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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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Offenbarung der Erfindung
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Vorteile der Erfindung
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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.
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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.
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Erfindungsgemäß wird
vorgeschlagen, dass ein Substrat, insbesondere ein Kunststoffsubstrat, der
Vorrichtung, ein Dielektrikum bildet, dessen Dielektrizitätskonstante
räumlich variiert, also inhomogen ist.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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Ein
inhomogenes Material oder ein solches mit einer inhomogenen Dielektrizitätskonstante εr 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 εr nach innen, d. h. in Richtung auf die Symmetrieachse der
Antenne in Abstrahlungsrichtung.
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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 εr in Abstrahlungsrichtung kleiner werden,
so dass ein möglichst angepasster, eventuell sogar kontinuierlicher Übergang
an das Luftmedium des freien Raumes entsteht.
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In
alternativen Ausführungsformen der erfindungsgemäßen
Vorrichtung können sich dielektrischen Eigenschaften des
Substrats aber auch stetig und diskret, nur diskret und insbesondere
auch stufenweise ändern.
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In
vorteilhafter Weise kann das Substrat dabei aus mehreren Materialien
mit verschiedenen Dielektrizitätskonstanten gebildet sein.
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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 εr 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.
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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.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt in vorteilhafter
Weise die Bildung eines Elektrogerätes, insbesondere eines
handgehaltenen Elektrowerkzeuges oder Messgerätes.
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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.
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Weitere
Vorteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung und
des erfindungsgemäßen Elektrogerätes
ergeben sich aus den nachfolgenden Zeichnungen sowie der zugehörigen
Beschreibung.
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Zeichnung
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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.
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Es
zeigen:
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1 ein
Ortungsgerät mit einer Antennenvorrichtung als ein erstes
Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Elektrogerätes, in einer schematischen Darstellung,
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2 eine
beispielhafte Anwendungssituation für das erfindungsgemäße
Elektrogerät gemäß 1 in
einer schematischen Ansicht,
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3 ein
Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Antennenvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
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4 ein
alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen
Antennenvorrichtung in einer schematischen Darstellung,
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5a,
b schematische Schnitt-Darstellungen der Anordnungsmöglichkeiten
der Antennenanordnung gemäß 3 innerhalb
des Gehäuses des Elektrogerätes,
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6a,
b schematische Schnitt-Darstellungen der Anordnungsmöglichkeiten
der Antennenanordnung gemäß 3 innerhalb
des Gehäuses des Elektrogerätes,
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7a,
b, c schematische Schnitt-Darstellungen der Anordnungsmöglichkeiten
des erfindungsgemäßen dielektrischen Substrats
in einer Antennenanordnung gemäß 3,
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8a,
b, c schematische Schnitt-Darstellungen der Anordnungsmöglichkeiten
des erfindungsgemäßen dielektrischen Substrats
in einer Antennenanordnung gemäß 4,
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9a–c
schematische Schnitt-Darstellungen verschiedener Aufbaumöglichkeiten
des erfindungsgemäßen dielektrischen Substrats
in einer Antennenanordnung gemäß 3,
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10a–d schematische Schnitt-Darstellungen
verschiedener Aufbaumöglichkeiten des erfindungsgemäßen
dielektrischen Substrats in einer Antennenanordnung gemäß 4,
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11a–c schematische Schnitt-Darstellungen
verschiedener Aufbaumöglichkeiten des erfindungsgemäßen
dielektrischen Substrats in einer Antennenanordnung gemäß 3,
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12a–c schematische Schnitt-Darstellungen
verschiedener Aufbaumöglichkeiten des erfindungsgemäßen
dielektrischen Substrats in einer Antennenanordnung gemäß 4,
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13a–c schematische Schnitt-Darstellungen
verschiedener Aufbaumöglichkeiten des erfindungsgemäßen
dielektrischen Substrats in einer Antennenanordnung gemäß 3,
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14a, b schematische Schnitt-Darstellungen verschiedener
Aufbaumöglichkeiten des erfindungsgemäßen
dielektrischen Substrats in einer Antennenanordnung gemäß 4,
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15a, b schematische Schnitt-Darstellungen verschiedener
Perforierungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen
dielektrischen Substrats zur Erzeugung einer Inhomogenität.
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Beschreibung der Ausführungsbeispiele
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 εr des
Substrats vorhanden.
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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.
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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.
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Die
dielektrischen Eigenschaften des Substrates werden erfindungsgemäß den
jeweiligen erforderlichen und gewünschten Abstrahleigenschaften des
Antennenelementes 14 angepasst.
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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.
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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 εr des Substrates einstellt.
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Dazu
können innerhalb des Substrates unterschiedliche Materialien
mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten εr beispielsweise
- a.
geschichtet (Sprünge in Eigenschaften)
- b. gemischt (fließende Übergänge
oder fließende Veränderungen)
- c. als eine Kombination der Punkte a, und b ausgebildet
werden,
wie dies beispielhaft in den 9 und 10 dargestellt ist. Dabei symbolisieren
unterschiedliche Grauwerte bzw. Schraffierungen der einzelnen Schichten
des Substrates die unterschiedlichen dielektrischen Eigenschaften.
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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.
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In
den Ausführungsbeispielen der 9 und 10 erfolgt die Inhomogenität der
Dielektrizitätskonstanten εr 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 εr 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 εr 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).
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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.
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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.
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Bei
den Ausführungsformen der 9b und 9c ist
das erfindungsgemäße Substrat 999 unterhalb
des Strahlerelementes 984 angeordnet und besteht aus vier
Schichten mit unterschiedlichem εr, 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.
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Das
Substrat 999 des Ausführungsbeispiels der 9c weist
eine Dielektrizitätskonstante auf, die von dem Trägerelement 30 in
Richtung auf den Geräteboden 40 hin abnimmt.
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Neben
der dargestellten diskreten Änderung der Dielektrizitätskonstante εr, ist in analoger Weise auch ein kontinuierlicher Übergang
der dielektrischen Eigenschaften möglich.
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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.
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Auch
ist die Erfindung nicht auf die Anzahl oder die Ausrichtung der
Schichtenfolgen beschränkt.
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Alternativ
kann die Inhomogenität der Dielektrizitätskonstante εr, auch lateral zur Hauptabstrahlrichtung
der Antennenvorrichtung ausgebildet sein, um in bewusster Weise
eine Bündelung oder Aufweitung der Abstrahlungskeule zu
erreichen.
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Mögliche
Anordnungen von verschiedenen Dielektrizitätskonstanten
mit lateraler „Schichtung” sind den Ausführungsbeispielen
der 11 und 12 zu
entnehmen.
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In
der Reihenfolge der 11a bis 11c nimmt
die Anzahl der Schichten mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstanten εr, die das Substrat 1199 bilden
zu. Dabei nimmt die Dielektrizitätskonstanten εr 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.
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12 zeigt in 12b und 12c eine Anordnung, bei der die Dielektrizitätskonstante εr 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 εr Wert
ausgestaltet. Im Ausführungsbeispiel der 10b ändert sich die Dielektrizitätskonstanten εr ebenfalls in lateraler Richtung, aber nicht
entsprechend der Änderung der Dielektrizitätskonstanten εr des Substrates.
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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.
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Insbesondere
ist es so möglich, Reflektionen der abgestrahlten Welle
am Gehäuseboden zu reduzieren bzw. ganz zu vermeiden.
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13 und 14 zeigen
entsprechende Ausführungsbeispiele.
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In 13a, bei der die Dielektrizitätskonstante εr 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.
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Insbesondere
ist die Dielektrizitätskonstante im Bereich der Abstrahlungsfläche 1384 konstant.
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In 13b, nimmt die Dielektrizitätskonstante εr 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.
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Im
Ausführungsbeispiel der 13c nimmt die
Dielektrizitätskonstante εr 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 εr besteht.
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14 zeigt analoge Ausgestaltungen des Gerätebodens 40 als
erfindungsgemäßes Substrat bei einer anderen Antennenform.
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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.
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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)
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In 15a nimmt beispielsweise die Dichte der Löcher 97 – bei
gleichbleibendem Querschnitt – in Abstrahlungsrichtung 57 zu,
was zu einer Reduzierung der effektiven Dielektrizitätskonstanten εr in diese Richtung und somit zu einer Anpassung
an die Luft des freien Raumes führt. Ebenfalls eingezeichnet
in 15a ist das Abstrahlelement 1584.
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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.
angepasst
werden.
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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.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung zum Senden und/oder
Empfangen elektromagnetischer Hochfrequenzsignale ist nicht auf
eine bestimmte Antennenform beschränkt.
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Darüber
hinaus ist die erfindungsgemäße Vorrichtung auch
nicht beschränkt auf eine bestimmte Anzahl oder Anordnung
vom Material unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante
zur Bildung des erfindungsgemäßen Substrates.
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Insbesondere
sind die dargestellten Ausführungsformen, insbesondere
die Ausführungsformen der Substrate 99 frei miteinander
kombinierbar und auch modifizierbar, ohne den Gegenstand der Erfindung
zu verlassen.
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Das
erfindungsgemäße Elektrogerät 10 ist nicht
beschränkt auf die exemplarisch dargestellte Ausführungsform.
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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.
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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.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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