DE102008055196A1

DE102008055196A1 - Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Hochfrequenzsignale

Info

Publication number: DE102008055196A1
Application number: DE200810055196
Authority: DE
Inventors: Reiner Krapf; Heiko Braun; Michael Mahler; Christoph Wieland; Alexander Werner Hees; Ulli Hoffmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2010-07-08

Abstract

Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Hochfrequenzsignale, insbesondere eine UWB-Sensoreinheit (14) für eine Radareinrichtung, mit zumindest einem planaren Strahlerelement (84) mit zumindest einem Substrat (99), welches im Nahfeld des Strahlerelementes (84) angeordnet ist. Es wird vorgeschlagen, dass das Substrat (99) ein Dielektrikum bildet, dessen effektive Dielektrizitätskonstante räumlich inhomogen ist. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein handgehaltenes Elektrogerät (10) mit einem Gehäuse und einer derartigen Vorrichtung.

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Senden/Empfangen elektromagnetischer HF-Signale, und insbesondere eine HF-Antenne für eine Radareinrichtung, welche in einem Frequenzbereich zwischen 1 bis 15 GHz betrieben wird.
Antennen für Einrichtungen, welche zur Detektion von Objekten, wie beispielsweise Leitungen in Wänden, abgestimmt sind, sind im Allgemeinen auf das Senden und/oder Empfangen hochfrequenter (HF-)Radarsignale optimiert. Eine bekannte Antenne in planarer Ausführung ist aus der DE 10104 863 A1 bekannt.
Diese bekannte planare Antenne ist mit hoher mechanischer Stabilität auf einer Leiterplatte fixierbar und erzeugt ein relativ symmetrisches Richtdiagramm mit weitgehend reduzierten Nebenmaxima bzw. Nebenkeulen. Die bekannte Antenne besteht aus einer elektrisch leitenden Platte, welche an einander gegenüberliegenden 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.
Von Nachteil bei der bekannten Antennenanordnung ist 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.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Die Erfindung geht aus von Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Hochfrequenzsignale, insbesondere einer UWB-Sensoreinheit für eine Radareinrichtung, mit zumindest einem planaren Strahlerelement und zumindest einem Substrat, welches im Nahfeld des Strahlerelementes angeordnet ist.
Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Optimierung der Abstrahleigenschaften einer Antenne im Nahfeld. Beim Einsatz von Antennen, insbesondere Radarantennen, in Elektrowerkzeugen erfolgen die Messungen zumeist im Nahfeld der Antennenanordnung. Um optimale Ergebnisse bei den durch die jeweilige Anwendung vorgegeben Randbedingungen zu erreichen, können zusätzlich zu den Strahlerelementen einer Antenne, Kunststoffe eingesetzt werden. Diese Kunststoffe dienen dann der Führung und Formung der vom Strahlerelement abgelösten Wellen.
Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass ein Substrat, insbesondere ein Kunststoffsubstrat, der Vorrichtung, ein Dielektrikum bildet, dessen Dielektrizitätskonstante räumlich variiert, also inhomogen ist.
Einige Anwendungen erfordern einen kleinen Abstrahlwinkel entsprechend einem gewünschten, kleinen Messbereich, um möglichst punktförmig messen zu können (z. B. für Sicherheitssensoren oder Entfernungsmessern auf Radarbasis), während für andere Applikationen ein großer Abstrahlwinkel vorteilhaft ist (z. B. GPR, Wandortung), um Clutter und Störungen besser von eigentlich interessierenden Objekten zu unterscheiden.
Durch den Einsatz von zusätzlichen Kunststoffsubstraten, welche die abgelösten Wellen führen, kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in vorteilhafter Weise ...
... in ihrer Größe reduziert werden (Dielektrizitätskonstante > 1)
und/oder
... die mechanischen Eigenschaften (Festigkeit) verbessert werden
und/oder
... der Messbereich des Gerätes verbreitert werden
und/oder
... der Messbereich reduziert werden (Fokussierung)
und/oder
... die Messsignale (elektromagnetische Felder) geglättet werden.
Als Messanwendungen für die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. als ein entsprechend ausgebildetes Elektrogerät bzw. -Werkzeug kommen beispielweise und nicht abschließend in Frage:
Ortungsgeräte zum Auffinden von Objekten in Wänden, Decken, Böden und dergleichen,
Sensoren für den Durchbohrschutz in „bohrenden” Werkzeugen
Geräte zur Klassifizierung von Wandfeuchten,
Schutzsensoren in gefährlichen Elektrowerkzeugen,
Entfernungsmesser auf Radarbasis
Vorzugsweise ist die Antenneneinheit symmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene ausgerichtet, wobei die Symmetrieebene senkrecht zu dem Abstrahlelement ausgerichtet ist. Die Antenneneinheit ist vorteilhafterweise zumindest teilweise von einem korrosionsbeständigen Metallblech, insbesondere von einem gebogenen Metallblech, gebildet, wie beispielsweise einem Metallblech aus einem Edelstahl und/oder ein verzinktes und/oder ein vergoldetes Blech usw. Alternativ ist eine Ausbildung der Antenneneinheit als Kunststoffkörper denkbar, wobei Flächen und/oder Teilbereiche, insbesondere zur Leitung von Signalen, zumindest teilweise metallisiert sind, wobei eine spezifische Dielektrizitätskonstante des Kunststoffkörpers bei einer Konstruktion und/oder Berechnung der Antenneneinheit zu berücksichtigen ist. Unter einem „Messsignal” soll hierbei insbesondere ein elektromagnetisches Signal verstanden werden, das vorzugsweise von einem breitbandigem Signal, insbesondere von einem Ultrabreitbandsignal (oder Ultra Wide Band Signal oder UWB-Signal) gebildet ist, wobei das Ultrabreitbandsignal einen Nutzfrequenzbereich mit einer Mittelfrequenz im Frequenzbereich von 1 GHz bis 15 GHz und einer Frequenzbandbreite von zumindest 500 MHz aufweist.
Dabei kann das erfindungsgemäße Substrat je nach Anwendungsbereich der Antennenanordnung unterhalb und/oder oberhalb des Strahlerelementes der Antenne angeordnet sein. Um die abgestrahlte Welle aus dem dielektrischen Material herauszubringen und in den freien Raum abzustrahlen, sollte die effektive Dielektrizitätskonstante in Abstrahlrichtung kleiner werden.
Ein inhomogenes Material oder ein solches mit einer inhomogenen Dielektrizitätskonstante ε_r oberhalb der Abstrahlungsfläche der Antenne führt zu einem Linseneffekt, wodurch sich der Öffnungswinkel der Abstrahlungskeule beeinflussen lässt. Für diesen Linseneffekt muss das Material nicht an dem Antennenblech selbst befestigt sein. Andererseits kann die Abstrahlungscharakteristik räumlich verbreitert werden, indem die Dielektrizitätskonstante ε_r nach innen, d. h. in Richtung auf die Symmetrieachse der Antenne in Abstrahlungsrichtung.
In einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung können sich die dielektrischen Eigenschaften des Substrats kontinuierlich ändern. Dies verhindert insbesondere Reflexionen an den Grenzschichten unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante, die eventuell einen Störeinfluss bilden könnten. Übergangsstellen von Material mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten sind Stoßstellen, d. h. Reflektionsorte für die angestrahlte Welle. Um die Welle möglichst ungestört in den freien Raum zu leiten, sollte die Dielektrizitätskonstante ε_r in Abstrahlungsrichtung kleiner werden, so dass ein möglichst angepasster, eventuell sogar kontinuierlicher Übergang an das Luftmedium des freien Raumes entsteht.
In alternativen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung können sich dielektrischen Eigenschaften des Substrats aber auch stetig und diskret, nur diskret und insbesondere auch stufenweise ändern.
In vorteilhafter Weise kann das Substrat dabei aus mehreren Materialien mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten gebildet sein.
In alternativen Ausführungsformen kann das Substrat aus einem Materialien bestehen und Öffnungen bzw. Löcher aufweisen, die das Material perforieren und somit zu einer Inhomogenität der Dielektrizitätskonstanten des Materials führen. Eine weitere Anpassungsmöglichkeit der Abstrahlungscharakteristik ergibt sich hierbei, falls die Öffnungen senkrecht zu ihrer Durchstoßungsrichtung eine Vorzugsrichtung aufweisen. Mit zunehmender Anzahl bzw. Dichte der Öffnungen erfährt die Welle eine effektive Dielektrizitätskonstante ε_r die sich in ihrem Wert immer weiter dem Wert der Luft anpasst. Effektive Dielektrizitätskonstante bedeutet in diesem Zusammenhang, eine über einen gewissen Ortsbereich gemittelte Dielektrizitätskonstante, so dass der Einfluss des Substrates und der Luft in den Öffnungen gemittelt wird.
Der Grad der Inhomogenität des Substrates lässt sich bei dem Perforationsmodell dadurch einstellen, dass die Öffnungen beispielsweise unterschiedlich groß und/oder dicht über die Oberfläche des Substrates verteilt sind.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt in vorteilhafter Weise die Bildung eines Elektrogerätes, insbesondere eines handgehaltenen Elektrowerkzeuges oder Messgerätes.
Hierbei kann insbesondere eine Gehäusewand mit dem erfindungsgemäßen Substrat wand verbunden sein. In besonders vorteilhafter Weise kann das erfindungsgemäße Substrat ganz oder teilweise von einer Gehäusewand des Elektrogerätes gebildet werden.
Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des erfindungsgemäßen Elektrogerätes ergeben sich aus den nachfolgenden Zeichnungen sowie der zugehörigen Beschreibung.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
1 ein Ortungsgerät mit einer Antennenvorrichtung als ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektrogerätes, in einer schematischen Darstellung,
2 eine beispielhafte Anwendungssituation für das erfindungsgemäße Elektrogerät gemäß 1 in einer schematischen Ansicht,
3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
4 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antennenvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
5a, b schematische Schnitt-Darstellungen der Anordnungsmöglichkeiten der Antennenanordnung gemäß 3 innerhalb des Gehäuses des Elektrogerätes,
6a, b schematische Schnitt-Darstellungen der Anordnungsmöglichkeiten der Antennenanordnung gemäß 3 innerhalb des Gehäuses des Elektrogerätes,
7a, b, c schematische Schnitt-Darstellungen der Anordnungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen dielektrischen Substrats in einer Antennenanordnung gemäß 3,
8a, b, c schematische Schnitt-Darstellungen der Anordnungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen dielektrischen Substrats in einer Antennenanordnung gemäß 4,
9a–c schematische Schnitt-Darstellungen verschiedener Aufbaumöglichkeiten des erfindungsgemäßen dielektrischen Substrats in einer Antennenanordnung gemäß 3,
10a–d schematische Schnitt-Darstellungen verschiedener Aufbaumöglichkeiten des erfindungsgemäßen dielektrischen Substrats in einer Antennenanordnung gemäß 4,
11a–c schematische Schnitt-Darstellungen verschiedener Aufbaumöglichkeiten des erfindungsgemäßen dielektrischen Substrats in einer Antennenanordnung gemäß 3,
12a–c schematische Schnitt-Darstellungen verschiedener Aufbaumöglichkeiten des erfindungsgemäßen dielektrischen Substrats in einer Antennenanordnung gemäß 4,
13a–c schematische Schnitt-Darstellungen verschiedener Aufbaumöglichkeiten des erfindungsgemäßen dielektrischen Substrats in einer Antennenanordnung gemäß 3,
14a, b schematische Schnitt-Darstellungen verschiedener Aufbaumöglichkeiten des erfindungsgemäßen dielektrischen Substrats in einer Antennenanordnung gemäß 4,
15a, b schematische Schnitt-Darstellungen verschiedener Perforierungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen dielektrischen Substrats zur Erzeugung einer Inhomogenität.
Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist ein von einem handgeführten Ortungsgerät 12 gebildetes Elektrogerät 10 dargestellt. Das Ortungsgerät 12 ist zu einer Ortung bzw. Erfassung von Objekten 74, wie beispielsweise Leitungen usw., in einem Untersuchungsgegenstand 76, wie beispielsweise einer Wand, vorgesehen (2). Das Ortungsgerät 12 ist hierzu von einem Bediener über eine Oberfläche 78 des Untersuchungsgegenstands 76, wie beispielsweise eine Wandoberfläche, entlang einer bevorzugten Verfahrrichtung 68 bewegbar. Hierzu weist das Ortungsgerät 12 eine Führungseinheit 66 auf, mittels der das Ortungsgerät 12 von einem Bediener auf der Oberfläche 78 bewegt werden kann. Die bevorzugte Verfahrrichtung 68 ist im Wesentlichen senkrecht zu einer auf das Ortungsgerät 12 wirkenden Gewichtskraft ausgerichtet und entspricht im Wesentlichen einer Schwenkbewegung eines Arms des Bedieners. Das Ortungsgerät 12 weist eine Ortungseinheit 80 auf, die zu einem Aussenden und einem Empfangen eines Messsignals 48 vorgesehen ist. Das Messsignal 48 ist hierbei von einem Ultrabreitbandsignal gebildet. Das Ultrabreitbandsignal wird von der Ortungseinheit 80 generiert, die hierfür eine nicht näher dargestellte Signalerzeugungseinheit aufweist, und über eine Antennenanordnung, beispielsweise eine LCR-Antennenvorrichtung 14 des Ortungsgeräts 12 abgestrahlt. Die Antennenvorrichtung 14 ist neben einem Abstrahlen des Messsignals 48 bzw. des Ultrabreitbandsignals zu einem Empfangen des von dem Untersuchungsgegenstand und/oder von dem Objekt 74 reflektierten Ultrabreitbandsignals vorgesehen. Die Antennenvorrichtung 14 im Ausführungsbeispiel der 1 weist hierfür eine Antenneneinheit 16 auf mit einer ersten Polarisationsrichtung 18 zu einem Aussenden und/oder Empfangen eines Messsignals 48. Zudem weist die Antenneneinheit 16 eine zweite Polarisationsrichtung 20 zu einem Aussenden und/oder Empfangen des Messsignals 48 auf.
Die Antenneneinheit 14 ist vorzugsweise einteilig ausgebildet und von einem gebogenen Blechbauteil 18 gebildet (3). Vorzugsweise ist eine Dicke des Blechbauteils 18 derart ausgebildet, dass ein unerwünschter Skin-Effekt, der eine Abstrahleigenschaft der Antenneneinheit 14 reduziert, verhindert ist.
Vorzugsweise ist die Antenneneinheit symmetrisch bezüglich einer Symmetrieebene ausgerichtet, wobei die Symmetrieebene senkrecht zu dem Abstrahlelement ausgerichtet ist. Die Antenneneinheit ist vorteilhafterweise zumindest teilweise von einem korrosionsbeständigen Metallblech, insbesondere von einem gebogenen Metallblech, gebildet, wie beispielsweise einem Metallblech aus einem Edelstahl und/oder ein verzinktes und/oder ein vergoldetes Blech usw. Alternativ ist eine Ausbildung der Antenneneinheit als Kunststoffkörper denkbar, wobei Flächen und/oder Teilbereiche, insbesondere zur Leitung von Signalen, zumindest teilweise metallisiert sind, wobei eine spezifische Dielektrizitätskonstante des Kunststoffkörpers bei einer Konstruktion und/oder Berechnung der Antenneneinheit zu berücksichtigen ist.
Unter einem „Messsignal” soll hierbei insbesondere ein elektromagnetisches Signal verstanden werden, das vorzugsweise von einem breitbandigem Signal, insbesondere von einem Ultrabreitbandsignal (oder Ultra Wide Band Signal oder UWB-Signal) gebildet ist, wobei das Ultrabreitbandsignal einen Nutzfrequenzbereich mit einer Mittelfrequenz im Frequenzbereich von 1 GHz bis 15 GHz und einer Frequenzbandbreite von zumindest 500 MHz aufweist.
Ferner weist die Antenneneinheit 14 gemäß Ausführungsbeispiel der 3 ein Abstrahlelement 84, welches durch das Blechbauteil 18 gebildet ist, vier seitliche Leiterelemente 86, 88, 90, 92 und vier untere Leiterelemente 32, 34, 36, 38 mit jeweils einem Anschlusselement auf. Das Abstrahlelement 84 ist quadratisch mit vier gleich großen Seiten 94 ausgebildet und symmetrisch bezüglich zwei Symmetrieebenen 58, 60, die senkrecht zum Abstrahlelement 84 und senkrecht zueinander ausgerichtet sind. An den vier gleich großen Seiten 94 schließt sich jeweils symmetrisch eines der vier seitlichen Leiterelemente 86, 88, 90, 92 an, die jeweils ein erstes Teilflächenelement 96 aufweisen, das trapezförmig ausgebildet ist und bezüglich des Abstrahlelements 84 geneigt angeordnet ist. Die trapezförmigen ersten Teilflächenelemente erstrecken sich verjüngt von dem Abstrahlelement 84 weg.
Im Folgenden wird in den einzelnen Ausführungsbeispielen entsprechend der Nummer der zugehörigen Figur das Abstrahlelement als 584, 684, 784 und so fort bezeichnet, wobei eine Bezugnahme auf das Abstrahlelement 84 alle diese Ausführungsformen umfassen soll.
Es kann hierbei vorteilhaft zumindest teilweise ein kontinuierlicher Übergang von einem niedrigen Wellenwiderstand, wie beispielsweise ein Wellenwiderstand von 50 Ω bei Bauteilen und Leitungen von Hochfrequenzschaltungen, in einen hohen Wellenwiderstand, wie beispielsweise ein Wellenwiderstand von 377 Ω für einen Abstrahlraum der Antenneneinheit, erfolgen. Zudem können hierbei abrupte Stufen in den unteren Leitern vermieden werden und damit einhergehend Reflexionen einer elektromagnetischen Welle in der Antenneneinheit zumindest reduziert bzw. unterbunden werden.
Vorzugsweise werden über die Leiterelemente 32, 34, 36, 38 Signale bzw. Wellen von den Anschlusselementen auf die seitlichen Leiterelemente 86, 88, 90, 92 der Antenneneinheit und von diesen auf das Abstrahlelement 84 der Antenneneinheit im Betrieb des Elektrogeräts geleitet.
Ein besonders vorteilhafter kontinuierlicher Übergang von dem niedrigen Wellenwiderstand in den hohen Wellenwiderstand kann erreicht werden, wenn die beiden unteren Leiterelemente eine Breite aufweisen, die entlang der Richtung zunimmt. Vorzugsweise sind hierbei die unteren Leiterelemente symmetrisch, insbesondere trapezförmig, ausgebildet.
Die Antenneneinheit ist auf einem Trägerelement 30, beispielsweise einer Leiterplatte elektrisch kontaktiert und mechanisch fixiert. Die Leiterplatte kann in vorteilhafter Weise auf seiner dem Strahlerelement 18 abgekehrten Seite elektronische Schaltelemente zur Ansteuerung und Auswertung der Antenne bzw. der Antennensignale aufweisen.
In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung wird ein Elektrogerät 10 vorgeschlagen, wobei die Antennenvorrichtung eine die Antenneneinheit 14 in zumindest eine Richtung umgebende Umhüllung 52 (siehe 3) aufweist, die einen Hohlraum um die Antenneneinheit bildet. Vorzugsweise umgibt die Umhüllung die Antenneneinheit entlang einer Umfangsrichtung eines Abstrahlelements, wobei die Umhüllung vorzugsweise mit einem Abstand zur Antenneneinheit um diese angeordnet ist, so dass zwischen der Antenneneinheit und der Umhüllung der Hohlraum bzw. ein Freiraum gebildet ist, in dem insbesondere Signale und/oder Wellen vorteilhaft in eine gewünschte Richtung umgelenkt werden können. Es kann eine Abstrahlung in unerwünschte Richtungen zumindest teilweise verhindert werden und eine Abstrahlung, insbesondere senkrecht zu einer Messfläche bzw. einem Abstrahlelement, und damit einhergehend eine Effizienz der Antennenvorrichtung aufgrund einer Umlenkung der Wellen in eine gewünschte Richtung vorteilhaft erhöht werden. Besonders vorteilhaft kann dies erreicht werden, wenn die Umhüllung zumindest teilweise aus einem leitfähigen Material gebildet ist. Die Umhüllung kann hierbei aus einem Metall gebildet sein und/oder aus einem Kunststoffkörper mit einer metallischen Beschichtung gebildet sein und/oder aus einem leitfähigen Kunststoffmaterial, das beispielsweise metallähnliche Eigenschaften aufweist, gebildet sein
Die genaue geometrische Form der Antenne ist nicht Gegenstand der Erfindung und dient lediglich der Verdeutlichung des Aufbaus der Sensor-Einheit, insbesondere im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Substrat. Andere Antennen-Layouts, solange es sich um planare Strahlerelemente handelt, insbesondere lediglich rechteckig ausgebildete Strahlungselemente sind selbstverständlich ebenso möglich. So ist beispielsweise auch ein Antennendesign in „Stern-Trichter Form”, wie dies in 4 gezeigt ist, im Rahmen der Erfindung möglich.
In 4 ist eine Antenne 400 in „Stern-Trichter Form auf einer Trägereinrichtung 30, beispielsweise einer Leiterplatte, ohne Abdeckung dargestellt. Dabei sind vier im Wesentlichen identische, elektrisch leitfähige, im Wesentlichen dreieckförmige und planare Antennenabschnitte 410 derart angeordnet, dass sie in Draufsicht ein Quadrat mit im Bereich des Mittelpunktes 411 des Quadrats liegenden Dreiecksspitzen 412 bilden. Die im Wesentlichen dreieckförmigen Antennenabschnitte 410 gehen an den Außenseiten des Quadrats in im Wesentlichen senkrecht zur Trägereinrichtung 415 verlaufende elektrisch leitfähige Schirmwände 413 über. Auch eine solche Antenne in Stern-Trichter Form gilt im Rahmen dieser Anmeldung als eine planare Antenne bzw. eine Antenne mit einem planaren Strahlerelement.
Gemäß 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, in welcher die vier planaren Antennenabschnitte 410 sowie die jeweiligen Schirmwände 413 einstückig z. B. aus Aluminiumdruckguss hergestellt sind. Die im Bereich des Mittelpunktes 411 der Anordnung liegenden Dreiecksspitzen 412 sind dabei in Bezug auf die Oberkanten der Schirmwände 413 nach unten in Richtung der Trägereinrichtung 415 verlagert, so dass eine Trichter- bzw. Konusform resultiert. Die Dreiecksspitzen 412 sind dabei mit HF-Signalanschlüssen (in 4 nicht dargestellt) der Trägereinrichtung 415 kontaktiert.
5 und 6 zeigen in einer jeweils sehr vereinfachten seitlichen Schnittdarstellung eine Antennenanordnung 514, 614 für unterschiedliche Einbaulagen der Antennenvorrichtung innerhalb eines Gehäuses eines Elektrogerätes, 5 ist eine schematische Darstellung der Antenneneinrichtung gemäß 3, 6 zeigt die Antennenanordnung gemäß 4. Im Ausführungsbeispiel der 6 bilden die planaren Elemente 410 das Strahlerelement 684 der Antennenanordnung 614. Die Antenne bzw. das Strahlerelement ist jeweils auf einem Trägerelement 30, wie beispielsweise einer Platine angeordnet. Ebenfalls eingezeichnet ist der Geräteboden 40 eines Elektrogerätes 10, in das die erfindungsgemäße Vorrichtung eingesetzt sein kann. Der Geräteboden 40, besteht aus zumindest einem Dielektrikum und dient als mechanischer Schutz für das Strahlerelement. Das erfindungsgemäße Elektrogerät 10 wird mit der Gerätebodenseite in Richtung eines zu vermessenden Objektes gehalten (siehe 2. Die Antennenvorrichtung strahlt dabei im Wesentlichen in Richtung auf den Geräteboden 40 hin ab, wobei das elektromagnetische Messsignal den Geräteboden durchdringt. Die Antennenvorrichtung 14 kann dabei beabstandet zur dem Geräteboden 40 angeordnet sein, wie dies in den Ausführungsbeispielen der 5a, 6a dargestellt ist, oder in direktem Kontakt zum Geräteboden 40 stehen, wie dies in den 5b, 6b dargestellt ist, um beispielsweise die mechanische Stabilität des Strahlerelementes 584 bzw. 684 zu erhöhen.
Die Strahlerfläche 784, bzw. 884 der Antenne kann – wie in den 7a, b und 8a, b jeweils dargestellt – auf einem, das Dielektrikum bildenden Kunststoff-Substrat 799, 899 aufgebracht sein. Dieses Kunststoffteil kann dabei entweder unter der Abstrahlfläche (7a, 8a), über der Abstrahlfläche (7b, 8b) oder aber auch sowohl unterhalb als auch oberhalb (7c, 8c) angeordnet sein. Erfindungsgemäß ist dabei eine Inhomogenität in der Dielektrizitätskonstanten ε_r des Substrats vorhanden.
Im Folgenden wird in den einzelnen Ausführungsbeispielen entsprechend der Nummer der zugehörigen Figur das Substrat als 799, 899, 999 und so fort bezeichnet, wobei eine Bezugnahme auf das Substrat 99 alle diese Ausführungsformen umfassen soll.
Die metallische Straherlfläche (784, 884) sowie eventuell auch entsprechende Leiterelemente und Anschlusselemente kann dann beispielsweise durch Beschichtung des Kunststoffsubstrates oder auch als ein separates Metallteil, beispielsweise wie bereits beschrieben als ein Blechstanzteil oder -Gussteil ausgebildet sein. Das erfindungsgemäße Substrat kann sowohl in fester wie auch in flüssiger Form ausgebildet sein. Wird das Kunststoff-Substrat zur Erzeugung der elektrisch leitfähigen Komponenten bedampft, so kann die Kontaktierung der Antenne beispielsweise über Federkontakte erfolgen.
Die dielektrischen Eigenschaften des Substrates werden erfindungsgemäß den jeweiligen erforderlichen und gewünschten Abstrahleigenschaften des Antennenelementes 14 angepasst.
Ein Material oberhalb der Abstrahlungsfläche der Antenne führt zu einem Linseneffekt, wenn das Material entsprechend inhomogen ist bzw. eine inhomogene Dielektrizitätskonstante besitz. Für diesen Linseneffekt muss das Material nicht an dem Antennenblech selbst befestigt sein.
Um die Abstrahleigenschaften der Antenne positiv zu beeinflussen, werden die dielektrischen Eigenschaften des Substrates dabei erfindungsgemäß zumindest über eine räumlichen Koordinate verändert, so dass sich zumindest ein Gradient in der Dielektrizitätskonstanten ε_r des Substrates einstellt.
Dazu können innerhalb des Substrates unterschiedliche Materialien mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten ε_r beispielsweise

a. geschichtet (Sprünge in Eigenschaften)
b. gemischt (fließende Übergänge oder fließende Veränderungen)
c. als eine Kombination der Punkte a, und b ausgebildet

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Eine weitere Möglichkeit wäre das Auffüllen der Zwischenräume mit einem Kunststoff, welcher einen kontinuierlichen Verlauf der Dielektrizitätszahl aufweist. Stoßstellen zwischen zwei Materialschichten könnten dadurch vermieden werden.
In den Ausführungsbeispielen der 9 und 10 erfolgt die Inhomogenität der Dielektrizitätskonstanten ε_r des Substrats 999 im Wesentlichen in Richtung 57 der Abstrahlung der Antenne. Die Veränderung der dielektrischen Eigenschaften kann über den Raum natürlich je nach Ort und nach Zweck der Anwendung unterschiedlich sein, d. h. die dielektrische Konstante ε_r kann z. B. von ca. 1 an der Antennen/Strahleroberfläche zu einem größeren Wert mit zunehmendem Abstand von der Antenne ansteigen oder auch umgekehrt von einem hohen Wert in Antennenähe zu einem kleineren Wert abfallen. Kunststoff hat zumeist eine Dielektrizitätskonstante ε_r im Bereich von 2 bis 4, wobei sich allerdings durch Beimischungen von anderen Materialien die Dielektrizitätskonstante erhöhen lässt. Ein Beispiel hierfür sind Leiterplattenmaterialien („Rogers” Substrat mit Dielektrizitätskonstanten von ca. 10).
9a zeigt ein Ausführungsbeispiel eines geschichteten Aufbaus des Substrates 999. Das Substrat des Ausführungsbeispiels der 9a ist an der Außenseite des metallischen Antennenelementes angebracht, wobei die Dielektrizitätskonstante von dem Trägerelement 30 in Richtung auf den Geräteboden 40 hin zunimmt.
Eine Anordnung analog zur Ausführung in 9a, bei der die Dielektrizitätskonstante von dem Trägerelement 30 in Richtung auf den Geräteboden 40 hin abnimmt ist aber ebenso möglich.
Bei den Ausführungsformen der 9b und 9c ist das erfindungsgemäße Substrat 999 unterhalb des Strahlerelementes 984 angeordnet und besteht aus vier Schichten mit unterschiedlichem ε_r, die beispielsweise durch unterschiedliche Materialien oder auch eine unterschiedliche Dotierung eines Materials mit Fremdstoffen gebildet sein können. Das Substrat 999 des Ausführungsbeispiels der 9b weist eine Dielektrizitätskonstante auf, die von dem Trägerelement 30 in Richtung auf den Geräteboden 40 hin zunimmt.
Das Substrat 999 des Ausführungsbeispiels der 9c weist eine Dielektrizitätskonstante auf, die von dem Trägerelement 30 in Richtung auf den Geräteboden 40 hin abnimmt.
Neben der dargestellten diskreten Änderung der Dielektrizitätskonstante ε_r, ist in analoger Weise auch ein kontinuierlicher Übergang der dielektrischen Eigenschaften möglich.
10 zeigt analoge Aufbauschemata für eine Antennenanordnung nach 4. In den 10a und 10b ist das dielektrische Substrat 1099 jeweils unterhalb des Strahlerelementes 1084, in den 10c und 10d oberhalb des Strahlerelementes 1084 angeordnet. In 10 weist das Substrat 1099 eine Dielektrizitätskonstante auf, die von dem Trägerelement 30 in Richtung auf den Geräteboden 40 hin abnimmt. Eine umgekehrte Schichtung ist aber ebenfalls möglich.
Auch ist die Erfindung nicht auf die Anzahl oder die Ausrichtung der Schichtenfolgen beschränkt.
Alternativ kann die Inhomogenität der Dielektrizitätskonstante ε_r, auch lateral zur Hauptabstrahlrichtung der Antennenvorrichtung ausgebildet sein, um in bewusster Weise eine Bündelung oder Aufweitung der Abstrahlungskeule zu erreichen.
Mögliche Anordnungen von verschiedenen Dielektrizitätskonstanten mit lateraler „Schichtung” sind den Ausführungsbeispielen der 11 und 12 zu entnehmen.
In der Reihenfolge der 11a bis 11c nimmt die Anzahl der Schichten mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten ε_r, die das Substrat 1199 bilden zu. Dabei nimmt die Dielektrizitätskonstanten ε_r von außen nach innen, d. h. in Richtung hin auf die Symmetrieachse 55 der Antenne in Abstrahlungsrichtung 57, ab, was zu einem positiven Linseneffekt und damit einer Bündelung bzw. Konzentrierung der Abstrahlungskeule führt. Eine Anordnung, bei der die Schichtung des Substrates in dieser geschriebenen Richtung zunimmt, ist aber ebenso möglich. Auch ist die Erfindung nicht auf die Anzahl oder die Ausrichtung der Schichtenfolgen beschränkt.
12 zeigt in 12b und 12c eine Anordnung, bei der die Dielektrizitätskonstante ε_r von außen nach innen, d. h. in Richtung hin auf die Symmetrieachse 55 der Antenne in Abstrahlungsrichtung 57, zunimmt. Dadurch wird die Abstrahlungscharakteristik räumlich verbreitert werden. In 12c ist der Geräteboden 40 in entsprechender Weisen, mit einem jeweils gleichen ε_r Wert ausgestaltet. Im Ausführungsbeispiel der 10b ändert sich die Dielektrizitätskonstanten ε_r ebenfalls in lateraler Richtung, aber nicht entsprechend der Änderung der Dielektrizitätskonstanten ε_r des Substrates.
Bei den bisher gezeigten Ausführungsbeispielen handelt es sich bei dem erfindungsgemäßen Substrat 99 um ein separates Kunststoffteil, bzw. mehrere separate Kunststoffteile welches bzw. welche zusammen mit der Antenne beispielsweise in eine Elektrogerät 10 eingesetzt wird bzw. werden. Das erfindungsgemäße dielektrisch inhomogene Substrat 99 kann aber auch mit dem Geräteboden 40 des Elektrogerätes 10 verbunden, insbesondere einstückig verbunden sein oder ganz durch diesen Boden 40 gebildet werden.
Insbesondere ist es so möglich, Reflektionen der abgestrahlten Welle am Gehäuseboden zu reduzieren bzw. ganz zu vermeiden.
13 und 14 zeigen entsprechende Ausführungsbeispiele.
In 13a, bei der die Dielektrizitätskonstante ε_r von außen nach innen, d. h. in Richtung hin auf die Symmetrieachse 55 der Antenne in Abstrahlungsrichtung 57, abnimmt wird das erfindungsgemäße Substrat 1399 durch den Geräteboden 40 selbst gebildet. Dazu ist der Geräteboden insbesondere im Bereich der Antenne entsprechend ausgebildet. Die jeweilige laterale Ausdehnung der einzelnen Dielektrizitätsbereiche des Substrates bzw. des Gerätebodens orientiert sich dabei an den geometrischen Abmessungen des Antennenelementes.
Insbesondere ist die Dielektrizitätskonstante im Bereich der Abstrahlungsfläche 1384 konstant.
In 13b, nimmt die Dielektrizitätskonstante ε_r von außen nach innen, d. h. in Richtung hin auf die Symmetrieachse 55 der Antenne in Abstrahlungsrichtung 57, ebenfalls ab. Im Vergleich zur Ausführungsform der 13a umgreift der Geräteboden 40 jedoch das Antennenelement auch seitlich und führt so neben einer Modifikation der abgestrahlten Felder zusätzlich auch zu einer weiteren Stabilisierung der Antenne. Die jeweilige laterale Ausdehnung der einzelnen Dielektrizitätsbereiche orientiert sich auch hier an den geometrischen Abmessungen des Antennenelementes.
Im Ausführungsbeispiel der 13c nimmt die Dielektrizitätskonstante ε_r des das erfindungsgemäße Substrat 1399 bildenden Geräteboden 40 vom außen nach innen, d. h. in Richtung hin auf die Symmetrieachse 55 der Antenne in Abstrahlungsrichtung 57 zu, wobei auch direkt oberhalb der Strahlerfläche 1384 eine laterale Inhomogenität bezüglich der Dielektrizitätskonstanten ε_r besteht.
14 zeigt analoge Ausgestaltungen des Gerätebodens 40 als erfindungsgemäßes Substrat bei einer anderen Antennenform.
In 15 sind weitere alternative Methoden zur Erzeugungen einer inhomogenen Verteilung der Dielektrizitätskonstanten des Substrates 1599 dargestellt. Das Substrat besteht in diesem Fall aus einem Kunststoff mit einer Dielektrizitätskonstanten, wobei die Inhomogenität durch eine Perforation des Kunststoffmaterials des Substrates erreicht wird.
So kann die Inhomogenität der Dielektrizitätskonstanten beispielsweise durch eine unterschiedliche Größe oder eine unterschiedliche Dichte von das Kunststoffsubstrat durchdringenden Öffnungen (Löchern) 97 erzeugt werden. Die inhomogene Dielektrizitätskonstante ergibt sich dann als gemittelte Eigenschaft über dem Substrat 1599. Da hier die Dielektrizitätskonstante des einen Substrates aus den dielektrischen Eigenschaften zweier Materialen gebildet ist, ist es sinnvoll in diesem Zusammenhang von einer effektiven Dielektrizitätskonstanten zu sprechen. (Bei einem homogenen Material wäre die effektiven Dielektrizitätskonstanten gleich der Dielektrizitätskonstanten des Materials selbst)
In 15a nimmt beispielsweise die Dichte der Löcher 97 – bei gleichbleibendem Querschnitt – in Abstrahlungsrichtung 57 zu, was zu einer Reduzierung der effektiven Dielektrizitätskonstanten ε_r in diese Richtung und somit zu einer Anpassung an die Luft des freien Raumes führt. Ebenfalls eingezeichnet in 15a ist das Abstrahlelement 1584.
Um die gemittelten dielektrischen Eigenschaften des Substrats auf diese Weise zu beeinflussen, können über den räumlichen Ort

I. die Anzahl gleicher Löcher
II. die Größe der Löcher
III. oder die Kombination von I. und II.

Es ist auch möglich, statt der typischen kreisrunden Löcher andere geometrische Formen zu verwenden, wie z. B. rechteckige Bereiche 96 oder ovale „Löcher”, um auch lateral zu den Durchstoßungsrichtung der Löcher eine Vorzugsrichtung bzw. Variation in der Dielektrizitätskonstanten zu bekommen, wie dies beispielhaft in den 15b und 15c dargestellt ist. Man könnte so ein gleichmäßig „isotrop” abstrahlendes Antennenelement in einer Richtung (z. B. vertikal) eine Vorzugsrichtung geben, um z. B. eine ovale Abstrahlcharakteristik zu erreichen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Hochfrequenzsignale ist nicht auf eine bestimmte Antennenform beschränkt.
Darüber hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch nicht beschränkt auf eine bestimmte Anzahl oder Anordnung vom Material unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante zur Bildung des erfindungsgemäßen Substrates.
Insbesondere sind die dargestellten Ausführungsformen, insbesondere die Ausführungsformen der Substrate 99 frei miteinander kombinierbar und auch modifizierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung zu verlassen.
Das erfindungsgemäße Elektrogerät 10 ist nicht beschränkt auf die exemplarisch dargestellte Ausführungsform.
Das erfindungsgemäße Elektrogerät 10 kann beispielsweise als ...
... Ortungsgerät 10 zum Auffinden von Objekten in Wänden, Decken, Böden und dergleichen,
und/oder
... Gerät zur Klassifizierung von Wandfeuchten,
und/oder
... Entfernungsmesser auf Radarbasis
ausgebildet sein.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielsweise auch Verwendung finden in ...
... Sensoren für den Durchbohrschutz in „bohrenden” Werkzeugen
und/oder
... Schutzsensoren für Elektrowerkzeuge zur Überwachung von gefährlichen, d. h. unter Umständen auch gefährlichen und insbesondere auch gesundheitsgefährdenden Anwendungssituationen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10104863 A1 [0002]

Claims

Vorrichtung zum Senden und/oder Empfangen elektromagnetischer Hochfrequenzsignale, insbesondere eine UWB-Sensoreinheit (14) für eine Radareinrichtung, mit zumindest einem planaren Strahlerelement (84) und zumindest einem Substrat (99), welches im Nahfeld des Strahlerelementes (84) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (99) ein Dielektrikum bildet, dessen effektive Dielektrizitätskonstante räumlich inhomogen ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (99) unterhalb und/oder oberhalb des Strahlerelementes (84) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die dielektrischen Eigenschaften des Substrats (99) kontinuierlich ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich die dielektrischen Eigenschaften (ε_r) des Substrats (99) stetig und/oder diskret, insbesondere stufenweise ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (99) aus mehreren Materialien mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten (ε_ri) gebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (99) aus einem Material besteht, welches Öffnungen (97, 96, 95) aufweist, die das Material perforieren.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen im Substrat (99) senkrecht zu ihrer Durchstoßungsrichtung eine Vorzugsrichtung (93) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (97, 96, 95) im Substrat (99) unterschiedlich groß sind.
Vorrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnungen (97, 96, 95) im Substrat (99) unterschiedlich dicht über die Oberfläche des Substrates verteilt sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (99) eine Symmetrieebene hinsichtlich seiner Dielektrizitätskonstanten Verteilung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (99) eine Symmetrieachse hinsichtlich seiner Dielektrizitätskonstanten-Verteilung aufweist.
Handgehaltenes Elektrogerät 10, insbesondere ein Ultrabreitband Radargerät, mit einem Gehäuse, gekennzeichnet durch eine Vorrichtung nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, welche in dem Gehäuse angeordnet ist.
Handgehaltenes Elektrogerät, nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat einer Gehäusewand verbunden ist.
Handgehaltenes Elektrogerät, nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat 99 von einer Gehäusewand 40 gebildet ist.