DE4336841C1 - Abdeckung für Radarantennen - Google Patents
Abdeckung für RadarantennenInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abdeckung für
Radarantennen, insbesondere für Flat-Plate- und Array-
Antennen von Flugzeugen und Flugkörpern, die Teil des die
Antenne umgebenden Radoms ist.
Moderne Kampfflugzeuge sind in zunehmenden Maße unempfindlich
gegen sie beleuchtende, d. h. eine gegnerische,
Radarstrahlung, wie es insbesondere vom amerikanischen
Tarnkappenbomber bekannt ist. Ein Schwachpunkt bei der
Abschirmung gegen beleuchtende Radarstrahlen ist noch die
eigene Radarantenne des Flugkörpers, da wegen der
regelmäßigen Anordnung von Rückstreuzentren, d. h. Schlitzen
oder Abstrahlelementen, die Antenne selbst aus jeder Richtung
bei geeigneter Frequenzanpassung radar-sichtbar ist. Ein
wirksamer Schutz gegen die Rückstreuung gegnerischer
Radarstrahlung bedingt also eine wirksame Abdeckung der
fluggeräteeigenen Radarantenne.
Bei Bord-Radaren sowohl von Lenkflugkörpern als auch von
Kampfflugzeugen werden aus vielerlei Gründen vorwiegend
Antennen in Flat-Plate-Bauweise verwendet. Bei dieser
Antennenart wird die abzustrahlende Radarwelle aus einer
Vielzahl von Einzelwellen zusammengesetzt, die von einer
regelmäßigen Anordnung von Einzelstrahlern phasen- und
amplitudengerecht erzeugt werden. Bei der Flat-Plate-Antenne
sind die Phasenwinkel der Einzelstrahler nicht verstellbar.
Dagegen können diese Werte bei der Phased-Array-Antenne so
geändert werden, daß sich damit die Abstrahlrichtung in einem
großen Winkelbereich steuern läßt.
Wird nun eine Flat-Plate- oder eine Phased-Array-Antenne von
einem gegnerischen Radar beleuchtet, dann wird die
einfallende Welle von jedem Einzelstrahler des Arrays
zurückgestrahlt. Die Resultierenden dieser einzelnen
Rückstreufelder erhält man durch vektorielle Addition der
Feldstärken in der komplexen Zahlenebene. Bei einer
regelmäßigen räumlichen Anordnung der Einzelstrahler gibt es
für jede Blickrichtung eine bestimmte Radarfrequenz, bei der
sich die Reflexionsfelder der Einzelstrahler zu einem
Gesamtfeld aufaddieren, das hinsichtlich seiner Intensität
mit dem Rückstreufeld der senkrecht beleuchteten, d. h.
angestrahlten, Platte vergleichbar ist. Dieses für
Tarnkappen-(Stealth)-Flugzeuge kritische Problem kann auch
durch eine unregelmäßige Anordnung der Einzelstrahler nicht
entscheidend entschärft werden; die eigene Radarantenne
bildet somit die Achillesferse des Stealth-Flugzeuges.
Deckt man die Radarantenne mit einem für Radarstrahlung
schmalbandig transparenten Radom ab, so ist sie nur noch in
einem kleinen Frequenzbereich sichtbar. Eine andere
Möglichkeit besteht darin, die Radarantenne mit einer
aufrollbaren metallischen Folie abzudecken, deren elektrisch
leitender Teil vor der Aktivierung des Radargeräts weggerollt
wird. Bei beiden Lösungen ist eine hinsichtlich der Frequenz
bzw. der Betriebszeit vollständige Abschirmung der Array-
Antenne nicht möglich, wobei die Restsichtbarkeit im ersten
Fall von der Breite des Nutzbandes und der Filtergüte des
Radoms und bei der zweiten Lösung von der relativen
Abstrahldauer des Radars und der Rollgeschwindigkeit der
Abdeckfolie abhängt.
Die US-PS 45 70 166 beschreibt eine Abdeckung für
Radarantennen von Flugzeugen und Flugkörpern, die Teil
des die Antenne umgebenden Radoms ist. Das Dämpfungsverhalten
der Abdeckung ist dabei zeitlich nicht veränderlich. Die
Dämpfung ist lediglich vom Einfallswinkel der
elektromagnetischen Strahlung abhängig.
Die DE 39 20 110 C2 beschreibt ein elektromagnetisches
Fenster für Flugzeuge und Flugkörper, mit einer Lichtquelle
und einer fotosensitiven Schicht, die bei Beleuchtung mit der
Lichtquelle reversibel vom elektromagnetisch transparenten
Zustand in einen reflektierenden Zustand übergeht. Dabei wird
die Änderung der Leitfähigkeit der fotosensitiven Schicht bei
Beleuchtung ausgenutzt.
Aus der DE 40 07 986 C1 ist eine Struktur insbesondere für
Luftfahrzeuge bekannt, die bei einer Radarortung Radarwellen
ausgesetzt ist und die einen oder mehrere Hohlräume aufweist,
die wahlweise mit Radarwellen reflektierenden oder
Radarwellen absorbierenden Material gefüllt sind. Die
Hohlräume können an Flügel- oder Leitwerksvorderkanten
eingebaut oder auch in die Beplankungsstruktur eingearbeitet
sein. Damit kann das Radarbild des Fluggerätes wahlweise
verändert werden, wobei in diesem Fall die Änderung des
abdeckenden Materials mit dem damit geänderten
Leitfähigkeitswerten, Dielektrizitätskonstanten und anderen
physikalischen Größen auf das Absorptionsverhalten und die
Transparenz Einfluß nimmt.
Die DE 41 40 944 A1 beschreibt eine Absorberstruktur mit
variabler Absorptionscharakteristik für elektromagnetische
Strahlung, die aus einer mit eingelagerten ferroelektrischen
Dipolmolekülen versehenen Trägerschicht sowie beidseitig der
Trägerschicht angeordneten Steuerelektroden besteht, von
denen zumindest die strahlungseinfallseitige Steuerelektrode
strahlungstransparent ausgebildet ist. Durch Anlegen einer
Steuerspannung an die Steuerelektroden werden die
Dipolmoleküle nach Maßgabe des zwischen den Steuerelektroden
wirksamen elektrischen Feldes ausgerichtet, wodurch sich das
Absorptionsprofil des Absorbers innerhalb bestimmter Grenzen
verändern läßt.
Aus der älteren, nicht vorveröffentlichten EP 0 568 511 A1 ist es
bekannt, eine Antenne dadurch abzudecken und letztlich ihren
Einfluß auf den Gesamtradarrückstrahlungsquerschnitt zu
beeinflussen, daß, wie eingangs erwähnt, eine verschiebbare
Metallschicht vor der Antenne angeordnet wird, die bei Bedarf
geöffnet werden kann.
Schließlich beschreibt die EP 0 554 847 A1 ein schaltbares
Resonanzfilter für optische Strahlung, durch das die
effektive Dielektrizitätskonstante in der Umgebung eines
Sensors gezielt beeinflußt werden kann. Die Änderung der
Dielektrizitätskonstanten erfolgt durch Änderung des
Abstandes zwischen dem Sensor und einer darunterliegenden
Elektrode.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Abdeckung für
Radarantennen von Flugkörpern zu schaffen, die innerhalb von
wenigen Mikrosekunden einschaltbar und ausschaltbar ist und
die im eingeschalteten Zustand einen Schutz der eigenen
Radarantenne bietet, die dem Schutz des übrigen Flugzeuges in
nichts nachsteht.
Ausgehend von einer Abdeckung der eingangs näher genannten
Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe durch die im
kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale;
vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
beschrieben.
Ein großer Vorteil der erfindungsgemäßen Abdeckung besteht
darin, daß der Elektronenstrom von der Kathode zur Anode und
damit die Reflexionswirkung der Abdeckung für die
flugkörpereigene Abschirmung durch Absenken bzw. Anheben der
Anodenspannung innerhalb weniger Mikrosekunden aus- und
eingeschaltet werden kann; die an die Bedürfnisse des
Fluggerätes angepaßte Gasentladungsröhre dient damit als
ultraschneller ebener Verschluß für die Radarantenne. Dabei
wird der Elektrodenstrom praktisch während der gesamten
Mission des Flugkörpers aufrechterhalten, und nur in den
extrem kurzen Zeiträumen, in denen ein Radarpuls abgestrahlt
oder empfangen werden soll, die Abdeckung kurzzeitig
geöffnet.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher
erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel
dargestellt ist. Es zeigen:
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Abdeckung und
Fig. 2 eine Schnitt durch die erfindungsgemäße Abdeckung
entlang der Ebene A-A von Fig. 1.
In den Figuren, in denen gleiche Teile mit gleichen
Bezugszeichen versehen sind, bezeichnet 9 das Radom eines
Flugkörpers, beispielsweise eines Kampfflugzeuges, das mit
einer Array-Antenne 5 versehen ist, die innerhalb des Radoms
9 und parallel zu diesem angeordnet ist. Um diese Array-
Antenne 5 vor der Reflexion auftreffender, das Flugzeug
beleuchtender gegnerischer Radarstrahlung zu schützen, ist
erfindungsgemäß eine Abdeckung vorgesehen in Form einer
modifizierten Gasentladungsröhre, wobei die Abdeckung aus
zwei, im Abstand vor der Array-Antenne 5 angeordneten,
planen, für Radarstrahlung transparenten Platten 3 und 4
besteht, deren Abmessungen gleich und größer als die
Abmessungen der Array-Antenne 5 sind. Die beiden Platten 3,4
schließen einen Hohlraum zwischen sich ein, der mit einem
Edelgas geringen Molekulargewichts (beispielsweise Helium)
oder mit Wasserstoff gefüllt ist. Entlang zweier sich
gegenüberliegender Ränder sind im Hohlraum zwischen den
Platten 3 und 4 eine mit einer elektrischen Heizung
verbundene und mit einer oxidbeschichteten Kathode 1 bzw.
eine mit einer positiven Spannungsquelle verbundene Anode 2
angeordnet. Bei entsprechender Beaufschlagung von Kathode und
Anode werden von der Kathode 1 Elektronen erzeugt, die zur
positiv geladenen Anode 2 wandern und auf ihrem Weg dorthin
mit einem Teil der Atome des Füllgases kollidieren und diese
dabei ionisieren, so daß ein elektrisch leitendes Plasma
entsteht, das den Hohlraum zwischen den beiden planen Platten
3 und 4 gleichmäßig ausfüllt. Trifft nun eine
monochromatische gegnerische Radarwelle von außen auf die
ebene Plasmaschicht 7, dann versetzt das elektrische Feld
dieser Welle die Elektronen des Plasmas in eine
Sinusschwingung, die sich der thermischen Bewegung der
Elektronen überlagert.
Die schwingenden Elektronen erzeugen ihrerseits wiederum ein
Streufeld, das sich dem Feld der einfallenden Radarwellen
überlagert. In jeder zu den Platten 3, 4 parallelen Schicht
des Plasmas zwischen den Platten 3, 4 ist die Amplitude der
Elektronenschwingung konstant, während sich die Phase entlang
der Schicht linear ändert. Somit erzeugt jede Schicht ein in
Spiegelungsrichtung stark gebündeltes Streufeld, wobei bei
geeigneter Elektronendichte und ausreichender Plasmadicke die
einfallende Radarwelle vollständig reflektiert wird, die
Rückstrahlung in Richtung des beleuchtenden Radars jedoch
relativ gering ist. Die Elektronendichte hängt dabei in
erster Linie vom Anodenstrom und von der Dichte, d. h., dem
Druck des Füllgases ab.
Aus der Phasenbeziehung zwischen der einfallenden Radarwelle
und der an der Plasmaschicht 7 reflektierten Welle kann eine
effektive Reflexionsebene 8 definiert werden. Eine an Stelle
der Gasentladungsröhre in dieser Ebene angebrachte elektrisch
leitende Folie würde das gleiche Reflexionsfeld erzeugen wie
das Plasma.
Die erfindungsgemäße Abdeckung ist in der ebenen Struktur des
Radoms 9 derart angeordnet, daß die Ebene der elektrisch
leitenden Oberfläche dieses Radoms mit der effektiven
Reflexionsebene des Plasmas zusammenfällt. Dadurch wird die
Radarrückstrahlung der elektrisch abgedeckten Array-Antenne
minimiert.
Die für eine vollständige Reflexion erforderliche Dichte der
Elektronen in der Plasmaschicht und die Mindestdicke des
Plasma sind leicht experimentell feststellbar, ebenso wie die
erforderlichen Flächen von Kathode und Anode sowie die
elektrische Leistung für den Anschluß der Gasentladungsröhre.
Die Mindestanforderung an die Elektronendichte ED erfordert,
daß diese die folgende Beziehung erfüllt:
ED f² εm/e²,
wobei m die Masse des Elektrons, e die Ladung des Elektrons,
ε die Vakuum-Dielektrizitätskonstante und f die größte
Frequenz der zu reflektierenden Radarwellen bezeichnet. Bei
18 GHz beträgt die Mindestelektronendichte 4 × 10¹² cm-3. Bei
Verwendung von Helium als Füllgas wird dieser Wert bei 1033 Pa,
einer Stromdichte von 0,2 A/cm² und einer Feldstärke von
1 V/cm erreicht. Die Elektronendichte muß außerdem so hoch
sein, daß die Eindringtiefe der einfallenden Radarwelle nur
einen Bruchteil dieser Radarwellenlänge beträgt.
Die Dicke der beiden Platten 3 und 4 ist so zu wählen, daß
die aus der Druckdifferenz zwischen Atmosphäre und Plasma
resultierende Last sicher getragen werden kann. Die wenigen,
in Fig. 1 eingezeichneten Stützen 6 dienen dazu, die Dicke
der Platten möglichst gering zu halten. Der Abstand zwischen
den Platten 3 und 4 muß ferner so gewählt werden, daß die
Transparenz für die von der eigenen Antenne abgestrahlten
Radarwellen möglichst hoch ist; je nach der Dicke der Platten
und dem Austritts- bzw. Einfallswinkel liegt der optimale
Abstand zwischen 20% und 30% der Radarwellenlänge.
Claims (6)
1. Abdeckung für Radarantennen, insbesondere Flat-Plate- und
Array-Antennen (5) von Flugzeugen und Flugkörpern, die Teil
des die Antenne (5) umgebenden Radoms (9) ist, dadurch
gekennzeichnet, daß im Abstand vor der Antenne (5) und
parallel zu ihr zwei für Radarstrahlung transparente
plane Platten (3, 4) angeordnet sind, deren Abmessungen (3, 4)
mindestens gleich den Abmessungen der Antenne (5) sind, daß
der Hohlraum zwischen den Platten (3, 4) mit einem ionisierbaren
Gas gefüllt ist und daß im Hohlraum entlang zweier sich
gegenüberliegender Ränder eine Kathode (1) bzw. eine Anode (2)
angeordnet sind.
2. Abdeckung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die Platten (3, 4) einen Abstand voneinander aufweisen, der
zwischen 20% und 30% der von der Antenne (5) abgestrahlten
Radarwellenlänge liegt.
3. Abdeckung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß im Hohlraum zwischen den
Platten (3, 4) mehrere Stützen (6) angeordnet sind.
4. Abdeckung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Hohlraum mit einem Edelgas
geringen Molekulargewichts gefüllt ist.
5. Abdeckung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß der Hohlraum mit Wasserstoff gefüllt
ist.
6. Abdeckung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (1) mit einem Oxid
beschichtet und mit einer negativen elektrischen
Spannungsquelle verbunden ist, daß die Anode (2) mit einer
positiven elektrischen Spannungsquelle verbunden ist und
daß die Parameter der Kathoden- und Anodenabmessungen,
der Gasdichte, des Plattenabstandes und der elektrischen
Leistungen für die Kathode (1) und die Anode (2) so bemessen
sind, daß die folgende Beziehung erfüllt ist:
ED f² εm/e²,wobei ED die Elektronendichte, m die Elektronenmasse, e
die Elektronenladung, ε die Vakuum-
Dielektrizitätskonstante und f die größte Frequenz der zu
reflektierenden Radarwellen bezeichnet.
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