ES2763368T3 - Conjunto de antena para aeronave - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un conjunto de antena para comunicaciones integrada en el estabilizador vertical de una aeronave que comprende: - un elemento de radiación de una antena (10), y - al menos un acoplador de antena (11) en conexión eléctrica con el elemento de radiación de la antena (10), -una parte de un estabilizador vertical (1) que tiene una parte de un larguero frontal (2), -un primer elemento metálico en conexión eléctrica con el acoplador de antena (11) que comprende dicha parte del larguero frontal (2), -un segundo elemento metálico situado en contacto eléctrico con el elemento de radiación de la antena (10) y con el primer elemento metálico, estando el elemento de radiación de la antena (10), el primer y el segundo elementos metálicos y el acoplador de antena (10) configurados como un circuito eléctrico que describe un bucle cerrado.
Description
DESCRIPCIÓN
Conjunto de antena para aeronave
Campo de la invención
La presente invención se refiere a un conjunto de antena. Más específicamente, se refiere a una antena de derivación para las comunicaciones de alta frecuencia (HF) integrada en un estabilizador vertical (VTP) de una aeronave.
Antecedentes de la invención
Actualmente las antenas lineales de alta frecuencia se utilizan comúnmente en aeronaves en servicio de transporte militar. Las antenas lineales de hilo tienen desventajas aerodinámicas y también necesitan accesorios auxiliares adicionales para evitar los posibles riesgos de seguridad causados por hilos rotos. Otro inconveniente de las antenas de hilo es que sus características mecánicas y radio eléctricas se degradan durante la vida útil de las aeronaves debido a las vibraciones causadas por la resistencia aerodinámica.
También se conocen antenas de derivación de alta frecuencia situadas en el estabilizador vertical de una aeronave. Dichas antenas fallan al cubrir de manera eficiente las frecuencias más bajas debido a su corta longitud en comparación con las antenas de hilo, ya que su longitud está limitada por el espacio disponible en el interior del estabilizador vertical.
Las antenas de derivación se han utilizado en superficies del estabilizador vertical de la aeronave durante muchos años. Su uso en superficies del estabilizador vertical de la aeronave hace que toda la superficie de la cola irradie / reciba una señal de radio de alta frecuencia que resulten en una propagación o capacidad de recibir una frecuencia de radio (RF) casi igual a 360 grados. La totalidad de la superficie del estabilizador se convierte en un radiador / receptor de señales de radio desde / hacia la antena. Las superficies de la cola de la aeronave aumentan el área de superficie de la antena y aumentan la propagación o la capacidad de recibir la señal de RF a / desde todas las direcciones.
Un estabilizador vertical de aeronave comprende un borde de ataque, una caja de torsión, como estructura soporte principal y un borde posterior con superficies de control (timones). El cajón de torsión comprende un larguero frontal, un larguero posterior y costillas que se extienden desde el larguero frontal al larguero posterior. Además, un borde de ataque conocido comprende varias costillas, llamadas costillas del borde de ataque, unidas al larguero frontal. En la patente US7,511,672 se divulga una antena de derivación para aeronaves adaptada para su montaje en una aleta dorsal de un estabilizador vertical. En la estructura de la aleta dorsal se integra un elemento de radiación de la antena unido a la parte interna superior del material compuesto de una nueva estructura de aleta dorsal que sustituye a la original. El extremo posterior del elemento de radiación de la antena está conectado al fuselaje de tal manera que se forma un bucle de corriente entre la aleta dorsal y el fuselaje. Un inconveniente de la invención descrita es que una parte de la aleta dorsal tiene que ser sustituida por una pieza metálica.
Es conocida también una antena de alta frecuencia dorsal como la descrita en la patente de US8,228,248.
El sistema de antena está unido al fuselaje de la aeronave, por lo que también está montado en el fuselaje y está acoplado eléctricamente a la superficie del estabilizador vertical.
Las antenas de derivación descritas anteriormente están montadas en la aleta dorsal del estabilizador vertical y conectadas al fuselaje y superficies de cola, que hace que la superficie externa del estabilizador vertical irradie / reciba.
Dichas antenas de derivación interactúan principalmente con las superficies cubiertas por la aleta dorsal, lo que limita su espacio disponible. Para muchas aeronaves, dicha limitación de tamaño no permite un correcto funcionamiento a las frecuencias más bajas.
Como no están unidos a la estructura del VTP, vibraciones y deflexiones de las superficies del fuselaje pueden degradar sus conexiones eléctricas y por lo tanto sus prestaciones radioeléctricas.
Además, son necesarios elementos conductores adicionales para garantizar la puesta a tierra de la antena a la estructura primaria del VTP para derivar corrientes procedentes de caída de un rayo.
Por otra parte, la situación del elemento de radiación de la antena cerca de la superficie de la aleta dorsal hace que esté más expuesto en caso de un impacto de pájaro, pudiendo producirse la pérdida completa de la antena.
En la patente US 8,354,68 B1 se divulga otra antena de derivación para aeronaves. La antena se compone de un elemento de radiación, que puede ser montado en varias ubicaciones en las aeronaves, tales como en el interior del fuselaje, estabilizadores horizontales o borde de ataque de los estabilizadores verticales.
Además, su elemento radiante está compuesto de varias placas metálicas de derivación puestas en paralelo entre sí con el fin de disminuir su reactancia y por lo que su resistencia en paralelo.
Descripción de la invención
Los inconvenientes anteriormente mencionados se resuelven mediante la antena de derivación de la reivindicación 1, que se monta sobre una aeronave.
El conjunto de antena reivindicada comprende un elemento de radiación de una antena y al menos un acoplador de antena conectado operativamente al elemento de radiación de la antena. Comprende también una estructura de estabilizador vertical que tiene un larguero frontal, un primer elemento metálico que comprende una porción del larguero frontal, un segundo elemento metálico situado en contacto eléctrico con el elemento de radiación de la antena y con el primer elemento metálico. Por otra parte, el elemento de radiación de la antena, el primer y el segundo elementos metálicos y el acoplador de antena están configurados como un circuito eléctrico de tal manera que en uso una corriente que fluye a través de dicho circuito describe un bucle cerrado.
Un circuito eléctrico es un camino por el que fluyen los electrones de una tensión o flujo de fuente de corriente, por lo tanto, la corriente eléctrica fluye en una trayectoria cerrada llamada circuito eléctrico.
Para que la corriente se transmita desde el primer elemento metálico al acoplador de tal manera que los elementos de la antena están estén configurados como en un circuito eléctrico, tanto el acoplador de antena y la estructura del estabilizador vertical tienen que estar conectados eléctricamente.
El acoplador de antena y el elemento de radiación de la antena están conectados operativamente de tal manera que se configuran como un circuito eléctrico que también significa que ambos elementos están en contacto eléctrico. Como la invención reivindicada comprende una porción del larguero frontal del estabilizador vertical, la antena está conectada directamente a los elementos estructurales del VTP. Esto permite un diseño estructuralmente integrado que evita los inconvenientes antes mencionados y que también cumple los requisitos de rendimiento electromagnético y facilita la integración mecánica de la antena dentro de la estructura bajo el borde de ataque para soportar mejor las cargas, también produciendo una reducción en la resistencia aerodinámica y la disminución asociada en el coste de combustible.
Como la antena es una parte integral de la estructura de VTP no hay limitaciones de espacio, obteniendo así un buen funcionamiento a frecuencias más bajas. La degradación de las características radioeléctricas debido a las vibraciones y deflexiones también se reducen al mínimo y el posible daño debido al impacto de pájaros se reduce considerablemente. Debido a que la posibilidad de un cable HF roto desaparece no son necesarios elementos auxiliares para garantizar la seguridad.
Otra ventaja de la invención reivindicada es la simplicidad de su diseño, lo que hace a la antena una alternativa económicamente viable a la antena de cable tradicional sin necesidad de elementos adicionales para asegurar la protección contra la caída de rayos. Además, esta solución presenta un peso muy bajo ya que sólo se requiere una placa metálica de derivación con una formación adecuada para disminuir la reactancia de la antena y por lo tanto su resistencia en paralelo.
Otra ventaja de la antena es que se puede instalar durante la rutina de comprobación de mantenimiento de la aeronave sin tiempo de inactividad adicional.
La antena reivindicada hace uso de parte de la estructura de la aeronave, más específicamente del estabilizador vertical como elemento radiante, convirtiéndose en una antena estructural para la banda de alta frecuencia. Esto significa que la corriente fluye directamente a través de su estructura interna del VTP que es capaz de emitir / recibir y, como la estructura interna está unida a la superficie externa, ambos elementos irradian / reciben y no sólo la superficie externa como se describe en los antecedentes de la invención. Esto aumenta el área de radiación / recepción total de la antena de derivación que conduce a una mejora en la calidad de la comunicación.
Por otra parte, la orientación del elemento radiante en el VTP que se sitúa a lo largo de su larguero frontal y por lo tanto inclinado con respecto a un plano vertical, proporciona directividad adecuada en todas las direcciones, en polarizaciones vertical y horizontal y en ángulos de elevación bajos y altos, por lo que es compatible con modos de propagación de onda de tierra e ionosfera, en este último, incluyendo también radiación NVIS (Near Vertical Incident Skywave) que necesita un alto nivel de radiación vertical que no ofrecen las antenas de derivación recogidas en el apartado antecedentes de la invención.
La invención reivindicada supera las limitaciones de los sistemas actuales, proporcionando resultados adecuados con bajo peso y el mínimo impacto en su integración en la estructura de la aeronave, con mantenimiento reducido (se reducen significativamente los problemas mecánicos) y una solución que respeta el medio ambiente ya que reduce consumo de combustible.
Descripción de las figuras
La Figura 1a es una vista esquemática de un ejemplo de realización que tiene un fuselaje no metálico en el que el bucle cerrado es creado por la conexión del acoplador de antena, el elemento de radiación de antena, el primero y los segundos elementos metálicos y una conexión eléctrica entre el primer elemento metálico y el acoplador.
La Figura 1 b es una vista esquemática de un ejemplo de realización que tiene un fuselaje metálico en el que el bucle cerrado es creado por la conexión del acoplador de antena, el elemento de radiación de antena, el primer y segundo elementos metálicos y el fuselaje.
La figura 2 es una vista esquemática en perspectiva de un primer ejemplo de realización de la invención que muestra para que sea vea con claridad el larguero frontal de un estabilizador vertical, una costilla del borde de ataque y un elemento de radiación de la antena.
La figura 3 es una vista esquemática en perspectiva de una segunda realización de la invención que muestra la parte trasera de una aeronave y el conjunto de la antena.
La figura 4 es una vista en perspectiva esquemática de la segunda realización de la invención que muestra el larguero frontal y el conjunto de antena.
La figura 5 es una vista en perspectiva esquemática de la segunda realización de la invención.
La figura 6 es una vista esquemática en perspectiva de la parte posterior de la realización mostrada en la figura 5.
Descripción detallada de la invención
Como se describe en las figuras, el conjunto de antena comprende el elemento de radiación de la antena (10) y una porción del larguero frontal (2) del estabilizador vertical (1), que es el primer elemento metálico (2, 12) del conjunto de antena. También comprende un segundo elemento metálico (3, 14) situado en contacto eléctrico con el elemento de radiación de la antena (10) y con el primer elemento metálico. Las figuras 1, 2, 3 y 4 muestran el elemento de radiación de una antena (10) paralelo a la porción del larguero frontal (2).
Las figuras 1a y 1b muestran una vista esquemática del bucle cerrado creado por la conexión de los elementos del conjunto de antena. El acoplador de antena (11) está conectado eléctricamente al elemento de radiación de la antena (10) que está en contacto eléctrico con el segundo elemento metálico que también está en contacto eléctrico con el primer elemento metálico que está también en contacto eléctrico con el acoplador de antena (11) por medio del fuselaje (20) o por medio de un elemento (40) capaz de transmitir la corriente eléctrica ambos extendiéndose entre el primer elemento metálico y el acoplador (11). La trayectoria de la corriente se muestra en las figuras mediante flechas.
La Figura 1a muestra una realización en la que el fuselaje (20) es no metálico, por lo tanto, no puede transmitir una corriente eléctrica. En este ejemplo de realización para la realización de un circuito eléctrico en el que se describe un bucle cerrado, el primer elemento metálico y el acoplador (11) se conectan por un elemento (40) capaz de transmitir la corriente eléctrica, por ejemplo, un cable, un elemento metálico, etc, Por lo tanto, el conjunto de antena comprende además dicho elemento (40) capaz de transmitir la corriente eléctrica que se extiende entre el primer elemento metálico y el acoplador de antena (11).
La Figura 1b muestra una realización en la que el fuselaje (20) es metálico. Como se muestra en las figuras 1a, 1b, 2, 3 y 4 el primer elemento metálico está conectado al fuselaje (20) de la aeronave y las figuras 1a, 1b, 3 y 4 muestran el acoplador de antena (11) también conectado al fuselaje (20), por lo tanto, como el conjunto de antena está configurado como un circuito eléctrico, la corriente fluye a través de la parte del fuselaje metálico (20) que se extiende entre la unión con el primer elemento metálico y con el acoplador de antena (11). Por lo tanto, el conjunto de antena comprende además dicha porción del fuselaje (20) que se extiende entre la unión con el primer elemento metálico y con el acoplador de antena (11).
La figura 2 muestra una primera realización de la invención. Esta primera realización puede ser utilizada en aviones que tienen una estructura metálica interna de modo que el larguero frontal (2) y las costillas del borde de ataque (3) son metálicos. En esta primera realización, el segundo elemento metálico comprende dicha costilla del borde de ataque (3). Además, el elemento de radiación de la antena (10) y la costilla del borde de ataque (3) están en contacto directo. El fuselaje (20) es también metálico.
El acoplador de antena (11) está conectado eléctricamente al elemento de radiación de la antena (10) y también unido al fuselaje (20) de manera que el elemento de radiación de la antena (10), la costilla del borde de ataque (3), el larguero frontal (2), el acoplador de antena (11) y la porción del fuselaje (20) que se extiende entre la unión con el larguero frontal (2) y el acoplador de antena (11) están configurados como un circuito eléctrico de tal manera que en uso una corriente que fluye a través de dicho circuito describe un bucle cerrado.
La figura 3 muestra una vista en perspectiva de una segunda realización de la invención, que muestra claramente que el conjunto de antena está integrado en la estructura de soporte interna, más específicamente está dispuesto como una parte de o unido al larguero frontal (2).
La figura 4 es una vista ampliada de la figura 3, que muestra el elemento de radiación de la antena (10) y el larguero frontal (2). En esta realización, el primer elemento metálico comprende también una placa metálica (12), que comprende unos medios de fijación metálicos (13) al larguero frontal (2), como se muestra en la figura 6. Una placa metálica con forma de U o placa metálica conectada a tierra (15) permite la conexión mecánica y eléctrica de la placa metálica (12) al fuselaje (20) que también es metálico y así reproducir el bucle cerrado anteriormente mencionado también en este ejemplo de realización.
Para un fuselaje no metálico (20), es decir, para un fuselaje (20) hecho de material compuesto, la placa metálica conectada a tierra (15) se puede extender hasta que hace contacto con el acoplador de antena (11) de tal manera que se realiza la conexión eléctrica entre la placa metálica (12) y el acoplador (11).
Comprende además al menos un mástil de soporte metálico (14) que se extiende entre el elemento de radiación de la antena (10) y la placa metálica (12) como un segundo elemento metálico. Esta segunda forma de realización puede ser utilizada en aeronaves, que tienen una estructura interna realizada en materiales compuestos, donde el larguero frontal (2) y las costillas del borde de ataque (3) están realizados en material compuesto. En esta segunda realización, el primer elemento metálico comprende el larguero frontal (2), que está hecho de material compuesto y la placa metálica (12) que están unidos directamente entre sí.
El acoplador de antena (11) está conectado operativamente al elemento de radiación de la antena (10) de manera que el elemento de radiación de la antena (10), el mástil soporte metálico (14) y la placa metálica (12) unida al larguero frontal (2) están configurados como un circuito eléctrico de tal manera que en uso una corriente que fluye a través de dicho circuito describe un bucle cerrado. Como se explicó anteriormente, si el fuselaje (20) es metálico la corriente fluye a través de él (20) ya que la placa metálica (12) está conectada eléctricamente con el fuselaje (20) por medio de la placa metálica puesta a tierra (15) y el acoplador de antena (11) también está conectado eléctricamente al fuselaje (20). Si el fuselaje (20) es no metálico tiene que proporcionarse una conexión eléctrica entre la placa metálica (20) y el acoplador de antena (11).
Puede comprender además al menos un mástil de soporte dieléctrico (16) que se extiende entre el elemento de radiación de la antena (10) y la placa metálica (12).
La placa metálica (12) de antena está conectada eléctricamente a la estructura de la aeronave a través de unos medios de fijación metálicos (13) en contacto con el larguero frontal (2) del VTP (1) y con el fuselaje (20) a través de un accesorio metálico puesto a tierra (15) diseñado para interconectar este elemento con el fuselaje (20). Este diseño proporciona buena continuidad eléctrica entre la placa metálica (12) y el fuselaje (20), asegurando un camino de baja impedancia de CC para la corriente hacia el acoplador de antena (11) que también está conectado a tierra a través del fuselaje (20), siendo esta una característica crítica para la eficiencia del sistema HF.
La figura 4 también muestra una costilla dieléctrica (4), que se utiliza para apoyar una aleta dorsal con el fin de no perturbar el esquema de radiación de la antena.
El elemento de radiación de la antena (10) está acoplado mediante una o más líneas de alimentación (30) al acoplador o acopladores (11) HF. Para aumentar la eficiencia del sistema, es necesario localizar los acopladores de antena (11) adyacentes al elemento de radiación de la antena (10) para reducir las pérdidas y asegurar un acoplamiento apropiado. Pueden utilizarse dos accesorios de la línea de alimentación, uno para acopladores (11) con salida coaxial con una placa metálica y otro de acopladores (11) con salida roscada con correas.
Las figuras 1, 2, 3 y 4 muestran la porción del larguero frontal (2) conectado al fuselaje (20) de la aeronave y las figuras 1, 3 y 4 muestran el acoplador de antena conectado al fuselaje (20).
Toda la antena estaría cubierta por una aleta dorsal dieléctrica estando protegida de los impactos o daños por la meteorología y para evitar aumentar la resistencia aerodinámica a la aeronave y, al mismo tiempo, no interferir con la radiación de la antena. Una puerta de acceso en la aleta dorsal permite el montaje y desmontaje de los acopladores de antena (11) y las operaciones de mantenimiento.
El elemento de radiciacón de la antena es normalmente alrededor de 0,1 m de ancho y 1,3 m de largo, la placa metálica tiene normalmente una anchura doble que la del elemento de radiación y una longitud igual o ligeramente superior. La distancia entre el elemento de radiación y la placa metálica deberá ser suficiente para tener un área abierta de aproximadamente 0,5 metros cuadrados.
La antena objeto de la invención está diseñada para comunicaciones de largo alcance en la banda de alta frecuencia (2 MHz a 30 MHz).
Claims (11)
1. Conjunto de antena adaptado para aeronave que comprende:
- un elemento de radiación de una antena (10), y
- al menos un acoplador de antena (11) en conexión eléctrica con el elemento de radiación de la antena (10),
-una parte de un estabilizador vertical (1) que tiene una parte de un larguero frontal (2),
-un segundo elemento metálico (3, 14) en contacto eléctrico con el elemento de radiación de la antena (10) y con un primer elemento metálico (2, 12), el elemento de radiación de la antena (10) estando situado paralelo a la parte del larguero frontal (2),
caracterizado por que:
- el primer elemento metálico está en conexión eléctrica con el acoplador de antena (11), y el primer elmento metálico (2, 12) comprendiendo dicha parte del larguero frontal (2),
- el elemento de radiación de la antena (10), el primer y el segundo elementos metálicos (2, 12; 3, 14) y el acoplador de antena (10) estando configurados como un circuito eléctrico de tal manera que en uso una corriente que fluye a través de dicho circuito describe un bucle cerrado.
2. Conjunto de antena, según la reivindicación 1, caracterizado por que la parte del estabilizador vertical (1) también tiene una costilla del borde de ataque (3) en contacto con el larguero frontal (2) de tal manera que el segundo elemento metálico comprende dicha costilla del borde de ataque (3).
3. Conjunto de antena, según la reivindicación 2, caracterizado por que el elemento de radiación de la antena (10) y la costilla del borde de ataque (3) están en contacto directo.
4. Conjunto de antena, según la reivindicación 1, caracterizado por que el primer elemento metálico comprende también una placa metálica (12), que comprende medios de fijación metálicos (13) a la porción del larguero frontal (2).
5. Conjunto de antena, según la reivindicación 4, caracterizado por que el segundo elemento metálico comprende un mástil soporte metálico (14) que se extiende entre el elemento radiación de la antena (10) y la placa metálica (12).
6. Conjunto de antena, según las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado por que la placa metálica (12) comprende un accesorio metálico puesto a tierra (15) en su extremo delantero para su unión al fuselaje (20) de la aeronave.
7. Conjunto de antena, según la reivindicación 6, en el que la placa metálica conectada a tierra (15) se extiende hasta que contacta con el acoplador de antena (11) de manera que se realiza la conexión eléctrica entre la placa metálica (12) y el acoplador (11).
8. Conjunto de antena, según una cualquiera de las reivindicaciones 4 a 7, caracterizado por que comprende además al menos un mástil de soporte dieléctrico (16) que se extiende entre el elemento de radiación de la antena (10) y la placa metálica (12).
9. Conjunto de antena, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende además una parte de un fuselaje (20) de la aeronave donde el fuselaje (20) es metálico y el acoplador de antena (11) está unido al fuselaje (20) y el acoplador de antena (11) está también en contacto eléctrico con el fuselaje (20) y el primer elemento metálico (2, 12) está en contacto eléctrico con el fuselaje (20) y donde la parte del fuselaje (20) se extiende entre la unión con el primer elemento metálico (2, 12) y con el acoplador de antena (11 ).
10. Conjunto de antena, de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores de 1 a 8, caracterizado por que comprende además un elemento (40) capaz de transmitir la corriente eléctrica que se extiende entre el primer elemento metálico y el acoplador de antena (11).
11. Una aeronave, caracterizada por que comprende un conjunto de antena de acuerdo con una cualquiera de las reivindicaciones anteriores.
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