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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Senden und/oder
Empfangen elektromagnetischer HF-Signale, insbesondere eine HF-Antenne,
welche in einem Frequenzbereich zwischen 1 und 5 GHz betrieben wird.
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Stand der
Technik
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Für die Ortung
bzw. Detektion von in einem Medium eingeschlossenen Objekten ist
die Verwendung von induktiven Sensoren seit langer Zeit bekannt.
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Darüber hinaus
werden seit kurzem HF-Antennen für
beispielsweise Radarsignale in derartigen Ortungsgeräten eingesetzt.
Antennen für
Einrichtungen, welche zur Detektion von Objekten, wie beispielsweise
Leitungen oder Rohre in Wänden,
Decken und Böden,
abgestimmt sind, werden im Allgemeinen auf das Senden und/oder Empfangen
hochfrequenter HF-Signale, beispielsweise Radarsignale, optimiert.
Eine derartige Antenne in planarer Ausführung ist beispielsweise aus
der
DE 101 04 863
A1 bekannt.
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Die
planare Antenne der
DE
101 04 863 A1 ist mit hoher mechanischer Stabilität auf einer
Leiterplatte fixierbar und erzeugt ein relativ symmetrisches Richtdiagramm
mit weitgehend reduziertem Nebenmaxima bzw. „Nebenkeulen". Die bekannte Antenne besteht
aus einer elektrisch leitenden Platte, welche an einander gegenüber liegenden
Rändern
zwei abgewinkelte Seitenabschnitte aufweist, die als Leitungsarme
zur Ankopplung der Antenne an ein Speisenetzwerk dienen. Dabei ist
jeder der beiden Leitungsarme mit einem eigenen Anschluss versehen, welcher
mit dem auf einer Leiterplatte befindlichen Speisenetzwerk verbindbar
ist. Zur Vergrößerung und
Anpassung der Bandbreite der Abstrahlungscharakteristik dieser bekannten
Antenne, weist das Plattenelement der Antenne seitlich neben den
Leitungsarmen Verlängerungen
auf. Vorzugsweise sind an jeder Seite neben jedem Leitungsarm ein
oder mehrere Verlängerungen
der Platte vorhanden, sodass insgesamt eine symmetrische Geometrie
der Platte entsteht. Diese seitlichen Verlängerungen der Platte haben
insbesondere eine gute Anpassung für tiefere Frequenzbereiche
zur Folge.
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Von
Nachteil bei der bekannten Antennenanordnung sind eine recht voluminöse Bauform
sowie eine parasitäre
Abstrahlung zwischen den angewinkelten Seitenabschnitten und der elektrisch
leitenden Platte. Darüber
hinaus ist lediglich eine Abstrahlrichtung mit der bekannten Radarantenne
möglich.
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Offenbarung
der Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer HF-Signale weist
einen ersten, im Wesentlichen dreieckförmigen, elektrisch leitfähigen Antenneabschnitt zum
Senden und/oder Empfangen von HF-Signalen, sowie zumindest einen
zweiten, dritten und vierten Antennenabschnitt auf, welche dem ersten
Antennenabschnitt in ihrer Form im Wesentlichen entsprechen und
die zusammen in der Art eines Polygons angeordnet sind, wobei jeweils
eine Dreieckspitze eines Antennenabschnitts in etwa im Bereich des
Mittelpunkts des Polygon vorgesehen ist. Dabei bilden jeweils diametral
gegenüber
liegende Antennenabschnitte jeweils ein Antennenelement. In vorteilhafter Weise
sind zwei benachbart zueinander angeordnete Antennenabschnitte über ein
elektrisches Widerstandselement miteinander verbunden. Eine derartige
Antenne hat den Vorteil, dass durch die widerstandsbehaftete Belastung
der Antennenbleche eine bessere Anpassung über dem Frequenzspektrum erreicht
wird. Auf diese Weise ist es möglich,
die Antenne insgesamt breitbandiger, das heißt in einem größeren Frequenzspektrum
zu betreiben.
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Insbesondere
wird diese Breitbandigkeit bzw. die Verbesserung der Anpassung durch
eine Dämpfung
rücklaufender
Wellen erreicht.
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Dabei
bleibt die Entkopplung der beiden Polarisationsrichtungen, die sich
mit einer derartigen Antenne realisieren lässt, aufgrund der Symmetrie
in der Anordnung der Widerstandselemente erhalten.
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Vorteilhafte
Weiterbildungen und Ausführungsformen
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ergeben sich mit den Merkmalen der abhängigen Ansprüche.
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In
vorteilhafter Weise sind die Widerstandselemente aus einem verlustbehafteten
Material, so dass sich eine Dämpfung
elektromagnetischer Wellen, insbesondere eine Dämpfung auf dem Antennenelement
rücklaufender
Wellen erreichen lässt. Diese
verlustbehaftete Antenne führt
somit zu einer Abstrahlungscharakteristik, die gegenüber einer
entsprechenden Antenne ohne Widerstandselemente breitbandiger, das
heißt
im abgestrahlten Frequenzspektrum befinden sich zusätzliche
Frequenzanteile.
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In
vorteilhafter, da recht einfacher Weise lassen sich die elektrischen
Widerstandselemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einem verlustbehafteten
Kunststoffmaterial herstellen.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung
sind die Widerstandselemente Bestandteil einer Trägereinrichtung
für die
Antennenabschnitte. Da die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. die zugehörige Antenne
aus mehreren Antennenabschnitten besteht, ist es vorteilhaft, diese
Antennenabschnitte in oder auf einer Trägereinrichtung zu fixieren,
die die genaue Anordnung der Antennenelemente zueinander gewährleistet.
In vorteilhafter Weise können
die Widerstandselemente als Bestandteile einer solchen Trägereinrichtung
ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Widerstandselemente beispielsweise
einstückig
mit einer solchen Trägereinrichtung
für die
Antennenabschnitte ausgebildet sind. Dies ist insbesondere dann
von Vorteil, wenn auch die Trägereinrichtung
selbst im Wesentlichen aus Kunststoff, insbesondere aus einem entsprechenden,
verlustbehafteten Kunststoffmaterial ausgebildet ist.
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In
alternativen Ausführungsformen
können die
Widerstandselemente aber auch als an die Antennenabschnitte an-
bzw. aufsteckbare diskrete Elemente ausgebildet sein.
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Hierbei
ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Widerstandselemente selbst
als Federelemente ausgebildet sind, sodass sich das An- bzw. Aufstecken
der Widerstandselemente an die Antennenabschnitte zum Einen leichter
realisieren lässt,
zum Anderen jedoch eine sichere Befestigung der Widerstandselemente
auch über
einen langen Zeitraum gewährleistet
ist.
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In
alternativen Ausführungsformen
kann es vorteilhaft sein, an den Antennenabschnitten selbst federnde
Elemente vorzusehen, an denen dann Widerstandselemente, beispielsweise
aus einem Kunststoff, ansteckbar sind.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ermöglicht
bei Verwendung von genau vier im Wesentlichen dreiecksförmigen Antennenabschnitten
eine Antenne mit zwei insbesondere orthogonalen Antennenelementen,
so dass sich zwei getrennte, insbesondere um 90° zueinander gedrehte Polarisationsrichtungen des
Messsignals ergeben können.
Hierzu können HF-Signalanschlüsse von
zwei jeweils diametral gegenüber
liegenden Antennenabschnitten mit zwei HF-Signalbändern, vorzugsweise
unterschiedlicher, gegebenenfalls aber auch teilweise überlappender Frequenzbereiche,
beaufschlagt werden. Alternativ ist es möglich, die HF-Signalanschlüsse der
zwei diametral gegenüber
liegenden Antennenabschnitte alternierend mit einem HF-Signal zu
beaufschlagen. Aufgrund der symmetrischen Anordnung der Antennenelemente
bzw. der zugehörigen
Widerstandselemente bleibt die Entkopplung der beiden Polarisationsrichtungen
der Antenne im Wesentlichen erhalten.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer HF-Signale ermöglicht durch
die Verwendung von elektrischen Widerstandselementen eine verlustbehaftete
Antenne, die eine bessere Anpassung über der Frequenz gewährleistet,
sodass das von der Antenne abgestrahlte Frequenzspektrum breitbandiger ist.
Dabei bleibt in vorteilhafter Weise die Entkopplung der beiden Polarisationsrichtungen
dieser Antenne aufgrund der symmetrischen Anordnung von Antennenelementen
bzw. Antennenabschnitten und den zugehörigen Widerstandselementen
erhalten.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus den nachfolgenden Beschreibungen einiger
Ausführungsbeispiele
einer erfindungsgemäßen Antenne.
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Zeichnung
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In
der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele einer
erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer HF-Signale dargestellt,
welche in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert werden sollen. Die Figuren
der Zeichnungen, deren Beschreibung sowie die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale
auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.
Insbesondere wird ein Fachmann Merkmale aus unterschiedlichen Ausführungsbeispielen
zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.
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Es
zeigen:
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1 den
prinzipiellen Aufbau einer Antenne der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in einer schematischen Schrägaufsicht,
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2 eine
schematische Querschnittsansicht einer Sende-/Empfangsvorrichtung,
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3 eine
schematische Querschnittsansicht einer vereinfachten Sende-/Empfangsvorrichtung
zur Erläuterung
der Funktionsweise der vorliegenden Erfindung,
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4 ein
erstes Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung,
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5 ein
zweites Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung,
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6 ein
weiteres Ausführungsbeispiel
einer erfindungsgemäßen Antennenanordnung,
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7 ein
Ausführungsbeispiel
für ein
Messgerät
mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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In 1 ist
eine Antennengrundform auf einer Trägereinrichtung, im Ausführungsbeispiel
der 1 eine Leiterplatte 25, dargestellt.
Dabei sind vier im Wesentlichen identische, elektrisch leitfähige, im Wesentlichen
dreieckförmige
Antennenabschnitte 10 derart angeordnet, dass sie in Draufsicht
ein Quadrat mit im Bereich des Mittelpunkts 11 des Quadrats
liegenden Dreieckspitzen 12 bilden. Die im Wesentlichen
dreieckförmigen
Antennenabschnitte 10 gehen an den Außenseiten des Quadrats in im
Wesentlichen senkrecht zur Trägereinrichtung 25 verlaufende,
elektrisch leitfähige
Schirmwände 13 über.
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Neben
einer Ausführungsform
als Druckgussteil aus Metall, vorzugsweise Aluminiumdruckguss, besteht
die Möglichkeit,
die Antennenabschnitte als Spritzgussteil aus Kunststoff vorzusehen,
welches mit einer leitfähigen
Metallschicht nach bekanntem Verfahren überzogen ist. Durch verteile,
spritzgussgerechte Durchbrüche
im Kunststoffkörper
wird ein quasi homogenes, abschnittsweise leitfähiges Antennenelement mit vergleichbaren
Eigenschaften gebildet.
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Auch
ist es möglich,
die Antennenabschnitte als Blechbiegeteil, beispielsweise als Stanz-Biegeteil auszuführen.
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In 1 ist
eine Ausführungsform
dargestellt, in welcher die vier Antennenabschnitte 10 aus einzelnen
Antennenblechen, beispielsweise Aluminiumdruckguss, hergestellt
sind. Die erfindungsgemäß beanspruchten
Widerstandselemente zwischen den einzelnen Antennenabschnitten 10 sind
der Übersicht
halber in 1 noch nicht dargestellt. Die
einzelnen Antennenabschnitte 10 sind gegeneinander durch
Luftspalte 16 getrennt, die in einer erfindungsgemäßen Anordnung
durch jeweils ein Widerstandselement überbrückt sind (siehe hierzu beispielsweise 4).
Durch die spezielle Gestaltung des Luftspalts 16 zwischen den
Antennenelementen, insbesondere durch entsprechende Ausnehmungen und
Abstandserweiterungen zwischen zwei benachbarten Antennenabschnitten 10,
wie dies beispielsweise in 1 angedeutet
ist, können
Charakteristika der Sende-/Empfangsantenne
modifiziert und insbesondere die Abstrahlungscharakteristik der
Antenne angepasst werden. Möglich
sind dabei auch andere als in 1 gezeigte
Gestaltungen, der Ausnehmungen, beispielsweise rund, sägezahnförmig, gewellt
oder auch andersartig ausgeformt, mittels welcher bei geeigneter
Auslegung gleichartige Effekte erzielbar sind. Durch die Ausnehmungen 16 gemäß 1,
welche sich an zwei freiliegenden Kanten eines jeden Antennenabschnitts 10 im
oberen und mittleren Bereich befinden, können insbesondere die untere
Grenzfrequenz verkleinert und partielle Verbesserungen der Antennenanpassung
erzielt werden. Außerdem
ist es möglich,
die für
eine untere Sollfrequenz des Abstrahlungsbands der Antenne erforderliche
Abmessung durch entsprechende Ausnehmungen 16 zu reduzieren.
Durch die erfindungsgemäße, zusätzliche Überbrückung des
Luftspalts 16 zwischen benachbarten Antennenabschnitten 10 mittels erfindungsgemäßer Widerstandselemente
kann darüber
hinaus die Bandbreite der Abstrahlungscharakteristik der erfindungsgemäßen Vorrichtung
in vorteilhafter Weise vergrößert werden.
Insbesondere kann die Form des jeweiligen Luftspaltes bei der Verwendung
von zusätzlichen
Widerstandselementen deutlich vereinfacht werden, wie in den 4 bis 6 zu
erkennen ist und noch zu beschreiben sein wird.
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In
den Antennenabschnitten 10 befinden sich des Weiteren auch
Ausnehmungen 23 zur Reduktion von Wirbelstromeffekten in
den im Wesentlichen dreieckförmigen
Antennenabschnitten. Diese Ausnehmungen bzw. Schlitze 23 sind
vorzugsweise entlang der Spiegelachse der Antennenabschnitte 10 vorgesehen.
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Die
im Bereich des Mittelpunkts 11 der Anordnung liegenden
Dreieckspitzen 12 der Antennenabschnitte 10 sind
im Bezug auf die Oberkante der Schirmwände 13 nach unten
in Richtung auf die Trägereinrichtung 25 verlagert,
sodass eine Trichter- bzw. Konusform der Antennenanordnung resultiert, wie
dies beispielsweise in 2 gut zu erkennen ist. Die Dreieckspitzen 12 sind
dabei mit – in 1 nicht weiter
dargestellten – HF-Signalanschlüssen der
Trägereinrichtung 15 kontaktiert
(siehe 2).
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An
den der Trägereinrichtung 25 zugekehrten
Enden der Schirmwände 13 befinden
sich mechanische und/oder elektrische Verbindungselemente 21,
mit denen die Einzelbleche 10 auf der Trägeranordnung 25 mechanisch
und/oder elektrisch angebunden werden. Darüber hinaus befinden sich in
den Schirmwänden 13 des
Ausführungsbeispiels
gemäß 1 Ausnehmungen 26,
wobei in Querrichtung zwei Radachsen 19 angebracht sind,
die zu einer Wegsensorik eines dem Antennenelement zugeordneten
Sensors gehören.
Die Achsen 19 dienen zur starren Verbindung außen liegender,
in den Figuren nicht weiter dargestellter Räder, mit deren Hilfe die Sende-
bzw. Empfangsvorrichtung bzw. ein zugehöriges Messgerät parallel über Flächen bewegt
werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, die erfindungsgemäße Vorrichtung
mit einer Wegsensorik zu versehen, die es erlaubt, jedem Mess- bzw.
Signalwert eine definierte Ortinformation beizufügen. Zur Platzeinsparung verlaufen
diese Achsen 19 vorzugsweise innerhalb der Außenabmessungen
der Sende- bzw. Empfangsvorrichtung mit ihren Antennenabschnitten 10.
In vorteilhafter Weise sind die Achsen 19 aus einem nicht
leitfähigen
Material ausgebildet, um eine elektromagnetische Wechselwirkung
zwischen den Antennenelementen und den Radachsen auszuschließen. Die Öffnungen
zur Durchführung der
Achsen 19 liegen dabei an vorbestimmten Positionen, an
welchen kein Feldmaximum der elektromagnetischen Wellen auftritt.
Mit Hilfe einer derartigen Wegsensorik ist es möglich, Messsignale zu detektieren
und diesen reproduzierbar eine exakte lokale Position zuzuweisen.
Dies ist insbesondere bei der Ortung von in einem Medium eingeschlossenen
Objekten von Vorteil.
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In 2 ist
eine mit 1 vergleichbare Konfiguration
im Querschnitt, jedoch zusätzlich
mit einer Abdeckung 17 in Form eines Radoms aus einem elektrisch
nicht leitfähigen
Material, dargestellt. Die Abdeckeinrichtung 17 verläuft dabei
im Wesentlichen parallel zur Trägereinrichtung 25.
Zwischen den im Wesentlichen dreieckförmigen Antennenabschnitten 10 und
den Schirmwänden 13 ist
ein Übergangsabschnitt 18 vorgesehen,
welcher im Wesentlichen parallel zur Trägereinrichtung 25 verläuft und
insbesondere die Abdeckeinrichtung 17 berührt.
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Kommen
mechanische Belastungen auf die Abdeckeinrichtung 17 und
somit insbesondere auf die Antennenabschnitte 10 der Sende-/Empfangseinrichtung,
so wird die Last großflächig mittels
der Schirmwände 13 über den
gesamten Umfang auf die Trägereinrichtung 25 übertragen.
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Aus
dem Schnittbild in 2 ist die Trichterform zwischen
zwei diametral gegenüber
liegenden Antennenabschnitten 10 ersichtlich, wobei im
Bereich des Mittelpunkts 11 die Antennenachse 14 verläuft. Die
Trägereinrichtung 25 ist
vorzugsweise eine Mehrschicht- bzw.
Multi-Layer-Leiterplatte, welche eine durchgängige Abschirmebene aufweist,
wobei die Abschirmebene vorzugsweise mit den Schirmwänden 13 elektrisch
leitend verbunden ist.
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Die
in der Antennenanordnung innen liegenden HF-Signalanschlüsse 15,
welche mit den Dreieckspitzen 12 der im Wesentlichen dreieckförmigen Antennenabschnitte 10 elektrisch
verbunden sind, sind gegeneinander isoliert. Die vier HF-Signalanschlüsse 15 ragen
vorteilhaft in entsprechend voneinander isolierte Durchkontaktierungen
der Trägereinrichtung 25 und
werden dort elektrisch mit den Dreieckspitzen 12 verbinden.
Die im Wesentlichen dreieckförmigen
Antennenabschnitte 10 gehen vorzugsweise in den Dreieckspitzen 12 in
rechteckförmige
Stege über,
welche einen vorbestimmten Krümmungsradius
aufweisen. Der Krümmungsradius
zwischen dem im Querschnitt gemäß 2 schräg verlaufenden
Antennenabschnitten 10 und denen im Bereich der Trägereinrichtung
senkrecht zur Trägereinrichtung 25 mündenden
Dreieckspitzen 12 ist derart gestaltet, dass sich elektromagnetische
Wellen, insbesondere Radarwellen, leicht ablösen können.
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Die
zum Betrieb der Sende- bzw. Empfangsvorrichtung erforderliche HF-Signalzuleitung
bzw. Ableitung erfolgt in vorteilhafter Weise auf oder innerhalb
der Trägereinrichtung 25,
die vorzugsweise als eine Multi-Layer-Leiterplatte ausgebildet ist.
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3 zeigt
ein aus zwei diametral gegenüberliegend
angeordneten Antennenabschnitten bestehendes Antennenelement sowie
den zugehörigen Schirmwänden 13 nebst Übergangsabschnitt 18. Durch
die gebogenen Pfeile 27 in 3 ist ein
elektromagnetisches Wechselfeld dargestellt, welches von differentiellen,
das heißt
mit im Wesentlichen um 180° zueinander
phasenverschobenen HF-Signalen gespeist wird. Entlang der Antennenachse 14 breiten sich
elektromagnetische Wellen 27, vorzugsweise im Radarbereich
mit einer Frequenz zwischen 1 und 5 GHz aus. Vorzugsweise besteht
die Antenne dabei aus einem insbesondere quaderförmigen Gehäuse mit vier innen liegenden
HF-Signalanschlüssen 15 gemäß 2.
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Jeweils
diametral gegenüber
liegende HF-Signalanschlüsse 15 werden,
wie in 3 dargestellt, mit um etwa 180° zueinander phasenverschobenen
HF-Signalen differentiell angeregt. Daraus resultiert ein Betrieb
der Vorrichtung mit zwei unterschiedlichen, vorzugsweise um etwa
90° zueinander versetzten
Polarisationsebenen. Die diametral gegenüber liegenden Anschlüsse liegen
geometrisch nah beieinander und weisen zur Antennenachse 14 vorzugsweise
eine parallel Richtung, jedoch zumindest einen spitzen Winkel auf.
Nach einem vorzugsweise rechteckförmigen, kurzen Steg geht die
Dreieckspitze 12 in einen im Wesentlichen dreieckförmigen Antennenabschnitt 10 über. Die
Dreieckspitze weist eine abgerundete Krümmung auf, welche vorzugsweise
in einen ebenen Antennenabschnitt 10 übergeht. Vorstellbar ist jedoch
eine zumindest abschnittsweise gewellte und/oder getreppte und/oder konkave
und/oder konvexe Querschnittsgestalt der Antennenabschnitte 10.
Ein oberer Abschnitt des Antennenabschnitts 10 geht mittels
eines Übergangsbereichs 18 in
die senkrecht abfallende Schirmwand 13 über. Die Schirmwand 13 ist
an deren unteren Ende im Bereich der Trägereinrichtung 25 flächig oder
zumindest partiell mit eine Systemmasse, vorzugsweise einem Bezugspotential,
ebenso verbunden wie eine der Trägereinrichtung 25 integrierte
flächige
Abschirmung aus elektrisch leitfähigem
Material. Damit werden elektromagnetische Felder, welche sich unterhalb
der Antennenabschnitte 10 ausbilden, nach außen hin
abgeschirmt.
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Zwischen
den sich diametral gegenüber
liegenden, konus- bzw. trichterförmig
verlaufenden Antennenabschnitten 10 bilden sich somit elektromagnetische
Felder aus, die sich in bekannter Weise von den Antennenblechen
ablösen.
Die Geometrie der Anordnung ist derart gestaltet, dass sich ein
ablösendes
Feld im Quer- wie im Längsschnitt
oberhalb der Sende-/Empfangseinrichtung
ohne Einbrüche
ausbildet. Die dabei direkt benachbarten, nicht diametral gegenüber liegenden
Antennenabschnitte 10 sind dabei erfindungsgemäß über Widerstandselemente sowohl
mechanisch als auch elektrisch direkt miteinander verkoppelt, wie
dies beispielsweise in den 4 bis 6 dargestellt
ist.
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Die
durch die HF-Signalanschlüsse 15 unabhängig voneinander
ansteuerbaren, diametral gegenüber
liegenden Antennenabschnitte 10 können somit zwei orthogonal
zueinander liegende Polarisationen sowohl senden als auch empfangen.
Insbesondere ist es mit einer entsprechend ausgebildeten Ansteuerung
möglich,
beispielsweise auf beiden Polarisationsrichtungen zu senden und
lediglich auf einer von beiden zu empfangen bzw. in umgekehrter Weise
ein Sendesignal mit einer definierten Polarisationsrichtung auszusenden
und auf beiden Polarisationsrichtungen zu empfangen. Letzteres ist
insbesondere vorteilhaft, um beispielsweise die Drehung der Polarisationsrichtung
des Messsignals aufgrund von speziellen Materialeigenschaften eines
zu detektierenden Objekts zu detektieren und daraus auf die jeweilige
Materialeigenschaft zu schließen.
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4 zeigt
eine Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Anordnung
der Antennenabschnitte 10 einer Sende und/oder Empfangseinrichtung
elektromagnetischer HF-Signale,
bei der benachbart zueinander angeordnete Antennenabschnitte 10 über Widerstandselemente 30 miteinander
sowohl elektrisch als auch mechanisch verbunden sind. Die Widerstandselemente 30 der
Ausführungsform
nach 4 sind als einzelne, das heißt diskrete, federelastische
Widerstände
ausgebildet, die auf entsprechende Nasen 32, welche im Übergangsbereich 18 eines jeden
Antennenabschnitts 10 ebenfalls federelastisch ausgebildet
sind, eingeclipst werden können. Alternativ
können
die federelastischen Eigenschaften auch nur an den Widerstandselementen
oder auch nur auch den Antennenabschnitten ausgebildet sein. Als
Widerstandselemente können
handelsübliche Widerstände aber
auch ein leitfähiger
Kunststoff, wie beispielsweise Dichtungsgummi oder aber auch ein Spritzgussteil
verwendet werden. Die somit erzielte widerstandsbehaftete Belastung
der Antennenbleche 10 sorgt für eine bessere Anpassung der
Antenne über
der Frequenz, sodass die abgestrahlte bzw. empfangene Frequenzcharakteristik
der Antennenanordnung insgesamt breitbandiger wird. Auf diese Weise
ist es insbesondere auch möglich,
den zwischen den Antennenabschnitten 10 bestehenden Luftspalt 16 in
deutlich vereinfachter Form 16', wie in 4 dargestellt,
auszubilden. Eine Anpassung der Antennencharakteristik über speziell
ausgebildete Ausnehmungen in den Luftspalten 16, wie dies
beispielsweise in 1 dargestellt ist, ist mit den
erfindungsgemäßen Widerstandselementen
nicht mehr oder lediglich noch ergänzend erforderlich.
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Gemäß der Ausführungsform
in 1 bzw. 4 weist die Sende-/Empfangseinrichtung
vier Symmetrieebenen, eine horizontale, eine vertikale, sowie die
dazu im Winkel von 45° liegenden
Ebenen auf. Gemäß einer
Weiterbildung ist es aber ebenso möglich, zwei senkrecht zueinander
liegende Antennenelemente, die ihrerseits jeweils durch diametral gegenüber liegenden
Antennenabschnitte 10 gebildet sind, unterschiedlich zu
dimensionieren, sodass anstatt einer quadratischen Antennenanordnung,
wie sie in 1 bzw. 4 dargestellt
ist, in Draufsicht sich ein nicht gleichseitiges Rechteck ergibt.
Die Antennenabschnitte 10 entlang der Längsseite werden dabei vorzugsweise
mit einer niedrigeren Frequenz von beispielsweise 1 bis 3 GHz betrieben,
entlang der Querseite, das heißt
in orthogonaler Richtung dazu, beispielsweise von 2,5 bis 4 GHz
betrieben. Aus einer derartigen Anordnung resultieren somit dann lediglich
zwei Symmetrieebenen.
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Vorgegebene
Randbedingungen, wie beispielsweise eine untere oder obere Grenzfrequenz der
Antennenbandbreite, eine maximale horizontale und/oder vertikale
Einbaugeometrie der Sende- bzw. Empfangsvorrichtung können innerhalb
gewisser Grenzen bei der Auslegung der Antenne Berücksichtigung
finden. Prinzipiell bestimmt die gestreckte Länge sowie die obere Breite
der im Wesentlichen dreieckförmigen
Antennenabschnitte 10 den möglichen Frequenzsende- bzw.
Empfangsbereich. Durch die erfindungsgemäßen Widerstandselemente 30, die
die im Wesentlichen dreieckförmigen
Antennenabschnitte 10 miteinander verbinden, können Antennencharakteristika
modifiziert und angepasst werden und somit die Abstrahlungscharakteristik
der Sende- bzw. Empfangsanordnung optimiert werden.
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In
der Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
nach 5 sind vier Antennenabschnitte 10 in
einer mit 1 bzw. 4 vergleichbaren
Konfiguration in einer zusätzlichen
Trägeranordnung 35 angeordnet,
die im Ausführungsbeispiel gemäß 5 als
Kunststoffhalter ausgebildet ist. Dabei können die Einzelbleche der Antennenabschnitte 10 in
den Kunststoffhalter 35 beispielsweise eingeclipst oder
auch direkt als Einlegeteile mit eingespritzt werden. Der Kunststoffhalter 35 führt die
Einzelbleche 10 primär
an den Schirmwänden 13,
die in der Darstellung der 5 nicht
mehr zu erkennen sind, da sie an den Innenseiten der Trägeranordnung 35 anliegen.
Darüber
hinaus können
im Inneren des Kunststoffhalters 35 Stege 36 vorgesehen
sein, die zu einer weiteren Führung
und Fixierung der einzelnen Antennenabschnitte 10 innerhalb
des Kunststoffhalters 35 führen. Die Antennenabschnitte 10 sind nicht
direkt miteinander verbunden und nur in ihrem Übergangsbereich 18 über Widerstandselemente 30', die im Ausführungsbeispiel
der 5 aus einem verlustbehafteten Material, beispielsweise
einem leitfähigen
Kunststoff bestehen, elektrisch miteinander kontaktiert. Dazu besitzen
die Antennenabschnitte 10 federelastische Nasen 32 in
die die Widerstandselemente leicht eingeclipst werden können
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Die
Trägeranordnung 35 kann
mechanisch mit der Leiterplatte 25 verbunden sein und über entsprechende
Befestigungselemente 42 wiederum im Gehäuse eines Messgerätes fixiert
werden.
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Ein
Kunststoffhalter 35, wie er in der Ausführungsform nach 5 dargestellt
ist, ist für
die erfindungsgemäße Vorrichtung
insbesondere dann besonders vorteilhaft, da er gleichzeitig als
Funktionsträger
oder Halter für
weitere Sensor-Elemente, beispielsweise Niederfrequenzspulen eines
Multifunktionssensors dienen kann. Dazu sind in dem Kunststoffhalter 35 entsprechende
Ausnehmungen bzw. Fächer 38 ausgebildet,
in die beispielsweise die Wicklungen von Spulen eines induktiven
Sensors angeordnet werden können.
Auf diese Weise ist es möglich,
ein Messgerät,
insbesondere ein Ortungsgerät
zu realisieren, dass mehrere Messprinzipien, wie beispielsweise
eine Radarortung und eine induktive Ortung miteinander in einem
Messkopf kombiniert. Die Trägeranordnung 35 gewährleistet
dabei insbesondere, dass der Messort der einzelnen Sensoren der
gleiche ist, so dass eine zu untersuchende Stelle gleichzeitig oder
nacheinander von mehreren Sensoren abgefragt werden kann.
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Eine
besonders vorteilhafte Ausführungsform
eines derartigen Kunststoffhalters für die erfindungsgemäße Vorrichtung
ist in 6 dargestellt. Der Kunststoffhalter 35' sowie die Antennenanordnung
gemäß 6 entspricht
im Wesentlichen der Ausführungsform
nach 5, bis auf die Tatsache, dass die erfindungsgemäßen Widerstandselemente 30'' nunmehr einstückig mit dem Kunststoffhalter 35'' ausgeformt sind. Dazu können beispielsweise
die Stege 36' im
Bereich der Widerstandselemente aus einem verlustbehafteten Material,
beispielsweise einem leitfähigen
Kunststoff, hergestellt werden. Auch können derartige Widerstandselemente
an den Stegen 36' oder
den Innenwandungen des Kunststoffhalter ausgeformt werden. Werden
die Antennenabschnitte 10 in den Kunststoffhalter 35' eingebracht, beispielsweise
eingeclipst oder eingesteckt, so wird gleichzeitig durch entsprechende
Kontaktnasen 40, welche an den Antennenelementen 10 ausgebildet sind,
eine elektrische Kontaktierung der Antennenabschnitte 10 mit
den Widerstandselementen 30'' herbeigeführt, so
dass eine Widerstandbrücke
zwischen jeweils zwei benachbarten Antennenabschnitten 10 entsteht.
Dazu kann die Kontaktnase 40 beispielsweise in das Kunststoffmaterial
des Widerstandselementes eingreifen. Die widerstandsbehaftete Belastung
der Antennenbleche 10 führt
dann in beschriebener Weise zu der verbesserten Anpassung der Antenne über dem
Frequenzspektrum, sodass die Antenne der erfindungsgemäßen Sende-
bzw. Empfangsvorrichtung insgesamt breitbandiger wird. Diese Breitbandigkeit,
die aus der Verbesserung der Anpassung der Antennenelemente resultiert,
wird in erster Linie durch eine Dämpfung rücklaufender Wellen erreicht.
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Den
Ausführungsformen
gemäß 4, 5 sowie 6 ist
gemein, dass wegen der Symmetrie der Anordnung sowohl der Antennenabschnitte 10,
als auch der durch diese Abschnitte gebildeten Antennenelemente
sowie insbesondere durch die symmetrische Anordnung der die Antennenabschnitte
miteinander verbindenden Widerstandselemente 30 (bzw. 30', 30'') die Entkopplung der beiden Polarisationsrichtungen
der beschriebenen Antenne erhalten bleibt. Dies geht einher mit
den beschriebenen, vorteilhaften Anwendungen, insbesondere auch, dass
mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
beispielsweise auf unterschiedlichen Polarisationsrichtungen gesendet
und/oder empfangen werden kann.
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7 zeigt
in einer Übersichtsdarstellung ein
Messgerät,
in welchem eine erfindungsgemäße Vorrichtung
integriert ist. Insbesondere zeigt 5 beispielhaft
ein handgehaltenes Ortungsgerät 80 zur Detektion
von in einem Medium eingeschlossenen Objekten mit einer Mehrfachsensorik
als ein Beispiel für
ein derartiges Messgerät.
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Das
Gehäuse 82 dieses
Ortungsgeräts 80 ist in
zwei bevorzugte, entgegen gesetzte Bewegungsrichtungen 84 bzw. 86 verfahrbar,
die senkrecht zu einer Längserstreckung 88 des
Gehäuses 82 des Messgerätes verlaufen.
Das Ortungsgerät 80 besitzt vier
als Räder
ausgebildete Wälzkörper 90, 92, 94 und 96,
die in Längserstreckung 88 des
Gerätes
an gegenüber
liegenden Stirnseiten 98 bzw. 100, in Quererstreckung
des Gerätes
in dessen äußerem Bereich
angeordnet sind. Die sich jeweils in Längserstreckung 88 gegenüber liegenden
Wälzkörper 90 und 94 bzw. 92 und 96 sind über starre
Achsen 24 bzw. 26 (vgl. Achsen 19 in 1)
drehfest miteinander verbunden, wobei die starren Achsen 24 bzw. 26 derart
durch die Antennenanordnung geführt
ist, dass diese mit ihrer Halterung als Achsenführung für das verfahrbare Gerät 80 dient.
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Zur
Aufnahme von Bewegungskenngrößen weist
das Ortungsgerät 80 eine
Sensoreinheit mit insbesondere zwei Sensoren auf, mit denen die
Bewegungskenngrößen erfassbar
sind. Dazu sind auf die Achsen 24 bzw. 26 in nicht
näher dargestellter
Weise Segmenträder
aufgesteckt, die sich in Gabellichtschranken bewegen, so dass die
Bewegungsrichtung des Gerätes
detektiert werden kann.
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Das
Gehäuse 82 des
Messgeräts 80 weist an
seiner Deckseite 102 eine von einem bügelförmigen Griff 104 gebildete
Halteeinrichtung 106 auf. Die Halteeinrichtung 106 verläuft in Längserstreckung 88 des
Gehäuses 82.
Mit Hilfe dieser Halteeinrichtung 106 und der Räder 90, 92, 94 und 96 kann
das Messgerät über die
Oberfläche
eines zu untersuchenden Mediums, beispielsweise einer Wand, eines
Bodens oder einer Decke verfahren werden.
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An
seinem einen, einem graphischen Display 54 zugewendetem
Ende weist die Halteeinrichtung 106 ein erstes Bedienelement 108 auf,
mit dem ein entsprechender Messvorgang zur Ortung eines eingeschlossenen
Objektes gestartet bzw. beendet werden kann. Zwischen der Halteeinrichtung 106 und dem
als graphischen Display 54 ausgebildeten Bildschirm des
Geräts
ist ein Tastenfeld 110 angeordnet, welches über verschiedene
Messtasten 112, 114, 116 verfügt, mit
denen beispielsweise unterschiedliche Sensoren der Mehrfachsensorik
des Messgeräts hinzu-
bzw. abgeschaltet werden können.
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Die
erfindungsgemäße Antennenanordnung 10 ist
in dem Halteelement 106 abgewandten Kopfteil 118 des
Messgeräts
angeordnet und in 7 nur schematisch gestrichelt
wiedergegeben. Dabei sind die Antennenelemente des Hochfrequenzsensors auf
die in 7 verdeckte Unterseite des Gehäuses 82 ausgerichtet
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Das
erfindungsgemäße Messgerät, insbesondere
ein solches handgehaltenes Ortungsgerät zur Detektion von in einem
Medium eingeschlossenen Objekten, weist eine Mehrfachsensorik, insbesondere
eine Hochfrequenzsensorik, beispielsweise mehrere Radarantennen
in einem Frequenzbereich zwischen ca. 1 und 5 GHz auf. Darüber hinaus
besitzt das erfindungsgemäße Messgerät einen
induktiven Sensor zu Ortung metallischer Gegenstände. Die Hochfrequenz-Antennen
sowie die Spulenanordnungen eines induktiven Sensors werden von
einer mechanischen Trägereinrichtung – wir in 4 bis 6 beschrieben – relativ
zueinander und zudem auch insgesamt als Multisensoreinheit im Gehäuse des
Messgeräts
positioniert. Dabei kann die mechanische Trägereinrichtung direkt auf einer
Trägerplatine
des Messgerätes
befestigt werden, die weitere elektronische Ansteuerelemente zum
Betrieb des Messgeräts
aufweist. Weitere Sensorik, wie beispielsweise kapazitive Sensoren,
Netzspannungsdetektoren, die kapazitiv und passiv, d.h. ohne Erzeugung
eines elektrischen Felds, das Wechselspannungsfeld einer Netzspannungsleitung
erfassen können,
sowie auch ein oder mehrere kapazitive Hochfrequenzdetektoren können an
entsprechenden Aufnahmen einer mechanischen Trägereinrichtung bzw. einer zugeordneten
Trägerplatine
derart angeordnet werden, dass jeder Sensor dieser Mehrfachsensorik den
gleichen Messort besitzt, was zu einer genaueren Aussage über das
aufgefundene, detektierte Objekt führt.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
ist nicht auf die beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern
in vielfältiger
Weise modifizierbar.
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Insbesondere
ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
nicht auf die gezeigten Ausführungsformen der
Antennenelemente beschränkt.
So können
beispielsweise neben den konkret beschriebenen Ausführungsbeispielen
mit jeweils vier, im Wesentlichen dreieckförmigen Antennenabschnitten
auch höhere geradzahlige
Anzahlen im Wesentlichen dreieckförmiger Antennenabschnitte,
welche dann ein Polygon bilden, verwendet werden, wobei sich diametral
gegenüber
liegende Antennenabschnitte mit einem – wie beschriebenen – HF-Signal zu beaufschlagen sind.
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Darüber hinaus
sind die beschriebenen Größenverhältnisse
und Materialien lediglich als beispielhaft und nicht einschränkend zu
betrachten. Insbesondere sind die Widerstandselemente nicht auf die
beschriebenen Materialien begrenzt. Als Widerstandselement kann
sowohl ein handelsüblicher
Widerstand als auch ein leitfähiger
Kunststoff, wie beispielsweise ein einfaches Dichtungsgummi oder
aber auch ein Spritzgussteil verwendet werden. Darüber hinaus
kann jedoch auch jedes andere elektrisch verlustbehaftete Material
in irgendeiner angepassten Form verwendet werden.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
lässt sich – wie beschrieben – in vorteilhafter
Weise in ein Messgerät,
insbesondere ein Ortungsgerät
zur Detektion von in einem Medium eingeschlossenen Objekten, integrieren.
Zudem kann die erfindungsgemäße Vorrichtung
jedoch auch direkt in eine Werkzeugmaschine, beispielsweise in eine
Bohrmaschine integriert werden oder aber auch in einem aufsteckbaren Adapter
für eine
solche Maschine oder auch andere Werkzeugmaschinen eingebaut sein.