Müller, Rainer (Heilmeyersteige 90, Ulm, 89075, DE)
Lorch, Ralf (Spitalgartenstr. 2B, Elchingen, 89275, DE)
Müller, Rainer (Heilmeyersteige 90, Ulm, 89075, DE)
| 1. | Antennenanordnung umfassend einen Mast (1) sowie an dem Mast (1) angeordnete Antennenelemente (2), dadurch gekennzeichnet, dass der Mast (1) aus mehreren kegelstumpfförmigen Elementen (3) aufgebaut ist und eine Flächennormale S_E der Antennenelemente (2) mit der Senkrechten S_A auf die Mastachse z einen Winkel |α| zwischen 5° und 35° bilden. |
| 2. | Antennenanordnung nach Anspruch 1 , wobei die einzelnen kegelstumpfförmigen Elemente (3) des Masts (1) abwechselnd an den Grundflächen und an den Deckenflächen miteinander verbunden sind und aufeinander liegende Grund und Deckenflächen jeweils gleich sind. |
| 3. | Antennenanordnung nach Anspruch 2, wobei der Winkel ß zwischen den Flächennormalen (L1 , L2) auf den Mantelflächen (4) zweier benachbarter kegel stumpfförmiger Elemente (3) kleiner als 90° ist. |
| 4. | Antennenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Mast (1) auf einer Grundplatte (P) aufgebracht ist derart, dass eine Normale (L3) auf die Oberseite der Grundplatte (P) mit einer Normalen (L4) auf die Mantelfläche (4) des ersten auf die Grundplatte (P) aufgebrachten kegelstumpfförmigen Elements (3) einen stumpfen Winkel γ bildet. |
| 5. | Antennenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Reduzierung der Radarrückstrahlfläche der Antennenanordnung die Länge s1 , s2 der Mantellinie eines kegelstumpfförmigen Elements (3) größer als die Wellenlänge der auf die Antennenanordnung einfallenden Radarwellenlänge ist. |
| 6. | Antennenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei zur Reduzierung der Radarrückstrahlfläche der Antennenanordnung der maximale Umfang eines kegelstumpfförmigen Elements (3) größer als die Wellenlänge der auf die Antennenanordnung einfallenden Radarwellenlänge ist. |
| 7. | Antennenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sich die Länge s1 der Mantellinie eines kegelstumpfförmigen Elements (3) von der Länge s2 der Mantellinie eines anderen kegelstumpfförmigen Elementes (3) unterscheidet. |
| 8. | Antennenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei mehrere Antennenelemente (2) auf einer Kreislinie angeordnet sind, wobei der Kreis in einer Ebene senkrecht zur Mastachse z liegt mit einem Durchmesser größer als der maximale Durchmesser eines kegelstumpfförmigen Elements, derart, dass die Antennenelemente (2) auf der Kreislinie gleichmäßig angeordnet sind, wobei die Antennenanstrahlelemente (2) auf der Kreislinie in einem festen Winkel zueinander positioniert sind. |
| 9. | Antennenanordnung nach Anspruch 8, wobei die Antennenelemente (2) parallel zu der radial beabstandeten Mantelfläche (4) des kegelstumpfförmigen Elements (3) ausgerichtet sind,. |
| 10. | Antennenanordnung nach Anspruch 8 oder 9, wobei die Antennenelemente (2) in mehreren Ebenen senkrecht zur Mastachse z angeordnet sind. |
| 11. | Antennenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antennenelemente (2) als Dipole ausgebildet sind. |
| 12. | Antennenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antennenelemente (2) mit dem Mast (1) über nichtleitende Halterungen (H) verbunden sind. |
| 13. | Antennenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antennenelemente (2) eine ebene Fläche aufweisen. |
| 14. | Antennenanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Antennenelemente (2) aus Leiterplattenmaterial gefertigt sind. |
| 15. | Antennenanordnung nach Anspruch 14, wobei in die Antennenelemente (2) Bauelemente, insbesondere Widerstände, Kondensatoren oder Spulen integriert sind. |
Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus [1] ist eine Anordnung einer Peilantenne bekannt. Die Antenne umfasst dabei einen Mastabschnitt, welcher als UHF-Antenne dient und einen weiteren Mastabschnitt, welcher als VHF-Antenne dient.
Eine solche Antennenanordnung kommt oft bei Peilantennensystemen zum Einsatz, wie sie auf Schiffen der Marine verwendet werden. Eine bekannte Anforderung an solche Schiffe ist bekanntermaßen die Unsichtbarkeit des jeweiligen Schiffes für das gegnerische Radar. Da die Peilantennen stets an der Mastspitze eines Schiffs angeordnet sind, ragen diese als erstes über den Horizont und können so leicht detektiert werden. Ausschlaggebend für die Detektion eines Objekts mittels Radar ist der jeweilige monostatische Radarrückstreuquerschnitt des jeweiligen Objekts. Aus der Anwendung ergibt sich ein zu optimierender Bedrohungssektor der dem Winkelbereich der möglichen einfallenden Radarstrahlung des gegnerischen Radars entspricht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Antennenanordnung mit einem optimierten, niedrigen monostatischen Radarrückstreuquerschnitt für den Bedrohungssektor anzugeben.
Diese Aufgabe erfüllt die Antennenanordnung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Die erfindungsgemäße Antennenanordnung umfasst einen Mast sowie an dem Mast angeordnete Antennenelemente, wobei der Mast aus mehreren kegelstumpfförmigen Elementen aufgebaut ist und wobei eine Flächennormale der Antennenelemente mit der Senkrechten auf die Mastachse z einen Winkel lαl zwischen 5° und 35° bildet.
Die Mastachse z fällt mit der symmetrischen Achse jedes kegelstumpfförmigen Elements zusammen.
Durch diese Maßnahmen ist es möglich, die monostatische Radarrückstreuung (RCS) der Antennenanordnung im Bedrohungssektor um mehr als 1OdB zu verringern. Dadurch wird die Entfernung, aus der ein gegnerisches Radar das Schiff detek- tieren kann wesentlich verringert. Monostatisch bedeutet hierbei, dass der Einfallsrichtung und die Ausfallsrichtung der Radarstrahlung gleich ist, oder mit anderen Worten die Radarsendeantenne und die Radarempfangsantenne des gegnerischen Radars haben die gleiche Position. Dies ist bei den meisten Radaranlagen der Fall (z. B. einem Schiffsradar)
Vorteilhaft sind die einzelnen kegelstumpfförmigen Elemente des Masts abwechselnd an den Grundflächen und an den Deckenflächen miteinander verbunden. Die Flä- cheninhalte der aufeinander liegenden Grund- und Deckenflächen sind zweckmäßig jeweils gleich. Als Grundfläche wird im Weiteren die Fläche senkrecht zur symmetrischen Achse des Kegelstumpfes bezeichnet, welche sich aus dem größten Durchmesser des Kegelstumpfes ergibt. Die Deckenfläche bezeichnet entsprechend diejenige Fläche des Kegelstumpfes, welche sich aus dem kleinsten Durchmesser des Kegelstumpfes ergibt.
Der Mast besteht somit im Wesentlichen aus mehreren Doppelkegelstümpfen. Die Übergänge zwischen den einzelnen Doppelkegelstümpfen sind zweckmäßig homogen ausgeführt, d.h. es werden keine Flansche verwendet. Insbesondere weisen in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Flächennormalen auf den Mantelflächen zweier benachbarter, an den Deckenflächen miteinander verbundener kegelstumpfförmiger Mastelemente einen Winkel kleiner als 90° auf. Dadurch wird verhindert, dass die beiden Mantelflächen als idealer Rückstrahler dienen.
Zweckmäßig ist der Mast auf einer Grundplatte aufgebracht. Hierbei ist der Mast vor- teilhaft derart auf die Grundplatte aufgebracht, dass eine Normale auf die Oberseite
der Grundplatte mit einer Normalen auf die Mantelfläche des ersten auf die Grundplatte aufgebrachten kegelstumpfförmigen Elements einen stumpfen Winkel bildet. Dadurch wird ein sicherer Stand des Masts gewährleistet.
Die Erfindung sowie weitere vorteilhafte Ausführungen werden im Weiteren anhand von Figuren näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch einen Mastabschnitt einer Antennenanordnung gemäß dem Stand der Technik,
Fig. 2 schematisch einen Mastabschnitt einer beispielhaften erfindungsgemäßen Antennenanordnung,
Fig. 3 für einen Mastabschnitt einer Antennenanordnung gemäß Fig. 1 einen beispielhaften Verlauf der monostatischen Radarrückstreuung in Abhängigkeit des Winkels Θ und der Radarfrequenz f,
Fig. 4 für einen Mastabschnitt einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung ge- maß Fig. 2 einen beispielhaften Verlauf der monostatischen Radarrückstreuung in Abhängigkeit des Winkels Θ und der Radarfrequenz f,
Fig. 5 eine beispielhafte Darstellung eines bezüglich der monostatischen Radarrückstreuung optimierten Masts,
Fig. 6 den Verlauf der monostatischen Radarrückstreuung für einen zylindrischen Mast der beispielhaften Länge von 1 m und einem beispielhaften Durchmesser von 125 mm in Abhängigkeit des Winkels Θ und der Radarfrequenz f.
Fig. 7 den Verlauf der monostatischen Radarrückstreuung für einen Mast einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung der beispielhaften Länge von 1 m und einem beispielhaften maximalen Durchmesser von 125 mm in Abhängigkeit des Winkels Θ und der Radarfrequenz f.
Fig. 8 eine beispielhafte erfindungsgemäße Antennenanordnung mit einem Mastabschnitt für eine UHF-Antenne und einen weiteren Abschnitt für eine VHF- Antenne.
Fig. 1 zeigt einen Ausschnitt einer bekannten Antennenanordnung, wie sie z.B. aus [1] bekannt ist. Die Anordnung zeichnet sich durch einen im Wesentlichen zylindrischen Masten 1 aus, an welchen radialsymmetrisch Antennenelemente 2 angeordnet sind. Die Antennenelemente sind zweckmäßig als Dipolelemente ausgebildet. Die Halterung (nicht dargestellt) der Antennenelemente 2 an dem Mast erfolgt über be- kannte Maßnahmen, z.B. nichtleitende Verbindungen.
Fig. 2a zeigt schematisch einen beispielhaften Abschnitt einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung. Der Abschnitt umfasst zwei Kegelstümpfe 3, welche an ihren Grundflächen miteinander verbunden sind. Die beiden Kegelstümpfe bilden somit eine Art Doppelkegelstumpf.
Zweckmäßig weisen die Kegelstümpfe 3 ein konzentrisches durchgängiges Loch (nicht dargestellt) auf mit einem Durchmesser kleiner als der kleinste Durchmesser einer Deckenfläche eines Kegelstumpfes. Dieses Loch dient der Durchführung von Messkabeln etc. (nicht dargestellt). Die Verbindung der Kegelstümpfe 3 erfolgt mittels im Innern der Kegelstümpfe 3 ausgeführter Schraubverbindungen (nicht dargestellt). Diese Schraubverbindungen sind zweckmäßig durch das Loch zur Kabelführung erreichbar.
In Fig. 2a sind mehrere Antennenelemente 2 dargestellt, welche vorteilhaft auf einer Kreislinie angeordnet sind, wobei der Kreis in einer Ebene senkrecht zur Mastachse liegt mit einem Durchmesser größer als der maximale Durchmesser eines kegel- stumpfförmigen Elements. Zweckmäßig sind die Antennenelemente 2 auf der Kreislinie gleichmäßig angeordnet, wobei die Antennenelemente 2 auf der Kreislinie in einem festen Winkel zueinander positioniert sind.
In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Antennenelemente 2 parallel zu der radial beabstandeten Mantelfläche 4 des kegelstumpfförmigen Elements 3 ausgerichtet. Des Weiteren sind die Antennenelemente 2 als Dipole D ausgerichtet. Zweckmäßig befindet sich der Schwerpunkt S eines Dipols D in der Ebene der
Grundflächen der beiden miteinander verbundenen Kegelstümpfe 3. Es ist aber auch möglich, dass sich der Schwerpunkt S eines Dipols D in der Ebene der Deckenflächen befindet.
In Fig. 2a ist zusätzlich der Winkel Θ als der mathematische Winkel zwischen der Richtung a der einfallenden und rückgestreuten Radarstrahlung und der Mastachse z definiert. Daraus ergibt sich ein Elevationswinkel (nicht dargestellt) von 90°-Θ. Fig. 2b zeigt neben der Definition des Winkels Θ auch die Definition des Azimutwinkels Φ.
In den Fig.3 und Fig. 4 sowie Fig. 6 und Fig. 7 ist angenommen, dass Radarstrahlung entlang der Richtung a (Fig. 2a) zur Mastachse z auf den jeweiligen Körper einfällt. Der Winkel Θ gibt somit den Einfalls- und Rückstreuwinkel der einfallenden Radarstrahlung bezogen auf die Mastachse z an. Der Azimutwinkel Φ beträgt in allen Diagrammen der Einfachheit halber 0°.
Fig. 3 zeigt für eine bekannte Antennenanordnung gemäß Fig. 1 einen beispielhaften Verlauf der monostatischen Radarrückstreuung in Abhängigkeit des Winkels Θ und der Radarfrequenz f.
Dem gegenüber zeigt Fig. 4 für eine erfindungsgemäße Antennenanordnung gemäß Fig. 2a einen beispielhaften Verlauf der monostatischen Radarrückstreuung in Abhängigkeit des Winkels Θ und der Radarfrequenz f. Aus dem Vergleich der Fig. 3 mit Fig. 4 wird deutlich, dass die monostatischen Radarrückstreuung für die erfindungsgemäße Antennenanordnung bei den jeweiligen Radarfrequenzen im Winkelbereich nahe der Mastsenkrechten wesentlich verringert wurde. So beträgt beispielsweise die
monostatischen Radarrückstreuung eines Mastabschnitts einer bekannten Antennenanordnung bei 2,5 GHz, bei einem Winkel Θ von 87,5° ca. -5dB (vgl. Fig. 3). Bei einem Mast einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung beträgt die monostatischen Radarrückstreuung bei 2,5 GHz bei einem Winkel Θ von 87,5° ca. -22,5dB.
In Fig. 7 ist der Verlauf der monostatischen Radarrückstreuung für einen Mast einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung, wie er in Fig. 5 dargestellt ist, mit einer beispielhaften Länge L von 1 m und einem beispielhaften maximalen Durchmesser DM von 125 mm in Abhängigkeit des Winkels Θ und der Radarfrequenz f dargestellt. Dem gegenüber zeigt Fig. 6 den Verlauf der monostatischen Radarrückstreuung eines zylindrischen Masts mit einer beispielhaften Länge von 1 m und einem beispielhaften Durchmesser von 125 mm in Abhängigkeit des Winkels Θ und der Radarfrequenz f. Aus dem Vergleich der Fig. 6 mit Fig. 7 wird deutlich, dass die monostatischen Radarrückstreuung für einen Mast der erfindungsgemäßen Antennenanord- nung bei den jeweiligen Radarfrequenzen wesentlich verringert wurde. So beträgt beispielsweise die monostatischen Radarrückstreuung eines Masts einer bekannten Antennenanordnung bei 2,5 GHz, bei einem Elevationswinkel von 87,5° ca. -13dB (vgl. Fig. 3). Bei einem Mast einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung beträgt die monostatischen Radarrückstreuung bei 2,5 GHz bei einem Winkel Θ von 87,5° ca. -22,5dB.
Mit der erfindungsgemäßen Antennenanordnung ist es somit möglich, die monostatische Rückstreuung im Azimutbereich 0° ≤ Φ < 360° und im Bereich 60° < Θ < 90°, wobei letzterer einem Elevationsbereich von 0° bis 30° entspricht, zu reduzieren.
Fig. 8 zeigt schließlich eine weitere beispielhafte erfindungsgemäße Antennenanordnung. Diese Antennenanordnung umfasst in einem oberen Abschnitt A des Masts 1 eine Anordnung für eine UHF-Antenne und in einem unteren Abschnitt B eine Anordnung für eine VHF-Antenne. In diesem Fall sind die Antennenelemente 2 in mehreren
Ebenen senkrecht zur Mastachse z angeordnet, wodurch es möglich ist, einzelne Abschnitte A, B der Antennenanordnung mit jeweils unterschiedlichen Frequenzbereichen zu betreiben. Selbstverständlich ist es möglich, dass die Antennenanordnung in mehrere Abschnitte unterteilt ist, wobei jeder Abschnitt einem anderen Frequenzbe- reich aus dem UHF- und/oder VHF-Bereich zugeordnet ist.
Zur Reduzierung der Radarrückstreuung ist die Länge der Mantellinie s1 , s2 eines kegelstumpfförmigen Elements 3 vorteilhaft größer als die Wellenlänge der auf die Antennenanordnung einfallenden Radarwellenlänge. Des Weiteren ist der Umfang des kegelstumpfförmigen Elements 3 mit dem größten Durchmesser DM größer als die Wellenlänge der auf die Antennenanordnung einfallenden Radarwellenlänge. Es ist möglich, dass sich die Länge der Mantellinie s2 eines kegelstumpfförmigen Elements 3 von der Länge der Mantellinie s1 eines anderen kegelstumpfförmigen Elementes 3 unterscheidet.
Die Antennenelemente sind vorteilhaft über nichtleitende Halterungen H mit dem Mast 1 verbunden. Zweckmäßig weisen die Antennenelemente 2 eine ebene Fläche auf.
Im oberen Abschnitt A für die UHF-Antenne sind die Antennenelemente 2 zweckmäßig parallel zur Mantelfläche 4 des kegelstumpfförmigen Elements 3 ausgerichtet. In diesem Fall dient der bezüglich der Radarrückstreuung optimierte Mast 1 als Reflektor für die Antennenelemente 2.
Im unteren Abschnitt B für die VHF-Antenne sind die Antennenelemente 2 zweckmäßig nicht parallel zur Mantelfläche 4 des kegelstumpfförmigen Elements 3 ausgerichtet.
Die Antennenelemente 2 können zweckmäßig als fünfelementige Interferometeran- tennen angeordnet sein. Die Antennenelemente 2 können weiterhin vorteilhaft aus
einem Leiterplattenmaterial gefertigt sein, wobei in die Antennenelemente 2 insbesondere Bauelemente wie z.B. Widerstände, Kondensatoren oder Spulen integriert sind (nicht dargestellt). Diese Bauelemente dienen als Dämpfungselemente und beeinflussen die Antenneneigenschaften. Dadurch kann z.B. die Bandbreite der Anten- ne erhöht werden. Weiterhin kann dadurch die Strahlungskopplung zwischen den einzelnen Antennenelemente 2 reduziert werden. Selbstverständlich können im oberen Abschnitt A andere Antennenelemente 2 verwendet werden als im unteren Abschnitt B.
Erfindungsgemäß bildet die Flächennormale S_E der Antennenelemente 2 mit der Senkrechten S_A auf die Mastachse z einen Winkel |α| zwischen 5° und 35°.
Vorteilhaft sind die einzelnen kegelstumpfförmigen Elemente 3 des Masts 1 abwechselnd an den Grundflächen und an den Deckenflächen miteinander verbunden und die aufeinander liegenden Grund- und Deckenflächen sind jeweils gleich. Der Mast 1 besteht somit im Wesentlichen aus mehreren Doppelkegelstümpfen. Die Übergänge zwischen den einzelnen Doppelkegelstümpfen sind zweckmäßig homogen ausgeführt, d.h. es werden keine Flansche verwendet. Insbesondere weisen in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Flächennormalen L1 , L2 auf den Mantel- flächen 4 zweier benachbarter kegelstumpfförmiger Mastelemente 3 einen Winkel ß kleiner als 90° auf. Dadurch wird verhindert, dass die beiden benachbarten Mantelflächen 4 als idealer Rückstrahler dienen.
Zweckmäßig ist der Mast 1 auf einer Grundplatte P aufgebracht. Hierbei ist der Mast 1 vorteilhaft derart auf die Grundplatte P aufgebracht, dass eine Normale L3 auf die Oberseite der Grundplatte P mit einer Normalen L4 auf die Mantelfläche 4 des ersten auf die Grundplatte P aufgebrachten kegelstumpfförmigen Elements 3 einen stumpfen Winkel γ bildet. Dadurch wird ein sicherer Stand des Masts 1 gewährleistet.
Die vorgeschlagene Antennenanordnung kann bei Sende- und/oder Empfangsantennen sowie bei Peilantennen zum Einsatz kommen. Der Frequenzbereich in welchem die Antennenanordnung betrieben werden kann liegt je nach Anwendung im HF- Bereich zwischen 1 ,0 MHz und 30 MHz, im VHF-Bereich zwischen 20 MHz und 200 MHz, im UHF-Bereich zwischen 200 MHz und 3000 MHz. Selbstverständlich ist es möglich, dass bei entsprechender Dimensionierung der einzelnen Komponenten der Antenne, z.B. der Abmessungen der einzelnen Kegelstümpfe die Antennenanordnung auch bei geringeren oder höheren Frequenzen betrieben werden kann.
Literatur
[1] www.mrcm.net/media/pdf/products/antennas/mra1282.pdf