi-Antennen,hinzugefügt werden, die jedoch Halterungsprobleme mit sich bringen. Die Steuerung von Antennendiagrammen durch normale dielektrische Linsen ist wegen des gewöhnlich damit verbundenen hohen Gewichts nicht zu empfehlen. Es ist bereits bekannt, daß leichte künstliche Dielektrika hergestellt werden können durch Mischen von metallischen Folien, Scheiben oder Kugeln mit einem Grundkörper niedriger Dielektrizitätskonstante, Derartig hergestellte Werkstoffe führen Jedoch zu außerordentlich hohen elektrischen Verlusten, mangelnder Steuerung der Dielektrizitätskonstanten oder zu einer Struktur, die nicht die erforderlichen mechanischen Eigenschaften, insbesondere extrem leichtes Gewicht, für die Anwendung im Flugzeugbau besitzt.

Demgegenüber wird durch die Erfindung ein beladenes Dielektrikum zur Steuerung von Antennendiagrammen geschaffen, das dünne Schichten aus einem Dielektrikum aufweist, das zahlreiche diskrete bzw. gesonderte elektrische Leiter trägt, die in einem Dielektrikum verteilt sind, um die benötigte Dielektrizitätskonstante zu ergeben.

Die Leiter können hergestellt werden durch Drucken, Fotoätzen, Aufdampfen, Aufsprühen von Metall oder einem anderen geeigneten Leiter auf einer dünnen Kunststofffolie. Der Abstand zwischen diesen dünnen Folien kann variiert werden ebenso wie die Dichte und die Abmessungen der Leiter auf aufeinanderfolgenden Folien.

Vorzugsweise sind die dünnen leitertragenden Folien in einem Werkstoff von Zellenform wie Bienenwaben-, Wellenoder dergleichen Form eingebaut, indem entweder der Leiter auf d:en Zellwänden oder innerhalb der Zellen ohne Beeinträchtigung der Konstruktionsfestigkeit vorgesehen wird,

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Das Beladen kann gesteuert werden, um die gewünschte Dielektrizitätskonstante mit sehr großer Genauigkeit zu erreichen, wie sie zur. Steuerung des Antennendiagramms notwendig ist, ohne daß irgendeine meßbare Erhöhung der elektrischen Verluste eintritt.

Ein bevorzugter Flugzeugkonstruktionswerkstoff verwendet eine Sandwich- oder Verbund-Konstruktion, die den beladenen Werkstoff als Kern benutzt, um ein leichtes, jedoch festes Material zu ergeben. Durch geeignete Anordnung der dünnen leitertragenden Folien kann eine Antenne mit Hochantennengewinn gefertigt werden, indem die· bevorzugte Sandwich-Konstruktion benutzt wird, um eine sehr feste, aber leichte Antenne zu ergeben.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. la - Ic die Beladung von dünnen Folien aus Dielektrikum mit feinen diskreten metallischen Leitern verschiedener Form;

Fig. 2, 2a, 3 und J5a Ausführungsbeispiele der Beladung

von Zellwerkstoffen mit den beladenen Folien.von Fig. la - lc j

Fig. 4 eine an der Hinterkante eines Hubschrauberrotorblattes montierter Antenne;

Fig. 5 ^ein typisches Strahlungsdiagramm; Fig. 5a ein asymmetrisches Strahlungsdiagramm;

Fig. 6 schematisch die Anbringung eines Rotodoms an einem Flugzeug;

Fig. 7 eine Draufsicht auf einen Rotodom mit einer

Reihe von Strahlern in der Nähe seiner Mittel-, ebene;

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Fig. 7a eine abgewandelte Anordnung der Strahler im Vergleich zu Pig. 7; und

Pig. 8 eine vergrößerte Querschnittsansicht des Rotodoms von Fig. 7·

Fig. la zeigt eine Folie 1 aus einem äußerst dünnen und leichten Dielektrikum, das eine Anzahl von kreuzförmigen Leitern 2 trägt, die durch Fotoätzen, Aufdampfen, Drucken, Aufsprühen oder irgendein anderes geeignetes Verfahren gebildet worden sind. Die Leiter sind elektrisch kurz, normalerweise beträgt ihre Länge ein Achtel der Wellenlänge der Be triebs frequenz,

Pig. Ib zeigt in einer Richtung verlaufende dünne Leiter 4 auf einer dielektrischen Folie 3.

Fig, lc zeigt dünne kreisrunde Leiterscheiben 6 auf einer dielektrischen Folie 5.

Der Abstand und die Abmessungen der Leiter 2,.4 und 6 können entsprechend der gewünschten Dielektrizitätskonstante variiert werden.

Fig. 2 zeigt Folien 1 von Fig. la in einer gewellten oder geriefelten Konstruktion 7 eingebaut,- wobei die Folien mit dem Leiter 2 sich in dem erforderlichen Abstand befinden. Diese Abstände können gleich groß oder verschieden sein, um die gewünschten Dielektrizitätskonstanten zu ergeben.

Fig. 2a zeigt eine abgewandelte gewellte Konstruktion J, bei der die Folien 1 in Zellen 8 des gewählten Werkstoffs eingesetzt sind, wobei die Größe und Anzahl der Leiter in den einzelnen Zellen entsprechend der richtigen Dielektrizitätskonstante gewählt sind.

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Pig. J zeigt den Einbau der Folien 1 in eine Honigwabenkonstruktion 9 aus einem Werkstoff 10 mit sechseckigen Wabenzellen, wobei die Folien 1 mit den Leitern 2 im erforderlichen Abstand angebracht sind.

Fig. 3a zeigt eine abgewandelte Bienenwabenkonstruktion 9, bei der der Werkstoff 10, der die Zellwände bildet, durch Folien 1 im gewünschten Abstand ersetzt ist.

Eine abgewandelte Anordnung (nicht gezeigt) für das Beladen des Bienenwabenwerkstoffs ähnlich der von Fig. 2a besteht darin, daß Abschnitte von Folien 1 in die Zellen des Bienenwabenwerkstoffs 10 eingesetzt sind. Die Größe und Anzahl der eingesetzten Leiter ist entsprechend der gewünschten Dielektrizitätskonstante gewählt. Bei allen obigen Anordnungen kann der Werkstoff 1 ersetzt werden entweder durch Werkstoff" 3 oder 5 gemäß Fig. Ib bzw. Ie mit abgewandelten Formen der Leiter 4 und 6.

Fig. 4 zeigt eine Antenne 13, die an der Hinterkante eines Hubschrauberrotorblattes 12 eingebaut ist. Das Innere des Rotorblattes 12 ist ein typischer Wellenleiter 11, der mit geneigten Schlitzen versehen ist, durch die die Antenne Funkwellen aussendet und empfängt. Vor dem Wellenleiter befindet sich ein keilförmiger zellularer dielektrischer Kern niedriger Dichte. Die dielektrischen Eigenschaften des Kerns sind abgewandelt, um die gewünschte Dielektrizitätskonstante zu ergeben, die für die erforderliche Richtcharakteristik benötigt wird, wenn die Folien 1, 3 oder 5 von Fig. la, Ib bzw. Ic verwendet werden, die geeignet beabstandet sind, um einen Werkstoff gleich oder ähnlich dem von Fig. 2, 2a, 3 oder 3a zu schaffen. Um eine feste mechanische Konstruktion zu erreichen, ist der zellulare Kern 14 von sehr zugfesten

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dielektrischen Häuten 15 ummantelt, um eine Sandwich-Konstruktion zu ergeben. Die Häute 15 müssen normalerweise angepaßt werden, damit die Richtcharakteristik und der Antennengewinn erhalten bleiben, indem zum Beispiel ein elektrisch langer dünner Draht in der Haut vorgesehen wird.

Fig. 5 zeigt ein typisches symmetrisches Strahlungsdiagramm.

Fig. 5a zeigt ein asymmetrisches Strahlungsdiagramm, das durch asymmetrische Beladung des Kerns 14 und/oder Positionierung des Wellenleiters 11 erhalten wird. Es können auch metallische Oberflächen am Wellenleiter 11 verwendet werden.

Die Antenne 13 kann einen außerordentlich hohen Antennengewinn ergeben, indem die Folien 1, die die Leiter tragen, im Kern 14 geeignet angeordnet, werden und der Kern wie gezeigt verjüngt wird.

Ein praktisch erprobtes Ausführungsbeispiel einer in einem Hubschrauberrotorblatt eingebauten Antenne hatte die folgenden Parameter:

Breite (vom Wellenleiter 11 zur Hinterkante): 25O mm; Länge (gemessen entlang des Rotorblattes): 26O nun; Schlitzabstand des Wellenleiters 11: 23 mm;

gegenseitiger Abstand der Folien 1: 20 mm;

Anordnung der Leiter 2 auf den Folien 1 mit einem Versetzungsabstand von 5 mm bei einer Leiterlänge von 4,5 mm und einem Querschnitt von 0,5 · 0,05 mm; Werkstoff des Kerns 14: Nomex-Waben mit der Dichte von 2 lb/cu,ft mit hexagonalen Zellen von 4,7 mm;

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Häute 15: 0,75 mm dickes Glasfaserlaminat, beladen mit 0,06 mm - Durchmesser -Draht/bei 1,2 mm Abstand bzw. Teilung. Bei einer Betriebsfrequenz von 9,4 bis 9*8 GHz hatte die Charakteristik eine Breite von 23° bei 3 dB (halbe Leistung), und die Seitenkeulen waren besser als -13 dB in der Ebene senkrecht zur Richtung des Wellenleiters 11.

Der in Fig. 2 und 3 gezeigte dielektrische Kernwerkstoff kann vorteilhafterweise in Rotodomen l6 (vgl. Fig. 6) verwendet werden, die auf einem Flugzeug 17 in Lagern montiert sind, so daß eine Drehung um eine vertikale Achse während des Flugs möglich ist. Die Rotodome l6 sind ungefähr elliptisch im Querschnitt und symmetrisch um eine vertikale Achse. Im Innern des Rotodoms l6 befindet sich ein Antennensystem zum Senden und Empfangen von Radarwellen bei Drehung des Rotodoms.

Fig. 7 und 7a zeigen eine im Rotodom l6 montierte Strahleranordnung 18. Vor der Strahleranordnung 18, d.h. zwischen ihr und der Kante des Rotodoms 16, ist ein (querschnittsmäßig) verjüngter Kern 19 aus zellularem Dielektrikum angeordnet, das das künstlich beladene Material von Fig. 2, 2a, 3 oder 3a mit den Leiterelementen 2, 4 bzw. 5 aufweist, die so verteilt sind, daß die gewünschte Richtcharakteristik erzielt wird.

In Fig. 7 ist die Strahleranordnung l8 in der Nähe der Mittelebene des Rotodoms l6 angeordnet, während in Fig. 7a die Strahleranordnung 20 gegen diese Ebene versetzt ist.

Ein weiterer Vorteil dieser Anwendungsbeispiele von leichtem künstlichen Dielektrikum ist, daß die Bandbreiten der resultierenden Antennen viel breiter als mit Anordnungen

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sind, die abgestimmte Elemente oder Yagi-Elemente verwenden. Die Antennendiagramme können durch entsprechende Verteilung der künstlichen Dielektrikumbeladung auch so eingestellt werden, daß sie schwache Seitenkeulen oder -zipfel und eine bessere Reproduzierbarkeit bzw. Verstärkung ergeben.

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Claims

- 9 Patentansprüche

1. Beladenes Dielektrikum zur Steuerung von Antennendiagrammen, mit einem Dielektrikum, das kleine Metallteilchen trägt, gekennzeichnet durch dünne Folien (1, 3, 5) aus einem Dielektrikum, das zahlreiche diskrete bzw. einzelne elektrische Leiter (2, 4, 6) trägt, die im Dielektrikum entsprechend der gewünschten Dielektrizitätskonstanten beabstandet sind,

2. Beladenes Dielektrikum nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dünnen Folien (1,

3. 5) in ein zellenförmiges Dielektrikum (7, 9, 10) eingebaut sind.

3. Hubschrauberrotorblatt mit einer Antenne zum Senden und Empfangen elektromagnetischer Wellen, ge. kennzeich net durch das beladene zellenförmige Dielektrikum nach Anspruch 2.

4. Rotodom auf einem Flugzeug mit einer Strahleranordnung, gekennzeichnet durch einen Kern (19) aus zellenförmigem beladenen Dielektrikum nach Anspruch 2.

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