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Die Erfindung betrifft eine Leckwellenantenne mit mindestens einem dielektrischen Wellenleiter und einem Terminator gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zum Herstellen der erfindungsgemäßen Leckwellenantenne.
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Aus der
US 5,572,228 A ist eine solche Leckwellenantenne bekannt, die als mechanisch schwenkbare Antenne realisiert ist und auf der Auskopplung evaneszenter Wellen durch Anordnung einer leitfähigen Gitterstruktur auf einer rotierenden Trommel in unmittelbarer Nähe eines dielektrischen Wellenleiters beruht.
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Solche Antennen werden für Radarsysteme zur Kraftfahrzeug-Umgebungserfassung eingesetzt.
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Der Wellenleiter besteht aus einem dielektrischen Kunststoffmaterial, wobei die Geometrie und die Materialeigenschaften so optimiert sind, dass mindestens eine ausbreitungsfähige Mode für Radar-Strahlung im Wellenleiter geführt wird und eine wohldefinierte differentielle Energieauskopplung über die Länge des Wellenleiters erfolgt.
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Die differentielle Energieauskopplung aus dem Wellenleiter erfolgt im Allgemeinen nicht vollständig, d. h. dass ein Restbetrag der am Wellenleitereingang eingekoppelten Radar-Strahlung als elektromagnetische Welle am geometrischen Ende des Wellenleiters erhalten bleibt. Diese Reststrahlung kann im ungünstigsten Fall zurück in den Wellenleiter reflektiert werden und führt bei Überlagerung der ursprünglich ausgekoppelten Strahlung zu Störungen im Antennenprofil sowie zu einer Rauscherhöhung.
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Es ist bekannt, diese im Wellenleiter verbliebene Reststrahlung mittels eines Terminators aus absorbierendem Material zu dissipieren. Eine solche Anordnung aus einem Wellenleiter 2 und einem Terminator 3 mit einer in den Wellenleiter einzukoppelnden elektromagnetischen Welle 1 zeigt 7.
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Bei dieser Anordnung gemäß 6 befindet sich zwischen dem dem Terminator 3 gegenüberliegenden Ende des Wellenleiters 2 und dem Terminator 3 ein Luftspalt, wodurch sich aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Wellenleitermaterials und des Metallträgers, auf dem der Wellenleiter 2 und der Terminator 3 angeordnet ist, die Geometrie des Luftspalts, insbesondere dessen Länge in Abhängigkeit der Betriebstemperatur der Antennenanordnung ändert. Dadurch erfährt die Energieauskopplung und Energiedissipation temperaturabhängige Änderungen.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Leckwellenantenne der eingangs genannten Art anzugeben, bei der der oben genannte Nachteil vermieden wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Leckwellenantenne mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Hiernach besteht der Terminator erfindungsgemäß aus einem Material mit im Wesentlichen radartransparenten Eigenschaften mit einem radarabsorbierenden Bestandteil und schließt sich formschlüssig an das Ende des Wellenleiters an.
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Durch die erfindungsgemäße Integration des Terminators in den dielektrischen Wellenleiter wird die Absorption der aus dem Ende des Wellenleiters in den Terminator eintretenden Restenergie nicht mehr von Umgebungsbedingungen beeinflusst, unterliegt also insbesondere keinen Temperaturschwankungen. Die Eigenschaften der erfindungsgemäßen Leckwellenantenne werden dadurch wesentlich verbessert und von fertigungsbedingten Toleranzen unabhängiger.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ragt der Terminator über die abstrahlende Fläche des Wellenleiters hinaus. Diese Geometrie erweist sich als vorteilhaft, da die im Wellenleiter geführten Mode teilweise auch im Luftraum oberhalb der Grenzfläche des Wellenleiters verläuft. Die Überhöhung des Terminators verhindert die Abstrahlung dieses Energieanteils in den freien Raum.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung nimmt der Volumenanteil bzw. der Massenanteil des radarabsorbierenden Bestandteils des Terminators vom Ende des Wellenleiters in Richtung des Endes des Terminators zu, vorzugsweise ist im Bereich des Terminators der Wert des Volumenanteils bzw. des Massenanteils des radarabsorbierenden Bestandteils mit einem transversalen und/oder longitudinalen Gradientenprofil ausgebildet. Ein Gradientenprofil vermindert Reflexionsstellen wie sie typischerweise bei Grenzflächen von niedrig und stark absorbierenden Materialien mit unterschiedlichen Dielektrizitätskonstanten entstehen.
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Besonders vorteilhaft ist es gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung den Terminator hinsichtlich des Wertes des Volumenanteils bzw. des Massenanteils des radarabsorbierenden Bestandteils mit einem Mehrstufenprofil auszubilden. Damit können die aufgrund einer abrupten Änderung des Materials des Terminators entstehenden Reflexionen an der Grenzfläche zum Wellenleiter vermindert werden, wenn die Länge der Stufen ein Viertel der Wellenlänge der eingekoppelten elektromagnetischen Welle beträgt. Die Performance eines optimierten Stufenprofils ist damit vergleichbar oder besser als das oben beschriebene Gradientenprofil. Ferner lassen sich Reflexionen weiterhin auch dadurch vermeiden, wenn die aufgrund der sich ändernden Materialzusammensetzung auch ändernde Dielektrizitätskonstante an einer solchen Stufe dem geometrischen Mittel aus den Materialen der an der Stufe anliegenden Nachbarbereiche entspricht.
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Eine besonders vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung wird dadurch erzielt, dass das freie Ende des Terminators mit einem Reflektor ausgebildet ist, mit dem verbleibende Restenergie in den Terminator zurückreflektiert wird. Damit wird eine nahezu vollständige Absorption der Restenergie in dem Terminator sichergestellt.
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Die Grenzfläche zwischen dem Wellenleiter und dem Terminator kann in vorteilhafter Weise mit unterschiedlichen Geometrien ausgebildet werden, bspw. im einfachsten Fall kann die Grenzfläche zwischen dem Wellenleiter und dem Terminator senkrecht zur Längsrichtung des Wellenleiters verlaufen.
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Ferner ist es möglich, dass die Grenzfläche zwischen dem Wellenleiter und dem Terminator in einem definierten Winkel, vorzugsweise entsprechend dem Brewster-Winkel zur Längsrichtung des Wellenleiters verläuft. Bei einer dem Brewster-Winkel entsprechend geneigten Grenzfläche dringen die auf die Grenzfläche auflaufenden Wellen vollständig in das Material des Terminators ein, ohne dass an dieser Grenzfläche eine Reflexion stattfindet.
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Weiterhin kann der Wellenleiter bzw. der Terminator an der Grenzfläche zum Terminator bzw. Wellenleiter satteldachförmig ausgebildet werden, kegelförmige oder pyramidenförmige Geometrien sind ebenfalls vorteilhaft.
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In einer Weiterbildung der Erfindung werden als radarabsorbierender Bestandteil Partikel, vorzugsweise Kohlenstoffpartikel und/oder Ferritpartikel und/oder Fasern, vorzugsweise Siliziumkarbid-Fasern und/oder Metallfasern eingesetzt wobei Vorzugsweise der radarabsorbierende Bestandteil in Form von Nanopartikeln und/oder Nanofasern enthalten ist.
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Das Kunststoffmaterial für den dielektrischen Wellenleiter wird aus Polykarbonat und/oder Polyethylene oder aus Kunststoffen mit entsprechenden Eigenschaften ausgewählt. Dieses ausgewählte Material wird auch zur Herstellung des Terminators verwendet, indem es für die Aufnahme des radarabsorbierenden Bestandteiles als Kunststoffmatrix dient.
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Das Verfahren zum Herstellen einer Leckwellenantenne zeichnet sich dadurch aus, dass der Wellenleiter mit dem Terminator mittels eines Zwei- oder Mehrkomponentenspritzguss-Verfahrens einstückig hergestellt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren näher erläutert. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wellenleiters mit integriertem Terminator, dessen radarabsorbierender Bestandteil sich graduell erhöht,
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2 eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wellenleiters mit integriertem Terminator, dessen radarabsorbierender Bestandteil sich stufenweise erhöht,
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3 eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wellenleiters mit integriertem Terminator, an dessen Ende sich ein Reflektor anschließt,
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4 eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen einen integrierten Terminator aufweisenden Wellenleiters, dessen Grenzfläche zum Terminator satteldachförmig ausgebildet ist,
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5 eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wellenleiters mit integriertem Terminator, dessen Grenzfläche zum Wellenleiter satteldachförmig ausgebildet ist,
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6 eine schematische Darstellung eines Wellenleiters mit einem separaten Terminator mit Überhöhung zum Wellenleiter, und
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7 eine schematische Darstellung eines Wellenleiters mit einem separaten Terminator gemäß Stand der Technik.
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In den 1 bis 6, die jeweils ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellen, sind nur ein Wellenleiter 2 ohne eine diesen umgebende, zu einem Antennensystem vervollständigende metallische Struktur dargestellt.
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Die in diesen 1 bis 6 dargestellten Wellenleiter 2 weisen einen rechteckförmigen Querschnitt auf und werden von metallisierten Strukturen (nicht dargestellt) eingefasst, um die Strahlcharakteristik zu beeinflussen und die differentielle Energieauskopplung zu steuern. Diese metallisierten Strukturen weisen periodische Störstellen bspw. Rillen auf, so dass in den dielektrischen Wellenleiter 2 über dessen Einkoppelfläche eingespeiste Radarstrahlung, die in den Figuren als ebene Wellenfront 1 dargestellt ist, als evaneszente Welle in den freien Raum ausgekoppelt wird.
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Die differentielle Energieauskopplung aus dem Wellenleiter 2 erfolgt im Allgemeinen nicht vollständig, so dass ein Restbetrag der am Wellenleitereingang, also der Einkoppelfläche des Wellenleiters 2 eingekoppelten Radarstrahlung am gegenüberliegenden Ende des Wellenleiters 2 von einem Terminator 3, auch Endabsorber genannt, absorbiert wird, der sich erfindungsgemäß formschlüssig an das Ende des Wellenleiters 2 anschließt und damit integraler Bestandteil des Wellenleiters 2 ist.
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Der Wellenleiter 2 wird als Formteil aus Kunststoffmaterialien hergestellt, die im Wesentlichen radartransparent sind, also die eingespeiste Radar-Strahlung im Wesentlichen nicht dämpfen. Die Geometrie und die Materialeigenschaften des Wellenleiters 2 sind so optimiert, dass mindestens eine ausbreitungsfähige Mode für Radarstrahlung im Wellenleiter 2 geführt wird und eine wohldefinierte Energieauskopplung über die Länge des Wellenleiters 2 erfolgt.
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Der sich an das Ende des Wellenleiters 2 formschlüssig anschließende Terminator 3 ist aus einem Material hergestellt, das radarabsorbierende Bestandteile enthält, mittels denen die nicht ausgekoppelte Restenergie absorbiert wird. Dabei wird für diesen Terminator 3 ein Material mit im Wesentlichen radartransparenten Eigenschaften verwendet, das also ähnliche Eigenschaften wie das Material des Wellenleiters 2 aufweist und der Anteil der radarabsorbierenden Bestandteile so variiert, dass im Bereich des Terminators 3 ein allmählicher Übergang vom nicht dämpfenden Material des Wellenleiters 2 zu einem Material mit zunehmend radardämpfenden Eigenschaften entsteht.
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Der Wellenleiter 2 mit integriertem Terminator 3 wird mittels eines Spritzgussverfahrens oder Druckgussverfahrens einstückig hergestellt, wobei der Terminator 3 in unterschiedlichen Ausführungen hinsichtlich seiner radardämpfenden Eigenschaften ausgebildet wird, wie nachfolgend anhand der 1 bis 6 erläutert wird.
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Gemäß den 1 bis 5 ist der Querschnitt des Terminators 3 quer zur Längsrichtung des Wellenleiters 2 an den Querschnitt des Wellenleiters 2 angepasst, weist also den gleichen Querschnitt auf. Der Terminator 3 gemäß 6 ragt über die abstrahlende Fläche 2a des Wellenleiters 2 hinaus. Diese Geometrie erweist sich als vorteilhaft, da die im Wellenleiter geführten Mode teilweise auch im Luftraum oberhalb der Grenzfläche des Wellenleiters verläuft. Die Überhöhung des Terminators verhindert die Abstrahlung dieses Energieanteils in den freien Raum.
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Der Terminator 3 gemäß 1 weist ein Gradientenprofil hinsichtlich der radarabsorbierenden Bestandteile auf, das ausgehend von einem Wert Null an der Grenzfläche 5 zwischen dem Wellenleiter 2 und dem Terminator 3 bis aus einen vorbestimmten Wert am freien Ende des Terminators 3 ansteigt. Dabei kann das Gradientenprofil transversal und/oder longitudinal bzgl. der Richtung des Wellenleiters 2 ausgebildet sein. Der Wert bezieht sich dabei auf den Volumenanteil oder den Massenanteil der radarabsorbierenden Bestandteile des Terminators 3. In 1 ist dieses Gradientenprofil in Form von Grauabstufungen des Terminators 3 dargestellt.
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Durch die allmähliche Änderung des Wellenleitermaterials hinsichtlich der radardämpfenden Eigenschaften wird im Allgemeinen auch der Betrag der Dielektrizitätskonstante innerhalb des Terminators 3 geändert, wodurch Reflexionen entstehen können, die aber im Vergleich zur Grenzflächen-Refexion zweier Materialien mit unterschiedlicher Dielektrizitätskonstante gering sind. In vorteilhafter Ausprägung wird daher gemäß 2 der Volumenanteil oder Massenanteil des radarabsorbierenden Bestandteils des Terminatormaterials ausgehend von der Grenzfläche 5 stufenweise erhöht und die Länge der einzelnen abgestuften Segmente so gewählt, dass die einzelnen Segmente jeweils eine reflexionsarme Lambda/4 Schicht bilden.
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Der Terminator 3 gemäß 2 ist mit drei Bereichen 3a, 3b und 3c aufgebaut, die in der aufgeführten Reihenfolge zunehmende Werte des Volumenanteils bzw. des Massenanteils an radarabsorbierenden Bestandteils aufweisen. Jede dieser Stufen wirkt wie eine optische Vergütungsschicht, wenn ihre Länge ein Viertel der Wellenlänge der in den Wellenleiter 2 eingekoppelten Radarstrahlung 1 beträgt und die Dielektrizitätskonstante dem geometrische Mittel der Dielektrizitätskonstanten der an den jeweiligen Grenzflächen anliegenden Nachbarbereichen entspricht.
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Die Bereiche 3a, 3b und 3c des Terminators 3 können jeweils sowohl mit einem konstanten Wert des Volumenanteils bzw. des Massenanteils an radarabsorbierenden Bestandteils ausgebildet werden als auch jeweils mit einem Gradientenprofil.
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Fertigungstechnisch bedingt können solche Stufen nicht mit der geforderten Genauigkeit hergestellt werden und weisen an den Stufen ein kontinuierliches Gradientenverhalten auf. Daher werden Segmente zu Stufen mit effektivem konstantem Verhalten unter Beachtung der oben genannten Kriterien zusammengefasst. Die gesamte Struktur eines solchen Terminators 3 wird endgültig dadurch optimiert, dass dieser mit n Segmenten mit näherungsweise konstantem Verhalten gebildet wird und diese n Segmente als Transformationsstücke aufgefasst werden. Damit lässt sich der Wellenwiderstand des Terminators 3 transformieren und an den verlustfreien Wellenleiter 2 anpassen.
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Der Wellenleiter 2 mit integriertem Terminator 3 gemäß 3 weist zusätzlich einen Reflektor 4 auf, der sich an das freie Ende des Terminators 3 anschließt und dazu dient, eventuell am Terminator 3 austretende Restenergie in den Terminator 3 zurück zu reflektieren, um dort absorbiert zu werden. Dieser Reflektor 4 kann bspw. als Metallinierung der Stirnseite des Terminators 3 ausgeführt werden.
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Der Terminator 3 gemäß 3 kann entsprechend des Terminators 3 nach 1 oder 2 ausgeführt werden.
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Die Grenzfläche 5 zwischen dem Wellenleiter 2 und dem Terminator 3 verläuft in den Ausführungsbeispielen gemäß den 1 bis 3 orthogonal zur Längsrichtung des Wellenleiters 2. Diese Grenzfläche 5 kann auch mit jedem anderen definierten Winkel zur Längsrichtung des Wellenleiters 2 realisiert werden. Insbesondere kann dieser definierte Winkel auch dem Brewster-Wirikel θB entsprechen, der sich gemäß folgende Formel ergibt: θB = arctan(ε1/ε2), wobei ε1 bzw. ε2 die Dielektrizitätskonstanten der Materialien an der Grenzfläche 5 darstellen. Bei einer dem Brewster-Winkel θB entsprechend geneigten Grenzfläche dringen die auf die Grenzfläche auflaufenden Wellen vollständig in das Material des Terminators 3 ein, ohne dass an dieser Grenzfläche 5 eine Reflexion stattfindet.
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Eine andere Ausgestaltung einer solchen Grenzfläche zeigen die Ausführungsbeispiele der 4 und 5.
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Gemäß 4 weist der Wellenleiter 2 eine satteldachförmige Grenzfläche 6 auf, die entsprechend 5 auch durch den Terminator 3 mit einer Grenzfläche 7 gebildet werden kann. Ferner sind auch pyramidenförmige oder kegelförmige Grenzflächen (in den Figuren nicht dargestellt) realisierbar.
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Auch der in den 4 und 5 dargestellte Terminator 3 kann gemäß demjenigen mach 1 oder 2 ausgebildet werden, bzw. zusätzlich auch mit einem Reflektorbereich 4 gemäß 3 versehen werden.
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Der in 6 dargestellte, gegenüber dem Wellenleiter 2 überhöhte Terminator 3 kann entsprechend Terminator 3 gemäß 1 oder 2 ausgebildet werden, ebenso mit einem Reflektor 4 nach 3.
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Das Kunststoffmaterial für den dielektrischen Wellenleiter 2 wird aus Polykarbonat und/oder Polyethylene oder aus Kunststoffen mit entsprechenden Eigenschaften ausgewählt.
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Dieses Kunststoffmaterial wird auch zur Herstellung des Terminators 3 verwendet, indem dieses für die Aufnahme des radarabsorbierenden Bestandteiles als Kunststoffmatrix dient.
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Als radarabsorbierender Bestandteil dienen Partikel, vorzugsweise Kohlenstoffpartikel und/oder Ferritpartikel. Ferner sind auch Fasern, vorzugsweise Siliziumkarbid-Fasern und/oder Metallfasern geeignet. Die radarabsorbierenden Bestandteile können auch in Form von Nanopartikeln und/oder Nanofasern vorliegen.
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Zur Herstellung des erfindungsgemäßen Wellenleiters mit integrierten Terminator wird ein Zwei- oder Mehrkomponenten-Spritzguss-Verfahren eingesetzt. Hierzu wird zuerst der Wellenleiter durch Einspritzen des ausgewählten Materials in eine erste Kavität hergestellt. Nach dem Abkühlen des Werkstücks wird in einem zweiten Arbeitsschritt das Werkstück in eine zweite Kavität eingelegt und die zweite Komponente, also der Terminator mit dem entsprechenden Material hinterspritzt. Dies kann entweder mit gradientenmäßigen Abspritzen zur Herstellung eines Terminators 3 gemäß 1 durchgeführt werden oder durch mehrmaliges Wiederholen eines solchen Prozesses zur stufenweisen Erhöhung der radarabsorbierenden Bestandteile zur Realisierung eines Terminators 3 gemäß 2.
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Im Prinzip könnte als Grundmaterial für den Terminator 3 das für den Wellenleiter 2 verwendete Material eingesetzt werden. Dadurch entsteht jedoch das Problem, das aufgrund der gleichen Schmelztemperatur beim Spritzen des Terminators das Material des Wellenleiters wieder angeschmelzt würde. Daher wird ein Material für den Terminator verwendet, das eine gegenüber dem Material des Wellenleiters eine niedrigere Schmelztemperatur aufweist. Diesem Material wird dann der radarabsorbierende Bestandteil zugesetzt.
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Damit wird der Wellenleiter mit dem Terminator einstückig hergestellt, wodurch thermisch bedingte Geometrieänderungen minimiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektromagnetischen Welle, Wellenfront
- 2
- Wellenleiter
- 3
- Terminator
- 4
- Reflektor
- 5
- Grenzfläche
- 6
- Grenzfläche
- 7
- Grenzfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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