[0001] Die Erfindung betrifft eine Antenne gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.
[0002] Eine derartige Antenne ist zum Empfang von Satelliten-Navigationsinformationen aus
der US 6,098,547 A in der Bauform einer quer zur Systemachse im vorderen Bereich eines
Artilleriezünders gehalterten dielektrischen Scheibe bekannt, die beiderseits metallisch
beschichtet und zum induktiven Abgleich ihrer Resonanzfrequenz mit achsparallelen
elektrisch leitenden Durchstiegen zwischen den beiderseitigen Metallisierungen ausgestattet
ist. Die dadurch gegebenen Abgleichmöglichkeiten sind aber recht beschränkt und für
die Belange der Praxis schlecht ausführbar. Vor allem aber weist dieser Antennenaufbau
weder in sich noch hinsichtlich der apparativen Integrationsmöglichkeiten die wünschenswerte
mechanische Stabilität gegen die beim Abschuß einer drallstabilisierten Munition auftretenden
Beschleunigungskräfte auf.
[0003] Das gilt entsprechend für den aus der US 4,305,078 A bekannten axialen Stapel aus
durch Metallisierungen voneinander getrennten dielektrischen Scheiben zum Ausbilden
einer Mehrfrequenz-Schlitzantenne, die vom Innenleiter eines koaxialen Antennenkabels
bis zum Anschluß an die oberste Metallisierung axial durchquert ist, mit Anschluß
des Außenleiters an die gegenüberliegende Außenmetallisierung des Schichtenaufbaus.
[0004] Aus der WO 99/02936 A2 ist eine Fallbombe bekannt, die im Zentrum ihres Hecks mit
einer sandwich- oder patchartigen Satellitenantenne ausgestattet ist. Während der
Fallbewegung ins Zielgebiet hält deren kugelförmige Antennencharakteristik Kontakt
zu über dem Horizont stehenden Navigationssatelliten, um durch Endphasensteuerung
die Treffergenauigkeit zu erhöhen.
[0005] Eine solche Antennenkonfiguration ist für Artilleriemunition jedoch unzweckmäßig.
Denn die von der Heckantenne her etwa symmetrisch zur Projektil-Längsachse nach rückwärts
orientierte Antennen-Richtcharakteristik wäre während des größten Teils der Flugbewegung
einer Artilleriemunition längs einer mehr oder weniger gestreckten ballistischen Bahn
nur auf den Horizont gerichtet, anfangs sogar darunter und nach dem Apogäum nur geringfügig
darüber. Dadurch wäre die Wahrscheinlichkeit gering, eine für rasche und präzise Bahnpunktbestimmung
zur Bahnkorrektur hinreichende Anzahl von Navigationssatelliten gleichzeitig hinreichend
störungsfrei erfassen zu können. Auch der Einbau einer solchen Patch-Antenne in die
Spitze des Projektils wäre unbefriedigend, weil deren dann koaxial nach voraus orientierte
Kugelcharakteristik nur in der allerersten Phase der Flugbahn deutlich über den Horizont
gerichtet wäre, was aber notwendig ist, um zu mehreren Satelliten in günstiger Konstellation
Kontakt aufzunehmen. Nach dem Apogäumsdurchgang ist die Spitze eines Munitionsartikels
dann wieder zum Untergrund hin gerichtet, so daß nun allenfalls die sehr störbehafteten
Bodenreflexe von Satellitensignalen aufgenommen werden könnten.
[0006] Darüber hinaus besteht speziell bei Artilleriemunition angesichts der in der Praxis
nicht ideal achssymmetrisch kugelförmigen Antennencharakteristiken das Problem der
Rotation zur Spinstabilisierung von ballistisch verbrachten oder auch nur zur Kompensation
von Abgangsstörungen bei triebwerksbeschleunigten und aerodynamisch stabilisierten
Projektilen. Denn die im Querschnitt nicht kreisförmige Antennencharakteristik hat
zur Folge, daß die Signale rotationsabhängig moduliert werden, was die Auswertung
der übermittelten Informationen stark beeinträchtigt und deshalb erheblichen signalverarbeitungstechnischen
Mehraufwand bedingt.
[0007] Solche rotationsbedingten Probleme treten erst recht auf, wenn gemäß der DE 44 01
315 A1 eine ungelenkte Rakete zur GPS-gestützten Flugbahnkorrektur durch bedarfsweise
raumrichtungsabhängig auszulösenden Querschub mit mehreren Triebwerken ausgestattet
wird, die mit Spannbändern auf die Außenmantelfläche des Raketenkörpers geschnallt
sind, wobei wenigstens eines dieser Triebwerke zusätzlich mit einer dort nicht näher
beschriebenen GPS-Antenne ausgestattet ist. Eine störungsfreie Rundumcharakteristik
ist von einer solchen asymmetrischen Spannband-Antennenkonfiguration nicht zu erwarten.
[0008] Vergleichbare Probleme bestehen, wenn mittels der Antenne nicht Informationen von
Satelliten (wie Positionsinformationen von Navigationssatelliten) aufgenommen und
an Bord der Munition verarbeitet werden sollen, sondern wenn Informationen aus der
Munition mittels Telemetriesendern an erdfeste oder orbitale Empfangs- oder Relaisstationen
zu übermitteln sind.
[0009] In Erkenntnis der vorstehend geschilderten Gegebenheiten liegt vorliegender Erfindung
die technische Problemstellung zugrunde, eine hinsichtlich ihrer mechanischen und
elektrischen Eigenschaften zur einfachen, auch nachträglichen Applikation an rollende
Artilleriemunition geeignete Höchstfrequenz-Antenne insbesondere für Satellitenkommunikation
einschließlich Navigation und Telemetrie im L- und S-Band zu schaffen.
[0010] Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruch angegebene Kombination
der wesentlichen Merkmale realisiert. Danach ist die Schlitzantenne wieder in die
Munitionskörper-Ogive mit ihrem abschraubbaren Kopfzünder integriert und so problemlos
auch erst nachträglich auf den Munitionskörper applizierbar. Die axiale Lage der Antenne
richtet sich nach dem frequenzabhängigen Druchmesser und ist deshalb für den Empfang
von Navigationssatelliten weiter zur Basis, für die höherfrequente Telemetriekommunikation
dagegen weiter zur Spitze des Zünders hin verschoben. Die äußere Öffnung des Schlitzes
liegt radial direkt hinter einem in der Kegelmantelfläche des Zünders umlaufenden
Schlitz. Längs dessen erstreckt sich dann eine axialsymmetrisch ringwulstförmige Antennencharakteristik,
so daß trotz der Rotation um die Längsachse der Munition stets ein Segment praktisch
konstant bleibender Empfindlichkeit den Halbraum über dem Horizont erfaßt, ohne daß
es dafür schaltungstechnisch aufwendiger und womöglich elektrisch störender Umschaltvorgänge
wie im Falle der nachgeführten Antennencharakteristik gemäß EP 0 840 393 A2 bedarf.
[0011] Gestaltet ist die Antenne wieder als scheibenförmiger aber nun extrem beschleunigungsfester
Sandwich-Aufbau aus Metalldrehteilen mit einem zur Kegelachse konzentrischen Resonator-Ringraum,
der sich einer zylindrischen Reflektorwand gegenüber mit dem radial umlaufenden Strahler-Schlitz
in die Kegelmantelfläche des Zünders öffnet. Der Ringraum ist in seiner Mitten- oder
Symmetrieebene quer zur Längsachse geteilt, um hier eine Ringscheibe aus elektrisch
möglichst schlecht leitendem Material erhöhter Dielektrizitätskonstante einlegen zu
können, das sich durch niedrige dielektrische Verluste und hohe Kriechstromfestigkeit
unabhängig von Frequenz und Temperatur auszeichnet, wie das fluorhaltige Polymerisat
PTFE (Polytetrafluorethylen), das unter Handelsnamen wie Teflon, Fluon oder Hostaflon
auf dem Markt ist. Mittels Materialwahl und Abmessung dieser Ringscheibe läßt sich
nach der Vorgabe der geometrischen Abmessungen des Ringraumes nachträglich ohne weiteres
noch eine elektrische Resonanzfeinabstimmung auf z.B. eine bestimmte Satellitenfrequenz
vornehmen. Vorzugsweise ist außer dem eigentlichen Ringraum auch der davon radial
ausgehend umlaufende Antennen-Schlitz dielektrisch aufgefüllt, nämlich durch einen
außen an der Ringscheibe flanschartig umlaufenden, radial bis zur Kegelmantelfläche
des Zünders sich erstreckenden Kragen.
[0012] Die Verschaltung der Antenne erfolgt über ein zweiadriges, an wenigstens zwei axial
voreinander gelegene Stellen der Innenränder des Schlitzes angeschlossenes Antennenkabel.
Um eine orthogonale Dipolstruktur zu erzeugen, sind vier solche Anschlußstellen an
den Ecken eines konzentrisch zur Zünderachse gedachten Quadrates ausgebildet und über
ein Anpaßnetzwerk auf die genormte Impedanz einer 50-Ohm-Koaxialleitung zum rückwärtig
im Zünder untergebrachten Antennenverstärker zusammengeführt.
[0013] Jedenfalls liefert die Erfindung eine problemlos abstimmbare, mechanisch extrem beanspruchbare
Schlitz-Antenne für den Zünder von Artilleriemunition durch einen Sandwich-Aufbau,
bei dem ein zwischen einer oberen und einer unteren formstabil profilierten metallischen
Deck-Scheibe axial eingeschlossener, axial geteilter Resonator-Ringraum mit einer
dielektrischen Ringscheibe bestückt ist, die sich mit einem umlaufenden Kragen der
zentralen zylindrischen Reflektorwand radial gegenüber durch einen axialen Schlitz
zwischen den beiden hohlzylindrischen Außenwänden des Ringraumes hindurch bis zur
äußeren Oberfläche des ebenfalls umlaufend geschlitzten Zündermantels erstreckt. Bei
einer der beiden Deck-Scheiben ist der innere Rand des in den Ringraum mündenden Antennen-Schlitzes
durch einen hier in die Stirn der Außenwandung einlegbaren Reifen definiert, an dem
in Umfangsrichtung gegeneinander versetzte Anschlußstellen durch die dielektrische
Ringscheibe und die axial gegenüberliegende Deck-Scheibe hindurch zu einer Schaltungsträger-Scheibe
kontaktiert sind, worauf sie mittels eines Anpassungsnetzwerkes einphasig auf eine
Antennenleitung zusammengeführt sind, deren zweite Phase direkt an die dort benachbarte
Deck-Scheibe angeschlossen ist.
[0014] Zusätzliche Weiterbildungen und weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus den weiteren Ansprüchen und aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung
unter Beschränkung auf das Wesentliche etwas abstrahiert aber angenähert maßstabsgerecht
skizzierten bevorzugten Realisierungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. In der
Zeichnung zeigt:
- Fig. 1
- den auf eine Artilleriemunition applizierbaren Zünder mit seinem in diesem Beispiel
zwischen halber axialer Höhe und der Basisebene des Zünders gelegenen, mit dielektrischem
Material gefüllten Antennen-Schlitz in isometrischer Ansicht,
- Fig. 2
- nach Art einer Explosionsdarstellung die zwischen Spitze und Basis eines Zünders nach
Fig.1 axial eingespannte Antenne und
- Fig. 3
- nach Art einer Explosionsdarstellung den mechanischen Sandwich-Aufbau der Antenne
gemäß Fig.2.
[0015] Der in Fig. 1 in Ansicht gezeigte Kopf-Zünder 11 ist dafür bestimmt, mittels eines
nicht dargestellten Gewindes vor die konisch sich verjüngende Front einer drallstabilisierten
oder aerodynamisch stabilisierten Artilleriemunition geschraubt zu werden. Er ist
mit einem seine leicht ballige Kegel-Wandung 12 ringsum radial durchdringenden Antennen-Schlitz
13 ausgestaltet, der mit dielektrischem Material gefüllt ist, das mit der axial beiderseits
anschließenden Außenmantelfläche der Wandung 12 bündig abschließt. Vor der Radialebene
des Schlitzes 13, also zur Spitze des Zündervorderteils 15 hin gelegen, befinden sich
mechanische oder elektromechanisch wirkende Sicherungs- und Auslöseeinrichtungen des
Zünders 11 sowie gegebenenfalls aerodynamisch wirkende Bremseinrichtungen zur Flugbahnverkürzung,
wie in der eigenen älteren Anmeldung 199 57 363.8 vom 29.11.99 näher beschrieben (worauf
hier zur Ergänzung vorliegender Erfindungsoffenbarung hinsichtlich eines bevorzugten
Anwendungsfalles der Schlitzantenne voll-inhaltlich Bezug genommen wird). Hinter der
Radialebene des Schlitzes 13, also zur Basis des Zünderhinterteils 16 hin gelegen,
befinden sich elektrische Schaltungen zur Antennenverstärkung und Signalverarbeitung
der über den Schlitz 13 im Höchstfrequenzspektrum abgestrahlten oder aufgenommenen
elektromagnetischen Energie.
[0016] Wie in Fig. 2 skizziert sind Zündervorderteil 15 und Zünderhinterteil 16 unter koaxialer
Zwischenlage der mechanisch extrem hoch beanspruchbaren Antenne 17 mittels zur Zünder-Längsachse
18 parallel verlaufender, durch die Antenne 17 hindurch sich erstreckender Spannschrauben
19 miteinander verbunden. Eine flexible Antennenleitung 20 mit Koaxialquerschnitt
führt zum im Zünderhinterteil 16 gelegenen Antennenverstärker (nicht zeichnerisch
dargestellt). Bei diesem handelt es sich im Falle einer Empfangsantenne um einen Vorverstärker
vor der und im Falle einer Sendeantenne um einen Leistungsverstärker nach der Empfänger-
bzw. Sender-Signalverarbeitungsschaltung, die wie ihre Stromversorgungseinheit 22
(etwa in Form einer aktivierbaren Batterie oder eines Anströmungsgenerators) im Bereich
der Basis des Zünderhinterteils 16 eingebaut ist.
[0017] Aus der Detaildarstellung Fig. 3 ergibt sich, daß und wie die scheibenförmige Antenne
17 aus verwindungssteifen Komponenten sandwichartig aufgebaut ist. Sie besteht im
wesentlichen aus zwei mechanisch steifen metallenen Deck-Scheiben, nämlich einer zum
Zündervorderteil 15 hin gelegenen, tellerartig flach topfförmig rotationssymmetrisch
profilierten metallenen Oberscheibe 23 und einer dazu gegensinnig orientiert zum Zünderhinterteil
16 hin gelegenen, ebenfalls tellerartig flach topfförmigen - aber in diesem Beispielsfalle
aus Handhabungsgründen für den Anschluß der Antennenleitung zweiteiligen - rotationssymmetrisch
profilierten metallenen Unterscheibe 24. Jede dieser beiden Scheiben 23-24 weist eine
zentrale Versteifung in Form eines vom Topf-Boden 26 zwischen die Wandungen 24 bzw.
31 koaxial hervorragenden Sockels 25 auf. Dadurch ist radial zwischen diesen Sockeln
25 und den dazu distanziert umlaufenden, hohlzylindrischen Wandungen 27, 31 sowie
axial zwischen den Böden 26 ein quer zur Längsachse 18 etwa mittig geteilter Resonator-Ringraum
28 definiert, indem bei axial voneinander beabstandeten Stirnkanten der Wandungen
27-31 die tellerförmige Oberscheibe 23 mit ihrem Sockel elektrisch leitend da flächig
axial auf der Stirn des Sockels 25 in der ebenfalls tellerförmigen Unterscheibe 24
aufliegt. Die axial voneinander beabstandeten Stirnkanten der Wandungen 27-31 definieren
als zwischen einander, der zylindrischen Reflektorwand der Sockel 25 radial gegenüber,
den radial vom Ringraum 28 ausgehenden eigentlichen Antennen-Schlitz 13'.
[0018] Da dieser Ringraum 28 also axial geteilt ist, läßt sich in ihn vor dem Aufsetzen
der Oberscheibe 23 eine Ringscheibe 29 aus dielektrischem Material einlegen. Die weist
einen außen radial umlaufenden, flanschförmig vorstehenden Kragen 30 von gegenüber
der Ringscheibe 29 deutlich geringerer axialer Stärke auf. Der Kragen 30 erstreckt
sich radial bezüglich der Längsachse 18 durch den Schlitz 13' hindurch, der aufgrund
der axialen Höhe der Sockels 25 zwischen den aufeinander zu weisenden Stirnflächen
der den Ringraum 28 außen einfassenden Wandungen 27 und 31 verbleibt. Der Kragen 30
ragt vorzugsweise sogar noch radial durch den Schlitz 13' hindurch in den Schlitz
13 in der Wandung 12 zwischen Zündervorderteil 15 und Zünderhinterteil 16 hinein,
bis zum bündigen Abschluß mit den unmittelbar benachbarten Außenmantelflächen. Das
erleichtert die Montage beim axialen Zusammenfügen von Zündervorder- und -hinterteil
15-16 über die Antenne 17 und vermeidet hier Wirbelbildungen im Bereich der strömungsdynamisch
besonders empfindlichen Ogive des Munitionskörpers.
[0019] In der Radialebene vor der Oberscheibe 23, also zum Zündervorderteil 15 hin gelegen,
ist die Antenne 17 mit einer dielektrischen Scheibe 32 belegt. Diese dient als Verdrahtungsträger
für ein Verknüpfungsnetzwerk zwischen vier zueinander orthogonalen Anschlüssen an
das innen, zum Ringraum 28 hin gelegene Ende des Antennen-Schlitzes 13'. Dazu sind
auf der Scheibe 32 an den Ecken eines gedachten Quadrates vier Koaxialleiterstücke
33 parallel zur System-Längsachse 18 verankert. Die Innenleiter durchgreifen die Ringscheibe
29, um schließlich an einem schmalen elektrisch leitenden Reifen 35 zu enden. Die
Außenleiter sind mit der Oberscheibe 23 und mit der Unterseite der Schaltungsträgerscheibe
32 leitfähig verbunden. Der ist Bestandteil der zweiteiligen Unterscheibe 23 und derart
in eine Stirnausdrehung in dessen Wandung 31 einlegbar, daß er die rückwärtige innere
Kante des zum Ringraum 28 sich öffnenden Schlitzes 13'definiert. Zunächst aber ist
an diese Schlitz-Kante in Form des noch aus der Unterscheibe 24 entnommenen Reifens
35 der Innenleiter der koaxialen Antennenleitung 20 angeschlossen, nämlich über das
auf der Schaltungsträger-Scheibe 33 ausgebildete Netzwerk zum Zusammenführen der vier
jeweils um 90° gegeneinander versetzten Kontaktpunkte am umlaufenden Schlitz 13' und
über die Leiterstifte mittels einer Steckverbindung in Form einer Koaxial-Steckbuchse
36. Danach wird die Unterscheibe 24 von rückwärts über diesen so schon durch die dielektrische
Ringscheibe 29 hindurch an die Schaltungsträger-Scheibe 32 vor der Oberscheibe 23
elektrisch angeschlossenen Reifen 35 gestülpt.
[0020] Die der rückwärtigen axial gegenüberliegende, vordere innere Schlitzkante ist durch
die innere Stirnkante der umlaufenden Wandung 31 der Oberscheibe 23 gegeben. Deren
elektrischer Anschluß an den Außenleiter der Antennenleitung 20 erfolgt dadurch, daß
die Koaxial-Steckbuchse 36 für die Antennenleitung 20, die Ringscheibe 29 und die
Unterscheibe 24 zum Zünderhinterteil 16 hin unter Spiel achsparallel durchgreifend,
mittels Verschraubungen 37 exzentrisch auf die Innenseite des Bodens der Oberscheibe
23 montiert ist.
[0021] Dieser in Fig. 3 dargestellte, schon in sich mechanisch äußerst stabile Sandwich-Aufbau
der Antenne 17 wird mittels Schrauben 38 koaxial zwischen Antennen-Unterscheibe 24
und -Oberscheibe 23 unter Zwischenlage des die hohlzylindrischen Wandungen 26, 31
radial durchgreifenden Kragens 30 axial miteinander verspannt und dadurch zusätzlich
verwindungssteif. Auf wenigstens einem der Boden-Sockel 25 montierte Pfeiler 39, die
durch die Ringscheibe 29 hindurch in die axial gegenüberliegende Scheibe 23 bzw. 24
eingreifen, dienen beim axialen zusammenführen als Montagehilfe und danach als Verdrehsicherung
zwischen Oberscheibe 23 und Unterscheibe 24, also der Aufnahme drallbedingter Rotationskräfte
zwischen diesen beiden Teilen des Hohlraumresonators der Schlitzantenne 17.
1. Quer zur Längsachse (18) konzentrisch in einem Artillerie-Zünder (11) angeordnete
scheibenförmige Schlitz-Antenne (17), dadurch gekennzeichnet, daß sie als ein geteilter und mit einer dielektrischen Ringscheibe (29) bestückter Resonator-Ringraum
(28) ausgelegt ist, deren Antennen-Schlitz (13') einer zentralen zylindrischen Reflektorwand
radial gegenüber zwischen den axial zueinander distanziert umlaufenden hohlzylindrischen
Wandungen (27-31) des Ringraumes (28) gegeben ist.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheibe (29) mit einem flanschartig radial umlaufenden Kragen (30) in den
Schlitz (13) hineinragt.
3. Antenne nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (30) mit der äußeren Oberfläche der umlaufend geschlitzten (13) Zünder-Wand
(12) bündig abschließt.
4. Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringraum (28) zwischen flach topfförmigen metallischen Scheiben (23-24) ausgebildet
sind, die mit aus deren Böden (26) hervor ragenden zentralen Sockeln, (25) unter axialer
Distanz ihrer voreinander umlaufenden Wandungen (27-31), großflächig gegeneinander
axial abgestützt sind.
5. Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mit einer Schaltungsträger-Scheibe (32) bestückt ist, die ein Netzwerk zum Zusammenführen
mehrerer längs eines inneren Randes des Schlitzes (13') gelegenen Anschlußstellen
auf eine Ader einer Antennenleitung (20) aufweist.
6. Antenne nach dem vorangehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Rand des Schlitzes (13') durch einen Reifen (35) gegeben ist, der in eine
der hohlzylindrischen Wandungen (27 oder 31) des Ringraumes (28) stimseitig eingelegt
ist.
7. Antenne nach den beiden vorangehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Reifen (35) an peripher gegeneinander versetzten Orten mittels achsparallel die
Ringscheibe (29) und die dahinter gelegene Deck-Scheibe (23 oder 24) des Ringraumes
(28) durchgreifender Leiterstifte (33) an das Netzwerk auf der Schaltungsträger-Scheibe
(32) elektrisch leitend angeschlossen ist.
8. Antenne nach einem der drei vorangehenden Ansprüche; dadurch gekennzeichnet, daß die Ringraum-Deckscheibe (23 oder 24), außerhalb derer die Schaltungsträger-Scheibe
(32) angeordnet ist, für den Anschluß einer Antennenleitung (20) mit einer Steckbuchse
(36) bestückt ist, die einpolig mit der Deck-Scheibe (23 bzw. 24) und einpolig mit
dem Netzwerk auf der dahinter gelegenen Schaltungsträger-Scheibe (32) verbunden ist.