[0001] Die Erfindung betrifft eine Radomwandung für Kommunikation im Frequenzband von 17
bis 31 GHz zur Nutzung an Verkehrsflugzeugen, sowie ein Radom mit entsprechender Radomwandung.
[0002] Zum Schutz von Antennen zur Abstrahlung und/oder zum Empfang von elektromagnetischer
Strahlung vor äußeren mechanischen oder chemischen Einflüssen, wie bspw. Wind und
Regen, sind als "Radome" bezeichnete Schutzhüllen für Antennen bekannt. Neben der
zum Schutz der Antennen erforderlichen strukturellen Festigkeit ist für Radome wesentlich,
dass sie ein geeignetes Transmissionsverhalten aufweisen, also im ausreichenden Maße
durchlässig für die elektromagnetische Strahlung in dem für die zu schützende Antenne(n)
relevanten Frequenzbereich - für Kommunikationsanwendungen wie Datenübertragung bspw.
von 17 bis 31 GHz - sind.
[0003] Insbesondere für Anwendungen, in denen die Formgebung eines Radoms nicht beliebig
frei gewählt werden kann, ist es weiterhin erforderlich, dass die Wandung des Radoms
auch in einem ausreichend großen Bereich für den Einfallswinkel ausgehend von einem
orthogonalen Auftreffen der Strahlung auf die Wandung ein gutes Transmissionsverhalten
aufweisen. Ein Beispiel für eine solche Anwendung ist der Schutz von Antennen zur
Satellitenkommunikation an Verkehrsflugzeugen, bei denen die Radome aus aerodynamischen
Gründen an die Formgebung der Flugzeughülle angepasst sein müssen, womit jedoch die
elektromagnetische Strahlung regelmäßig nicht orthogonal auf die Radome auftritt bzw.
diese durchdringt.
[0004] Im Stand der Technik, wie er bspw. in
EP 2 747 202 A1 zusammengefasst ist, sind Radome aus drei- oder fünf-lagigen Sandwichstrukturen umfassend
GFK- und Schaumstofflagen bekannt, die einerseits ein ausreichendes Transmissionsverhalten
aufweisen, andererseits bei geringem Gewicht ausreichende strukturelle Festigkeit
bieten. Hierzu lassen sich für gewünschte Frequenzbereiche geeignete Lagenanordnungen,
insbesondere im Hinblick auf die Dicke der einzelnen Lagen berechnen, wobei auch die
Dielektrizitätskonstanten der einzelnen Lagenmaterialen berücksichtigt werden müssen.
[0005] Die Dokumente
US 9 123 998 B1 und
US 5 849 234 A zeigen jeweils ein Radom, unter anderem für Kommunikationsantennen von Flugzeugen,
dessen Wandung einen symmetrischen Mehrlagenaufbau umfassend Deck- und Kernschichten
aufweist. Aus dem Dokument
US 3 002 190 A ist eine Radomwandung mit Mehrschichtaufbau aus Deckschichten und Kernschichten bekannt.
[0006] US 2011/050370 A1 offenbart einen Wandaufbau zum Schutz von Radaranlagen vor äußeren Einflüssen, der
einen Schichtaufbau aus mehreren Sandwichstrukturen mit jeweils einem Kern und zwei
Deckschichten umfasst, wobei zwischen Sandwichstrukturen jeweils eine Abstandshalterschicht
vorgesehen sein kann.
[0007] Nachteilig an dem Stand der Technik ist jedoch, dass die Güte des Transmissionsverhaltens
bei von einem orthogonalen Auftreffen der elektromagnetischen Strahlung auf die Radomwandung
abweichenden Einfallswinkel stark von der Einhaltung der zuvor berechneten Dicke der
einzelnen Lagen abhängt. In der Folge sind die Fertigungstoleranzen hinsichtlich Dicke
der einzelnen Lagen sehr gering, was eine aufwendige und kostenintensive Herstellung
zur Folge hat.
[0008] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Radomwandung zu schaffen, bei der
die Nachteile aus dem Stand der Technik nicht mehr oder zumindest nur noch im verminderten
Umfang auftreten.
[0009] Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Radomwandung gemäß dem Anspruch 1 sowie durch
ein Radom gemäß dem nebengeordneten Anspruch 5. Vorteilhafte Weiterbildungen sind
Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
[0010] Demnach betrifft die Erfindung eine Radomwandung für Kommunikation im Frequenzband
von 17 bis 31 GHz zur Nutzung an Verkehrsflugzeugen umfassend einen Mehrschichtaufbau
mit wechselnder Anordnung von kraftaufnehmenden festen Deckschichten und schubsteifen
Kernschichten, wobei zwei Deckschichten die Außenseiten der Radomwandung bilden und
Radomwandung aus fünf Deckschichten und vier Kernschichten gebildet ist, deren Materialstärken
der Reihe nach 0,63 mm, 2,50 mm, 0,84 mm, 2,00 mm, 1,06 mm, 2,00 mm, 0,84 mm, 2,50
mm, 0,63 mm betragen, womit die beiden der Außenseiten der Radomwandung nächstliegenden
Kernschichten dicker sind als die der Mittelebene der Radomwandung nächstliegende
Kernschichten, wobei die fünf Deckschichten und die vier Kernschichten aus dielektrischen
Materialien sind, wobei die Dielektrizitätskonstante der Deckschichten zwischen 2,8
und 4,0 und die Dielektrizitätskonstante der Kernschichten zwischen 1,0 und 1,2 liegen
und die Toleranz für die Dicke der Deckschichten für eine Nenndicke bis 1 mm ±20%
und für eine Nenndicke über 1 mm ±0,2 mm beträgt und die Toleranz für die Dicke der
Kernschichten ±0,2 mm beträgt.
[0011] Die Erfindung betrifft weiterhin ein Radom zur Nutzung an Verkehrsflugzeugen, dessen
Wandung erfindungsgemäß ausgebildet ist.
[0012] Die erfindungsgemäße Radomwandung zeichnet sich dadurch aus, dass sie in Sandwichbauweise
mit
n ≥ 4 Deckschichten und - da die Außenseiten der Wandung jeweils durch eine Deckschicht
gebildet werden sollen -
n-1 Kernschichten gebildet wird. Bei den Deckschichten handelt es sich um kraftaufnehmende
feste Schichten, die von lediglich formstabilen Kernschichten gestützt und auf Abstand
gehalten werden. Die Kernschichten nehmen dabei im Vergleich zu den Deckschichten
nur einen geringen Teil der auf das Bauteil einwirkenden Kräfte auf, weisen unter
Belastung aber dennoch nur eine kaum nennenswerte und zu vernachlässigende Deformation
unter Betriebslast (häufig weit unter 1%) auf. Im Regelfall ist das spezifische Gewicht
der Deckschicht höher als das spezifische Gewicht der Kernschichten. Im Stand der
Technik sind entsprechende Sandwichbauweisen grundsätzlich bekannt und - nicht nur
in Bezug auf Radome - weit verbreitet. Insbesondere ist bekannt, dass sich mithilfe
einer Sandwichbauweise eine hohe Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht erreichen
lässt.
[0013] Für die Verwendung der Sandwichbauweise für Radome ist weiterhin erforderlich, dass
die so gebildete Radomwandung ein gutes Transmissionsverhalten aufweist. Insbesondere
soll in dem für die durch das Radom geschützte Antenne relevanten Frequenzbereich
eine möglichst geringe Dämpfung bzw. eine hohe elektromagnetische Durchlässigkeit
über einen möglichst großen Einfallswinkelbereich erreicht werden. Während Entsprechendes
grundsätzlich auch bei drei- oder fünf-lagigen Sandwichstrukturen gemäß dem Stand
der Technik erreichbar ist, erfordert dies jedoch eine hochgenaue Fertigung. Insbesondere
in Bezug auf die Dicke der einzelnen Schichten müssen im Stand der Technik sehr geringe
Fertigungstoleranzen zur sicheren Vermeidung von Verschlechterungen der Transmissionseigenschaften
eingehalten werden.
[0014] Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bei einem Mehrschichtaufbau der
Radomwandung mit wenigstens vier Deckschichten - also einer wenigstens sieben-lagigen
Sandwichstruktur - ein deutlich toleranteres Design gegenüber kleineren Dickenschwankungen
führt, ohne dass es zu relevanten Verschlechterungen der relevanten Transmissionseigenschaften
kommt. Trotz der größeren Anzahl der Schichten und dem damit einhergehenden größeren
Herstellungsaufwand, lassen sich dennoch die Herstellungskosten einer erfindungsgemäßen
Radomwandung gegenüber einem drei- oder fünf-lagigen Design aus dem Stand der Technik
reduzieren, da die Fertigungstoleranzen deutlich großzügiger gewählt werden können.
Gleichzeitig lässt sich eine hohe Gesamtfestigkeit der Radomwandung erreichen, die
wenigstens derjenigen eines drei- oder fünf-lagigen Design entsprechen kann. Auch
sind in der Regel Gewichtseinsparungen gegenüber dem Stand der Technik möglich.
[0015] Durch geeignete Wahl der Dicken der einzelnen Deck- und Kernschichten lassen sich
- unter Berücksichtigung der jeweiligen Dielektrizitätskonstanten - für den gewünschten
Frequenzbereich durch einfache, dem Fachmann grundsätzlich bekannte Parameterstudien
optimale Dicken für die einzelnen Schichten bestimmen, mit denen sich gute elektromagnetische
Transmissionseigenschaften im gewünschten Frequenzbereich erreichen lassen. Dabei
lassen sich die guten Transmissionseigenschaften über einen großen Winkelbereich von
0° bis zu ca. 65°, jeweils bezüglich der Flächennormalen der Außenseite der Radomwandung
an der Stelle, an der die elektromagnetische Strahlung auftrifft. Dies ist insbesondere
vorteilhaft für Radome von Antennen für die Satellitenkommunikation an Bord von Verkehrsflugzeugen,
die regelmäßig im Frequenzbereich von 17 bis 31 GHz arbeiten. Es ist so möglich, das
Radom aerodynamisch günstig als Teil der Außenhülle des Flugzeugs auszugestalten,
ohne dass es zu einem maßgeblichen Bandbreitenverlust käme. So lassen sich rumpf-
oder leitwerksmontierte Antennen für die Breitband-Satellitendatenübertragung realisieren.
[0016] Es ist bevorzugt, wenn die Radomwandung flächensymmetrisch zur Mittelebene der Radomwandung
ist. Aufgrund des symmetrischen Aufbaus ist sichergestellt, dass sowohl für das Senden
als auch das Empfangen von Signalen durch die von der Radomwandung geschützte Antenne
die gleichen guten Transmissionseigenschaften vorliegen.
[0017] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die beiden der Außenseiten der Radomwandung
nächstliegenden Kernschichten dicker sind als die der Mittelebene der Radomwandung
nächstliegende Kernschicht(en). Durch eine entsprechende Ausgestaltung der Schichten
wird der gute Transmissionsgrad insbesondere über einen weiten Einfallswinkelbereich
(bspw. von 0° bis 65°) sichergestellt.
[0018] Die Toleranz für die Dicke der Deckschichten beträgt für eine Nenndicke bis 1 mm
±20%, und für eine Nenndicke über 1 mm ±0,2 mm betragen. Die Toleranz für die Kernschichten
beträgt ±0,2 mm. Entsprechende Toleranzen lassen sich bei der Herstellung einer erfindungsgemäßen
Radomwandung erreichen, ohne dass hierfür aufwendige und kostenintensive Fertigungsverfahren
erforderlich sind.
[0019] In einer ersten, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform, die lediglich der Veranschaulichung
dient, sind vier Deckschichten und drei Kernschichten vorgesehen, deren Materialstärken
der Reihe nach vorzugsweise 0,42 mm (Deckschicht), 2,00 mm (Kernschicht), 0,21 mm
(Deckschicht), 1,00 mm (Kernschicht), 0,21 mm (Deckschicht), 2,00 mm (Kernschicht),
0,42 mm (Deckschicht) betragen. Diese Materialstärken können selbstverständlich mit
den vorstehend erwähnten Toleranzen versehen sein.
[0020] In der erfindungsgemäßen Ausführungsform sind fünf Deckschichten und vier Kernschichten
vorgesehen, deren Materialstärken der Reihe nach 0,63 mm (Deckschicht), 2,50 mm (Kernschicht),
0,84 mm (Deckschicht), 2,00 mm (Kernschicht), 1,06 mm (Deckschicht), 2,00 mm (Kernschicht),
0,84 mm (Deckschicht), 2,50 mm (Kernschicht), 0,63 mm (Deckschicht) betragen. Auch
hier können die vorstehend genannten Toleranzen vorgesehen sein.
[0021] Beide bevorzugten Ausführungsformen zeigen sehr gute Transmissionseigenschaften für
einen Einfallwinkelbereich 0° bis 65°, wobei der Frequenzbereich für die guten Transmissionseigenschaften
maßgeblich über die Dielektrizitätskonstanten des verwendeten Materials für die Deck-
und die Kernschicht festgelegt werden kann. Die Bestimmung der erforderlichen Dielektrizitätskonstanten
zur Erreichung des gewünschten Frequenzbereiches ist dem Fachmann ohne Weiteres möglich.
Es ist dabei bevorzugt, wenn die Dielektrizitätskonstante der Deckschichten größer
ist als die Dielektrizitätskonstante der Kernschichten.
[0022] Für einen Frequenzbereich von 17 GHz bis 31°GHz liegt die Dielektrizitätskonstante
der Deckschichten zwischen 2,8 und 4,0, vorzugsweise zwischen 3,0 und 3,6. Die Dielektrizitätskonstante
der Kernschichten liegt zwischen 1,0 und 1,2.
[0023] Die Deckschichten sind vorzugsweise jeweils durch eine oder mehrere Lagen aus Prepreg-Material,
vorzugsweise Quarzglasfaser/Epoxidharz-Prepreg gebildet. Es kann sich insbesondere
um mit Harz vorimprägniertes Quarzfasergewebe handeln, wobei das Harz vorzugsweise
duroplastisch, weiter vorzugsweise ein Epoxidharz ist. Die Verwendung von Polyesterharz
ist ebenfalls möglich. Die Dicke eines einzelnen Prepregs beträgt dabei vorzugsweise
0,21 mm. Mit einem entsprechenden Prepreg lassen sich die Dicken der einzelnen Deckschichten
der bevorzugten Ausführungsformen ohne Weiteres erreichen.
[0024] Die Kernschichten sind vorzugsweise jeweils durch Schaummaterial, vorzugsweise aus
einem Polyimid-Hartschaumstoff, gebildet. Dadurch wird ein besonders geringes spezifisches
Gewicht der Radomwandung möglich. Durch geeignete Wahl des Schaummaterials kann die
erforderliche Formstabilität und die dielektrische Durchlässigkeit gewährleistet werden.
Bevorzugt lässt sich mit dem Schaummaterial eine homogene Oberfläche herstellen, die
eine großflächige Verbindung zur aufliegenden Deckschicht ermöglicht.
[0025] Das erfindungsgemäße Radom unterscheidet sich von aus dem Stand der Technik bekannten
Radomen lediglich in der Ausgestaltung der Radomwandung. Zur Erläuterung des erfindungsgemäßen
Radoms wird daher auf die vorstehenden Ausführungen verwiesen.
[0026] Die Erfindung wird nun anhand vorteilhafter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen beispielhaft beschrieben. Es zeigen:
- Figur 1:
- ein schematischer Schnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer nicht erfindungsgemäßen
Radomwandung; und
- Figur 2:
- ein schematischer Schnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Radomwandung.
[0027] In Figur 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer nicht erfindungsgemäßen Radomwandung
1 für Kommunikation, insbesondere Datenübertragung, im Frequenzband von 17 bis 31
GHz zur Nutzung an Verkehrsflugzeugen in einer Schnittansicht dargestellt.
[0028] Die Radomwandung 1 umfasst vier Deckschichten 11, 12, 12', 11' und drei Kernschichten
21, 22, 21'. Die Deckschichten 11 und 11' bilden dabei jeweils eine Außenseite der
Radomwandung 1, während die Kernschichten 21, 22, 21' jeweils zwischen zwei Deckschichten
11, 12, 12', 11' angeordnet sind.
[0029] Die Deckschichten 11, 12, 12', 11' sind aus Quarzglasfaser/Epoxidharz-Prepreg gebildet,
wobei die Dicke einer einzelnen Prepreglage 0,21 mm beträgt und die Dicken der Deckschichten
11, 12, 12', 11' jeweils ausschließlich ein Vielfaches hiervon sind.
[0030] Die Kernschichten 21, 22, 21' sind aus Schaummaterial, nämlich aus einem Polyimid-Hartschaumstoff.
[0031] Die Radomwandung 1 ist flächensymmetrisch zur Mittelebene 2 aufgebaut, wobei die
beiden der Außenseiten der Radomwandung 1 nächstliegenden Kernschichten 21, 21' dicker
sind als die in der Mittelebene 2 der Radomwandung 1 liegende Kernschicht 22.
[0032] Die Dicke der einzelnen Deck- 11, 12, 12', 11' und Kernschichten 21, 22, 21', sowie
deren jeweilige Dielektrizitätskonstanten ergeben sich aus der nachstehenden Tabelle:
| Schicht |
Dicke |
Dielektrizitätskonstante |
| 11 |
0,42mm |
3,3 |
| 21 |
2,00mm |
1,2 |
| 12 |
0,21mm |
3,3 |
| 22 |
1,00mm |
1,2 |
| 12' |
0,21mm |
3,3 |
| 21' |
2,00mm |
1,2 |
| 11' |
0,42mm |
3,3 |
[0033] Für die genannten Dicken der Deckschichten 11, 12, 12', 11' ist eine Toleranz von
±20% vorgesehen. Für die Dicken der Kernschichten 21, 22, 21' beträgt die Toleranz
±0,2 mm.
[0034] Die dargestellte Radomwandung 1 weist trotz der vergleichsweise großen Toleranzen
für einen Frequenzbereich von 17 bis 31 GHz bei einem beliebigen Einfallwinkel α zwischen
0° bis 65°sehr gute Transmissionseigenschaften auf.
[0035] Figur 2 zeigt eine schematische Schnittansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
einer erfindungsgemäßen Radomwandung 1, die ebenfalls für Kommunikation bzw. Datenübertragung
im Frequenzband von 17 bis 31 GHz zur Nutzung an Verkehrsflugzeugen ausgebildet ist.
[0036] Die Radomwandung 1 umfasst fünf Deckschichten 11, 12, 13, 12', 11' und in der Folge
vier Kernschichten 21, 22, 22', 21'. Die Deckschichten 11 und 11' bilden dabei wieder
jeweils eine Außenseite der Radomwandung 1. Die Anordnung der übrigen Schichten 12,
13, 12', 21, 22, 22', 21' ergibt sich aus Figur 2. Die Deck- 11, 12, 13, 12', 11'
und Kernschichten 21, 22, 22', 21' sind analog zum Ausführungsbeispiel gemäß Figur
1 aufgebaut.
[0037] Auch die Radomwandung 1 gemäß Figur 2 ist flächensymmetrisch zur Mittelebene 2 aufgebaut,
wobei die beiden der Außenseiten der Radomwandung 1 nächstliegenden Kernschichten
21, 21' dicker sind als die benachbart zur Mittelebene 2 der Radomwandung 1 liegenden
Kernschichten 22, 22'.
[0038] Die Dicke der einzelnen Deck- 11, 12, 13, 12', 11' und Kernschichten 21, 22, 22',
21', sowie die jeweilige Dielektrizitätskonstante ergeben sich aus der nachstehenden
Tabelle:
| Schicht |
Dicke |
Dielektrizitätskonstante |
| 11 |
0,63mm |
3,3 |
| 21 |
2,50mm |
1,2 |
| 12 |
0,84mm |
3,3 |
| 22 |
2,00mm |
1,2 |
| 13 |
1,06mm |
3,3 |
| 22' |
2,00mm |
1,2 |
| 12' |
0,84mm |
3,3 |
| 21' |
2,50mm |
1,2 |
| 11' |
0,63mm |
3,3 |
[0039] Für die genannten Dicken der Deckschichten 11, 12, 12', 11' ist eine Toleranz von
±20% vorgesehen. Für die Dicken der Kernschichten 21, 22, 22', 21' sowie für die Dicke
der Deckschicht 13 beträgt die Toleranz ±0,2 mm.
[0040] Auch die in Figur 2 dargestellte Radomwandung 1 weist für einen Frequenzbereich von
17 bis 31 GHz bei einem beliebigen Einfallwinkel α zwischen 0° bis 65°sehr gute Transmissionseigenschaften
auf.
1. Radomwandung (1) für Kommunikation im Frequenzband von 17 bis 31 GHz zur Nutzung an
Verkehrsflugzeugen umfassend einen Mehrschichtaufbau mit wechselnder Anordnung von
kraftaufnehmenden festen Deckschichten (11, 12, 13, 12', 11') und schubsteifen Kernschichten
(21, 22, 22', 21'), wobei zwei Deckschichten (11, 11') die Außenseiten der Radomwandung
(1) bilden und Radomwandung (1) aus fünf Deckschichten (11, 12, 13, 12', 11') und
vier Kernschichten (21, 22, 22', 21') gebildet ist, deren Materialstärken der Reihe
nach 0,63 mm, 2,50 mm, 0,84 mm, 2,00 mm, 1,06 mm, 2,00 mm, 0,84 mm, 2,50 mm, 0,63
mm betragen, womit die beiden der Außenseiten der Radomwandung (1) nächstliegenden
Kernschichten (21, 21') dicker sind als die der Mittelebene (2) der Radomwandung (1)
nächstliegende Kernschichten (22, 22'), wobei die fünf Deckschichten (11, 12, 13,
12', 11') und die vier Kernschichten (21, 22, 22', 21') aus dielektrischen Materialien
sind, wobei die Dielektrizitätskonstante der Deckschichten (11, 12, 13, 12', 11')
zwischen 2,8 und 4,0 und die Dielektrizitätskonstante der Kernschichten (21, 22, 22',
21') zwischen 1,0 und 1,2 liegen und die Toleranz für die Dicke der Deckschichten
(11, 12, 13, 12', 11') für eine Nenndicke bis 1 mm ±20% und für eine Nenndicke über
1 mm ±0,2 mm beträgt und die Toleranz für die Dicke der Kernschichten (21, 22, 22',
21') ±0,2 mm beträgt.
2. Radomwandung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Radomwandung (1) flächensymmetrisch zur Mittelebene (2) der Radomwandung (1) ist.
3. Radomwandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Deckschichten (11, 12, 13, 12', 11') jeweils durch eine oder mehrere Lagen aus
Prepreg-Material, vorzugsweise Quarzglasfaser/Epoxidharz-Prepreg gebildet wird, wobei
die Dicke des Prepregs vorzugsweise 0,21 mm beträgt.
4. Radomwandung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Kernschichten (21, 22, 22', 21') jeweils durch Schaummaterial, vorzugsweise aus
einem Polyimid-Hartschaumstoff, gebildet ist.
5. Radom zur Nutzung an Verkehrsflugzeugen,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Wandung des Radoms gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche ausgebildet ist.