Radom mit darin integriertem Plasmaverschluss

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Radom (1) mit darin integriertem Plasmaverschluss, welcher eine plasmaführende Schicht sowie Elektroden (10,11) zur Plasmaanregung umfasst. Erfindungsgemäß weist das Radom (1) eine Sandwichstruktur aus Wabenkern (9) und Deckplatten (12,13) auf, wobei die plasmaführende Schicht im Wabenkern (9) der Sandwichstruktur enthalten ist und die Elektroden (10,11) zumindest im Betriebsfrequenzbereich der Antenne (2) HFtransparent sind.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft ein Radom mit darin integriertem Plasmaverschluss nach dem Oberbegriff des Patentanspruch 1.

[0002] Antennen (z.B. von Radargeräten, aber auch von anderen Sensoren oder Kommunikationseinrichtungen) an Fluggeräten, aber auch an Schiffen oder Bodenstationen werden oft durch elektromagnetisch transparente Abdeckungen, so genannte Radome, von der Umwelt abgeschottet. Bei Radomen von militärischen Fluggeräten besteht dabei das Problem, das die für den Betrieb des darunter liegenden Antennensystems notwendige elektromagnetische Transparenz des Radoms dieses auch mehr oder weniger durchgängig für andere, unerwünschte elektromagnetische Wellen macht. Als Konsequenz daraus ergibt sich:

• Die Radarsignatur eines Radoms mit darunter liegender Antenne ist in der Regel aufgrund der Reflexionen aus dem Radominneren wesentlich höher als die Radarsignatur, die sich aus der Außengeometrie des Radoms bei leitfähiger bzw. radarabsorbierender Ausgestaltung ergeben würde.
• Die Antenne und die umgebenden Einbauten werden ungehindert durch in das Radom eindringende Störstrahlung beaufschlagt. Diese Störstrahlung kann entweder gezielt auf die Antenne und die umgebenden Einbauten gerichtet sein (z.B. von einem Störsender), oder von beliebigen Quellen stammen (z.B. von anderen Radargeräten oder anderen Strahlungsquellen).

[0003] Diese Problematik kann gemildert oder ganz verhindert werden, wenn das Radom nur in dem gewünschten Frequenzbereich und/oder nur zu den Zeiten, in denen die Antenne aktiv ist, elektromagnetisch transparent gestaltet wird.

[0004] Um dies zu erreichen, sind bereits verschiedene Verfahren bekannt:

• So genannte frequenzselektive Radome weisen eine Abhängigkeit der elektromagnetischen Transparenz als Funktion der Frequenz auf, so dass der eigene Arbeitsfrequenzbereich mehr oder weniger ungehindert durch das Radom hindurchgelassen wird, andere Frequenzbereiche jedoch geblockt bzw. stark gedämpft werden. Je nach Design und Anforderung kann es sich bei dem durch das frequenzselektive Radom gebildeten Frequenzfilter um ein Bandpass-, ein Hochpass- oder ein Tiefpass-Verhalten handeln.
• Schaltbare Radome können zwischen einem elektromagnetisch transparentem und einem elektromagnetisch reflektierenden oder absorbierenden Zustand hin- und hergeschaltet werden.

[0005] Frequenzselektive Radome können, je nach Anforderungsprofil, mit unterschiedlichen Methoden realisiert werden. Speziell die Verwendung von einer oder mehreren dünnen strukturierten Metallschichten, sogenannten Frequenzselektiven Schichten (FSS), die eine ausgeprägte Frequenzabhängigkeit der elektromagnetischen Transparenz aufweisen, ist z.B. aus der US 6,218,978 bekannt.

[0006] Schaltbare Radome können auf verschiedene Arten und Weisen realisiert werden. So sind mechanische Verschlusssysteme bekannte, bei denen Blenden vor die Antenne geschoben werden. Ein anderer Antritt besteht in dem Einführen von Schichten in das Radom, deren Flächenimpedanz variabel ist, etwa durch den Einsatz von PIN Dioden oder von Photowiderständen gemäß DE 39 20 110 C2. Damit kann je nach Schaltzustand die variable Schicht elektrisch leitfähig und damit reflektierend oder elektrisch isolierend und damit transparent wirken.

[0007] Ein weiterer Ansatz zur Realisierung einer variablen Schicht ist die Verwendung einer Schicht bzw. eines Volumens aus Plasma. Eine Plasmaschicht ist elektrisch leitend, und je nach Ladungsdichte im Plasma kann eine ausreichend hohe elektrische Leitfähigkeit zur Reflexion bzw. Dämpfung von elektromagnetischen Wellen erreicht werden. Dieses Verhalten wird bereits für plasma-basierte Antennen benutzt, siehe z.B. US 5,182,496. Durch Ein- und Ausschalten des Plasmas kann der gewünschte Schaltvorgang erreicht werden.

[0008] Prinzipiell besteht bei einem Plasmaverschluss die Frage der Integration des Plasmavolumens in den Radomaufbau. Von der russischen Akademie der Wissenschaften ist ein Plasmaverschlussystem bekannt geworden, bei dem der Raum zwischen Antenne und Radom mit einem Plasma gefüllt wird. Ein anderes Konzept gemäß der DE 43 36 841 C1 geht von plasmagefüllten Röhren vor der Antenne aus, bei denen das Plasma durch seitliche, nicht im Sichtbereich der Antenne liegende Elektroden erzeugt wird. Nachteilig an dem letztgenannten Konzept ist die Tatsache, dass das Verschlusselement gegenüber dem Radon ein separates Bauteil darstellt, so dass die Stabilität des Radoms durch den Einbau des Verschlusselements herabgesetzt wird. Die Integration des Verschlusselements in das Radom führt außerdem zu zusätzlichen Radarstreuzentren am Radom, was die Radarsignatur ungünstig beeinflusst. Darüber hinaus sind die beiden Elektroden zur Plasmaerzeugung seitlich an den Schmalseiten der plasmaführenden Schicht angeordnet, was die Homogenität des elektromagnetischen Feldes innerhalb der plasmaführenden Schicht vermindert.

[0009] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Radom mit integriertem Plasmaverschluss zum Schutz der Antenne gegen unerwünschten Strahlungseinfall zu schaffen, mit dem die Strukturfestigkeit und die Radarsignatur des Radoms nicht negativ beeinflusst werden.

[0010] Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.

[0011] Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Konzept, die plasmaführende Schicht in den Wabenkern der als Sandwich ausgebildeten Radomstruktur zu integrieren und die Generierunq des Plasmas durch Elektroden zu bewirken, die zumindest im Betriebsfrequenzbereich der Antenne HF-transparent sind.

[0012] Die die Plasmaschicht begrenzenden Deckplatten der Sandwichstruktur bilden somit selbst einen Teil der lastaufnehmenden Radom-Primärstruktur und die Wabenstruktur, welche die plasmaführende Schicht enthält, bildet mit den Deckplatten einen strukturellen Verbund.

[0013] Diese Vorgehensweisweise hat eine Reihe von Vorteilen gegenüber den bislang bekannten Verfahren:

• Durch die Integration des Plasmavolumens in den Kern eines Radomaufbaus weist die äußere Grenzfläche des Plasmavolumens nahezu dieselbe Geometrie wie die Radomschale auf, und kann damit auf der Basis der etablierten Regeln zur Formgebung geometrisch in ihrer Radarsignatur getarnt werden.
• Da der Plasmaverschluss selbst Teil der lastaufnehmenden Primärstruktur des Radoms ist, bewirkt der Plasmaverschluss keine Schwächung der Radomstruktur.
• Der Plasmaverschluss ist ohne die Erzeugung zusätzlicher Streuzentren in das Radom integrierbar.
• Aufgrund der Transparenz der Elektroden können diese im Sichtfeld der Antenne angeordnet werden. Die Homogenität des elektromagnetischen Feldes innerhalb der plasmaführenden Schicht wird somit verbessert, so dass eine zuverlässige und präzise Steuerung des Plasmazustands möglich ist.

[0014] Eine HF-transparente Elektrode ist insbesondere schichtartig ausgebildet und kann z.B. in Form einer gitterförmigen Schicht realisiert werden. Dabei wird die Gitterkonstante so gewählt wird, dass HF-Transparenz zumindest im Betriebsfrequenzbereich der Antenne (für eine Radarantenne z.B. im Bereich von 8 bis 12 GHz) gewährleistet ist. Neben einer reinen Gitteranordnung sind auch komplexere periodische Strukturen möglich, wie etwa kreis- oder ringförmige Schlitze in einer durchgehenden Metallschicht. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, eine elektrisch niedrig leitende Schicht zu verwenden, deren Reflexionsfaktor in die Radomauslegung einbezogen wird.

[0015] In einer besonders vorteilhaften Ausführung werden die Elektroden als frequenzselektive Schichten realisiert. Hierbei können insbesondere schlitzartige Typen frequenzselektiver Schichten eingesetzt werden, bei denen eine durchgängige Metallschicht strukturierte Schlitze aufweist. Diese Schichten können als Bandpassfilter ausgelegt werden, so dass die eigenen Betriebsfrequenzen des Antennensystems durch das Radom hindurchgelassen werden, andere Frequenzen aber reflektiert oder auch absorbiert werden.

[0016] Der Einsatz frequenzselektiver Schichten hat insbesondere die folgenden Vorteile:

• Die Kombination von frequenzselektiven Schichten und Plasmaverschluss erlaubt es, die Bandpass-Charakteristik einer FSS mit dem Schaltverhalten des Plasmavolumens zu verbinden und somit den Schutz gegenüber unerwünschter Strahlung weiter zu verbessern.
• Da die Elektroden zur Plasmaerzeugung gleichzeitig als FSS des Bandpassradoms dienen können, stören sie die Bandpass-Funktion des Radoms nicht, sondern bewirken diese selbst.
• Die Elektroden aus frequenzselektiven Schichten können ohne Einschränkungen des Betriebs der Antenne im Sichtfeld der Antenne angeordnet sein.

[0017] Die Erfindung wird anhand konkreter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf Fig. näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1

den prinzipiellen Wirkmechanismus des erfindungsgemäßen Radoms:
a) im rekombinierten Zustand des Plasmas,
b) im Plasmazustand,

Fig. 2

den Aufbau eines erfindungsgemäßen Radoms mit integriertem Plasmaverschluss in schematischer Darstellung,

Fig. 3

eine räumliche Darstellung des Radoms nach Fig. 2,

Fig. 4

den Aufbau einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Radoms mit Faltwabe als Kern,

Fig. 5

eine schematische Darstellung zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Radoms mit Faltwabenkern nach Fig. 4,

Fig. 6

eine räumliche Darstellung des Radoms mit Faltwabenkern nach Fig. 4.

[0018] Wie in Fig. 1 dargestellt, überdeckt das erfindungsgemäße Radom 1 mit integriertem Plasmaverschluss ein darunterliegendes Antennensystem 2. Es ist mit einer im oder direkt an dem Radom befindlichen plasmaführenden Schicht 3 ausgestattet, wobei das Plasma über Elektroden (in Fig. 1 nicht dargestellt) aus frequenzselektiven Schichten angeregt wird.

[0019] Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Wirkmechanismus. Das Antennensystem 2 ist in diesem Fall als schwenkbare Radarantenne dargestellt, ohne Einschränkung der Allgemeinheit kann jedoch jedes andere elektromagnetisch wirksame Antennensystem, etwa eine Kommunikationsantenne, ein Radarwarnempfänger oder ein Störsender, unter dem Radom angebracht werden. Die Geometrie des Radoms 1 orientiert sich üblicherweise an geometrischen Anforderungen zur Radarsignaturminderung der äußeren Gestalt.

[0020] Das an sich bekannte Grundprinzip der Verwendung einer Plasmaschicht 3 als variabler Reflektor beruht darauf, dass die plasmaführende Schicht 3 zwischen einem Plasmazustand (Abb. b in Fig. 1) und einem rekombinierten Zustand (Abb. a) in Fig. 1) hin- und hergeschaltet werden kann. Im Plasmazustand, der durch Anlegen der Spannung an die Elektroden erzeugt wird, wird die plasmaführende Schicht 3 elektrisch leitfähig und reflektiert alle einfallenden elektromagnetischen Wellen 7,8. Im rekombinierten Zustand ist die plasmaführende Schicht elektrisch nichtleitend und damit elektromagnetisch transparent. Dementsprechend durchtritt die Welle 5 das Radom.

[0021] Im Einsatz wird grundsätzlich der Plasmazustand eingestellt. Nur in Zeiten, in denen die Antenne aktiv ist, wird in den rekombinierten Plasmazustand umgeschaltet.

[0022] Das Plasma wird durch am Radom angeordnete, schichtförmige frequenzselektive Elektroden erzeugt, welche nur innerhalb eines bestimmten Frequenzbereichs, nämlich dem Betriebsfrequenzbereich der Antenne, für elektromagnetische Strahlung durchlässig sind. Dadurch ergibt sich auch im rekombinierten Zustand des Plasmas ein Schutz gegen den Einfall unerwünschter Strahlung. Dies ist mit der Strahlung 4 in Fig. 1 a) angedeutet, die an einer frequenzselektiven Schicht reflektiert wird.

[0023] Fig. 2 zeigt den erfindungsgemäßen Aufbau des Radoms im Detail. Die plasmaführende Schicht umfasst erfindungsgemäß einem Wabenkern 9 (hier mit Zellen aus sechseckigem Querschnitt), der zwischen den beiden schichtförmigen Elektroden 10,11 eingebettet ist. Die plasmaführende Schicht mit den angrenzenden Elektroden ist wiederum zwischen den Deckschichten 12,13 der Radomstruktur angebracht. Im Gegensatz zu bekannten Lösungsansätzen bildet die plasmaführende Schicht, d.h. der Wabenkern 9, mit den Deckschichten 12,13 einen strukturellen Verbund.

[0024] Besonders geeignet für den Wabenkern sind generell Zellformen mit sechseckigem Querschnitt (z.B. in der Form eines gleichseitigen Sechseckes - sogenannte Honeycombs). Aber auch andere Zellformen, z.B. mit dreieckigen oder viereckigen Zellenquerschnitten sind möglich.

[0025] Optional ist am Rand noch ein umlaufender Rahmen 21 angebracht der zum Anschluss des Radoms an die umgebende Struktur dient. Damit teilt sich das Radom in einen elektromagnetisch transparenten Teil 19 und in einen elektromagnetisch nicht transparenten Teil 20 auf, welcher in einer speziellen Ausführung durch eine durchgehende elektrisch leitfähige Schicht 22 elektromagnetisch verschlossen sein kann. Auf der Außenseite können optional noch zusätzliche Schutzschichten 14 gegen Regenerosion angebracht sein. Auch sind zusätzliche frequenzselektive Schichten in den Radomdeckschichten 12,13 oder an der Oberfläche des Radoms denkbar, um das Bandpassverhalten noch genauer einzustellen.

[0026] Die Elektroden 10,11 sind schichtförmig ausgebildet und bestehen in der gezeigten Ausführung aus frequenzselektiven Schichten. Besonders als Elektroden geeignet sind schlitzartige Typen frequenzselektiver Schichten, bei denen eine durchgängige Metallschicht strukturierte Schlitze aufweist. In der gezeigten Ausführung weisen die beiden Elektroden 10,11 jeweils ein regelmäßiges Muster, gebildet aus kreuzförmigen Schlitzen auf. Derartige Schichten können als Bandpassfilter ausgelegt sein, das heißt die eigenen Betriebsfrequenzen des Antennensystems 2 werden durch das Radom 1 hindurchgelassen, andere Frequenzen aber reflektiert oder auch absorbiert. Wegen ihrer HF-Transparenz im Bereich der Betriebsfrequenzen der Antenne können die Elektroden problemlos im Sichtfeld der Antenne angeordnet werden.

[0027] Damit ein für die Erzeugung eines Plasmas geeignetes Gasgemisch bei einem geeigneten Unterdruck in die plasmaführende Schicht eingebracht werden kann, ist die Wabe perforiert 15 und damit in ihrer Ebene luftdurchlässig, so dass durch einen oder mehrere Anschlüsse 18 ein Spülen der plasmaführenden Schicht mit einem geeigneten Gasgemisch sowie ein Absaugen bis zum Erreichen des notwendigen Unterdrucks zur Generierung des Plasmas möglich wird. Nach Einstellung des gewünschten Gasgemischs und Druckniveaus wird der oder die Anschlüsse verschlossen, dieser Vorgang kann zu Wartungszwecken in geeigneten Zeitabständen wiederholt werden.

[0028] Falls nötig, ist die Wabe 9 auch zusätzlich mit einer Schutzschicht beschichtet, um einen Abtrag des Wabenmaterials durch das aggressive Plasma zu vermeiden.

[0029] Die beiden als Elektroden dienenden frequenzselektiven Schichten 10,11 sind über eine Schaltvorrichtung 16 mit einer Hochspannungsquelle 17 verbunden, so dass bei Anlegen der Hochspannung das Plasma in der plasmaführenden Schicht zünden kann.

[0030] Fig. 3 zeigt den schematischen Aufbau gemäß Fig. 2 in dreidimensionaler Darstellung.

[0031] Eine weitere Variante ergibt sich, in dem als plasmaführende Schicht keine konventionelle Wabe, sondern eine sogenannte Faltwabe 5 ist, wie sie in der US 5,028,474, beschrieben ist. Derartige Faltwaben entstehen durch Knicken einer ebenen, geschlossenen Materialschicht an definierten Knicklinien.

[0032] Wie in Fig. 4 dargestellt, wird die Faltwabe 30 anstelle der normalen Wabe in den Radomaufbau mit den beiden Deckschichten 12,13 und den optionalen Schutzschichten 14 integriert. In diesem Fall ist es sogar besonders vorteilhaft, die Elektroden 31 aus frequenzselektiven Schichten direkt auf die Oberfläche der Faltwabe 30 aufzubringen. In diesem Fall können zur Erreichung einer bestimmten Bandpasscharakteristik des Radoms zusätzliche frequenzselektive Schichten in bzw. auf den Radomaufbau integriert werden.

[0033] Faltwaben zeichnen sich dadurch aus, dass die Wabenstruktur durchgängige Luftwege bilden können und die Faltwabe daher belüftet werden kann. Die bei herkömmlichen Waben notwendige Perforierung kann damit entfallen. Zudem sind Faltwaben per Definition abwickelbar, so dass die Elektroden aus frequenzselektiven Schichten vor dem Falten der Wabe direkt auf beide Seiten des Wabenmaterials aufgebracht werden können.

[0034] Wie in Fig. 5 dargestellt, werden auf das ebene Wabenausgangsmaterial 32 beidseitig die Elektroden 31 aus frequenzselektiven Schichten zwischen die späteren Knicklinien 36 aufgebracht, z.B. gedruckt. Reihen von Elektroden mit gleicher Polarität werden dabei durch kurze Leiterbahnen 34 parallel geschaltet, so dass die parallel geschalteten Reihen von der Seite her gemeinsam kontaktiert werden können. Dabei sollte auf beiden Seiten des Wabenmaterials bei gegenüberliegenden Elektroden jeweils die gleiche Polarität anliegen, um einen elektrischen Durchschlag durch das Wabenmaterial zu vermeiden.

[0035] Das so vorbehandelte ebene Wabenmaterial wird dann, nach Vorprägung der Knicklinien zur Faltwabe 30 zusammengeschoben.

[0036] Fig. 6 zeigt den Aufbau des erfindungsgemäßen Radoms gemäß Fig. 4 und 5 in dreidimensionaler Darstellung.

Ansprüche

1. Radom (1) mit darin integriertem Plasmaverschluss, welcher eine plasmaführende Schicht sowie Elektroden (10,11) zur Plasmaanregung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass das Radom (1) eine Sandwichstruktur aus Wabenkern (9) und Deckplatten (12,13) aufweist, wobei die plasmaführende Schicht im Wabenkern (9) der Sandwichstruktur enthalten ist und die Elektroden (10,11) zumindest im Betriebsfrequenzbereich der Antenne (2) HF-transparent sind.

2. Radom (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (10,11) aus frequenzselektiven Schichten bestehen, die als Bandpassfilter im Betriebsfrequenzbereich der Antenne ausgelegt sind.

3. Radom (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (10,11) auf den Deckplatten (12,13) angeordnet sind.

4. Radom (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektroden (12,13) auf den Wänden des Wabenkerns (9) angeordnet sind.

5. Radom (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wabenkern eine Faltwabe (30) ist.

6. Radom (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wände des Wabenkerns (9) perforiert sind.

Zeichnung