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Die Erfindung betrifft ein Antennenmodul und eine Vorrichtung mit einem Antennenmodul.
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Es sind Systeme bekannt, bei welchen die Lage von Vorrichtungen zueinander, insbesondere einer Sende- und einer Empfangseinheit zueinander, über die Empfangsphase von elektromagnetischen Wellen, etwa Mikrowellen, bestimmt wird. Für ein derartiges System zählen Vorrichtungen zum Stand der Technik, die jeweils eine Antenne in der Art einer Gruppenantenne mit mehreren Antennenelementen aufweisen. Die Empfangsphasen der eintreffenden Signale an jedem Antennenelement der Gruppenantenne werden erfasst und relativ zu den übrigen Empfangsphasen ausgewertet. Aus diesen Informationen wird mittels einer Rechnereinheit die relative Lage der Sende- und der Empfangseinheit zueinander bestimmt. Für einen zuverlässigen Einsatz im industriellen Umfeld ist allerdings ein robuster Aufbau der Sende- und der Empfangseinheit erforderlich. Sende- und Empfangseinheit weisen jeweils ein Gehäuse auf, welches die Elektronik für die Signalverarbeitung sowie ein Antennenmodul mit einer Sende- oder Empfangsgruppenantenne und mit einem Radom zum Schutz der Sende- oder Empfangsantenne aufweist. Ein solcher Aufbau ist durch die im Betrieb erforderliche Schlagfestigkeit, Witterungsbeständigkeit, Temperaturbeständigkeit und die erforderliche Erfüllung von EMV-Richtlinien (EMV = Elektromagnetische Verträglichkeit) bedingt. Ein Radom allerdings beeinflusst deutlich die Empfangsphase an einzelnen Antennenelementen der Gruppenantenne.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Antennenmodul zu schaffen, welches insbesondere in robusten Sende- und/oder Empfangseinheiten zuverlässig nutzbar ist. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Vorrichtung mit einem Antennenmodul, insbesondere eine verbesserte Sendeeinheit und eine verbesserte Empfangseinheit, zu schaffen.
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Diese Aufgabe wird mit einem Antennenmodul mit in den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen sowie mit einer Vorrichtung mit den in Anspruch 13 angegebenen Merkmalen gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den zugehörigen Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und der Zeichnung angegeben.
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Das erfindungsgemäße Antennenmodul umfasst eine, zumindest zum Teil, als Flachteil ausgebildete Antenne. Ferner weist das erfindungsgemäße Antennenmodul eine Umhausung auf, die zumindest das Flachteil der Antenne umhaust, wobei die Umhausung ein dielektrisches Fenster mit einer inneren Flachseite aufweist und das Flachteil der Antenne an der inneren Flachseite flächig anliegend oder gleichabständig oder nahezu gleichabständig angeordnet ist.
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Auf diese Weise lässt sich das Antennenmodul einfach und durch das dielektrische Fenster geschützt in weitere Teile einer Vorrichtung integrieren, insbesondere in Teile eines Gehäuses einer Vorrichtung, wie zweckmäßigerweise Teile eines Gehäuses einer Sende- und/oder Empfangseinheit. Infolge der flächigen Anlage oder der gleichabständigen Anordnung zwischen dielektrischem Fenster und zumindest dem Flachteil der Antenne ist ein möglicher Phasenversatz zwischen Teilen zumindest des Flachteils der Antenne deutlich verringert. Die das dielektrische Fenster aufweisende Umhausung schützt folglich zumindest das Flachteil der Antenne ähnlich einem Radom. Im Gegensatz zu einem herkömmlichen Radom liegt das dielektrische Fenster flächig an dem Flachteil der Antenne an oder ist von diesem gleichabständig angeordnet und ist, insbesondere als Flachteil, besonders robust und platzsparend ausbildbar.
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Es versteht sich, dass mit einer nahezu gleichabständigen Anordnung eine Anordnung gemeint ist, bei welcher die Abstände von einer Flachseite der Antenne zum dielektrischen Fenster in Richtung senkrecht zur Flachseite des Flachteils entlang der Flachseite voneinander um höchstens 20 Prozent, vorzugsweise um höchstens 5 Prozent und idealerweise um höchstens 1 Prozent abweichen. Alternativ und ebenfalls bevorzugt weichen die Abstände in Richtung senkrecht zur Flachseite des Flachteils um höchstens ein Viertel, vorzugsweise höchstens ein Sechzehntel und idealerweise um höchstens ein Vierundsechzigstel der Wellenlänge, zu dessen Empfang oder Aussendung die Antenne ausgebildet ist, voneinander ab.
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Bevorzugt ist das erfindungsgemäße Antennenmodul ein Mikro-/Millimeterwellenantennenmodul, d.h., die Antenne des erfindungsgemäßen Antennenmoduls ist zum Empfang und/oder zur Abstrahlung von Mikrowellen und/oder Millimeterwellen ausgebildet.
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Idealerweise ist das Antennenmodul ein Radarantennenmodul, wobei die Antenne zweckmäßig eine Radarantenne ist.
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Zweckmäßig bildet das Flachteil der Antenne den überwiegenden Volumenanteil der Antenne. Vorzugsweise bildet das Flachteil der Antenne zumindest den überwiegenden und idealerweise den vollständigen Anteil des zur Abstrahlung und/oder zum Empfang elektromagnetischer Wellen ausgebildeten Teils der Antenne. Bevorzugt ist die Antenne eine Mikro- und/oder Millimeterwellenantenne.
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Es versteht sich, dass unter einem Flachteil nicht notwendigerweise ein einstückig und/oder einteilig handhabbares Flachteil gefasst ist. Vielmehr kann ein Flachteil auch mehrteilig aufgebaut sein.
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Vorzugsweise umfasst die Umhausung zusätzlich zu dem dielektrischen Fenster zumindest einen weiteren Umhausungsteil. Idealerweise ist der zumindest eine weitere Umhausungsteil mit, insbesondere aus, Metall gebildet. Auf diese Weise ist das erfindungsgemäße Antennenmodul besonders robust ausbildbar.
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Zweckmäßigerweise weist bei dem erfindungsgemäßen Radarantennenmodul das dielektrische Fenster eine Platte, insbesondere eine planparallele Platte, auf. In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das dielektrische Fenster eine Platte, insbesondere eine planparallele Platte. Infolge der Ausbildung mit der oder als Platte, insbesondere als planparallele Platte, sind die Flachseiten des dielektrischen Fensters von dem Flachteil der Antenne nahezu gleich beabstandet. Ein Phasenversatz von elektromagnetischen Wellen wie insbesondere Radarwellen an verschiedenen Teilen des Flachteils der Antenne ist in dieser Weiterbildung der Erfindung besonders wirksam reduziert.
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Bevorzugt weist bei dem erfindungsgemäßen Antennenmodul zumindest das Flachteil der Antenne eine Gruppenantenne mit zumindest zwei oder mehreren Antennenelementen auf oder ist eine solche Gruppenantenne. Die Gruppenantenne umfasst zweckmäßig zumindest zwei Antennenelemente. Gerade solche Gruppenantennen lassen sich mittels des dielektrischen Fensters besonders unaufwändig abdecken und zugleich zuverlässig betreiben, da der deutlich reduzierte Phasenversatz zwischen Teilen des Flachteils der Antenne einen ungehinderten Betrieb der Gruppenantenne leicht ermöglicht.
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Vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Antennenmodul das dielektrische Fenster mit einem Kunststoff, idealerweise aus einem Kunststoff, gebildet. In bevorzugter Weiterbildung ist der Kunststoff ein hochfrequenztauglicher Kunststoff mit geringem Verlustfaktor, vorzugsweise von höchstens 0,004. Zusätzlich weist der Kunststoff bevorzugt eine geringe Dielektrizitätszahl, zweckmäßig von höchstens 2,4, auf. Bevorzugt ist dieser Kunststoff mit HDPE (engl.: „high-density polyethylene“ – Polyethylen (hohe Dichte)), Teflon (gleichbedeutend: „Polytetrafluorethylen“) oder PEEK (Polyetheretherketon) gebildet oder ist HDPE, Teflon oder PEEK. Von der Antenne, zumindest dem Flachteil der Antenne, empfangene oder gesendete Signale erfahren so beim Durchdringen des Fensters eine hinreichend geringe Dämpfung verglichen mit einer gleichartig aufgebauten Antenne im Vakuum oder in Umgebungsatmosphäre.
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In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist die Dicke der Platte des dielektrischen Fensters, also die Abmessung der Platte senkrecht zu ihren Flachseiten, derart gering, dass die Abweichung der Empfangsphasen der Antenne über einen zum Betrieb erforderlichen Bereich von Einfallswinkeln weniger als 1° gegenüber einem Referenz-Antennenmodul ohne dielektrisches Fenster und/oder ohne eine die Antenne umhausende Umhausung beträgt. Zugleich ist die Dicke der Platte, wie sie oben erläutert ist, vorteilhafterweise hinreichend groß, um das Flachteil der Antenne gegen Steinschlag, Sonneneinstrahlung oder Regen zuverlässig zu schützen. Idealerweise weist die Platte eine Dicke zwischen 3 mm und 5 mm auf.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist bei dem Antennenmodul ein planer Träger vorhanden, an welchem die Antenne, zumindest das Flachteil oder mindestens ein Teil des Flachteils der Antenne, flächig anliegt, wobei der plane Träger zweckmäßig eine Leiterplatte und/oder Platine ist.
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Vorteilhaft weist das erfindungsgemäße Antennenmodul zumindest einen weiteren Umhausungsteil auf, welcher zumindest an einer dem dielektrischen Fenster abgewandten Seite zumindest des Flachteils der Antenne an diesem Flachteil flächig anliegt oder an einem planen Träger flächig anliegt, an welchem zumindest das Flachteil der Antenne flächig anliegt. In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung bildet bei dem Antennenmodul zumindest der zumindest eine weitere Umhausungsteil ein Gehäuse oder zumindest einen Teil eines Gehäuses einer Vorrichtung, insbesondere einer Sende- oder Empfangseinheit.
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Geeignet bildet bei dem erfindungsgemäßen Antennenmodul der zumindest eine weitere Umhausungsteil einen Teil eines Metallgehäuseteils und/oder eines Deckels, insbesondere eines Metalldeckels.
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Zweckmäßig weist bei dem erfindungsgemäßen Antennenmodul zumindest der zumindest eine weitere Umhausungsteil eine Ausnehmung, vorzugsweise in Gestalt einer flachen Vertiefung, insbesondere mit, zumindest bereichsweise, planem Grund, auf, in welcher zumindest ein Teil des Flachteils der Antenne und/oder zumindest ein Teil des dielektrischen Fensters befindlich ist. Idealerweise überdeckt das dielektrische Fenster zumindest zum Teil die Ausnehmung und/oder schließt das dielektrische Fenster mit zumindest einer Oberfläche des die Ausnehmung umgebenden oder des an die Ausnehmung angrenzenden Bereichs des zumindest einen weiteren Umhausungsteils flächig ab.
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Vorteilhaft ist bei dem erfindungsgemäßen Antennenmodul das dielektrische Fenster mittels eines Dichtkragens an den zumindest einen weiteren Umhausungsteil angebunden.
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Zweckmäßig schließt bei dem erfindungsgemäßen Antennenmodul das dielektrische Fenster und/oder eine Flachseite des Flachteils der Antenne mit dem zumindest einen weiteren Umhausungsteil an dessen Außenseite bündig ab.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist insbesondere eine Sende- und/oder Empfangseinheit und weist ein Gehäuse, insbesondere ein aus oder mit Metall gebildetes Gehäuse, auf, mit zumindest einem Gehäuseteil mit einem Antennenmodul wie zuvor beschrieben.
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Vorteilhaft kapselt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung das Gehäuse einen Gehäuseinnenraum.
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Bevorzugt weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine mit der Antenne signalverbundene Signalverarbeitungselektronik, insbesondere eine Auswert- und/oder Speiseelektronik, auf, die im Gehäuseinnenraum angeordnet ist.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Gehäusedeckel einer erfindungsgemäßen Empfangseinheit mit einem erfindungsgemäßen Radarantennenmodul schematisch in einer perspektivischen Darstellung,
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2 den Gehäusedeckel mit dem erfindungsgemäßen Radarantennenmodul gemäß 1 schematisch im Querschnitt und
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3 eine erfindungsgemäße Empfangseinheit mit dem Gehäusedeckel gem. 1 und 2 schematisch im Querschnitt.
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Das erfindungsgemäße Radarantennenmodul ist in einen Gehäusedeckel (1 und 2) einer erfindungsgemäßen Empfangseinheit (3) integriert.
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Der in 1 und 2 dargestellte Gehäusedeckel 5 weist einen Deckelgehäuseteil 6 aus Metall auf. Der Deckelgehäuseteil 6 weist eine plane Außenfläche 10 auf, an welcher eine Ausnehmung in Gestalt einer flachen Vertiefung 15 vorhanden ist. Die Vertiefung 15 weist einen planen Grund 2 auf, welcher planparallel zur Außenfläche 10 des Deckelgehäuseteils 6 verläuft.
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In diese Vertiefung 15 ist eine Platine 25 mit zwei zueinander planparallelen Flachseiten 27, 28 planparallel zum Grund der Vertiefung 2 eingesetzt. Die Platine 25 weist an ihrer dem Grund 2 der Vertiefung 15 abgewandten Flachseite 27 eine als Mikrowellenantenne ausgebildete Gruppenantenne 35 (in 2 und 3 nicht explizit gezeigt), bestehend aus einzelnen Antennenelementen 40, auf. Alternativ oder zusätzlich kann die Gruppenantenne 35 in weiteren, nicht eigens in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispielen als Millimeterwellenantenne ausgebildet sein. Die Gruppenantenne 35, also sämtliche Antennenelemente 40 zusammengenommen, bildet ein Flachteil, d.h. die Gruppenantenne 35 weist zwei einander abgewandte Flachseiten auf, an welchen sich die Oberfläche der Gruppenantenne 35 jeweils flächig und plan erstreckt. Eine erste Flachseite der Gruppenantenne 35 liegt an der dem Grund 2 der Vertiefung 15 abgewandten Flachseite 27 der Platine 25 flächig an. Die zweite Flachseite der Gruppenantenne 35 verläuft planparallel zur ersten Flachseite der Gruppenantenne 35 und ist der Platine 25 abgewandt.
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Die zweite Flachseite der Gruppenantenne 35 schließt im dargestellten Ausführungsbeispiel bündig mit der Außenfläche 10 des Deckelgehäuseteils 6 ab.
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An der Außenfläche 10 liegt flächig und die Vertiefung 15 vollständig überdeckend eine planparallele Kunststoffplatte 50 an. Die Kunststoffplatte 50 besteht im dargestellten Ausführungsbeispiel aus HDPE (engl.: „high-density polyethylene“ – Polyethylen (hohe Dichte)). In nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispielen besteht die Kunststoffplatte aus Teflon (gleichbedeutend: „Polytetrafluorethylen“) oder PEEK (Polyetheretherketon). Eine der Platine 25 zugewandte Flachseite 60 der Kunststoffplatte 50 liegt zudem flächig an der zweiten Flachseite der Gruppenantenne 35 anliegend an. In einem nicht eigens dargestellten Ausführungsbeispiel, welches im Übrigen dem Dargestellten entspricht, ist die Kunststoffplatte 50 mit ihrer der Platine 25 zugewandten Flachseite 60 geringfügig, d.h. 50 µm von der zweiten Flachseite der Gruppenantenne 35 beabstandet angeordnet. Die Gruppenantenne 35 ist dazu gegenüber der planen Außenfläche 10 des Deckelgehäuseteils 6 in Richtung in die Vertiefung 15 hinein um eine entsprechende Distanz zurückgenommen.
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Zusammenwirkend mit dem Deckelgehäuseteil 6 bildet die Kunststoffplatte 50 folglich eine Umhausung der Gruppenantenne 35. Der die Platine 25 überdeckende Teil der Kunststoffplatte 50 bildet ein dielektrisches Fenster der Umhausung der Gruppenantenne 35. Die Kunststoffplatte 50 ragt entlang sämtlicher flächiger Erstreckungen der Platine 25 über diese hinaus. Die Kunststoffplatte 50 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit quaderförmigem Längsschnitt längs ihrer flächigen Erstreckungen ausgebildet. Die Kunststoffplatte 50 kann jedoch auch einen anderen Längsschnitt aufweisen.
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Die Kunststoffplatte 50 ist mittels eines Dichtkragens 70, welcher sich senkrecht zur planen Außenfläche 10 des Deckelgehäuseteils 6 von dieser fortstreckt, formschlüssig an der planen Außenfläche 10 des Deckelgehäuseteils 6 gehalten. Dazu kragt der Dichtkragen 70 an der vom Deckelgehäuseteil 6 abgewandten Flachseite 65 der Kunststoffplatte 50 von ihrem Rand 75 der vom Deckelgehäuseteil 6 abgewandten Flachseite 65 entlang dieser Flachseite 65 ein.
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Der Dichtkragen 70 liegt mittels einer Dichtlippe 72 (in 3 nicht explizit dargestellt) an der Außenfläche 10 des Deckelgehäuseteils 6 dichtend an. Der Dichtkragen 70 ist mittels Gewindeschrauben (in den Figuren nicht eigens dargestellt) an dem Deckelgehäuseteil 6 befestigt.
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Der Deckelgehäuseteil 6 mit Platine 25, sowie der Kunststoffplatte 50 sowie dem Dichtkragen 70, mithin der gesamte Deckel 5 wie zuvor beschrieben, bilden gemeinsam das erfindungsgemäße Radarantennenmodul.
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Die erfindungsgemäße Empfangseinheit 100 umfasst einen Deckel 5 sowie einen mit dem Deckel 5 abgeschlossenen Gehäuseteil 105. Der mit dem Deckel 5 abgeschlossene Gehäuseteil 105 besteht aus Metall, im dargestellten Ausführungsbeispiel demselben Metall, aus welchem der Deckelgehäuseteil 6 besteht. Deckelgehäuseteil 6 und Gehäuseteil 105 bilden das Gehäuse der Empfangseinheit 100. Das Gehäuse der Empfangseinheit 100 umschließt einen Gehäuseinnenraum 140 mit einer Elektronik 150, welche zur Verarbeitung der Signale der Gruppenantenne 35 ausgebildet ist. Die Elektronik 150 ist ausgebildet, die Phase der von den einzelnen Antennenelementen 40 empfangenen Mikrowellen zu ermitteln und daraus die relative Lage der Empfangseinheit 100 relativ zu einer nicht eigens dargestellten Sendeeinheit zu bestimmen.
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Ein weiteres, nicht eigens dargestelltes Ausführungsbeispiel bildet eine erfindungsgemäße Sendeeinheit. Die Sendeeinheit ist gleich der Empfangseinheit 100 gem. 3 aufgebaut, mit Ausnahme der Elektronik 150, welche in der erfindungsgemäßen Sendeeinheit nicht zur Auswertung der von der Gruppenantenne 35 empfangenen Mikrowellensignale ausgebildet ist; vielmehr ist die Elektronik 150 in diesem Ausführungsbeispiel zur Speisung der Gruppenantenne 35 mit geeigneten Sendesignalen ausgebildet.
