DE102008004417A1 - Device for transmitting and / or receiving electromagnetic RF signals - Google Patents

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Alexander Werner Hees
Heiko Braun
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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Senden elektromagnetischer HF-Signale, insbesondere eine UWB-Antenne, in Tapered Slot Bauweise (TSA), mit einer als Abstrahlungselement dienenden planaren metallischen Struktur (10). Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass in Hauptstrahlrichtung (18) der Vorrichtung ein zusätzlicher Wellenleiter (22) vorgesehen ist. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Ortungs- bzw. Materialbestimmungsgerät (42) zur Bestimmung von in einem Medium (44) eingeschlossenen Objekten (46) und/oder zur Bestimmung von Materialparametern, mit einem UWB-Sensor (58), wobei der Sensor (58) zumindest eine erfindungsgemäße Vorrichtung (50) zum Senden elektromagnetischer HF-Signale aufweist. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung mit einer Erkennungsvorrichtung (52), die zur Anwesenheits-Erkennung einer Materialart (54), insbesondere von Gewebe, in einem Werkzeugmaschinenarbeitsbereich (56) vorgesehen ist, wobei die Erkennungsvorrichtung (52) eine Sensoreinheit mit zumindest einer erfindungsgemäßen Vorrichtung (50) zum Senden elektromagnetischer HF-Signale aufweist.The invention relates to a device for transmitting electromagnetic RF signals, in particular a UWB antenna, in tapered slot construction (TSA), with a serving as a radiating element planar metallic structure (10). According to the invention, an additional waveguide (22) is provided in the main beam direction (18) of the device. In addition, the invention relates to a location or material determination device (42) for determining objects (46) enclosed in a medium (44) and / or for determining material parameters, with a UWB sensor (58), wherein the sensor (58 ) comprises at least one inventive device (50) for transmitting electromagnetic RF signals. The invention further relates to a machine tool monitoring device having a recognition device (52) which is provided for detecting the presence of a type of material (54), in particular tissue, in a machine tool working area (56), wherein the recognition device (52) comprises a sensor unit with at least one inventive Device (50) for transmitting electromagnetic RF signals.

Description

Stand der TechnikState of the art

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Senden und oder Empfangen elektromagnetischer HF-Signale, insbesondere von einer eine UWB-Antenne.The The invention is based on a device for transmitting and / or receiving electromagnetic RF signals, in particular from a UWB antenna.

Unter einer Ultra-Wide-Band (UWB) Antenne soll in diesem Zusammenhang insbesondere eine Antenne verstanden werden, mittels der ein ultrabreitbandiges Radarsignal erzeugt, gesendet, empfangen und/oder ausgewertet werden kann. Unter einem "ultrabreitbandigen (oder Ultra Wide Band oder UWB) Radarsignal" soll insbesondere ein elektromagnetisches Signal verstanden werden, welches einen Nutzfrequenzbereich mit einer Mittenfrequenz im Frequenzbereich von ca. 1 GHz bis 15 GHz und einer Frequenzbandbreite von zumindest 500 MHz aufweist.Under An Ultra Wide Band (UWB) antenna is meant in this context In particular, an antenna can be understood by means of an ultra-broadband Radar signal generated, sent, received and / or evaluated can. Under an "ultra broadband (or Ultra Wide Band or UWB) Radar signal "should be understood in particular an electromagnetic signal which has a useful frequency range with a center frequency in the frequency range of about 1 GHz to 15 GHz and a frequency bandwidth of at least 500 MHz.

Für Ultrabreitbandapplikationen im Frequenzbereich von ca. 1 GHz bis 15 GHz existiert eine Vielzahl an Antennengeometrien für unterschiedlichste Anwendungen. Im Bereich der Kommunikation werden vorzugsweise omnidirektionale Antennen eingesetzt, bei denen eine elektromagnetische Welle mit konstanter Leistung z. B. in azimuthaler Richtung auf einer bestimmten Ebene abgestrahlt bzw. empfangen wird. Bei Radaranwendungen hingegen sollte jedoch gezielt in eine Richtung abgestrahlt werden. Anstelle von omnidirektionalen Antennen werden daher Antennen mit Richtwirkung, also gerichtete Antennen eingesetzt.For Ultra broadband applications in the frequency range of approx. 1 GHz up to 15 GHz there is a variety of antenna geometries for different applications. In the field of communication will be Preferably used omnidirectional antennas, in which a electromagnetic wave with constant power z. B. in azimuthal Direction is radiated or received at a certain level. In radar applications, however, should be targeted in one direction be radiated. Instead of omnidirectional antennas therefore antennas with directivity, so directed antennas used.

Als Ultrabreitband-Antennentypen mit Richtwirkung ist aus der Veröffentlichung von P. Li, J. Lang, X. Chen, "UWB Tapered-Slot-Fed Antenna", IET Seminar an Ultra Wideband Systems, Technologies and Applications", 20 April 2006 beispielsweise die Tapered Slot Antenna (TSA) bekannt. As ultra-broadband antenna types with directivity is from the publication of P. Li, J. Lang, X. Chen, "UWB Tapered Slot Fed Antenna", IET Seminar on Ultra Wideband Systems, Technologies and Applications, April 20, 2006 For example, the Tapered Slot Antenna (TSA) known.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht in einer Verbesserung der aus dem Stand der Technik bekannten Antennen.The The object underlying the invention consists in an improvement the known from the prior art antennas.

Vorteile der ErfindungAdvantages of the invention

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer HF-Signale, die insbesondere als eine UWB-Antenne ausgelegt ist, ist in der sogenannten „Tapered Slot" Bauweise (TSA) ausgelegt und weist eine im wesentlichen planare metallische Struktur auf, die als Abstrahlungselement dient. In Hauptstrahlrichtung der Tapered-Slot Antenne – im Deutschen auch „Keilschlitzantenne" genannt – befindet sich ein zusätzlicher Wellenleiter für die Hochfrequenzsignale. Dieser zusätzliche Wellenleiter führt in vorteilhafter Weise zu einer verstärkten Richtwirkung des ausgesendeten Hochfrequenzsignals.The Device according to the invention for transmitting and / or Receiving electromagnetic RF signals, in particular as a UWB antenna is designed in the so-called "Tapered Slot "construction (TSA) designed and has a substantially planar metallic structure, which serves as a radiating element. In Main beam direction of the tapered-slot antenna - in German also called "wedge slot antenna" - is located an additional waveguide for the high frequency signals. This additional waveguide leads in an advantageous manner Way to an increased directivity of the emitted high frequency signal.

Um die dielektrische Konstante eines Materials (z. B. Betonwand, Holz, Plastik etc.) ermitteln zu können, werden für die Anwendung eines breitbandigen Radarverfahrens eine genügend große Frequenzbandbreite und eine hohe Bündelung der von einer Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Welle gefordert. Gerade bei dicken und feuchten Proben, bei denen die dielektrischen Verluste im Material sehr hoch werden können, ist eine stark gerichtete Antenne von Vorteil. Der resultierende, sehr kleine Messfleck kann auch dazu dienen, um nur gezielt in einem definierten Bereich die Dielektrizitätskonstante eines Materials zu bestimmen.Around the dielectric constant of a material (eg concrete wall, wood, Plastic etc.) will be used for the application of a broadband radar method a sufficient large frequency bandwidth and high bundling demanded by an antenna electromagnetic wave. Especially with thick and wet samples where the dielectric Losses in the material can be very high, is one strongly directed antenna advantageous. The resulting, very small measuring spot can also serve only targeted in a defined area to determine the dielectric constant of a material.

In vorteilhafter Weise eignet sich die erfindungsgemäße Antenne daher als Bestandteil eines Sensors für ein Ortungs- bzw. Materialbestimmungsgerät.In Advantageously, the invention is suitable Antenna as part of a sensor for a locating or material determination device.

Darüber hinaus eignet sich die erfindungsgemäße Antenne in vorteilhafter Weise ebenfalls als Bestandteil eines Sensors einer WerkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtungAbout that In addition, the antenna according to the invention is suitable advantageously also as part of a sensor of a Machine tool monitoring device

Im Falle von Schutzsensoren bei Elektrowerkzeugen kann durch den Messfleck die Schutzzone z. B. unmittelbar vor dem Sägeblatt einer Kreis- oder Bandsäge beschrieben werden.in the Trap of protection sensors on power tools may be due to the measurement spot the protection zone z. B. immediately in front of the saw blade Circular or band saw are described.

Weitere Vorteile ergeben sich aus den Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Antenne gemäß den abhängigen Ansprüchen.Further Advantages result from the refinements and developments the antenna according to the invention according to the dependent claims.

In vorteilhafter Weise wird der Wellenleiter als ein zirkularer, dielektrischer Wellenleiter ausgebildet. Der Wellenleiter kann dabei zumindest teilweise als Zylinder, insbesondere ein massiver Zylinder aus einem Dielektrikum aufgebaut sein.In Advantageously, the waveguide is considered a circular, dielectric Waveguide formed. The waveguide can at least partly as a cylinder, in particular a solid cylinder of one Dielectric be constructed.

Zur Bündelung des abgestrahlten HF-Signals weist der Wellenleiter in Vorteilhafter Weise zumindest einen sich im Durchmesser verjüngenden Bereich aufweist.to Bundling of the radiated RF signal assigns the waveguide Advantageously, at least one area tapering in diameter having.

Um die Richtwirkung der Antenne zu verbessern kann ein zusätzlicher Reflektor vorgesehen sein. Ein derartiger Reflektor ist dann in vorteilhafter Weise entgegen der Hauptstrahlrichtung der Vorrichtung vorgesehen.Around to improve the directivity of the antenna can be an additional Reflector be provided. Such a reflector is then in advantageously counter to the main radiation direction of the device intended.

Der Reflektor kann beispielsweise als ein im Wesentlichen ebenes, metallisches Reflektorelement ausgebildet sein.The reflector may, for example, as a substantially planar, metallic reflector element be educated.

Das Reflektorelement sollte dabei dann im Wesentlichen senkrecht auf der Hauptstrahlrichtung der Vorrichtung steht.The Reflector element should then be substantially perpendicular the main beam direction of the device is.

Um eine deutliche Richtwirkung und Bündelung des von der Vorrichtung abgestrahlten Signals zu erhalten, ist der sich im Durchmesser verjüngenden Bereich dann auf der dem Reflektor abgewandten Seite des Wellenleiters ausgebildet.Around a clear directivity and bundling of the device to get radiated signal is tapering in diameter Area then on the side facing away from the reflector of the waveguide educated.

Um die Richtwirkung der Antenne noch weiter zu verbessern und insbesondere das Auftreten von sogenannten „Nebenkeulen" in der Abstrahlung zu verringern, ist in einer vorteilhaftern Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne die metallische Struktur des Antennenelementes an den dem Aussendungsschlitz abgewandten Rändern quer zur Hauptstrahlrichtung geschlitzt. In vorteilhafter Weise können damit die Oberflächenströme an den seitlichen Rändern der metallischen Struktur reduziert werden, die ansonsten Nebenkeulen sowie einen verminderten Gewinn in Hauptstrahlrichtung hervorrufen würden.Around to further improve the directivity of the antenna and in particular the occurrence of so-called "side lobes" in the radiation too reduce is in a vorteilhaftern embodiment the antenna according to the invention the metallic Structure of the antenna element facing away from the emission slot Slotted edges transversely to the main jet direction. In an advantageous manner Way, so can the surface currents be reduced at the lateral edges of the metallic structure, the otherwise sidelobes and a reduced gain in the main beam direction would cause.

In vorteilhafter Weise weisen diese Schlitze zur Unterdrückung von Oberflächenströmen unterschiedliche Längen – quer zur Hauptstrahlrichtung der Antenne – auf. Teile des Oberflächenstromes gelangen in den jeweiligen Schlitz, der in vorteilhafter Weise eine Länge von etwa 2/4 des HF-Signals besitzt. Durch diese gewählte Länge der Unterdrückungsschlitze haben hineinlaufende Ströme beim Austritt aus dem Schlitz eine Phasendrehung von ca. 180 Grad erfahren, wodurch der gesamte Oberflächenstrom reduziert wird.In Advantageously, these slots have to suppress of surface currents different lengths - transversely to the main beam direction of the antenna - on. Parts of the surface current arrive in the respective slot, which advantageously one Length of about 2/4 of the RF signal has. Through this selected length of the suppression slots have incoming streams as they emerge from the slot undergo a phase rotation of about 180 degrees, causing the entire Surface current is reduced.

Bei ultrabreitbandigen (UWB) Antennen, wie sie hier zugrunde gelegt werden, sollten die Schlitze in vorteilhafter Weise in Abhängigkeit von der Wellenlänge des abgestrahlten Signals unterschiedliche Längen und Breiten aufweisen, um beim jeweiligen Frequenzanteil des Oberflächenstroms eine Phasenverschiebung von 180 Grad zu erzeugen.at ultra-wideband (UWB) antennas, as used here be, the slots should advantageously in dependence different lengths from the wavelength of the radiated signal and widths to the respective frequency component of the surface current to produce a phase shift of 180 degrees.

Weitere Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. des erfindungsgemäßen Systems ergeben sich aus den nachfolgenden Zeichnungen sowie der zugehörigen Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.Further Advantages of the method or of the system according to the invention emerge the following drawings and the associated description an embodiment.

Zeichnungdrawing

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Beschreibung, die zugehörige Figur sowie die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Ein Fachmann wird diese Merkmale, insbesondere auch die Merkmale verschiedener Ausführungsbeispiele, auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.In the drawing are embodiments of the invention Device shown. The description, the associated FIGURE and the claims contain numerous features in combination. A person skilled in the art will appreciate these features, in particular also the features of various embodiments, also individually consider and summarize to meaningful further combinations.

Es zeigt:It shows:

1 eine Tapered-Slot-Antenne in einer vereinfachten schematischen Darstellung, 1 a tapered slot antenna in a simplified schematic representation,

2 eine erfindungsgemäße Vorrichtung mit Wellenleiter und Reflektor in einer vereinfachten, schematischen Darstellung, 2 an inventive device with waveguide and reflector in a simplified, schematic representation,

3 bis 5 Elemente der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Bemaßung entsprechend einem möglichen Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer ebenfalls vereinfachten, schematischen Darstellung, 3 to 5 Elements of the device according to the invention with a dimension according to a possible embodiment of the device according to the invention in a likewise simplified, schematic representation,

6 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit Wellenleiter und Reflektor in einer vereinfachten, schematischen Darstellung, 6 a further embodiment of the device according to the invention with waveguide and reflector in a simplified, schematic representation,

7 eine alternative Ausführungsform zur erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 6, in einer vereinfachten, schematischen Darstellung, 7 an alternative embodiment of the device according to the invention according to 6 in a simplified, schematic representation,

8 Die Ausführungsform der erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß 7 bei entferntem Wellenleiter, 8th The embodiment of the device according to the invention according to 7 with the waveguide removed,

9 Ein Ausführungsbeispiel für ein erfindungsgemäßes Ortungs- und Materialbestimmungsgerät, 9 An embodiment of an inventive locating and material determining device,

10 Ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung. 10 An embodiment of a machine tool monitoring device according to the invention.

Beschreibung von AusführungsbeispielenDescription of exemplary embodiments

1 zeigt eine mögliche Ausführungsform einer breitbandigen „Tapered Slot" bzw. „Keilschlitz" Antenne (TSA). Dabei ist eine metallische Struktur 10 (schraffiert eingezeichnet) auf einem Trägermaterial 12 schichtförmig aufgebracht. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht das Trägermaterial beispielsweise aus einer Leiterplatte (PCB). Auf diesen Träger kann dann die als Abstrahlungselement dienende metallische Struktur direkt oder indirekt aufgebracht werden und entsprechend über eine Speiseleitung kontaktiert werden. 1 shows a possible embodiment of a wideband "Tapered Slot" or "Wedge Slot" antenna (TSA). This is a metallic structure 10 (hatched drawn) on a substrate 12 layered applied. In the device according to the invention, the carrier material consists for example of a printed circuit board (PCB). On this carrier then serving as a radiating element metallic structure can be applied directly or indirectly and be contacted accordingly via a feed line.

Die als Abstrahlungselement dienende metallische Struktur bzw. Schicht 10 weist einen sich in Hauptstrahlrichtung 18 erweiternden schlitzförmigen Bereich 14 auf, in dem sich die auszusendenden Wellen 16 ausbilden und anschließend auch ablösen, wie dies in 1 schematisch angedeutet ist.The serving as a radiating element metallic structure or layer 10 has a main beam direction 18 expanding slit-shaped area 14 on, in which the waves to be sent 16 train and then replace, as in 1 is indicated schematically.

Die elektromagnetischen Wellen werden dabei überwiegend in eine Raumrichtung, die Hauptstrahlrichtung 18 abgestrahlt. Daher wird die TSA den gerichteten Antennen zugeordnet.The electromagnetic waves are predominantly in a spatial direction, the main radiation direction 18 radiated. Therefore, the TSA is assigned to the directional antennas.

Die Speisung der Antenne erfolgt am schmalen Ende der Schlitzleitung 14 mittels eines Speisepunktes 20.The antenna is powered at the narrow end of the slot line 14 by means of a feeding point 20 ,

An diesem Speisepunkt 20 ist die metallische Struktur 10 durch das Trägermaterial 12 hindurch elektrisch mit einem nicht weiter dargestellten Speisenetzwerk verbunden.At this feeding point 20 is the metallic structure 10 through the carrier material 12 through electrically connected to a feed network not shown.

2 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Senden elektromagnetischer HF-Signale. Neben den in 1 dargestellten Elementen weist diese Vorrichtung zumindest einen Wellenleiter und gegebenenfalls auch ein Reflektorelement 24 auf. Der Wellenleiter 22, der im Ausführungsbeispiel der 2 als ein im wesentlichen zylindrischer Wellenleiter dargestellt ist, dient der Steigerung der Richtwirkung einer Tapered Slot Antenne durch die gezielte Führung der Wellen. Der zirkulare, dielektrische Wellenleiter, kurz auch Rod genannt, ist symmetrisch zur metallischen Struktur des Antennenelementes in der Art angeordnet, dass die Ebene 26 der metallischen Struktur 10 den Durchmesser des Rods teilt. 2 shows a first embodiment of a device according to the invention for transmitting electromagnetic RF signals. In addition to the in 1 shown elements, this device has at least one waveguide and optionally also a reflector element 24 on. The waveguide 22 in the embodiment of the 2 is shown as a substantially cylindrical waveguide, serves to increase the directivity of a tapered slot antenna by the targeted guidance of the waves. The circular, dielectric waveguide, also called Rod, is arranged symmetrically to the metallic structure of the antenna element in such a way that the plane 26 the metallic structure 10 shares the diameter of the rod.

Der Wellenleiter weist einen ersten, zylindrischen Abschnitt 28 sowie einen zweiten, sich verjüngenden Abschnitt 30 auf. Der sich verjüngende Abschnitt 30 ist dabei an dem dem Reflektor 24 abgekehrten Ende des Wellenleiters 22 angeordnet.The waveguide has a first, cylindrical portion 28 and a second, tapered section 30 on. The tapered section 30 is at the reflector 24 remote end of the waveguide 22 arranged.

Die Ablösung der Wellen findet in Abhängigkeit der sich ergebenden Wellenlänge im – in Hauptstrahlrichtung 18 gesehen – vorderen Bereich des Rods 22 statt. Mit abnehmendem Durchmesser des Wellenleiters 22 werden Wellen höherer Frequenzen abgelöst. Der im Ausführungsbeispiel zusätzlich angebrachte metallische Reflektor 24 reduziert zudem die ungewollte Wellenausbreitung entgegengesetzt zur Hauptstrahlrichtung 18.The separation of the waves takes place in dependence on the resulting wavelength in - in the main beam direction 18 seen - front area of the rod 22 instead of. As the diameter of the waveguide decreases 22 waves of higher frequencies are replaced. The additionally mounted in the exemplary embodiment metallic reflector 24 In addition, it reduces the unwanted wave propagation opposite to the main beam direction 18 ,

Der Reflektor 24 kann beispielsweise aus einem ebenen, metallischen Reflektorelement bestehen, welches senkrecht zur Hauptstrahlrichtung 18 angeordnet ist.The reflector 24 may for example consist of a flat, metallic reflector element which is perpendicular to the main beam direction 18 is arranged.

Darüber hinaus kann das Reflektorelement aber auch von der Ebenen-Form abweichen und durch eine spezielle Formgebung, wie beispielsweise eine Krümmung auf den Wellenleiter angepasst sein.About that In addition, however, the reflector element may also deviate from the plane shape and by a special shaping, such as a curvature be adapted to the waveguide.

Die 3 bis 5 zeigen ein bemaßtes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. ihrer wesentlichen Komponenten.The 3 to 5 show a dimensioned embodiment of the device according to the invention or its essential components.

Dabei zeigt die 3 die als Abstrahlungselement dienende metallische Struktur 10, inklusive der Speiseleitung 32 für das Hochfrequenzsignal. Die Maße stellen ungefähre Angaben dar. In einer konkreten Ausführungsform kann die metallische Struktur, welche der Abstrahlung dient, beispielsweise die Maße 67 mm (speiseleitungsseitige Breite), 73 mm (Ausdehnung in Hauptstrahlrichtung), 100 mm (abstrahlungsseitige Breite) aufweisen. Die 4 zeigt eine mögliche Form des Reflektorelementes 24, das zudem eine Anschlussdurchführung 33 für die Speiseleitung 32 sowie ggfls. einen Anschluss für die Potentialanpassung des Reflektors aufweist.It shows the 3 serving as a radiating element metallic structure 10 , including the feeders 32 for the high-frequency signal. The dimensions represent approximate data. In a concrete embodiment, the metallic structure which serves for the radiation, for example, the dimensions 67 mm (feeder side width), 73 mm (extension in the main beam direction), 100 mm (radiation side width) have. The 4 shows a possible shape of the reflector element 24 , which also has a connection implementation 33 for the feed line 32 as well as if necessary. has a connection for the potential adjustment of the reflector.

5 zeigt einen Wellenleiter mit einer beispielhaften Bemaßung. Der Wellenleiter 22, der beispielsweise einstückig aus einem dielektrischen Material gefertigt sein kann, weist einen Schlitz 34 auf, in den das Trägerelement 12 inklusive der metallischen Sendestruktur 10 eingeführt wird. Dabei ist der Schlitz 34 im Wesentlichen mittig in dem dielektrischen Vollzylinder ausgebildet, so dass der Wellenleiter symmetrisch zur Abstrahlungsebene der Antenne, die im Wesentlichen der Ebene der metallischen Schicht 10 entspricht, angeordnet ist. Darüber hinaus sitzt der Wellenleiter auch symmetrisch zur Schlitz 14, der der Ablösung der anzustrahlenden Wellen dient. Der Wellenleiter kann somit zudem auch die mechanische Stabilität des Trägerelementes 12 erhöhen. 5 shows a waveguide with an exemplary dimension. The waveguide 22 , which may be made in one piece of a dielectric material, for example, has a slot 34 on, in which the carrier element 12 including the metallic transmission structure 10 is introduced. Here is the slot 34 formed substantially centrally in the dielectric solid cylinder, so that the waveguide symmetrical to the radiation plane of the antenna, which is substantially the plane of the metallic layer 10 corresponds, is arranged. In addition, the waveguide also sits symmetrically to the slot 14 , which serves to replace the waves to be irradiated. The waveguide can thus also the mechanical stability of the support element 12 increase.

Neben den in den 3 bis 5 gezeigten Größenverhältnissen sind für spezielle Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung selbstverständlich auch andere Maße der technischen Elemente der Vorrichtung möglich.In addition to those in the 3 to 5 Of course, other dimensions of the technical elements of the device are also possible for specific applications of the device according to the invention.

6 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Diese Ausführungsform ist – abgesehen von den noch zu beschreibenden Besonderheiten – prinzipiell analog zu der Vorrichtung gemäß 2 aufgebaut. 6 shows a further embodiment of the device according to the invention. This embodiment is - apart from the peculiarities to be described - in principle analogous to the device according to 2 built up.

Oberflächenströme, die sich im Betrieb der Antenne an den seitlichen Rändern 36 der metallischen Struktur 10 ausbilden können, verursachen so genannte Nebenkeulen in der Abstrahlungscharakteristik der Antenne und führen somit zu einer verminderten Leistung in Hauptstrahlrichtung 18 der Antenne.Surface currents that occur during operation of the antenna at the lateral edges 36 the metallic structure 10 form so-called side lobes in the radiation characteristic of the antenna and thus lead to a reduced power in the main beam direction 18 the antenna.

Eine Möglichkeit zur Verminderung dieser Oberflächenströme an den Rändern des Antennenelementes ist das Schlitzen der metallischen Struktur 10. Teile des Oberflächenstromes gelangen in den jeweiligen Schlitz 38, der eine Länge von etwa 2/4 der Wellenlänge des Signals besitzt. Diese Schlitze 38, im Englischen auch Corrugation genannt, die quer zur Hauptstrahlrichtung 18 der Antenne in die metallische Struktur 10 eingearbeitet sind, ermöglichen eine Reduzierung der Oberflächenströme und damit eine Vergrößerung der in Hauptstrahlrichtung abgestrahlten Sendeleistung der Antennenvorrichtung. Durch die speziell gewählte Länge der Schlitze 38 haben hineinlaufende Ströme beim Austritt aus dem jeweiligen Schlitz 38 eine Phasendrehung von ca. 180 Grad erfahren, interferieren daher destruktiv mit den verbliebenen Oberflächenströmen, wodurch der gesamte Oberflächenstrom reduziert wird.One way to reduce these surface currents at the edges of the antenna element is to slit the metallic structure 10 , Parts of the surface current get into the respective slot 38 which has a length of about 2/4 of the wavelength of the signal. These slots 38 , also called corrugation in English, which is transverse to the main beam direction 18 the antenna into the metallic structure 10 are incorporated a reduction of the surface currents and thus an increase in the radiated in the main beam transmission power of the antenna device. Due to the specially selected length of the slots 38 have incoming streams at the exit from the respective slot 38 experience a phase rotation of about 180 degrees, therefore interfere destructively with the remaining surface currents, whereby the total surface current is reduced.

Bei ultrabreitbandigen (UWB) Antennen können die Schlitze 38 in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ des Signals unterschiedliche Längen und Breiten aufweisen, wie dies in den 6 bis 8 dargestellt ist. Diese spezielle Ausgestaltung der Schlitze 38 führt dazu, dass beim jeweiligen Frequenzanteil des breiten Frequenzspektrums des Oberflächenstroms eine Phasenverschiebung von 180 Grad zu erzeugen.For ultra-wideband (UWB) antennas, the slots 38 depending on the wavelength λ of the signal have different lengths and widths, as shown in the 6 to 8th is shown. This special embodiment of the slots 38 causes a phase shift of 180 degrees at each frequency component of the broad frequency spectrum of the surface current.

7 zeigt eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer weiteren speziellen Ausführungsform. Die Darstellung der 8 zeigt zur Verdeutlichung der Weiterbildung die Vorrichtung gemäß 7, jedoch ohne Wellenleiter 22. 7 shows a device according to the invention in a further specific embodiment. The presentation of the 8th shows to illustrate the development of the device according to 7 but without waveguide 22 ,

Die Abmessungen des Substrats der Vorrichtung gemäß 7 bzw. 8 betragen typischerweise ca. 97 mm × 93 mm, die des metallischen Reflektors typischerweise ca. 67 mm × 60 mm, in einem konkreten Ausführungsbeispiel wurden die Maße 67,1 mm × 60 mm bzw. 97,1 mm × 93 mm verwendet. Das Rod (der Wellenleiter) hat dieselben Abmessungen wie das in 5 dargestellte, besitzt jedoch einen verlängerten Schlitz 38 zur Aufnahme des Trägerelementes 12, also beispielsweise der Träger-Platine. Ein Vorteil der in 7 bzw. 8 dargestellten Antenne gegenüber der Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne nach 2 bzw. 3 bis 5 ist die verbesserte Wellenablösung durch die spezielle Gestaltung der metallischen Struktur 10 im Ablösebereich der Wellen. So weist die als Abstrahlungselement dienende metallische Struktur 10 des Ausführungsbeispiels der 7 und 8 zwei jeweils im Wesentlichen dreieckförmig ausgebildete Endbereiche 40 in Hauptstrahlrichtung 18 auf. Diese zusätzlichen beiden dreieckigen Metallflächen 40 führen zu einem verbesserten Ablöseverhalten der auszusendenden Wellen und verbessern damit die Richtcharakteristik der erfindungsgemäßen Vorrichtung nochmals.The dimensions of the substrate of the device according to 7 respectively. 8th are typically about 97 mm × 93 mm, those of the metallic reflector typically about 67 mm × 60 mm, in a specific embodiment, the dimensions 67.1 mm × 60 mm and 97.1 mm × 93 mm were used. The rod (the waveguide) has the same dimensions as the in 5 illustrated, but has an elongated slot 38 for receiving the carrier element 12 , so for example the carrier board. An advantage of in 7 respectively. 8th shown antenna over the embodiment of the antenna according to the invention according to 2 respectively. 3 to 5 is the improved wave separation due to the special design of the metallic structure 10 in the separation area of the waves. Thus, the serving as a radiating element metallic structure 10 of the embodiment of 7 and 8th two each substantially triangular shaped end portions 40 in the main beam direction 18 on. These additional two triangular metal surfaces 40 lead to an improved separation behavior of the waves to be transmitted and thus improve the directional characteristic of the device according to the invention again.

Die Richtcharakteristik einer Antenne ist für diverse Anwendungen von entscheidender Bedeutung.The Directional characteristic of an antenna is for various applications crucial.

Um die dielektrische Konstante eines Materials (z. B. Betonwand, Holz, Plastik etc.) ermitteln zu können, werden für die Anwendung eines breitbandigen Radarverfahrens eine genügend große Frequenzbandbreite und eine hohe Bündelung der von einer Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Welle gefordert. Gerade bei dicken und feuchten Proben, bei denen die dielektrischen Verluste im Material sehr hoch werden können, ist eine stark gerichtete Antenne von Vorteil. Der resultierende, sehr kleine Messfleck kann auch dazu dienen, um nur gezielt in einem definierten Bereich die Dielektrizitätskonstante eines Materials zu bestimmen. 9 zeigt in einer schematischen Ansicht, ein Ortungs- bzw. Materialkonstantenbestimmungsgerät 42 mit der erfindungsgemäßen Antenne bzw. Vorrichtung 50, welches über eine Wand 44 verfahren wird. Mit einem solchen Gerät 42 ist beispielsweise die Ortung von in einem Medium eingeschlossenen Objekten 46 oder aber auch die Bestimmung von Materialparameter, wie beispielsweise die Feuchte eine Wand 44 möglich, wie dies grundsätzlich in der DE 102 07 424 A1 vorgestellt ist, und deren Inhalt damit als hier ebenfalls offenbart anzusehen ist.In order to be able to determine the dielectric constant of a material (eg concrete wall, wood, plastic, etc.), the application of a broadband radar method requires a sufficiently large frequency bandwidth and a high concentration of the electromagnetic wave emitted by an antenna. Especially with thick and wet samples, where the dielectric losses in the material can become very high, a strongly directed antenna is an advantage. The resulting, very small measuring spot can also serve to determine the dielectric constant of a material only selectively in a defined range. 9 shows in a schematic view, a location or material constant determination device 42 with the antenna or device according to the invention 50 which over a wall 44 is moved. With such a device 42 is, for example, the location of objects enclosed in a medium 46 or also the determination of material parameters, such as the humidity of a wall 44 possible, as basically in the DE 102 07 424 A1 is presented, and their content is thus to be regarded as disclosed here as well.

Eine alternative Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Senden elektromagnetischer HF-Signale bietet der Bereich der Schutzsensoren. So kann beispielsweise im Falle von Schutzsensoren bei Elektrowerkzeugen durch die gute Bündelung des Messsignals die zu überwachende Schutzzone unmittelbar vor einem Sägeblatt oder Sägeband genauer abgesichert werden.A alternative application of the device according to the invention for transmitting electromagnetic RF signals provides the range of Protection sensors. For example, in the case of protection sensors in power tools by the good bundling of the measuring signal the protection zone to be monitored immediately in front of a saw blade or saw band are hedged more accurately.

10 zeigt ein Ausführungsbeispiel für eine Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung, die zur Anwesenheitserkennung einer Materialart, insbesondere von Gewebe, wie beispielsweise menschlichem Gewebe, vorgesehen ist, am Beispiel einer Kreissäge 48. Die Kreissäge 48 weist eine Erkennungsvorrichtung 52 auf, die zur Anwesenheitserkennung einer Materialart 54, insbesondere von Gewebe, in einem Werkzeugmaschinenarbeitsbereich 56 vorgesehen ist. Die Erkennungsvorrichtung 52 weist zumindest eine erfindungsgemäße Vorrichtung 50 zum Senden elektromagnetischer HF-Signale auf. Hinsichtlich des zugrunde liegenden Messverfahrens sowie einer möglichen Ausgestaltung einer solchen Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung sei auf die EP 0711 0067 A1 verwiesen, deren Inhalt damit als hier ebenfalls offenbart anzusehen ist. 10 shows an embodiment of a machine tool monitoring device, which is provided for the presence detection of a type of material, in particular of tissue, such as human tissue, using the example of a circular saw 48 , The circular saw 48 has a recognition device 52 on, which is used to detect the presence of a material type 54 , in particular of tissue, in a machine tool work area 56 is provided. The recognition device 52 has at least one device according to the invention 50 for transmitting electromagnetic RF signals. With regard to the underlying measuring method as well as a possible embodiment of such a machine tool monitoring device, reference may be made to EP 0711 0067 A1 referenced, the content of which is thus also to be disclosed here.

Die Anwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Rahmen einer Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung ist jedoch nicht auf Sägen und insbesondere auf Kreissägen beschränkt.The Application of the device according to the invention in Frame of a machine tool monitoring device is but not on saws and especially on circular saws limited.

Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch nicht auf die Verwendung als Bestandteil einer Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung beschränkt. Neben der beschriebenen Verwendung im einem Ortungs- bzw. Materialkonstantenbestimmungsgerät, erkennt der Fachmann die weiteren Verwendungsmöglichkeiten der erfindungsgemäßen Vorrichtung.Moreover, the device according to the invention is not limited to use as part of a machine tool monitoring device. In addition to the described use in a location or material constant determination device, the skilled artisan recognizes the other uses of the device according to the invention.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht in vorteilhafter Weise die Fokussierung von elektromagnetischen Wellen einer Tapered Slot Antenne in Hauptstrahlrichtung durch ein zusätzliches dielektrisches Rod. Aus dieser. Kombination einer planaren Antennenstruktur zur Anregung der elektromagnetischen Welle mit einem dielektrischen, sich nach vorne verjüngenden Zylinder als Wellenleiter ergeben sich eine Vielzahl von Vorteilen. Eine weitere Erhöhung der Richtwirkung in Hauptstrahlrichtung sowie eine deutliche Reduzierung der Wellenausbreitung in rückwärtiger Richtung der Antenne wird durch einen metallischen Reflektor erzielt.The Device according to the invention allows advantageously the focusing of electromagnetic Waves of a tapered slot antenna in the main beam direction through additional dielectric rod. From this. combination a planar antenna structure for exciting the electromagnetic Wave with a dielectric, tapering forward Cylinders as waveguides yield a multitude of advantages. A further increase in the directivity in the main radiation direction as well as a significant reduction in wave propagation in the rear Direction of the antenna is achieved by a metallic reflector.

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (13)

Vorrichtung (50) zum Senden elektromagnetischer HF-Signale, insbesondere eine UWB-Antenne, in Tapered Slot Bauweise (TSA), mit einer planaren metallischen Struktur (10), dadurch gekennzeichnet, dass in Hauptstrahlrichtung (18) der Vorrichtung ein zusätzlicher Wellenleiter (22) vorgesehen ist.Contraption ( 50 ) for transmitting electromagnetic RF signals, in particular a UWB antenna in Tapered Slot Design (TSA), having a planar metallic structure ( 10 ), characterized in that in the main radiation direction ( 18 ) the device an additional waveguide ( 22 ) is provided. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (22) ein zirkularer dielektrischer Wellenleiter ist.Device according to claim 1, characterized in that the waveguide ( 22 ) is a circular dielectric waveguide. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (22) zumindest teilweise als Zylinder, insbesondere als Vollzylinder, aufgebaut ist.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the waveguide ( 22 ) is at least partially constructed as a cylinder, in particular as a solid cylinder. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wellenleiter (22) einen sich in seinem Durchmesser verjüngenden Bereich (30) aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the waveguide ( 22 ) has a diameter-tapering region ( 30 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Durchmesser des Wellenleiters (22) in Hauptstrahlrichtung (18) verjüngt.Device according to claim 4, characterized in that the diameter of the waveguide ( 22 ) in the main radiation direction ( 18 ) rejuvenated. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Struktur (10) des Antennenelementes zumindest teilweise quer zur Hauptstrahlrichtung (18) der Vorrichtung Schlitze (38) aufweist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the metallic structure ( 10 ) of the antenna element at least partially transverse to the main beam direction ( 18 ) of the device slots ( 38 ) having. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze 38 unterschiedliche Längen aufweisen.Apparatus according to claim 6, characterized in that the slots 38 have different lengths. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (38) unterschiedliche Breiten aufweisen.Device according to claim 6 or 7, characterized in that the slots ( 38 ) have different widths. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass entgegen der Hauptstrahlrichtung (18) der Vorrichtung ein Reflektorelement (24) für elektromagnetische HF-Signale vorgesehen ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that opposite to the main radiation direction ( 18 ) of the device a reflector element ( 24 ) is provided for electromagnetic RF signals. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement (24) als im Wesentlichen ebener, metallischer Reflektor ausgebildet ist.Apparatus according to claim 9, characterized in that the reflector element ( 24 ) is formed as a substantially planar, metallic reflector. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement (24) im Wesentlichen senkrecht auf der Hauptstrahlrichtung (18) der Vorrichtung steht.Apparatus according to claim 9 or 10, characterized in that the reflector element ( 24 ) substantially perpendicular to the main radiation direction ( 18 ) of the device is. Ortungs- bzw. Materialbestimmungsgerät (42) zur Bestimmung von in einem Medium (44) eingeschlossenen Objekten (46) und/oder zur Bestimmung von Materialparametern, mit einem UWB-Sensor (58), dadurch gekennzeichnet, das der Sensor zumindest eine Vorrichtung (50) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.Location or material determination device ( 42 ) for determining in a medium ( 44 ) enclosed objects ( 46 ) and / or for determining material parameters, with a UWB sensor ( 58 ), characterized in that the sensor at least one device ( 50 ) according to at least one of claims 1 to 11. Werkzeugmaschinenüberwachungsvorrichtung mit einer Erkennungsvorrichtung (52), die zur Anwesenheitserkennung einer Materialart (54), insbesondere von Gewebe, in einem Werkzeugmaschinenarbeitsbereich (56) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Erkennungs vorrichtung (52) eine Sensoreinheit mit zumindest einer Vorrichtung (50) nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11 aufweist.Machine tool monitoring device with a recognition device ( 52 ), which is used to detect the presence of a material type ( 54 ), in particular of tissue, in a machine tool work area ( 56 ), characterized in that the recognition device ( 52 ) a sensor unit with at least one device ( 50 ) according to at least one of claims 1 to 11.
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