[0001] Die Erfindung betrifft eine tragende Struktur einer Antenne für Luft- und Raumfahrtanwendungen,
insbesondere für eine aktive Mikrowellenantenne aus faserverstärktem Kunststoff.
[0002] Für Luft- und Raumfahrtanwendungen kommt dem Faktor des Gewichts eine entscheidende
Bedeutung zu. Für beiden Anwendungen ist daneben stets eine hohe Dimensionsstabilität
gefordert. Das heißt, die Antenne muß gegenüber den Lasten (aerodynamische Lasten,
Beschleunigung beim Start), gegenüber niederfrequenten Schwingungen oder den thermischen
Belastungen, wie sie im Weltall auftreten, verformungsstabil sein.
[0003] Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine faserverstärkte tragende Struktur zu schaffen,
die es erlaubt, eine dimensionsstabile Antenne, insbesondere eine aktive Antenne,
noch leichter zu bauen als bisher.
[0004] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Integration vom wärmeleitenden
und/oder elektromagnetische Wellen leitenden Elementen in die tragende Struktur.
[0005] Ausführungen der Erfindung sind Gegenstände von Unteran sprüchen.
[0006] Die Integration wärmeleitender Schichten in die tragende Struktur kann dadurch erfolgen,
daß wärmeleitende Schichten, die ebenfalls aus faserverstärkten Materialen wie CFK
bestehen, in die tragende Struktur integriert werden oder diese bilden. Die bisher
üblichen wärmeabführenden Elemente, wie Wärmerohre, Dopplerbleche oder Strahlungsflächen
entfallen, wodurch Gewicht gespart wird. Durch breite Versteifungsstege und durchgehende
Fasern wird die Wärmeleitung erhöht. Eine Verteilung "heißer" Bauteile über die ganze
Antennenfläche fördert die Abstrahlung bei relativ gleichmäßiger Temperatur. Durch
Beschichtung mit Thermallack kann der Wärmeaustausch durch Strahlung innerhalb der
hohlen Räume zwischen den Stegen vergrößert werden.
[0007] Die Integration von Elementen, die elektromagnetische Wellen leiten, kann sich zum
Beispiel auf das Gebiet der niederfrequenten Ströme beziehen. Ein Beispiel dafür sind
Speiseleitungen. Diese werden realisiert durch Einbettung von leitfähigen Drähten
oder von leitfähigen Streifen in oder auf die aus nichtleitendem Kunststoff bestehenden
Strukturen. Als Vorteil ist der Wegfall von Zusatzgewichten durch Isolation und Verbindungselemente
zu nennen. Die Integration kann auch so weit geführt werden, daß ganze Teile der tragenden
Struktur als Elektronikplatinen ausgeführt werden.
Dies kann zum Beispiel dadurch erfolgen, daß die relevanten Strukturteile aus nichtleitenden
Hochleistungsfasern wie zum Beispiel SiC, Aramid oder PE hergestellt werden. Die Leiterbahnen
und Befestigungen der Bauelemente können mit üblichen verfügbaren Techniken erfolgen.
Der Vorteil ist wiederum die Gewichtsersparnis durch den Wegfall zusätz licher Platinen.
Ein weiteres Beispiel einer erfindungsgemäßen Integration ist der Einbau von hochfrequenz-leitenden
Strukturen in die tragende Struktur. So können zum Beispiel Signalleitungen durch
Einbettung der Leitung samt einer isolierenden Umhüllung in eine CFK-Struktur erfolgen.
Die Isolierung wird zum Beispiel als mittragendes Element mit einer Verstärkung aus
nichtleitenden Fasern ausgelegt. Der Aufbau kann zum Beispiel wie ein Koaxkabel oder
wie ein Hohlleiter sein. Falls die Abschirmwirkung des CFK nicht ausreicht, kann die
Isolierung zum Beispiel mit metallisierten Fasern hoher Hochfrequenzleitfähigkeit
erfolgen., wobei diese Fasern auch wieder mittragend ausgelegt werden können.
[0008] Ein weiteres Beispiel für die Integration ist zum Beispiel der Einbau eines gehäuselosen
Gerätes, wie eines Senders oder Empfängers, in ein durch die Struktur gebildetes abgeschlossenes
Fach, dessen Innenseite mit einer dünnen Beschichtung (zum Beispiel 10 µm) mit einem
hochleitfähigem Metall (zum Beispiel Gold) versehen ist. Als Vorteil ergibt sich wiederum
eine Gewichtsersparnis.
[0009] Die Integration von elektromagnetische Wellen leitenden Elementen kann sich auch
auf den optischen Wellenbereich beziehen. In diesem Fall werden eigene Glasfaserkabel
als optische Signalleitungen überflüssig. Erfindungsgemäß erfolgt dies durch Einbettung
der signalführenden Glasfaser in die Struktur, die aus faserverstärkten Kunststoffen
besteht. Die Durchführung kann zum Beispiel dadurch erleichtert werden, daß die
Glasfaser in Rovings oder Gewebe aus den tragenden Fasern eingearbeitet ist. Vorteilhaft
fällt hier wiederum Zusatzgewicht durch die Umhüllungen des Glasfaserkabels weg.
[0010] Die Integration kann auch soweit gehen, daß ganze Hochfrequenzkomponenten in die
tragende Struktur integriert werden. Als Beispiel wird eine ganze Mikrostripantenne
in Mesa- oder Wannenbauweise in die Struktur integriert. In dieser Ausführung kann
das Mikrostrip- oder Antennendielektrikum in faserverstärktem Kunststoff hoher Festigkeit
und Steifigkeit ausgeführt sein (zum Beispiel aus polyethylen- faserverstärktem Polyethylen)
und selbst eine Außenseite des, sich dann selber tragenden, Hohlkastens bilden.
[0011] Die Erfindung wird anhand von zwei Figuren näher erläutert
Figur 1 zeigt eine Ausführung einer Antenne für ein Synthetik-Apertur-Radar (SAR)
mit ihrem Träger. Die Antenne besteht hier aus der Antennenaußenschicht 1 mit Strahlerelementen
(patches), einem elektrisch isolierenden Substrat 2 (mit ε r≈ 1), in das Zuleitungen (Mikrostrips) integriert sind und einer elektrisch leitenden
Grundplatte 3. Die elektrische Verbindung zwischen dem Strahlerelement und der Zuleitung
kann zum Beispiel durch lokale Erhöhung von εr im Substrat 2 im Bereich zwischen diesen beiden Elementen erfolgen. Die tragende
Struktur 4 ist hier in Kastenbauweise mit den Hohlräumen 5 realisiert. In den Hohlräumen
5 können elektrische Module 6 und Elektronikplatinen 7 enthalten sein. Die tragende
Struktur 4 ist hier aus kohlefaserverstärktem Kunststoff ausgeführt, der an seiner
Oberseite zur elektrischen Abschirmung metallisiert ist. Die wärmeabgebenden Bauteile
wie die elektrischen Module 6 und die Elektronikplatinen 7 sind bevorzugt über die
gesamte Antennenfläche verteilt und an den Trägern, die zur Antennenvorderseite führen,
wärmeleitend angeschlossen. Die in der Struktur 4 gezeigten Pfeile zeigen den Fluß
der Wärme durch das aus wärmeleitendem Kunststoff hergestellte Trägermaterial 4.
Figur 2 zeigt eine Ausführung mit Integration von elektromagnetische Wellen leitenden
Elementen in der Struktur 4, die hier aus CFK bestehen kann, das an seiner Oberseite
metallisiert ist. Auf der Außenseite der Struktur 4 befindet sich die Antenne 8, die
zum Beispiel Substratdicken im Bereich eines mm und Erhebungen im mm-Bereich aufweist.
Innerhalb der Struktur 4 sind elektronische Module 6 und Elektronikplatinen 7 angeordnet.
Integriert in die tragende Struktur 4 ist auch ein Phasenschiebernetzwerk 9, das
direkt unter jedem einzelnen Strahlerelement (patch) der Gruppenantenne 8 angeordnet
ist. Integriert ist ebenso die Zuleitung (microstrip) 10 zu jedem einzelnen Strahlerelement
(patch) oder die elektrische Zuleitung 12 zu den Bauteilen 6 und 7. Gezeichnet ist
weiter die Glasfaser 11, die das elektrische Modul 6 als Signalleitung mit einer nicht
gezeigten Zentralelektronik verbindet. Leitung 11 ist hier ein kurzes Stück diskret
gezeigt und verläuft dann als Glasfaser in der Struktur 4 integriert (durch den dickeren
Strich angedeutet). Die Pfeile in der Struktur 4 deuten die Wärmeleitung an.
1. Tragende Struktur (4) einer aktiven Antenne (8) für Luft- oder Raumfahrtanwendungen
aus faserverstärktem Kunststoff, gekennzeichnet durch eine Integration von wärmeleitenden Elementen und/oder elektromagnetische Wellen
leitenden Elementen (9, 10, 11, 12) in die tragende Struktur(4).
2. Struktur (4) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wärmeleitenden Elemente
aus Metall oder aus Kohlefaserverbundwerkstoff, zum Beispiel P 100 bestehen und zwischen
wärmeabgebenden Bauteilen - die bevorzugt über die Antennenfläche verteilt angeordnet
sind - und der Außenseite der Antenne liegen oder daß die gesamte Struktur aus wärmeleitendem
Material besteht.
3. Struktur (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die elektromagnetische Wellen leitenden Elemente NF-Ströme leiten, wie Drähte, Streifen,
Mikrostrips, Fasern, Kabel, oder Zuleitungen (10) und in oder auf Strukturelementen
aus nichtleitendem Material angeordnet sind, die als Isolationen, Platinen (7) oder
Gehäuse ausgebildet sein können.
4. Struktur (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die elektromagnetische Wellen leitenden Elemente HF-Ströme leiten, wie Koaxkabel
oder Hohlleiter und von HF-abschirmenden Strukturteilen, wie Abschirmungen oder Gehäusen,
umgeben sein können.
5. Struktur (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, daß
die elektromagnetische Wellen leitenden Elemente lichtleitende Fasern (11) sind, die
als Signalleitungen zwischen optischen oder opto-elektronischen Bauteilen angeordnet
sind.
6. Struktur (4) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß
die elektromagnetische Wellen leitenden Elemente und die isolierenden Elemente der
Struktur bereits als strahlende Antennenfläche einer Gruppenantenne ausgebildet sind.